Dünyamızın hava düzeni gözle görülür bir şekilde salınımlı bir yapıya sahip ve bu durum yaşadığımız iklim değişikliklerine, hava olaylarına büyük ölçüde etki ediyor. Ben bir kuantum fizikçisi değilim ve bu karmaşık konuyu tam anlamıyla kavrayamıyorum. Bu nedenle, kuantum fizikçilerin bu salınımlı hava düzenini nasıl açıkladığına ilişkin bilgiler almak istiyorum. Hangi kuantum teorileri veya prensipleri bu durumu açıklamak için kullanılıyor? Kuantum mekaniklerinin bu konudaki perspektifi nedir?
Fizikçiler, Dünya’yı topolojik bir yalıtkan (kuantum maddenin bir durumu) olarak ele alarak gezegenin hava ve denizlerinin hareketleri için güçlü bir açıklama buldular.
Sıcaklığa göre renklenen Dünya’nın okyanus akıntıları bükülüyor ve girdap oluşturuyor. Bu akıntılardan bazıları çalkantılı ve kaotik görünüyor, ancak diğerleri düzenli ve istikrarlı ve büyük ölçekli periyodik hava modellerini besliyorlar.
Gezegenimizin havasının ve denizlerinin büyük bir kısmı fırtınanın isteğiyle hareketlenirken, bazı özellikler çok daha düzenlidir. Ekvatordaki kaosun ortasında binlerce kilometre uzunluğunda dalgalar varlığını sürdürüyor.
Kelvin dalgaları olarak adlandırılan bu devasa dalgalar hem okyanusta hem de atmosferde daima doğuya doğru ilerler. Ve okyanus sıcaklıklarının birkaç yılda bir tekrarlayan periyodik ısınması olan El Niño gibi salınımlı hava koşullarını körüklüyorlar.
Jeofizikçiler 1960’lardan bu yana ekvatoral Kelvin dalgaları için matematiksel bir açıklamaya dayandılar, ancak bazıları için bu açıklama tamamen tatmin edici değildi. Bu bilim insanları dalgaların varlığına ilişkin daha sezgisel, fiziksel bir açıklama istiyorlardı; olguyu temel ilkeler açısından anlamak ve şu tür sorulara yanıt vermek istiyorlardı: Ekvatorda bir Kelvin dalgasının orada dolaşmasına izin veren bu kadar özel olan şey nedir? Ve “neden hep doğuya gidiyor?” Davis Kaliforniya Üniversitesi’nden uygulamalı matematikçi Joseph Biello şöyle dedi :
2017 yılında üç fizikçi bu probleme farklı bir düşünce tarzı uyguladı. Gezegenimizi bir kuantum sistemi olarak hayal ederek başladılar ve sonunda meteoroloji ile kuantum fiziği arasında alışılmadık bir bağlantı kurdular. Görünen o ki, Dünya’nın dönüşü, sıvıların akışını, manyetik alanların, topolojik yalıtkanlar olarak adlandırılan kuantum malzemeleri boyunca hareket eden elektronların yollarını nasıl büktüğüne benzer bir şekilde saptırıyor. Gezegeni dev bir topolojik yalıtkan olarak hayal ederseniz, ekvator Kelvin dalgalarının kökenini açıklayabileceğinizi söylediler.
Ancak teori işe yaramış olsa da hâlâ sadece teorikti. Hiç kimse bunu doğrudan gözlemsel olarak doğrulamamıştı. Şimdi, yeni bir ön baskıda, bilim adamlarından oluşan bir ekip, bükülen atmosferik dalgaların doğrudan ölçümünü anlatıyor ; topolojik teoriyi desteklemek için gereken tam kanıt türü. Bu çalışma, bilim adamlarının diğer sistemleri tanımlamak için topoloji dilini kullanmalarına zaten yardımcı oldu ve Dünya’daki dalgalar ve hava durumu modelleri hakkında yeni anlayışlara yol açabilir.
Brown Üniversitesi’nden fizikçi ve yeni makalenin yazarı Brad Marston , “Bu, gerçek gözlemlerden derlenen bu topolojik fikirlerin doğrudan doğrulanmasıdır” dedi . “Aslında topolojik bir yalıtkanın içinde yaşıyoruz.”
Çalışmada yer almayan Birleşik Krallık’taki Exeter Üniversitesi’nden uygulamalı matematikçi Geoffrey Vallis, yeni sonucun Dünya’nın akışkan sistemlerine ilişkin “temel bir anlayış” sağlayacak önemli bir ilerleme olduğunu söyledi.
