Was können ein Quantenphysiker, Geologe und Mathematiker gemeinsam haben? Natürlich der Wunsch, das Rätsel des Universums zu lösen! Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Beobachtung des Verhaltens der Ozeane der Erde dazu beitragen wird, auch die entfernten Ecken der Galaxie zu erkunden.
Wie wir alle wissen, steckt die Wissenschaft voller Überraschungen, und manchmal laufen Phänomene und Konzepte zusammen, die auf den ersten Blick nichts gemeinsam haben. Es scheint, welche Verbindung besteht zwischen einer bestimmten Art von Meereswellen, die den El Niño-Klimazyklus bestimmen, und Quantenmaterialien, deren charakteristisches Merkmal ihre Fähigkeit ist, Strom nur an der Oberfläche zu leiten? Die Physiker versichern uns jedoch, dass diese beiden Phänomene durch dieselben mathematischen Prinzipien erklärt werden können.
Wie die Quantenphysik das Wetter auf der Welt beeinflusst
Brad Marston, Physiker an der Brown University und Hauptautor der neuen Studie, versuchte, eine sehr interessante Theorie zu beweisen. Seiner Meinung nach kann die Verwendung topologischer Prinzipien sowohl das Phänomen erklären, dass ozeanische und atmosphärische Wellen am Äquator in eine Art "Falle" geraten, als auch die Tatsache, dass die Physik der kondensierten Materie (ein riesiger Zweig der Physik, der das Verhalten komplexer Systeme untersucht und diese Evolution behauptet) Das System als Ganzes kann nicht in die Entwicklung seiner einzelnen Teile "unterteilt" werden. Es kann sowohl für die Erde als auch für die Erklärung von Phänomenen auf anderen Planeten und Monden gleichermaßen nützlich sein. In einfachen Worten: Das Hauptziel der Arbeit ist es zu beweisen, dass die Prinzipien der Quantenphysik für unseren Planeten und für andere kosmische Körper gleichermaßen gelten.
Aber wie kann man eine so groß angelegte Theorie beweisen? Zu diesem Zweck arbeitete Marston mit Pierre Delac, einem Experten für Festkörperphysik, sowie mit dem Geophysiker Antoine Venail zusammen. Wissenschaftler haben die Theorie der kondensierten Materie auf zwei Arten von Gravitationswellen angewendet, die als Kelvin- und Yanai-Wellen bekannt sind und sich durch die Meere und die Luft um den Erdäquator bewegen. Diese hügeligen Verzerrungen, die Hunderte und Tausende von Kilometern lang sind, übertragen einen Energieimpuls östlich des Äquators, der El Niño stark beeinflusst - das System von Temperaturschwankungen in den Oberflächengewässern des Pazifischen Ozeans, von dem der Wetterzustand und die Niederschlagsmenge abhängen. Dies geschieht aufgrund des Zusammenspiels mehrerer physikalischer Prozesse. Erstens tritt die Schwerkraft mit Auftrieb in Konflikt,Dies bewirkt eine Kühlung / Erwärmung von Luft und Wasser durch voneinander unabhängige Tröpfchen. Zweitens erzeugt die Rotation der Erde nach Osten den sogenannten Coriolis-Effekt, der dazu führt, dass sich Flüssigkeiten je nach Hemisphäre in entgegengesetzte Richtungen entlang der Erdoberfläche bewegen.
Von der Theorie zur … Theorie
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Um zu sehen, wie die Effekte miteinander interagieren und Wellen bilden, verfolgten Marston und seine Kollegen dieselbe Strategie wie Taro Matsuno, ein Wissenschaftler an der Universität von Tokio, der 1966 eine äquatoriale "Falle" für Wellen vorhersagte. Hier kommt die Quantenphysik ins Spiel: Wissenschaftler vereinfachen die Struktur eines ganzen Ozeans und konzentrieren sich auf ein schmales Band, über das der Coriolis-Effekt in etwa konstant bleibt. Aber sie berechnen alle ihre Berechnungen nicht für äquatoriale Wellen, sondern für diejenigen, die besser für Analysen geeignet sind. Physiker wechseln auch zu einem einfacheren Problem, um zu demonstrieren, dass es eine Antwort auf die ursprüngliche Frage enthält, wenn auch implizit.
Marston und seine Kollegen untersuchen Wellen nicht im gewöhnlichen Raum, sondern im abstrakten Raum aller möglichen Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Coriolis-Effekten. Die Gleichungen für extrem lange Wellen zeigen zwei spezielle mathematische Punkte, an denen die Amplitude der Welle mit ihrer Länge stark variiert. Diese Punkte werden "mathematische Löcher" genannt, und es gibt zwei davon, da die Erde zwei Hemisphären mit entgegengesetzt gerichteten Coriolis-Kräften hat. Wie die Forscher auf den Seiten des Wissenschaftsportals bemerken, verhalten sich die Hemisphären daher wie zwei elektrische Isolierstücke. So wie die Kombination zweier elektrischer Isoliermaterialien den Stromfluss entlang ihrer Oberfläche ermöglicht, erzeugt die Kombination der beiden Halbkugeln Wellen an ihrer Grenze - dem Äquator, der mit zunehmendem Breitengrad abnimmt. Und wie beim Material sind die Wellen stabil oderwie Physiker sagen, "topologisch geschützt" durch die Merkmale des abstrakten Raumes.
Die Zukunft: Quantenphysik in den Händen von Astronomen
Was hat Astronomie damit zu tun? Laut Marston ist das Prinzip dieser Wellen für jeden rotierenden Planeten dasselbe. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass dies die Situation nicht ändern wird, selbst wenn es die Form eines Donuts hat. Theoretisch kann dieses System auf andere kosmische Phänomene angewendet werden, beispielsweise auf Staub- und Gasscheiben um Schwarze Löcher sowie auf die Atmosphären von Venus und Titan, die ebenfalls äquatoriale Wellen aufzeichneten. So haben Wissenschaftler ein leistungsfähiges topologisches Werkzeug in der Hand, mit dem sie die Geophysik des Planeten kennenlernen können, lange bevor eine Sonde oder eine Expeditionsmission an ihn gesendet wird.
Wassili Makarow
