Dom
Samonivelirajući podovi
Solitoni u društvenom okruženju. Osnovni soliton i njegova upotreba. Nevjerovatna svojstva i znakovi solitona

Solitoni u društvenom okruženju. Osnovni soliton i njegova upotreba. Nevjerovatna svojstva i znakovi solitona

02.07.2021

Doktor tehničkih nauka A. GOLUBEV.

Čovjeku, čak i bez posebnog fizičkog ili tehničkog obrazovanja, nesumnjivo su poznate riječi "elektron, proton, neutron, foton". Ali riječ "soliton", koja im je u skladu, vjerovatno mnogi prvi put čuju. To nije iznenađujuće: iako je ono što se označava ovom riječju poznato već više od stoljeće i po, solitonima se posvećuje odgovarajuća pažnja tek od posljednje trećine 20. stoljeća. Pokazalo se da su fenomeni solitona univerzalni i pronađeni su u matematici, hidromehanici, akustici, radiofizici, astrofizici, biologiji, oceanografiji i optičkom inženjerstvu. Šta je to - soliton?

Slika I. K. Aivazovskog "Deveti talas". Talasi na vodi se šire poput grupnih solitona, u čijoj se sredini, u intervalu od sedmog do desetog, nalazi najviši talas.

Običan linearni val ima oblik pravilnog sinusnog vala (a).

Nauka i život // Ilustracije

Ovako se ponaša nelinearni talas na površini vode u odsustvu disperzije.

Ovako izgleda grupni soliton.

Udarni talas ispred lopte koja putuje šest puta brzinom zvuka. Za uho se to doživljava kao glasan prasak.

U svim navedenim oblastima postoji jedna zajednička karakteristika: u njima ili u njihovim pojedinačnim dijelovima proučavaju se valni procesi ili, jednostavnije, valovi. U najopćenitijem smislu, val je širenje poremećaja neke fizičke veličine koja karakterizira supstancu ili polje. Ovo širenje se obično dešava u nekom mediju - vodi, vazduhu, čvrstim materijama. A samo elektromagnetski talasi se mogu širiti u vakuumu. Svi su, bez sumnje, vidjeli kako se sferni valovi odvajaju od kamena bačenog u vodu, "ometajući" mirnu površinu vode. Ovo je primjer širenja "jedne" perturbacije. Vrlo često, perturbacija je oscilatorni proces (posebno periodični) u različitim oblicima - zamah klatna, vibracija žice muzičkog instrumenta, kompresija i širenje kvarcne ploče pod djelovanjem naizmjenične struje. , vibracije u atomima i molekulima. Talasi - oscilacije koje se šire - mogu imati različitu prirodu: valovi na vodi, zvučni, elektromagnetni (uključujući svjetlosne) valove. Razlika u fizičkim mehanizmima koji implementiraju talasni proces podrazumeva različite načine njegovog matematičkog opisa. Ali talasi različitog porekla inherentna su i neka opća svojstva, za čije se opisivanje koristi univerzalni matematički aparat. A to znači da je moguće proučavati talasne fenomene, apstrahujući od njihove fizičke prirode.

U teoriji valova, to se obično radi, uzimajući u obzir svojstva valova kao što su interferencija, difrakcija, disperzija, raspršivanje, refleksija i refrakcija. Ali istovremeno se javlja jedna bitna okolnost: ovakav jedinstveni pristup je opravdan pod uslovom da su proučavani talasni procesi različite prirode linearni. O tome šta to znači, govorićemo malo kasnije, ali sada samo napominjemo da su samo talasi sa nije prevelika amplituda. Ako je amplituda vala velika, on postaje nelinearan, a to je direktno povezano s temom našeg članka - solitoni.

S obzirom da se stalno govori o talasima, nije teško pretpostaviti da su i solitoni nešto iz oblasti talasa. To je istina: vrlo neobična formacija se zove soliton - "solitarni" val (solitarni val). Mehanizam njegovog nastanka dugo je ostao misterija za istraživače; činilo se da je priroda ovog fenomena u suprotnosti sa dobro poznatim zakonima formiranja i širenja talasa. Jasnoća se pojavila relativno nedavno, a sada se solitoni proučavaju u kristalima, magnetnim materijalima, optičkim vlaknima, u atmosferi Zemlje i drugih planeta, u galaksijama, pa čak i u živim organizmima. Ispostavilo se da su cunamiji, nervni impulsi i dislokacije u kristalima (kršenja periodičnosti njihovih rešetki) sve solitoni! Soliton je zaista "mnogostran". Inače, ovo je naziv odlične naučnopopularne knjige A. Filipova "Mnogolični soliton". Preporučujemo ga čitaocu koji se ne boji prilično velikog broja matematičkih formula.

Da bismo razumjeli osnovne ideje povezane sa solitonima, a ujedno i bez matematike, morat ćemo prije svega govoriti o već spomenutoj nelinearnosti i disperziji – fenomenima koji su u osnovi mehanizma nastanka solitona. Ali prvo, hajde da razgovaramo o tome kako i kada je otkriven soliton. On se prvi put ukazao čovjeku pod "krinkom" usamljenog vala na vodi.