Suyun Şekli
Bu hikayeye başlamanın iki yolu var. İlki tamamen suyla ilgili ve Lord Kelvin olarak da bilinen William Thomson ile başlıyor. 1879’da Manş Denizi’ndeki gelgitlerin Fransız kıyı şeridinde İngiliz kıyısına göre daha güçlü olduğunu fark etti. Thomson bu gözlemin Dünya’nın dönüşüyle açıklanabileceğini fark etti. Gezegen döndükçe Coriolis kuvveti adı verilen ve her yarım küredeki sıvıların farklı yönlerde girdap yapmasına neden olan bir kuvvet üretir: kuzeyde saat yönünde, güneyde saat yönünün tersine. Bu olay, Manş Denizi’ndeki suyu Fransız kıyı şeridine doğru itiyor ve dalgaların kıyı boyunca akmasına neden oluyor. Artık kıyı Kelvin dalgaları olarak bilinen bu dalgalar, kuzey yarımkürede kara kütleleri etrafında saat yönünde (kıyı şeridi dalganın sağ tarafında olacak şekilde) ve güney yarımkürede saat yönünün tersine akarak dünyanın her yerinde gözlemlendi.
Daha sonra Lord Kelvin olarak bilinen William Thomson, 19. yüzyıl İngiliz mühendisi, matematikçisi ve matematiksel fizikçisiydi. Manş Denizi’ndeki gelgit gözlemleri Kelvin dalgalarının keşfine yol açtı.
— T. & R. Annan & Sons
Ancak bilim adamlarının çok daha büyük ekvator dalgalarını keşfetmesi ve bunları kıyıdaki Kelvin dalgalarına bağlaması neredeyse bir yüzyıl alacaktı.
Bu, 1966’da meteorolog Taroh Matsuno’nun Dünya’nın ekvatoruna yakın akışkanların (hem hava hem de su) davranışını matematiksel olarak modellemesi sırasında gerçekleşti. Matsuno yaptığı hesaplamalarla Kelvin dalgalarının ekvatorda da olması gerektiğini gösterdi . Denizde, kıyı şeridine doğru ilerlemek yerine, karşı yarımküreden gelen ve ters yönde dönen suyla çarpışacaklardı. Matsuno’nun matematiğine göre, ortaya çıkan ekvator dalgaları doğuya doğru akmalı ve binlerce kilometre uzunluğunda devasa büyüklükte olmalıdır.
Bilim adamları, 1968’de devasa ekvator Kelvin dalgalarını ilk kez gözlemledikleri zaman Matsuno’nun tahminlerini doğruladılar. Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi’nden meteorolog George Kiladis , “[jeofizik sıvı] teorisinin keşiften önce ortaya çıktığı birkaç durumdan biriydi” dedi . Kiladis ve bir meslektaşı daha sonra, bir Kelvin dalgasının uzunluğunu, onun kıpırtılarının frekansıyla (dağılım ilişkisi olarak bilinen bir özellik) ilişkilendirerek Matsuno’nun bir başka öngörüsünü doğruladılar ve Matsuno’nun denklemleriyle eşleştiğini buldular.
Yani matematik işe yaradı. Ekvator dalgaları tahmin edildiği gibi mevcuttu. Ancak Matsuno’nun denklemleri dalgalarla ilgili her şeyi açıklamıyordu. Ve bunlar herkes için yeterli bir açıklama değildi; Bir denklemi çözebilmeniz onu anladığınız anlamına gelmez. “'Neden’den gerçekten memnun musun?” dedi Biello.
Ekvator Kelvin dalgalarından beslenen bir hava durumu modeli olan El Niño-Güney Salınımı, belirli bir bölgede deniz yüzeyi sıcaklıkları ortalamanın üzerinde olduğunda meydana gelir. Ekim 2015’e ait bu görüntüde, bu sıcak yüzey sıcaklıkları turuncu ve kırmızı renklerle temsil ediliyor.
