СОЛИТОН

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Известно, что гигантские волны в океане — цунами, обрушиваясь на берег, приносят разрушения. В отличие от обычных волн, где горбы и впадины повторяются в пространстве, следуя друг за другом, цунами может иметь только один горб, который перемещается на огромные расстояния практически без затухания. Этот пример дает представление о уединенной волне — солитоне.

Такие волны впервые изучал в 30-х гг. прошлого столетия в Эдинбурге Джон Рассел, будущий известный кораблестроитель. В то время для перевозки грузов широко использовалась система узких каналов, по которым лошади тянули баржи. Рассел обратил внимание, что иногда при резкой остановке баржи вода, увлеченная ее движением, отрывалась от баржи и образовывался горб высотой в несколько десятков сантиметров, который двигался по каналу, не затухая, на большие расстояния.

Теоретически такие волны были исследованы в 1890 г. датскими учеными Д. Кортевегом и Г. де Вризом. При определенных свойствах среды уединенные волны могут распространяться в ней, не меняя своей формы. Такие условия возникают, например, на поверхности воды, когда длина волны больше, чем глубина. При этом скорость распространения волны v зависит от глубины h и приближенно определяется формулой: v = √(gh). Для глубины h = 10 м получаем: v = 35 км/ч. Волна может образоваться перед кораблем при его движении с такой скоростью. Причиной уединенных волн могут быть землетрясения, когда происходят поперечные сдвиги слоев воды.

Важная особенность таких уединенных волн — их способность проходить друг через друга, не изменяя своей формы. Допустим, две волны движутся с разными скоростями в одну сторону. Тогда через некоторое время эти волны обязательно столкнутся, провзаимодей-ствуют между собой и снова разойдутся. Форма волны после этого останется точно такой же, какой она была до столкновения.

Уравнение Кортевега — де Вриза описывает многие волновые процессы в физике плазмы, твердых тел, сверхпроводников, элементарных частиц. Соответствующие уединенные волны также называют солитонами.

Очень интересный пример солитонов дает сверхпроводимость. Если разделить две пленки сверхпроводника тонким слоем диэлектрика, то получается так называемый элемент Джозефсона (см. Джозефсона эффект). Магнитное поле, параллельное плоскости пленок, проникает в джозефсоновский элемент отдельными сгустками, окруженными кольцевыми токами — вихрями. Оказывается, эти вихри обладают свойствами солитонов: они могут двигаться вдоль перехода, проходить друг через друга, не разрушаясь. Такие вихри предполагается использовать в сверхпроводящих ЭВМ.