Wat kunnen een kwantumfysicus, geoloog en wiskundige gemeen hebben? Natuurlijk de wens om het raadsel van het universum op te lossen! Wetenschappers hebben ontdekt dat het observeren van het gedrag van de oceanen van de aarde zelfs de verre uithoeken van de melkweg zal helpen verkennen.
Zoals we allemaal weten, zit de wetenschap vol verrassingen, en soms komen verschijnselen en concepten die op het eerste gezicht niets gemeen hebben, samen. Het lijkt erop dat wat het verband is tussen een bepaald type oceaangolven dat de klimaatcyclus van El Niño beheerst en kwantummaterialen, waarvan het onderscheidende kenmerk hun vermogen is om stroom alleen aan het oppervlak te geleiden? Natuurkundigen verzekeren ons echter dat beide verschijnselen verklaard kunnen worden door dezelfde wiskundige principes.
Hoe kwantumfysica het weer in de wereld beïnvloedt
Brad Marston, een natuurkundige aan de Brown University en de hoofdauteur van de nieuwe studie, probeerde een zeer interessante theorie te bewijzen. Naar zijn mening kan het gebruik van topologische principes zowel het fenomeen verklaren dat oceanische en atmosferische golven aan de evenaar in een soort 'val' vallen, als het feit dat de fysica van de gecondenseerde materie (een enorme tak van de fysica die het gedrag van complexe systemen bestudeert en beweert dat evolutie het systeem als geheel kan niet worden 'verdeeld' in de evolutie van de afzonderlijke delen) kan even nuttig zijn voor zowel de aarde als voor het verklaren van verschijnselen op andere planeten en manen. In eenvoudige bewoordingen: het belangrijkste doel van het werk is te bewijzen dat de principes van de kwantumfysica even geldig zijn voor onze planeet en voor andere kosmische lichamen.
Maar hoe kun je zo'n grootschalige theorie bewijzen? Om dit te doen, werkte Marston samen met Pierre Delac, een expert in de fysica van de gecondenseerde materie, en met geofysicus Antoine Venail. Wetenschappers hebben de theorie van de gecondenseerde materie toegepast op twee soorten zwaartekrachtgolven, bekend als Kelvin- en Yanai-golven, die door de zeeën en lucht rond de evenaar van de aarde reizen. Deze golvende vervormingen, honderden en duizenden kilometers lang, zenden een energie-impuls uit ten oosten van de evenaar, die een grote invloed heeft op El Niño, het systeem van schommelingen in de temperatuur van het oppervlaktewater van de Stille Oceaan, waarvan de toestand van het weer en de hoeveelheid neerslag afhangt. Dit gebeurt door de interactie van verschillende fysieke processen. Ten eerste komt de zwaartekracht in oppositie met drijfvermogen,die zorgt voor afkoeling / verwarming van lucht en water door druppeltjes onafhankelijk van elkaar. Ten tweede creëert de oostwaartse rotatie van de aarde het zogenaamde Coriolis-effect, dat ervoor zorgt dat vloeistoffen langs het aardoppervlak in tegengestelde richtingen bewegen, afhankelijk van het halfrond.
Van theorie tot … theorie
Promotie video:
Om te zien hoe de effecten op elkaar inwerken en golven vormen, volgden Marston en zijn collega's dezelfde strategie als Taro Matsuno, een wetenschapper aan de Universiteit van Tokio, die in 1966 een equatoriale "val" voor golven voorspelde. Dit is waar de kwantumfysica om de hoek komt kijken: wetenschappers vereenvoudigen de structuur van een hele oceaan en concentreren zich op een smalle band waar het Coriolis-effect ongeveer constant blijft. Maar ze doen al hun berekeningen niet voor equatoriale golven, maar voor degenen die beter vatbaar zijn voor analyse. Natuurkundigen schakelen ook over op een eenvoudiger probleem om aan te tonen dat het een antwoord op de oorspronkelijke vraag bevat, zij het impliciet.
Marston en zijn collega's bestuderen golven niet in de gewone ruimte, maar in de abstracte ruimte van alle mogelijke golven met verschillende golflengten en Coriolis-effecten. De vergelijkingen voor extreem lange golven laten twee speciale wiskundige punten zien waar de amplitude van de golf sterk varieert met de lengte. Deze punten worden "wiskundige gaten" genoemd, en er zijn er twee, aangezien de aarde twee hemisferen heeft met tegengesteld gerichte Coriolis-krachten. Als gevolg hiervan, zoals de onderzoekers opmerken op de pagina's van het Science-portaal, gedragen de hemisferen zich als twee stukken elektrisch isolatiemateriaal. Net zoals het combineren van twee elektrische isolatiematerialen stroom langs hun oppervlak mogelijk maakt, creëert het combineren van de twee hemisferen golven op hun grens - de evenaar, die afneemt naarmate de breedtegraad toeneemt. En, zoals in het geval van materiaal, de golven zijn stabiel of,zoals natuurkundigen zeggen, "topologisch beschermd" door de kenmerken van de abstracte ruimte.
De toekomst: kwantumfysica in handen van astronomen
Wat heeft astronomie ermee te maken? Volgens Marston is het principe van deze golven hetzelfde voor elke roterende planeet. Wetenschappers hebben ontdekt dat zelfs als het de vorm van een donut heeft, dit de situatie niet zal veranderen. In theorie kan dit systeem worden toegepast op andere kosmische verschijnselen, bijvoorbeeld schijven van stof en gas rond zwarte gaten, maar ook op de atmosferen van Venus en Titan, waarop ook equatoriale golven werden geregistreerd. Wetenschappers hebben dus een krachtig topologisch hulpmiddel in handen waarmee ze meer te weten kunnen komen over de geofysica van de planeet lang voordat er een sonde of een expeditiemissie naartoe wordt gestuurd.
Vasily Makarov