Kıvrımlar ve Girdaplar
Bunun nedeninin, jeofizikçilerin nadiren ayak bastığı kuantum alanında saklandığı ortaya çıktı. Benzer şekilde, çoğu kuantum fizikçisi genellikle jeofizik sıvıların gizemlerini ele almaz. Ancak Marston bir istisnaydı. Kariyerine yoğun madde fiziği alanında başladı ama aynı zamanda iklim fiziği ve sıvıların Dünya’nın okyanusları ve atmosferindeki davranışları hakkında da merak duyuyordu. Marston, jeofizik dalgalar ile manyetik alan içerisinde hareket eden elektronlar arasında bir bağlantı olduğundan şüpheleniyordu ancak bunu nerede bulacağını bilmiyordu; ta ki meslektaşı Antoine Venaille ekvatora bakmayı önerene kadar. Marston daha sonra ekvator boyunca dalgaların dağılım ilişkisinin (Kiladis’in ölçtüğü) bir topolojik yalıtkandaki elektronların dağılım ilişkisine oldukça benzer göründüğünü fark etti. Marston, herhangi bir yoğun madde fizikçisinin “bunu hemen tanıyacağını” söyledi. “Dünyanın ekvator bölgelerine dikkat etseydim bunu çok daha erken fark ederdim.”
Topolojik yalıtkanlardaki elektronların kuantum davranışının nispeten yakın zamanda keşfedilmesiyle hikaye ikinci kez başlıyor.
1980 yılında Klaus von Klitzing adlı bir kuantum fizikçisi, elektronların kuantum doğalarının ortaya çıkmasına yetecek kadar soğutulduklarında manyetik alanda nasıl davrandıklarını bilmek istedi. Manyetik alanı geçmeye çalışan bir elektronun hareket yönünden saptığını ve sonunda daireler çizerek hareket ettiğini zaten biliyordu. Ancak kuantum bileşenini tanıttığında bunun nasıl değişebileceğini bilmiyordu.
Von Klitzing elektronlarını neredeyse mutlak sıfıra kadar soğuttu. Şüphelendiği gibi, bir malzemenin kenarında, elektronlar kenara doğru koşmadan önce dairelerinin yalnızca yarısını tamamlıyorlar. Daha sonra tek bir yönde hareket ederek bu sınır boyunca göç ederler. Sınır boyunca hareketleri bir kenar akımı yaratır. Von Klitzing, süper soğuk sıcaklıklarda, elektronların kuantum doğası geçerli hale geldiğinde, kenar akımının şaşırtıcı derecede sağlam olduğunu buldu : Uygulanan manyetik alandaki değişikliklere, kuantum malzemesindeki düzensizliğe ve deneydeki diğer kusurlara karşı bağışıktır. Kuantum Hall etkisi adı verilen bir olguyu keşfetmişti.
Sonraki birkaç yıl içinde fizikçiler, uç akımın bağışıklığının, fizikte artık yaygın olarak tanınan bir kavramın işareti olduğunu fark ettiler. Bir nesne gerildiğinde veya ezildiğinde veya başka bir şekilde kırılmadan deforme olduğunda ve özellikleri aynı kaldığında, nesnenin “topolojik olarak korunduğu” söylenir. Örneğin bir kağıt şeridini bir kez büküp iki ucunu birleştirerek Möbius şeridi yaparsanız, şekil ne kadar uzatılırsa uzatılsın bükülme sayısı değişmez. Bükümü değiştirmenin tek yolu Möbius şeridini kesmektir. Yani şeridin sarım numarası 1, topolojik olarak korunan bir özelliktir.
Deneye geri dönelim. Von Klitzing’in aşırı soğutulmuş malzemesinin içindeki elektronlar manyetik alanda dönerken, dalga fonksiyonları (dalga benzeri doğalarının kuantum tanımı) Möbius şeridi gibi bir şeye büküldü. Bir tür fizik oyunuyla, iç mekandaki topolojik kıvrımlar, dağılmadan akan bir kenar akımına dönüştü. Başka bir deyişle, kenar akımının bağışıklığı, bükülen iç elektronların yarattığı topolojik olarak korunan bir özellikti. Von Klitzing’in aşırı soğutulmuş numuneleri gibi malzemelere artık topolojik yalıtkanlar deniyor çünkü bunların iç kısımları yalıtkan olsa da topoloji, akımın kenarları boyunca akmasına izin veriyor.
Marston ve meslektaşları Dünya’nın ekvatoral Kelvin dalgalarına baktıklarında, dalgaların topolojik yalıtkandaki kenar akımına benzer olup olmadığını merak etmelerine neden olan bir düzenlilik gördüler.
Marston, 2017 yılında Fransa’nın Lyon kentindeki École Normale Supérieure’de fizikçi olan Pierre Delplace ve Venaille ile birlikte Coriolis kuvvetinin, manyetik alanın von Klitzing’in elektronlarını döndürmesi gibi Dünya üzerindeki sıvıları döndürdüğünü gözlemledi . Bir topolojik yalıtkanın gezegensel versiyonunda, ekvatoral Kelvin dalgaları kuantum malzemenin kenarından akan akıma benzer. Bu muazzam dalgalar ekvatorun etrafında yayılır çünkü burası iki yalıtkan olan yarımküreler arasındaki sınırdır. Ve doğuya doğru akıyorlar çünkü kuzey yarımkürede Dünya’nın dönüşü sıvıları saat yönünde döndürüyor, güney yarımkürede ise okyanus diğer yönde dönüyor.
