Как квантовая физика помогает изучать далекие планеты

Что может объединить специалиста по квантовой физике, геолога и математика? Конечно, стремление разгадать загадку Вселенной! Ученые выяснили, что наблюдение за поведением океанов Земли поможет исследовать даже отдаленные уголки галактики. 

Как все мы знаем, наука полна сюрпризов, и порой в ней сходятся явления и понятия, которые на первый взгляд не имеют ничего общего. Казалось бы, какая связь между определенным типом океанических волн, управляющим климатическим циклом Эль-Ниньо, и квантовыми материалами, отличительная особенность которых заключается в их способности проводить ток только поверхностной частью? Физики, тем не менее, уверяют нас, что оба этих явления можно объяснить одними и теми же математическими принципами.

Брэд Марстон, физик из Университета Брауна, и главный автор нового исследования, попытался доказать весьма интересную теорию. По его мнению, использование топологических принципов может объяснить как феномен того, что океанические и атмосферные волны на экваторе попадают в своего рода «ловушку», так и то, что физика конденсированного состояния (огромный раздел физики, изучающий поведение сложных систем и утверждающий, что эволюцию системы в целом нельзя «разделить» на эволюцию отдельных ее частей) может быть одинаково полезен как для Земли, так и для объяснения явлений на других планетах и лунах. Говоря простым языком: основная цель работы сводится к доказательству того, что принципы квантовой физики одинаково справедливы и для нашей планеты, и для прочих космических тел.

Но как доказать такую масштабную теорию? Для этого Марстон объединился с Пьером Делэком, специалистом в области физики конденсированного состояния, а также с геофизиком Антуаном Венайлом. Ученые применили теорию конденсированного состояния к двум типам гравитационных волн, известных как волны Кельвина и Янаи, которые распространяются по морям и воздуху около экватора Земли. Эти волнообразные искажения протяженностью в сотни и тысячи километров передают энергетический импульс восточнее экватора, что в значительной степени влияет на Эль-Ниньо — систему колебаний температуры поверхностных вод Тихого океана, от которой зависит состояние погоды и количество осадков. Происходит это благодаря взаимодействию нескольких физических процессов. Во‑первых, сила тяжести вступает в противодействие с плавучестью, что вызывает охлаждение\нагрев воздуха и воды за счет независимых друг от друга капель. Во‑вторых, вращение Земли на восток создает так называемый эффект Кориолиса, который заставляет жидкости перемещаться по поверхности Земли в противоположных направлениях в зависимости от полушария.

Чтобы увидеть, как эффекты взаимодействуют друг с другом и формируют волны, Марстон и его коллеги следовали той же стратегии, что и Таро Мацуно, ученый Токийского университета, который еще в 1966 году предсказал экваториальную «ловушку» для волн. Вот здесь в дело и вступает квантовая физика: ученые упрощают структуру целого океана и сосредотачивают свое внимание на узкой полосе, на протяжении которой эффект Кориолиса остается примерно постоянным. Но все расчеты они ведут не для экваториальных волн, а для тех, которые лучше поддаются анализу. Физики также переключаются на более простую задачу, чтобы продемонстрировать, что она содержит ответ на оригинальный вопрос, пускай и неявно.

Марстон и его коллеги изучают волны не в обычном пространстве, а в абстрактном пространстве всех возможных волн с разными длинами волн и эффектами Кориолиса. Уравнения для чрезвычайно длинных волн показывают две особые математические точки, где амплитуда волны сильно изменяется с ее длиной. Эти точки называются «математическими дырами», и их две, поскольку у Земли два полушария с противоположно направленными силами Кориолиса. В результате, как отмечают исследователи на страницах портала Science, полушария ведут себя как два куска электроизоляционного материала. Подобно тому, как объединение двух электроизоляционных материалов позволяет току течь вдоль их поверхности, объединение двух полушарий приводит к появлению волн на их границе — экваторе, которая уменьшается с увеличением широты. И, как и в случае материала, волны устойчивы или, как говорят физики, «топологически защищены» особенностями абстрактного пространства.

При чем же тут астрономия? По словам Марстона, принцип действия этих волн одинаков для любой вращающейся планете. Ученые установили, что даже если та будет в форме пончика, ситуацию это не изменит. Эту систему в теории можно применить и к другим космическим явлениям, к примеру дискам из пыли и газа вокруг черных дыр, а также к атмосферам Венеры и Титана, на которых тоже были зафиксированы экваториальные волны. Таким образом, в руках у ученых оказывается мощный топологический инструмент, который позволит узнать о геофизике планеты задолго до того, как на нее отправят зонд или экспедиционную миссию.