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, не у всех жизнь складывалась так легко. Путь в науку Рассела не был простым, но по его началу можно судить, что Джон был довольно одаренным юношей.

После окончания университета он два года работает на фабрике, затем преподает в Эдинбурском университете, и его лекции пользуются успехом у студентов. В 1832—1833 гг. он читает курс лекций по натурфилософии вместо скончавшегося профессора Лесли.

Джон Лесли (1766—1832) был известным ученым, наибольшее признание заслужили его исследования по испусканию и поглощению тепла и изобретенные им приборы. Приглашение двадцатичетырехлетнего Рассела читать лекции вместо Лесли говорит о том, что его знания и педагогические способности ценились достаточно высоко. Тем не менее на место Лесли был избран профессором сверстник Рассела Джемс Дэвид Форбс (1809—1868), который начал вести экспериментальную работу по физике и впоследствии приобрел известность исследованиями в теории теплопереноса и ледников. Профессор Форбс первым сумел оценить талант Максвелла. Он докладывал Эдинбургскому Королевскому обществу первую научную работу юноши и впоследствии предложил ему принять участие в конкурсе на вакантное место профессора физики в Абердинском университете.

Расселу, видимо, не была суждена спокойная университетская карьера. В 1838 г. он еще раз попробовал стать профессором Эдинбургского университета. На этот раз освободилась должность профессора математики, но несмотря на рекомендации самого Гамильтона, аттестовавшего Рассела как «человека талантливого, активного и изобретательного», получить ему эту должность также не удалось. Почему так сложилось, мы не знаем. Возможно, что Рассел был слишком независимым, беспокойным и увлекающимся человеком для академической карьеры. В 1857 г. Максвелл, тогда уже профессор Абердинского университета, написал о системе подбора профессоров в шотландских университетах: «...Они хотят иметь профессорами угодных им людей, заинтересованных в преподавании того, что выгодно определенному узкому кругу... Их легче подчинить влиянию родителей и местной прессы». Так или иначе, но жизнь Рассела в результате пошла по иному, более беспокойному пути.

Тем временем он изобрел паровой экипаж, и в 1834 г. была даже основана Шотландская компания паровых экипажей. Она просуществовала недолго, но благодаря работе в этой компании Рассел приобрел некоторую известность как талантливый инженер-изобретатель. Когда другая компания (Union canal Company) решила заняться навигацией паровых судов по каналу, соединяющему Эдинбург и Глазго, ему предложили исследовать возможности осуществления этого предприятия. Там и состоялось первое знакомство Рассела с уединенной волной, о котором он впервые доложил в 1838 г. Подробное описание этого наблюдения и выполненных им экспериментов было опубликовано в 1844 г. («Доклад о волнах»).

Встреча с уединенной волной

И глубоко впечатленье

В сердце врезалось ему.

А. С. Пушкин

В то время для перевозок по каналу использовали небольшие баржи, которые тащили лошади. Для того чтобы выяснить, как нужно строить эти баржи при переходе от лошадиной тяги к паровой, Рассел проводил эксперименты с баржами различной формы, движущимися с разными скоростями. В ходе этих опытов он обнаружил явление, которое описал в «Докладе о волнах»:

«Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась; но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась. Вместо этого она собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения, т. е. округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма, который продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда я нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью приблизительно восемь или девять миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до фута с половиной. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала. Так в августе 1834 г. мне впервые довелось столкнуться с необычайным и красивым явлением, которое я назвал волной трансляции; теперь это название общепринято. 

С тех пор я обнаружил, что такие волны играют важную роль почти во всех случаях, когда жидкость оказывает сопротивление движению, и пришел к убеждению, что к тому же типу относятся огромные движущиеся повышения уровня моря, которые с регулярностью обращения небесного тела входят в наши реки и катятся вдоль наших побережий.

Для подробного изучения этого явления с целью точно установить его природу и управляющие им законы я придумал другие, более удобные способы его вызвать... и применил разнообразные методы наблюдений».

Рассел установил следующие основные свойства уединенных волн.

