To bardzo proste! Oczywiście przy założeniu, że fizykę kwantową można w ogóle określić takim mianem. Naukowcy proponują, by rozpatrywać naszą planetę jako stan materii kwantowej zwany izolatorem topologicznym. W ten sposób udało im się opracować narzędzie pozwalające na lepsze zrozumienie ruchów powietrza czy też funkcjonowania mórz i oceanów na Ziemi.
Czytaj też: Na Neptunie widnieje tajemniczy obiekt. Właśnie dostrzeżono go z Ziemi
Pośród chaosu tu panującego da się dostrzec pewne aspekty cechujące się wysoką stabilnością. To właśnie na ich podstawie można wyróżnić przemieszczające się na wschód fale Kelvina, z których istnieniem wiąże się występowanie na przykład El Niño. To ostatnie zjawisko ma gigantyczny wpływ na pogodę, dlatego jego jak najlepsze poznanie jest naprawdę kluczowe. Pomimo długoletnich starań, badacze wciąż nie mieli odpowiedzi na kilka podstawowych pytań. Dotyczyły one między innymi tego, dlaczego fale Kelvina występują akurat w obrębie równika i z jakiego powodu stale przesuwają się one na wschód.
Przełom nastąpił w 2017 roku, kiedy to fizycy zdecydowali, by rozpatrywać Ziemię jako układ kwantowy. To, mówiąc krótko, pozwoliło na wykorzystanie fizyki kwantowej do wyjaśnienia zjawisk pogodowych zachodzących na naszej planecie. Jedna z kluczowych obserwacji wykazała, iż rotacja Ziemi odchyla przepływ płynów na podobnej zasadzie, jak pola magnetyczne skręcają ścieżki elektronów poruszających się w izolatorach topologicznych. Wychodząc z tego założenia, “wystarczyło” uznać Ziemię za gigantyczny izolator topologiczny, by lepiej zrozumieć zachowanie fal Kelvina.
Fizyka kwantowa posłużyła naukowcom do tego, by zrozumieć, dlaczego fale na Ziemi rozchodzą się w taki a nie inny sposób
Oczywiście rozważania te miały wyłącznie teoretyczny charakter, dlatego potrzeba było nieco więcej fizycznych dowodów. Jak twierdzi Brad Marston z Brown University, on i jego współpracownicy byli w stanie ich dostarczyć. Marston doszukiwał się powiązań między falami geofizycznymi a elektronami poruszającymi się w polu magnetycznym, choć sposób na ich zlokalizowanie zaproponował Antoine Venaille. Dzięki zwróceniu uwagi na obszary równikowe autorzy nowych badań opisali zależność dyspersji fal wzdłuż równika, które okazały się niesamowicie podobne do dyspersji elektronów w izolatorze topologicznym.
Kolejny aspekt badań dotyczył eksperymentów z wykorzystaniem wysoce schłodzonych elektronów, których zachowanie obserwowano w obrębie pola magnetycznego. Jak wykazał ponad czterdzieści lat temu Klaus von Klitzing, schłodzone elektrony wykonują tylko połowę swojego okręgu, zanim natrafią na krawędź, by później przesuwać się wzdłuż granicy w tylko jednym kierunku. Przy skrajnie niskich temperaturach prąd krawędziowy okazał się odporny na zmiany pola magnetycznego, zaburzenia w materiale kwantowym oraz inne aspekty. Tak opisano zjawisko zwane kwantowym efektem Halla.
Czytaj też: Wzbudzenie kwantowe, jakiego jeszcze nie obserwowano. Naukowcy uwiecznili egzotyczny stan
Kilka dekad później fizycy wykorzystali dotychczasowe ustalenia i postanowili rozpatrywać Ziemię jako gigantyczny izolator topologiczny, w którym równikowe fale Kelvina zachowują się tak samo, jak prąd płynący na krawędzi materiału kwantowego. Skąd to podobieństwo? W skali makro równik pełni rolę granicy między dwoma izolatorami, czyli półkulami naszej planety. A dlaczego przemieszczają się one na wschód? To ze względu na fakt, iż na półkuli północnej rotacja Ziemi obraca płyny zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy na południowej ocean wiruje w przeciwnym kierunku.
W ramach dalszych wysiłków autorzy badań postanowili znaleźć dowody na to, że ziemskie płyny zachowują się tak samo jak elektrony w izolatorze topologicznym. Ich celem nie był jednak obszar okołorównikowy, lecz atmosfera. Występująca w niej siła Coriolisa wzbudza fale ciśnienia na podobnej zasadzie jak zachowują się fale w oceanach, a badacze zwrócili szczególną uwagę na tzw. falę grawitacyjną Poincarégo. Autorzy zakładali, że fale topologiczne powinny występować w całej atmosferze i na powierzchni oceanu. Obserwacje wykazały, iż uwiecznione przez nich skręcenie faz fal przypominało spiralne funkcje falowe w izolatorze topologicznym.