Biello, “Bu, Kelvin dalgasının neden var olması gerektiğine dair herhangi birinin verdiği ilk önemsiz cevaptı” dedi. Ona göre üçlü, bu olguyu matematiksel denklemlerdeki terimleri basitçe dengelemek yerine geniş, temel ilkeleri kullanarak açıklamıştı.
Hatta Venaille, topolojik tanımlamanın, Dünya’nın ekvatoral Kelvin dalgalarının, türbülans ve kaos (gezegenimizin değişken hava durumu) karşısında bile neden şaşırtıcı derecede güçlü göründüğünü açıklayabileceğini düşünüyor. Topolojik yalıtkanın kenar akımının dağılmadan ve malzemedeki yabancı maddelere bakılmaksızın akması gibi, bunların da karışıklıklara karşı dayanıklı olduğunu açıkladı.
Havanın Şekli
Teorik çalışmalara rağmen topolojik sistemler ile Dünya’nın ekvator dalgaları arasındaki bağlantı hala dolaylıydı. Bilim insanları doğuya doğru akan dalgaları görmüştü. Ancak henüz bir kuantum sisteminde sınır dalgalarının sağlamlığının orijinal kaynağı olabilecek, dönen iç elektronlara benzer bir şey görmemişlerdi. En büyük ölçekte, Dünya’nın sıvılarının topolojik yalıtkandaki elektronlar gibi davrandığını doğrulamak için ekibin ekvatordan daha uzak bir yerde topolojik olarak bükülmüş dalgalar bulması gerekiyordu.
2021’de Marston, o zamanlar Brown Üniversitesi’nde çalışan Weixuan Xu ve meslektaşlarıyla birlikte bu bükülmüş dalgaları bulmak için yola çıktı. Bunu yapmak için Coriolis kuvvetinin okyanus suyunu harekete geçirdiği gibi basınç dalgalarını harekete geçirdiği Dünya atmosferine baktılar. Ekip, araştırmaları için, atmosferin yaklaşık 10 kilometre yukarısındaki bir bölge olan stratosferde bulunan, Poincaré yerçekimi dalgası adı verilen belirli bir dalga türünü hedef aldı. (Marston, eğer teorileri doğruysa, bu bükülmüş topolojik dalgaların atmosfer boyunca ve okyanus yüzeyinde var olması gerektiğini söyledi. Sadece onları stratosferin nispeten sakin ortamında bulma şansı en yüksekti.)
Uydulardan, yer tabanlı sensörlerden ve hava balonlarından atmosferik verileri alan ve bunları meteorolojik modellerle birleştiren Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi’nin ERA5 veri setini tarayarak başladılar. Ekip, bu veri setlerinde Poincaré-yerçekimi dalgalarını belirledi. Daha sonra dalgaların yüksekliğini yatay hareketlerinin hızıyla karşılaştırdılar. Bilim insanları, dalga salınımları arasındaki faz olarak adlandırılan bu dalgalanmalar arasındaki dengeyi hesapladıklarında oranın her zaman aynı olmadığını gördüler. Dalganın tam uzunluğuna bağlıydı. Aşamayı soyut bir "dalga vektör uzayı"nda çizdiklerinde (kuantum fiziğinde her zaman yapılan, ancak yer bilimlerinde pek sık yapılmayan bir şey) fazın kendi etrafında spiral çizdiğini ve bir girdap oluşturduğunu gördüler: Dalgaların fazlarındaki bükülme topolojik yalıtkandaki spiral dalga fonksiyonlarına benziyordu . Her ne kadar biraz soyutlanmış olsa da aradıkları özellik buydu. Xu, “Aslında teorinin doğru olduğunu kanıtladık” dedi.
Brown Üniversitesi’nde yoğun madde fizikçisi olan Brad Marston, Dünya’daki sıvı akışının bazı özelliklerinin geleneksel olarak kuantum sistemlerine uygulanan ilkelerle açıklanabileceğini buldu.