1. Постоянство скорости и неизменность формы отдельной уединенной волны. 2. Зависимость скорости v от глубины канала h и высоты волны у0: , где g — ускорение свободного падения; при этом предполагается, что . 3. Распад достаточно большой волны на две или более уединенные волны: «Волна примет... свою обычную форму... и будет идти вперед, сохраняя объем и высоту; она освободится от лишнего вещества, которое двигалось с ней, оставит его позади, и эта оставшаяся волна будет следовать за ней, но с меньшей скоростью, так что, хотя сначала две волны были соединены в одну основную, они затем отделяются друг от друга и все больше и больше расходятся по мере продвижения» (См. рис. 2.1 — рисунок Рассела).

4. Наблюдаются только волны повышения. Рассел также однажды отметил, что «большие первичные волны трансляции проходят друг через друга без каких-либо изменений, таким же образом, как и малые колебания, производимые упавшим на поверхность воды камнем». В дальнейшем он, правда, не возвращался к этому явлению, которое так поразило ученых, вновь открывших его 130 лет спустя при совсем иных обстоятельствах.

Между прочим, повторить, казалось бы, такой простой опыт Рассела на самом деле не так-то просто. В этом убедились участники конференции «Солитон-82», съехавшиеся в Эдинбург из 24 стран на конференцию, приуроченную к столетию со дня смерти Рассела. Они попытались получить уединенную волну на том самом месте, где ее наблюдал Рассел. Канал сохранился, и по-прежнему по нему плавают лодки и баржи, многие из которых сохранили старинные формы. Все вроде бы благоприятствовало предприятию. Но то ли из-за замены лошадиных сил человеческими (энтузиасты на время стали бурлаками), то ли из-за того, что на берегу за полтораста лет выросли деревья, то ли из-за плохой погоды, то ли по какой-то другой причине, а волна из уединения не вышла. Не получился солитон!

Рассел ввел довольно тонкую классификацию волн, различая «обособленные» (уединенные) и «стадные» (групповые) типы и подразделяя их на четыре рода (обратите внимание на сходство этой классификации с зоологической). К стадным он отнес обычные ветровые волны, группы волн, которые мы теперь называем волновыми пакетами, а также капиллярные волны. Он отличал обособленные волны разного рода, выделил наиболее интересовавшую его уединенную волну в первый род и назвал ее «большой» или «первичной» волной трансляции. Все эти наблюдения и их обобщения говорят о выдающейся наблюдательности Рассела и его изобретательности в постановке опытов. В то же время он глубоко обдумывал результаты этих опытов, что привело к его новым идеям в кораблестроении. Но об этом позже, а сейчас нас интересует, как была воспринята уединенная волна другими учеными.

Этого не может быть!

Многочисленны чудеса в небесах и на земле, но они

проходят мимо них и не обращают на них внимания.

Из Корана

На континенте работа Рассела, видимо, не была замечена. Однако в Англии этой работой заинтересовались Эри и Стокс. К сожалению, Гамильтон, который много знал о волнах и, в частности, первым понял, что скорость движения небольшого пакета волн (групповая скорость) может отличаться от скорости распространения самой волны, не проявил интереса к новым наблюдениям. В это время он был уже увлечен открытым им обобщением комплексных чисел — кватернионами (это система своеобразных чисел с тремя мнимыми единицами, тесно связанных с векторами в пространстве). Этому увлечению он не изменил до конца жизни.

Королевский астроном Джордж Биддел Эри (1801—1892) обладал многими талантами и быстро стал заметной фигурой в английской науке и в обществе. В 22 года Эри заканчивает Кембриджский университет, в 25 лет он — его профессор, в 27 лет — директор университетской обсерватории, а в 34 года он становится директором знаменитой Гринвичской обсерватории и остается на этом посту в течение 45 лет! Эри много сделал для науки, особенно же он способствовал использованию научных достижений в жизни общества. О его деятельности по организации первой в мире службы точного времени можно прочесть в очень интересной и богато иллюстрированной книжке «Гринвичское время» *).