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通过将地球视为一种拓扑绝缘体——一种量子物质状态——物理学家们为行星大气和海洋的运动提供了强有力的解释。

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。

如图所示NASA科学家根据地球洋流的不同温度的颜色所体现的洋流扭曲和旋转。其中一些洋流看起来汹涌而混乱，但另一些洋流则有序而稳定，这些洋流助长了大规模的周期性天气模式

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，能让开尔文波在那里传播？”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？”

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”。

水的形状

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。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，几乎一个世纪过去了，科学家们才发现了更大的赤道波动，并将它们与沿海开尔文波联系起来。

这发生在年，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。

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？”

扭曲和漩涡

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

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