Александр Филиппов - Многоликий солитон

• Название: Многоликий солитон
• Автор: Александр Филиппов
• Издательство: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит.
• Жанр: Физика
• Год: 1990
• ISBN: 5-02-014405-3

Одно из наиболее удивительных и красивых волновых явлений — образование уединенных волн, или солитонов, распространяющихся в виде импульсов неизменной формы и во многом подобных частицам. К солитонным явлениям относятся, например, волны цунами, нервные импульсы и др.

В новом издании (1-е изд. — 1985 г.) материал книги существенно переработан с учетом новейших достижений.

Для школьников старших классов, студентов, преподавателей.

---

Конечно, и успехи науки, и ее неудачи связаны с историческими условиями развития общества, на которых мы не можем задерживать внимание читателя. Не случайно именно в то время возник такой напор новых идей, что наука и общество не успевали их осваивать.

Развитие науки в разных странах шло неодинаковыми путями.

Во Франции научная жизнь объединялась и оргaнизовывалась Академией до такой степени, что работа, не замеченная и не поддержанная Академией или хотя бы известными академиками, имела мало шансов заинтересовать ученых. Зато уж работы, попавшие в поле зрения Академии, поддерживались и развивались. Это иногда вызывало протесты и возмущение со стороны молодых ученых. В статье, посвященной памяти Абеля, его друг Сеги писал: «Даже в случае Абеля и Якоби благосклонность Академии означала не признание несомненных заслуг этих молодых ученых, а скорее стремление поощрить исследование некоторых проблем, касающихся строго определенного круга вопросов, за пределами которого, по мнению Академии, не может быть прогресса науки и нельзя сделать никаких ценных открытий... Мы же скажем совсем другое: молодые ученые, не слушайте никого, кроме вашего собственного внутреннего голоса. Читайте труды гениев и размышляйте над ними, но ни когда не превращайтесь в учеников, лишенных собственного мнения... Свобода взглядов и объективность суждений — таков должен быть ваш девиз». (Пожалуй, «не слушать никого» — полемическое преувеличение, «внутренний голос» не всегда прав.)

Во множестве мелких государств, находившихся на территории будущей германской империи (лишь к 1834 г. были закрыты таможни между большинством этих государств), научная жизнь была сосредоточена в многочисленных университетах, в большинстве которых велась также исследовательская работа. Именно там в это время начали складываться школы ученых и выходило большое число научных журналов, которые постепенно стали главным средством общения между учеными, неподвластным пространству и времени. Их образцу следуют и современные научные журналы.

На Британских островах не было ни академии французского типа, пропагандировавшей признанные ею достижения, ни таких научных школ, как в Германии. Большинство английских ученых работало в одиночку *). Этим одиночкам удавалось прокладывать совершенно новые пути в науке, но их работы часто оставались совершенно неизвестными, особенно когда они не были посланы в журнал, а были лишь доложены на заседаниях Королевского общества. Жизнь и открытия эксцентричного вельможи и гениального ученого, лорда Генри Кавендиша (1731—1810), работавшего в полном одиночестве в собственной лаборатории и опубликовавшего лишь две работы (остальные, содержавшие открытия, переоткрытые другими лишь десятки лет спустя, были найдены и опубликованы Максвеллом), особенно ярко иллюстрируют эти особенности науки в Англии на рубеже ХVIII—ХIХ вв. Такие тенденции в научной работе сохранялись в Англии довольно продолжительное время. Например, уже упоминавшийся лорд Рэлей также работал как любитель, большую часть своих опытов он выполнил в своей усадьбе. Этим «любителем», помимо книги о теории звука, было написано больше четырехсот работ! Несколько лет работал в одиночестве в своем родовом гнезде и Максвелл.

*) Не нужно воспринимать это слишком буквально. Любой ученый нуждается в постоянном общении с другими учеными. В Англии центром такого общения было Королевское общество, которое также располагало немалыми средствами для финансирования научных исследований.

В результате, как писал об этом времени английский историк науки, «наибольшее число совершенных по форме и содержанию трудов, ставших классическими... принадлежит, вероятно, Франции; наибольшее количество научных работ было выполнено, вероятно, в Германии; но среди новых идей, которые на протяжении века оплодотворяли науку, наибольшая доля, вероятно, принадлежит Англии». Последнее утверждение вряд ли можно отнести к математике. Если же говорить о физике, то это суждение кажется не слишком далеким от истины. Не забудем также, что современником Рассела *) был великий Чарльз Дарвин, который родился на год позже и умер в один год с ним.

*) Большинство упоминаемых нами современников, вероятно, были знакомы друг с другом. Разумеется, члены Королевского общества встречались на заседаниях, но, кроме того, они поддерживали и личные связи. Например, известно, что Чарльз Дарвин бывал на приемах у Чарльза Бэббеджа, который со студенческих лет дружил с Джоном Гершелем, который близко знал Джона Рассела, и т. д.