To se dogodilo 1834. John Scott Russell, škotski fizičar i talentirani inženjer-pronalazač, pozvan je da istraži mogućnost plovidbe parnim brodovima duž kanala koji povezuje Edinburgh i Glasgow. U to vrijeme, prijevoz duž kanala obavljao se malim barkama koje su vukli konji. Kako bi shvatio kako pretvoriti teglenice iz konjske vučne u motorne na parni pogon, Russell je počeo promatrati barže različitih oblika koje se kreću različitim brzinama. I u toku ovih eksperimenata iznenada je naišao na potpuno neobičnu pojavu. Ovako je to opisao u svom Izveštaju o talasima:

"Pratio sam kretanje teglenice koju su par konja brzo vukli duž uskog kanala, kada je teglenica iznenada stala. Ali masa vode koju je teglenica pokrenula skupila se blizu pramca broda u stanju mahnito kretanje, a zatim ga neočekivano ostavio za sobom, kotrljajući se napred ogromnom brzinom i poprimio oblik velikog usamljenog uspona - zaobljenog, glatkog i dobro izraženog vodenog brda. Nastavio je svoj put duž kanala, ne mijenjajući njegov oblik u Pratio sam ga na konju, a kada sam ga pretekao, on se i dalje kotrljao naprijed brzinom od oko 8-9 milja na sat, zadržavši svoj prvobitni visinski profil, dug oko trideset stopa i stopu do metar i po visok. Visina mu se postepeno smanjivala, a nakon milju ili dvije jurnjave izgubio sam ga u zavojima kanala."

Rasel je fenomen koji je otkrio nazvao "usamljenim talasom prevođenja". Međutim, njegovu poruku su sa skepticizmom dočekali priznati autoriteti u oblasti hidrodinamike - George Airy i George Stokes, koji su smatrali da valovi ne mogu zadržati svoj oblik kada se kreću na velike udaljenosti. Za to su imali sve razloge: polazili su od jednadžbi hidrodinamike općenito prihvaćenih u to vrijeme. Prepoznavanje "usamljenog" talasa (koji je mnogo kasnije - 1965. nazvan soliton) dogodilo se još za Raselovog života u radovima nekoliko matematičara koji su pokazali da on može postojati, a osim toga, Russellovi eksperimenti su ponovljeni i potvrđeni. No, kontroverze oko solitona nisu prestale dugo - autoritet Airyja i Stokesa bio je prevelik.

Holandski naučnik Diderik Johannes Korteweg i njegov učenik Gustav de Vries uneli su konačnu jasnoću u problem. 1895. godine, trinaest godina nakon Russellove smrti, pronašli su tačnu jednačinu, čija valna rješenja u potpunosti opisuju tekuće procese. Kao prva aproksimacija, ovo se može objasniti na sljedeći način. Korteweg-de Vries talasi imaju nesinusoidan oblik i postaju sinusoidni samo kada je njihova amplituda veoma mala. Sa povećanjem talasne dužine poprimaju oblik grba koje su udaljene jedna od druge, a na veoma velikoj talasnoj dužini ostaje jedna grba koja odgovara "usamljenom" talasu.

Korteweg-de Vriesova jednačina (tzv. KdV jednačina) odigrala je veoma važnu ulogu u našim danima, kada su fizičari shvatili njenu univerzalnost i mogućnost primene na talase različite prirode. Najčudnije je to što opisuje nelinearne talase, a sada bismo se trebali detaljnije zadržati na ovom konceptu.

U teoriji talasa, talasna jednačina je od fundamentalnog značaja. Bez predstavljanja ovdje (za to je potrebno poznavanje više matematike), samo napominjemo da su željena funkcija koja opisuje val i veličine povezane s njim sadržane u prvom stepenu. Takve jednačine se nazivaju linearne. Valna jednadžba, kao i svaka druga, ima rješenje, odnosno matematički izraz, koji se, kada se zamijeni, pretvara u identitet. Rješenje talasne jednačine je linearni harmonični (sinusoidni) talas. Još jednom naglašavamo da se pojam "linearno" ovdje koristi ne u geometrijskom smislu (sinusoida nije prava linija), već u smislu korištenja prvog stepena veličina u talasnoj jednačini.

Linearni talasi poštuju princip superpozicije (sabiranja). To znači da kada se nekoliko linearnih valova superponira, oblik rezultirajućeg vala određuje se jednostavnim dodavanjem izvornih valova. To se dešava zato što se svaki talas širi u medijumu nezavisno od drugih, između njih nema razmene energije ili druge interakcije, oni slobodno prolaze jedan kroz drugi. Drugim riječima, princip superpozicije znači neovisnost valova i zato se oni mogu dodavati. U normalnim uslovima to važi za zvučne, svetlosne i radio talase, kao i za talase koji se razmatraju u kvantnoj teoriji. Ali za talase u tečnosti, to nije uvek tačno: mogu se dodati samo talasi veoma male amplitude. Ako pokušamo da dodamo Korteweg-de Vriesove talase, onda nećemo uopšte dobiti talas koji može postojati: jednadžbe hidrodinamike su nelinearne.