— Ariel Green
Çalışma ekibinde yer almayan Kiladis, bu dalgaların daha önce hiç bu şekilde analiz edilmediğini söyleyerek çalışmayı “büyük bir atılım” olarak nitelendirdi. Bir e-postada şöyle yazdı: “Benim düşünceme göre bu, atmosferik dalgalar hakkında muhtemelen yeni anlayışlara yol açacak farklı bir bakış açısı sağlayacaktır.” “Alabileceğimiz her türlü yardıma ihtiyacımız var!”
Topolojik Bir Gezegen
Bu son çalışmalar, bilim adamlarının bir dizi başka akışkanda topolojiyi incelemesinin kapısını açtı. Daha önce bu malzemeler, kuantum malzemeleriyle önemli bir özelliği paylaşmadıkları için sınırların dışındaydı: atomların periyodik düzeni. Birleşik Krallık’taki Bath Üniversitesi’nden teorik fizikçi Anton Souslov , “Topolojinin periyodik düzen olmaksızın akışkan sistemlerde tanımlanabildiğini görmek beni şaşırttı” dedi. 2017 tarihli makaleden ilham alan Souslov, kullanılabilecek diğer araçların geliştirilmesine yardımcı oldu. Sıvılarda topolojiyi inceleyin.
Şimdi diğer bilim insanları, en küçük ölçekteki parçacıkların hareketleri ile gezegensel (hatta daha büyük) ölçeklerdeki sıvıların hareketleri arasındaki bağlantıları arıyorlar. Araştırmacılar, mıknatıslanmış plazmalardan kendinden tahrikli parçacık koleksiyonlarına kadar sıvılarda topoloji üzerinde çalışıyor; Delplace ve Venaille, yıldız plazmasının dinamiklerinin de topolojik yalıtkanlara benzeyip benzemediğini merak ediyorlar. Ve bu tür içgörüler bir gün jeofizikçilerin Dünya üzerindeki büyük ölçekli hava durumu modellerinin ortaya çıkışını daha iyi tahmin etmelerine yardımcı olabilirken, çalışma halihazırda topolojinin geniş bir sistem yelpazesinde oynadığı rolün daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunuyor.
Geçtiğimiz Aralık ayında, Cambridge Üniversitesi’nden kuantum teorisyeni David Tong , Thomson’ın kullandığı akışkan denklemlerin aynısını inceledi. Ancak bu sefer onları topolojik bir perspektiften ele aldı. Tong, Dünya’daki sıvıları yeniden kuantum Hall etkisine bağlamayı başardı, ancak farklı bir yaklaşımla, kuantum alan teorisinin dilini kullanarak. Akışkan akışı denklemlerindeki değişkenleri değiştirdiğinde, bu denklemlerin, elektronların manyetik alanda nasıl hareket ettiğini açıklayan Maxwell-Chern-Simons teorisine eşdeğer olduğunu buldu. Dünyanın akışına ilişkin bu yeni görüşte, bir dalganın yüksekliği manyetik alana, hızı ise elektrik alanına karşılık gelir. Tong, çalışmasıyla Thomson’un ilk keşfettiği kıyıdaki Kelvin dalgalarının varlığını açıklayabildi.
Bu fikirler hep birlikte, yoğun maddeden Dünya üzerinde akan sıvılara kadar topolojinin fiziksel dünyamızdaki her yerde mevcut olduğunu vurguluyor. Marston, “Bu tür paralel yaklaşımlara sahip olmak harika bir şey” dedi.
En büyük resimde, Dünya’yı topolojik bir yalıtkan olarak ele almanın, büyük ölçekli hava durumu modellerinin gizemlerini çözüp çözmeyeceği, hatta belki de yeni jeofizik keşiflere yol açıp açmayacağı hala belirsiz. Şimdilik bu, karasal olayların basit bir yeniden yorumlanmasıdır. Ancak onlarca yıl önce topolojinin yoğunlaştırılmış maddeye uygulanması aynı zamanda fenomenlerin yeniden yorumlanması anlamına da geliyordu; Von Klitzing, kuantum malzemedeki kenar akımının esnekliğini keşfetti ancak bunun topolojiyle bir ilgisi olduğu hakkında hiçbir fikri yoktu. Daha sonra diğer fizikçiler onun keşfini topolojik bir açıklamaya sahip olacak şekilde yeniden yorumladılar ve bu da bir dizi yeni kuantum olgusunu ve maddenin evrelerini ortaya çıkardı.
Souslov, “Bu tür bir yeniden yorumlama başlı başına önemli bir ilerlemedir” dedi.
Kaynak (Teşekkürler): https://www.quantamagazine.org/how-quantum-physics-describes-earths-weather-patterns-20230718