В чем же причина успехов исследователей-одиночек, почему они смогли прийти к настолько неожиданным идеям, что многим другим не менее одаренным ученым они казались не просто неправильными, а даже почти безумными? Если сопоставить Фарадея и Дарвина — двух великих естествоиспытателей первой половины прошлого века, то бросается в глаза их необычайная независимость от учений, господствовавших в то время, доверие собственным зрению и разуму, великая изобретательность в постановке вопросов и стремление до конца понять то необычное, что им удалось наблюдать. Важно и то, что образованное общество не равнодушно к научным изысканиям. Если и нет понимания, то есть интерес, и вокруг первооткрывателей и новаторов обычно собирается кружок поклонников и сочувствующих. Даже у непонятого и ставшего к концу жизни мизантропом Бэббеджа были любящие и ценящие его люди, его понимал и высоко ценил Дарвин, близким его сотрудником и первым программистом его аналитической машины стала выдающийся математик, дочь Байрона, леди Ада Августа Лавлейс. Бэббеджа также ценил Фарадей и другие выдающиеся люди его времени.

Общественное значение научных исследований уже стало понятным многим образованным людям, и это иногда помогало получать ученым необходимые средства, несмотря на отсутствие централизованного финансирования науки. К концу первой половины ХVIII в. Королевское общество и ведущие университеты располагали большими средствами, чем любые ведущие научные учреждения на континенте. «...Плеяда выдающихся ученых-физиков, как Максвелл, Рэлей, Томсон... не могла бы возникнуть, если бы... в Англии в то время не существовало бы культурной научной общественности, правильно оценивающей и поддерживающей деятельность ученых» (П. Л. Капица).

Глава 2 БОЛЬШАЯ УЕДИНЕННАЯ ВОЛНА ДЖОНА СКОТТА РАССЕЛА

Богатство мира в оригинальных людях... Воспоминание

об этих людях и история их жизни — сумма его силы,

его священная собственность на вечные времена.

Т. Карлейль

Если обдумать все, что мы вспомнили или узнали о науке того времени, то становится ясно, что наблюдение и научное описание уединенной волны не столь уж случайны. Удивительно, скорее, то впечатление, которое произвела эта волна на ее первооткрывателя, посвятившего ей значительную часть своей богатой событиями жизни. Здесь судьба явления связана с судьбой человека, его открывшего, и стоит немного познакомиться с его жизнью. Открытие уединенной волны не описано в курсах истории физики, математики и механики, и имени Рассела нет в справочниках о биографиях выдающихся деятелей этих наук. Первое жизнеописание Рассела появилось лишь в 1977 г.: «Джон Скотт Рассел — великий инженер и кораблестроитель викторианской эпохи». Ее автор, английский профессор Дж. Эмерсон, испытывал немалые трудности из-за «бедности первоисточников и обескураживающе сильного стирающего влияния времени». Мы познакомимся лишь с основными событиями его жизни, связанными с историей солитона.

До роковой встречи

Дж. С. Рассел родился в Шотландии недалеко от Глазго в семье священника. Отец надеялся, что сын пойдет по его стопам, но очень рано обнаружилась склонность мальчика к точным наукам, и он стал изучать их в трех шотландских университетах (из существовавших тогда четырех). Он слушал лекции в университетах Эдинбурга, Глазго и Сент-Андрю (самый старый университет в Шотландии, основан в 1411 г., находится вблизи Эдинбурга) и окончил первоначальный курс наук, получив в 16 лет степень бакалавра *).

*) в Англии это низшая университетская степень, получаемая после окончания двух-трех курсов; следующая степень после окончания учебы в университете — магистр, а затем — доктор соответствующих наук.

Столь раннее начало в то время не было редкостью. Например, Томас Юнг, к 14 годам в совершенстве владевший десятью языками, в 20 лет публикует первую научную работу и в 22 года он уже доктор медицины. Гамильтон в 13 лет уже владеет тринадцатью языками, а в 16 лет читает «Небесную механику» Лапласа и находит в ней ошибку. В Шотландии вообще было принято поступать в университет в возрасте 16—17 лет, но особо одаренные дети начинали учебу и раньше. Уильям Томсон в 8 лет посещает в университете Глазго лекции своего отца, профессора математики. В десятилетнем возрасте он официально зачислен студентом университета, а в 15 лет публикует первую научную работу. В 21 год он заканчивает еще и Кембриджский университет, а в 22 года уже становится профессором физики в Глазго. Максвелл по традиции поступил в Эдинбургский университет в возрасте 16 лет, но годом раньше он уже опубликовал в трудах Эдинбургского Королевского общества свою первую научную статью об овальных кривых. В 19 лет он заканчивает Эдинбургский университет, а еще через три года — Кембриджский. Это тоже было традицией, так как образование, приобретенное в шотландских университетах, ценилось меньше, чем то, которое получали студенты в «главных» университетах Британских островов — Кембриджском и Оксфордском. В возрасте 25 лет Максвелл уже профессор Абердинского университета (четвертый шотландский университет).