Cosa possono avere in comune un fisico quantistico, un geologo e un matematico? Certo, la voglia di risolvere l'enigma dell'universo! Gli scienziati hanno scoperto che l'osservazione del comportamento degli oceani terrestri aiuterà a esplorare anche gli angoli più lontani della galassia.
Come tutti sappiamo, la scienza è piena di sorprese, e talvolta in essa convergono fenomeni e concetti che a prima vista non hanno nulla in comune. Sembrerebbe, qual è la connessione tra un certo tipo di onde oceaniche che governa il ciclo climatico di El Niño e i materiali quantistici, la cui caratteristica distintiva è la loro capacità di condurre corrente solo sulla superficie? I fisici, tuttavia, ci assicurano che entrambi questi fenomeni possono essere spiegati dagli stessi principi matematici.
Come la fisica quantistica influenza il clima del mondo
Brad Marston, un fisico alla Brown University e l'autore principale del nuovo studio, ha cercato di dimostrare una teoria molto interessante. A suo avviso, l'uso di principi topologici può spiegare sia il fenomeno che le onde oceaniche e atmosferiche all'equatore cadono in una sorta di "trappola", sia il fatto che la fisica della materia condensata (una vasta sezione di fisica che studia il comportamento di sistemi complessi e afferma che l'evoluzione il sistema nel suo insieme non può essere "diviso" nell'evoluzione delle sue singole parti) può essere ugualmente utile sia per la Terra che per spiegare fenomeni su altri pianeti e lune. In termini semplici: l'obiettivo principale del lavoro è dimostrare che i principi della fisica quantistica sono ugualmente validi per il nostro pianeta e per altri corpi cosmici.
Ma come dimostrare una teoria così ampia? Per fare questo, Marston ha collaborato con Pierre Delac, un esperto di fisica della materia condensata, nonché con il geofisico Antoine Venail. Gli scienziati hanno applicato la teoria della materia condensata a due tipi di onde gravitazionali, note come onde Kelvin e Yanai, che viaggiano attraverso i mari e l'aria attorno all'equatore terrestre. Queste distorsioni ondulate, lunghe centinaia e migliaia di chilometri, trasmettono un impulso energetico a est dell'equatore, che influisce notevolmente su El Niño, il sistema di fluttuazioni della temperatura delle acque superficiali dell'Oceano Pacifico, da cui dipende lo stato del tempo e l'entità delle precipitazioni. Ciò accade a causa dell'interazione di diversi processi fisici. In primo luogo, la forza di gravità entra in opposizione con la galleggiabilità,che provoca il raffreddamento / riscaldamento dell'aria e dell'acqua a causa di goccioline indipendenti l'una dall'altra. In secondo luogo, la rotazione verso est della Terra crea il cosiddetto effetto Coriolis, che fa muovere i fluidi lungo la superficie terrestre in direzioni opposte a seconda dell'emisfero.
Dalla teoria alla … teoria
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Per vedere come gli effetti interagiscono tra loro e formano le onde, Marston ei suoi colleghi hanno seguito la stessa strategia di Taro Matsuno, uno scienziato dell'Università di Tokyo, che aveva predetto una "trappola" equatoriale per le onde nel 1966. È qui che entra in gioco la fisica quantistica: gli scienziati semplificano la struttura di un intero oceano e si concentrano su una banda stretta su cui l'effetto di Coriolis rimane approssimativamente costante. Ma fanno tutti i loro calcoli non per le onde equatoriali, ma per quelle che sono meglio suscettibili di analisi. I fisici passano anche a un problema più semplice per dimostrare che contiene una risposta alla domanda originale, sebbene implicitamente.
Marston ei suoi colleghi studiano le onde non nello spazio ordinario, ma nello spazio astratto di tutte le possibili onde con diverse lunghezze d'onda ed effetti di Coriolis. Le equazioni per onde estremamente lunghe mostrano due punti matematici speciali in cui l'ampiezza dell'onda varia notevolmente con la sua lunghezza. Questi punti sono chiamati "buchi matematici" e ce ne sono due, poiché la Terra ha due emisferi con forze di Coriolis dirette in modo opposto. Di conseguenza, come notano i ricercatori sulle pagine del portale Science, gli emisferi si comportano come due pezzi di materiale isolante elettrico. Proprio come la combinazione di due materiali isolanti elettrici consente alla corrente di fluire lungo la loro superficie, la combinazione dei due emisferi crea onde al loro confine - l'equatore, che diminuisce con l'aumentare della latitudine. E, come nel caso del materiale, le onde sono stabili o,come dicono i fisici, "topologicamente protetto" dalle caratteristiche dello spazio astratto.
Il futuro: la fisica quantistica nelle mani degli astronomi
Cosa c'entra l'astronomia? Secondo Marston, il principio di queste onde è lo stesso per qualsiasi pianeta in rotazione. Gli scienziati hanno scoperto che anche se ha la forma di una ciambella, questo non cambierà la situazione. In teoria, questo sistema può essere applicato ad altri fenomeni cosmici, ad esempio, dischi di polvere e gas attorno ai buchi neri, nonché alle atmosfere di Venere e Titano, su cui sono state registrate anche le onde equatoriali. Pertanto, gli scienziati hanno un potente strumento topologico nelle loro mani che permetterà loro di conoscere la geofisica del pianeta molto prima che una sonda o una missione di spedizione venga inviata ad esso.
Vasily Makarov
