量子物理学揭晓地球天气波动的奥秘

发布时间：2023-08-02 10:01:06 所属栏目：动态来源：转载

导读： 　　借助于拓扑绝缘体这一概念，科学家成功阐释了地球上大气、海洋和行星间交互的物理学机制问题。

　　尽管我们星球的大气和海洋在暴风雨的吹拂下激荡不定，但某些特征却更加规律。

　　借助于拓扑绝缘体这一概念，科学家成功阐释了地球上大气、海洋和行星间交互的物理学机制问题。

　　尽管我们星球的大气和海洋在暴风雨的吹拂下激荡不定，但某些特征却更加规律。在赤道上，长达数千公里的波浪在混乱中持续存在。

　　在海洋和大气中，这些巨大的波浪被称为开尔文波，总是向东行进。它们推动了像厄尔尼诺这样的振荡性天气模式，即每隔几年重现的海洋温度周期性升高。

　　自上世纪60年代以来，地球物理学家一直借助数学工具解释赤道开尔文波，但对于一些科学家来说，这种解释并不完全令人满意。这些科学家希望对这种波的存在有一个更直观、更物理的解释；他们希望从基本原理的角度来理解这一现象，回答诸如：“赤道有什么特别之处，能让开尔文波在哪里传播？”以及“为什么它总是向东行进？”加利福尼亚大学的应用数学家约瑟夫·比洛表示说：“赤道地带使开尔文波得以传播的原因是什么？它为什么总是向东行进？”

　　2017年，三位物理学家对这个问题提出了不同类型的思考。他们首先将我们的星球想象成一个量子系统，最终在气象学和量子物理学之间建立了一种意想不到的联系。事实证明，地球的旋转以一种类似于磁场如何扭曲通过被称为拓扑绝缘体的量子材料的电子路径的方式来转向流体的流动。如果你将地球想象成一个巨大的拓扑绝缘体，你就可以解释赤道开尔文波的起源。

　　但尽管这个理论是行之有效的，它仍然只是理论而已。没有人进行了直接的观测验证。现在，在一份最近发表的新的预印本论文中，一组物理学家描述了扭曲大气波的直接测量——这正是支持拓扑理论所需的确凿证据。这项工作已经帮助科学家使用拓扑的语言描述其他系统，并可能为地球上的波浪和天气模式带来新的洞察。

　　论文作者之一、布朗大学物理学家布拉德·马斯顿表示说：“这是对这些拓扑理论的直接证实，从实际观测中获得的。”“我们实际上生活在一个拓扑绝缘体中。”

　　英国埃克塞特大学的应用数学家杰弗里·瓦利斯评价这项研究成果表示说，这一最新结果是一个重大进展，将为人们对地球流体系统提供“基础性的理解”。

　　有两种方式可以来描述这个故事。第一种方式与水有关，始于威廉·汤姆森，又名开尔文勋爵。1879年，他注意到英吉利海峡的潮汐在法国海岸线上比英国一侧强烈。汤姆森意识到这种观察结果可以通过地球的旋转来解释。当地球自转时，会产生一种称为科氏力的力，使得各个半球的流体呈不同的旋转方向：北半球为顺时针，南半球为逆时针。这个现象将英吉利海峡的水推向法国海岸线，迫使波浪沿着海岸线流动。现在我们称之为沿海开尔文波，这些波浪在世界各地都有观测到，北半球的波浪在陆地周围顺时针流动（波浪的右侧是海岸线），而南半球则逆时针。

　　然而，几乎已经过了一个世纪过去了，这些科学家们才逐渐发现了更大的赤道波动，并将它们与沿海海面上的开尔文大小不一的波周期性地联系起来。

　　这发生在1966年，当时气象学家塔罗·松野正在对靠近地球赤道的流体（包括大气和水）的行为进行数学建模。通过计算，松野表明开尔文波在赤道上也应该存在。在海洋中，它们不再推向海岸线，而是与来自相反半球的水碰撞，而这些水以相反的方向旋转。根据松野的数学，由此产生的赤道波应该向东流动，而且应该非常巨大——长达数千公里。

　　1968年，科学家首次观测到了松野预测的巨大赤道开尔文波。气象学家乔治·基拉迪斯表示，这是“地球物理流体理论先于发现的几次之一”。基拉迪斯和他的一位同事随后验证了松野的另一个预测，他们将开尔文波的长度与其摆动频率（称为色散关系）相关联，并发现它与松野的方程式相符。

　　因此，数学行之有效地描述了赤道波确实存在，正如预测的那样。但松野的方程并不能完全解释这些波的一切。它们对于所有人来说都不足以作为一个解释；仅仅因为你能理解一个方程，并不意味着你理解了它。比洛说：“你对这个‘为什么’真的满意吗？”

　　事实证明，这个“为什么”隐藏在量子领域——地球物理学家很少涉足的地方。同样，大多数量子物理学家通常不会研究地球物理流体的奥秘。但马斯顿是个例外。他的职业生涯始于凝聚态物理学，但他对气候物理学和地球海洋和大气流体行为也很好奇。马斯顿怀疑地球物理波与在磁场中移动的电子之间存在联系，但他不知道从哪里找到这个联系——直到他的同事安托万·文内尔建议他看看赤道。然后，马斯顿注意到赤道上的波的色散关系（基拉迪斯已经测量过）与拓扑绝缘体中的电子的色散关系非常相似。任何凝聚态物理学家“都会立即认出来”，马斯顿说，“如果我一直关注地球的赤道地区，我会更早意识到这一点。”

