Qu'est-ce qu'un physicien quantique, un géologue et un mathématicien peuvent avoir en commun? Bien sûr, l'envie de résoudre l'énigme de l'univers! Les scientifiques ont découvert que l'observation du comportement des océans de la Terre aidera à explorer même les coins les plus éloignés de la galaxie.
Comme nous le savons tous, la science est pleine de surprises, et parfois des phénomènes et des concepts qui à première vue n'ont rien de commun y convergent. Il semblerait, quel est le lien entre un certain type de vagues océaniques qui régit le cycle climatique El Niño et les matériaux quantiques, dont la particularité est leur capacité à conduire le courant uniquement à la surface? Les physiciens nous assurent cependant que ces deux phénomènes peuvent être expliqués par les mêmes principes mathématiques.
Comment la physique quantique affecte le temps dans le monde
Brad Marston, physicien à l'Université Brown et principal auteur de la nouvelle étude, a tenté de prouver une théorie très intéressante. À son avis, l'utilisation de principes topologiques peut expliquer à la fois le phénomène selon lequel les ondes océaniques et atmosphériques à l'équateur tombent dans une sorte de «piège», et le fait que la physique de la matière condensée (une immense branche de la physique qui étudie le comportement de systèmes complexes et revendique cette évolution le système dans son ensemble ne peut pas être «divisé» en l'évolution de ses parties individuelles) peut être également utile à la fois pour la Terre et pour expliquer des phénomènes sur d'autres planètes et lunes. En termes simples: l'objectif principal du travail est de prouver que les principes de la physique quantique sont également valables pour notre planète et pour d'autres corps cosmiques.
Mais comment prouver une telle théorie à grande échelle? Pour ce faire, Marston s'est associé à Pierre Delac, expert en physique de la matière condensée, ainsi qu'au géophysicien Antoine Venail. Les scientifiques ont appliqué la théorie de la matière condensée à deux types d'ondes gravitationnelles, appelées ondes Kelvin et Yanai, qui traversent les mers et l'air autour de l'équateur terrestre. Ces distorsions ondulantes, longues de centaines et de milliers de kilomètres, transmettent une impulsion d'énergie à l'est de l'équateur, qui affecte grandement El Niño, le système de fluctuations de la température des eaux de surface de l'océan Pacifique, dont dépend l'état de la météo et la quantité de précipitations. Cela se produit en raison de l'interaction de plusieurs processus physiques. Premièrement, la force de gravité entre en opposition avec la flottabilité,ce qui provoque le refroidissement / réchauffement de l'air et de l'eau en raison de gouttelettes indépendantes les unes des autres. Deuxièmement, la rotation vers l'est de la Terre crée le soi-disant effet Coriolis, qui provoque le déplacement des fluides le long de la surface de la Terre dans des directions opposées en fonction de l'hémisphère.
De la théorie à … la théorie
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Pour voir comment les effets interagissent les uns avec les autres et forment des vagues, Marston et ses collègues ont suivi la même stratégie que Taro Matsuno, un scientifique de l'Université de Tokyo, qui avait prédit un «piège» équatorial pour les vagues en 1966. C'est là qu'intervient la physique quantique: les scientifiques simplifient la structure d'un océan entier et se concentrent sur une bande étroite sur laquelle l'effet Coriolis reste à peu près constant. Mais ils font tous leurs calculs non pas pour les ondes équatoriales, mais pour celles qui se prêtent mieux à l'analyse. Les physiciens passent également à un problème plus simple pour démontrer qu'il contient une réponse à la question initiale, quoique implicitement.
Marston et ses collègues étudient les ondes non pas dans l'espace ordinaire, mais dans l'espace abstrait de toutes les ondes possibles avec différentes longueurs d'onde et effets de Coriolis. Les équations pour les ondes extrêmement longues montrent deux points mathématiques spéciaux où l'amplitude de l'onde varie considérablement avec sa longueur. Ces points sont appelés "trous mathématiques", et il y en a deux, car la Terre a deux hémisphères avec des forces de Coriolis dirigées de manière opposée. En conséquence, comme le notent les chercheurs sur les pages du portail Science, les hémisphères se comportent comme deux morceaux de matériau isolant électrique. Tout comme la combinaison de deux matériaux isolants électriques permet au courant de circuler le long de leur surface, la combinaison de deux hémisphères crée des ondes à leur frontière - l'équateur, qui diminue avec l'augmentation de la latitude. Et, comme dans le cas du matériau, les ondes sont stables ou,comme le disent les physiciens, «protégés topologiquement» par les caractéristiques de l'espace abstrait.
L'avenir: la physique quantique entre les mains des astronomes
Qu'est-ce que l'astronomie a à voir avec cela? Selon Marston, le principe de ces ondes est le même pour toute planète en rotation. Les scientifiques ont constaté que même s'il a la forme d'un beignet, cela ne changera pas la situation. En théorie, ce système peut être appliqué à d'autres phénomènes cosmiques, par exemple les disques de poussière et de gaz autour des trous noirs, ainsi qu'aux atmosphères de Vénus et de Titan, sur lesquelles des ondes équatoriales ont également été enregistrées. Ainsi, les scientifiques ont entre leurs mains un outil topologique puissant qui leur permettra de se renseigner sur la géophysique de la planète bien avant qu'une sonde ou une mission d'expédition ne lui soit envoyée.
Vasily Makarov
