それらは、科学的に考えられる 2 つのものとほぼ同じくらい離れています:エルニーニョ気候サイクルを駆動するのに役立つ一種の海の波と、特に奇妙な物理学のおかげで、絶縁内部を持ち、それに沿って電流を伝導する量子物質です。水面。しかし、ラテラル シンキングの注目すべきケースでは、2 つの異なる現象は、穴のある形状の同じトポロジカル数学で説明できると、物理学者のチームが報告しています。
この研究を率いたブラウン大学の物理学者、ブラッド・マーストンは、「私は、これら 2 つの分野が実際には非常に密接に関連していると主張しようとしてきました。海洋と大気の波が赤道で閉じ込められる理由を説明することに加えて、この研究は、凝縮物質物理学 (コンピュータ チップを構成する半導体などの液体と固体の研究) と地球科学が相互受粉する可能性があることも示唆しています。トポロジーを使用して他の惑星や月の波、またはガスと塵の天体物理ディスクの波を説明するなど、他の方法.
新しい研究のために、マーストンはリヨン高等師範学校の凝縮物質物理学者ピエール・デルプラスと地球物理学者アントワーヌ・ヴェナイユとチームを組んだ。チームは、地球の赤道近くの海と空気を伝播できるケルビン波とヤナイ波として知られる 2 種類の波に凝縮物質理論を適用しました。どちらも波長が数百または数千キロメートルの起伏であり、赤道に沿って東にエネルギーを運び、エルニーニョ、熱帯暴風雨システム、およびその他の気象パターンに寄与しています。それらは、2 つの物理的プロセスの相互作用から生じます。まず、重力は浮力と競合し、冷たい空気や水を沈め、暖かい空気や水を上昇させ、空気や海水の塊を独立して上下に動かします.第 2 に、東への地球の自転は、いわゆるコリオリ効果を生み出します。これにより、地球の表面上を移動する流体は、半球に応じて反対方向に向きを変えます。
これらの効果が波を駆動するためにどのように組み合わされるかを確認するために、マーストンと彼の同僚は、1966 年に赤道に閉じ込められた波を予測した東京大学の大気科学者である松野太郎と同じ数学的アプローチに従います。彼らは海洋の垂直構造を単純化します。または大気であり、コリオリ効果がほぼ一定のままである狭い緯度帯に焦点を当てます。しかし、彼らはほとんどの地球科学者が一歩後退したと考えていることをとります。彼らは、赤道の波ではなく、高緯度で発生するより簡単に分析できるクラスの波について方程式を解きます。
これは、物性物理学者が日常的に使用するトリックです。彼らはより単純な問題に切り替えて、元のパズルに対する答えが暗黙のうちに含まれていることを示します。マーストンと同僚は、通常の空間ではなく、さまざまな波長とコリオリ効果のすべての可能な波の抽象的な空間で波を研究しています。非常に長い波の方程式は、波の振幅が波長によって大きく変化する 2 つの数学的特異点を示しています。これらの特異点は数学的な穴であり、トポロジカル絶縁体でも発生します。マーストンは、地球には反対のコリオリ効果を持つ 2 つの半球があるため、それらが 2 つあると言います。
その結果、半球はそのような物質の 2 つのスラブのように振る舞います。研究者は、本日 Science に掲載された論文で発見しました。 . 2 つの電気絶縁材料を一緒にすると、その表面に沿って電流が流れるようになるのと同じように、2 つの半球を一緒にすると、それらの境界面 (赤道) で波が発生し、緯度が上がるにつれて消滅します。そして、物質の場合と同様に、波は堅牢です。または、物理学者が言うように、抽象空間の特異点によって「トポロジー的に保護されている」.
トポロジカルなアプローチは問題を最小限の事実に還元します、とマーストンは言います:地球は回転しており、コリオリ力が方向を変える赤道があります。ダイナミクスのすべての詳細が失われます。 「技術的な観点から、私たちの計算は松野が 1966 年に行ったものよりもはるかに簡単です」と彼は言います。どんなに回転している惑星でも、どんなに奇妙な形をしていても、これらの波があります。チームは、架空のドーナツ型の惑星でも出現したことを発見しました.
マーストンと彼の同僚は、星やブラックホールの周りのガスと塵の円盤、赤道波も示す金星とタイタンの大気など、他のシステムに同じアイデアを適用したいと考えている.彼らの研究に触発されて、ニューヨークのシラキュース大学の理論家であるクリスティーナ・マルケッティと彼女の同僚は最近、鳥の群れや他の集団がコリオリのような効果をどのように経験できるかを研究しました。 「トポロジカル現象を特定し、その結果を研究するためにアンテナを調整し始めたことは素晴らしいことです」と、イギリスのリーズ大学の物性物理学者であるジャンニス・パチョスは言います。しかし、何人かの地球物理学者は、その理由付けが難解であることに気付いたと言います。ケルビン波を研究しているメルボルンのオーストラリア気象局のマシュー・ウィーラーは、「私はそれの多くを理解していなかったことを認めなければなりません.おそらく、2 つのコミュニティは 2 つの半球のようなもので、真ん中で出会う場所を見つける必要があります.