　　这是描述这个故事的第二种方式，与近期发现的拓扑绝缘体中电子的量子行为有关。

　　1980年，一位名叫克劳斯·冯·克利青的量子物理学家想知道当电子在磁场中被冷却到足够低的温度时，它们的行为会如何改变，以使它们的量子本质显现出来。他已经知道，试图穿过磁场的电子会偏离其运动方向，最终沿着圆形轨迹运动。但他不知道当引入量子成分时，这种情况会发生什么变化。

　　克利青将他的电子冷却到接近绝对零度。正如他所猜测的，当电子靠近材料的边缘时，它们只完成了一半的圆周运动，然后撞上边缘。然后它们沿着边界迁移，单向运动。它们沿着边界的运动形成了一个边缘电流。克利青发现，在超低温下，当电子的量子性变得相关时，边缘电流出奇地强大：它不受施加的磁场变化、量子材料中的杂质或实验中的任何其他缺陷的影响。他发现了一种被称为量子霍尔效应的现象。

　　在接下来的几年里，物理学家们意识到边缘电流的抗干扰性暗示了物理学中一个被广泛认可的概念。当一个物体被拉伸、压缩或以其他方式变形而不破裂时，而其特征保持不变，我们就说这个物体是“拓扑保护”的。例如，如果你将一张纸条扭曲一圈，然后将两端连接起来，无论如何拉伸这个形状，扭曲的次数都不会改变。唯一改变扭曲次数的方法是切割莫比乌斯带。因此，带的螺旋数1是一个拓扑保护的特征。

　　现在我们回到实验上来。当冯·克利青的超低温材料内部的电子在磁场中旋转时，它们的波函数（描述它们波动性质的量子描述）扭曲成了类似于莫比乌斯带的形状。由于某种物理上的技巧，内部的拓扑扭曲转化为了在边界上无阻尼流动的边缘电流。换句话说，边缘电流的抗干扰性是由内部电子的扭曲所创造的拓扑保护特性。像克利青的超低温样品这样的材料现在被称为拓扑绝缘体，因为尽管它们的内部是绝缘体，但拓扑允许电流在它们的边缘流动。

　　当马斯顿和他的同事研究地球的赤道开尔文波时，他们看到了一种规律性，使他们怀疑这些波是否类似于拓扑绝缘体中的边缘电流。

　　2017年，马斯顿与法国里昂高等师范学校的皮埃尔·德尔普拉斯和安托万·文内尔一起观察到，科氏力将地球上的流体旋转，就像磁场将克利青的电子旋转一样。在行星版本的拓扑绝缘体中，赤道开尔文波就像量子材料边缘的电流一样。这些巨大的波浪在赤道周围传播，因为赤道是两个绝缘体（半球）之间的边界。它们向东流动，因为在北半球，地球的旋转使流体顺时针旋转，在南半球，海洋则以相反的方向旋转。

　　比洛表示说：“这是任何人提供的第一个对开尔文波为什么存在的非平凡答案。”对他来说，这三个物理学家使用了广泛而基本的原则来解释这一现象，而不仅仅是平衡数学方程中的项。

　　文内尔甚至认为拓扑描述可能解释了为什么地球的赤道开尔文波似乎异常强大，即使在紊乱和混沌的环境中——地球的多变天气下也能坚持下去。他解释说，它们能够抵御干扰，就像拓扑绝缘体的边缘电流在没有耗散的情况下流动，而不受材料中的杂质影响。

　　尽管有了理论工作，拓扑系统与地球的赤道波之间的联系仍然是间接的。科学家们已经看到了东流的波浪，但他们还没有看到类似于旋转的内部电子的任何东西，而在量子系统中，这将是边界波的稳健性的根源。为了证实地球流体在最大尺度上表现为拓扑绝缘体中电子的行为，团队需要在赤道以外的地方找到拓扑扭曲波。

　　2021年，马斯顿和他的中国同事许韦萱（Weixuan Xu，当时她在布朗大学）及其他人着手寻找这些扭曲波。为此，他们研究了地球大气中的压力波，其中科氏力以与搅动海洋水相似的方式激起压力波。在寻找过程中，团队针对一种特定类型的波——称为庞加莱引力波——将注意力集中在了平流层中，这是大气中约10公里高的区域（如果他们的理论正确，马斯顿说，这些扭曲的拓扑波应该存在于整个大气和海洋表面。只是他们在相对平静的平流层中实际找到它们的机会最大）。

　　他们首先研究了来自欧洲中期天气预报中心的ERA5数据集，该数据集收集了来自卫星、地面传感器和气象气球的大气数据，并与气象模型结合。团队在这些数据集中确定了庞加莱引力波。然后，他们将波浪的高度与其水平运动的速度进行比较。当他们计算出这些波浪之间的相位偏移（称为波动振荡之间的相位）时，科学家们发现比例并不总是相同的。它取决于波浪的确切长度。当他们在一个抽象的“波矢空间”中绘制相位时——这在量子物理学中经常发生，但在地球科学中并不常见——他们看到相位呈螺旋状，并形成了一个涡旋：波动相位中的扭曲类似于拓扑绝缘体中的螺旋波函数。虽然有点抽象化，但这是他们一直在寻找的标志。“我们实际上证明了这个理论是正确的，”该研究论文第一作者许韦萱表示说。

　　布朗大学的应用数学家杰弗里·瓦利斯评价说：“这是一个重大进展。”他表示，这项研究不仅为地球物理流体系统提供了基础性的理解，而且还可能揭示了地球波浪和天气模式的新的洞察。该团队的目标是开发一种新的方法，使用来自太阳的能量来驱动海洋中的波浪，从而在未来几年内实现这一目标。
　　

（编辑：好传媒网）

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