Ovdje je važno naglasiti da se svojstvo linearnosti akustičnih i elektromagnetnih valova uočava, kao što je već napomenuto, u normalnim uvjetima, što podrazumijeva, prije svega, male amplitude talasa. Ali šta znači "mala amplituda"? Amplituda zvučnih talasa određuje jačinu zvuka, svetlosni talasi - intenzitet svetlosti, a radio talasi - jačinu elektromagnetnog polja. Emisija, televizija, telefon, kompjuteri, osvetljenje i mnogi drugi uređaji rade pod istim "normalnim uslovima", baveći se različitim talasima male amplitude. Ako se amplituda naglo poveća, valovi gube svoju linearnost i tada nastaju nove pojave. U akustici su udarni valovi koji se šire nadzvučnim brzinama odavno poznati. Primeri udarnih talasa su grmljavina tokom grmljavine, zvuci pucnja i eksplozije, pa čak i pljesak biča: njegov vrh se kreće brže od zvuka. Nelinearni svetlosni talasi se dobijaju korišćenjem moćnih impulsnih lasera. Prolazak takvih talasa kroz različite medije menja svojstva samih medija; uočavaju se potpuno nove pojave koje su predmet proučavanja nelinearne optike. Na primjer, javlja se svjetlosni val čija je dužina dva puta manja, a frekvencija, respektivno, dvostruko veća od dolazne svjetlosti (generira se drugi harmonik). Ako se, recimo, snažan laserski snop talasne dužine l 1 = 1,06 μm (infracrveno zračenje, nevidljivo oku) usmeri na nelinearni kristal, tada se na izlazu kristala pojavljuje zeleno svetlo talasne dužine l 2 = 0,53 μm pored infracrvenog.

Ako se nelinearni zvučni i svjetlosni valovi formiraju samo pod posebnim uvjetima, onda je hidrodinamika nelinearna po svojoj prirodi. A budući da hidrodinamika ispoljava nelinearnost čak iu najjednostavnijim pojavama, ona se skoro čitav vijek razvija u potpunoj izolaciji od "linearne" fizike. Nikome jednostavno nije palo na pamet da u drugim talasnim fenomenima traži nešto slično Rasellovom „usamljenom“ talasu. I tek kada su se razvila nova područja fizike - nelinearna akustika, radiofizika i optika - istraživači su se sjetili Russellovog solitona i postavili pitanje: može li se takav fenomen primijetiti samo u vodi? Da bismo to učinili, bilo je potrebno razumjeti opći mehanizam formiranja solitona. Pokazalo se da je uslov nelinearnosti nužan, ali nedovoljan: od medija se tražilo nešto drugo da bi se u njemu rodio "usamljeni" talas. I kao rezultat istraživanja, postalo je jasno da je nedostajući uslov prisustvo disperzije medija.

Da se ukratko podsetimo šta je to. Disperzija je zavisnost brzine širenja faze talasa (tzv. fazna brzina) o frekvenciji ili, što je isto, talasnoj dužini (vidi "Nauka i život" br.). Prema dobro poznatoj Fourierovoj teoremi, nesinusoidalni val bilo kojeg oblika može se predstaviti skupom jednostavnih sinusoidnih komponenti s različitim frekvencijama (valnim dužinama), amplitudama i početnim fazama. Ove komponente se, zbog disperzije, šire različitim faznim brzinama, što dovodi do "razmazivanja" talasnog oblika pri njegovom širenju. Ali soliton, koji se takođe može predstaviti kao zbir ovih komponenti, kao što već znamo, zadržava svoj oblik prilikom kretanja. Zašto? Podsjetimo da je soliton nelinearni talas. I tu leži ključ za otključavanje njegove "misterije". Ispostavilo se da se soliton javlja kada je efekat nelinearnosti, koji čini "grbu" solitona strmijom i teži da je prevrne, uravnotežen disperzijom, što ga čini ravnijim i ima tendenciju da ga zamagli. To jest, soliton se pojavljuje "na spoju" nelinearnosti i disperzije, koji se međusobno kompenzuju.

Objasnimo ovo na primjeru. Pretpostavimo da se na površini vode stvorila grba koja se počela kretati. Da vidimo šta će se desiti ako ne uzmemo u obzir disperziju. Brzina nelinearnog talasa zavisi od amplitude (linearni talasi nemaju takvu zavisnost). Vrh grbe će se kretati najbrže od svih, a u nekom sljedećem trenutku njen prednji dio će postati strmiji. Strmina fronta se povećava, a tokom vremena talas će se "prevrnuti". Slično prevrtanje valova vidimo i kada gledamo surf na morskoj obali. Sada da vidimo do čega dovodi prisustvo disperzije. Početna grba se može predstaviti zbirom sinusoidnih komponenti različitih talasnih dužina. Dugotalasne komponente rade većom brzinom od kratkotalasnih i, stoga, smanjuju strminu prednje ivice, u velikoj meri je nivelišući (videti "Nauka i život" br. 8, 1992). Pri određenom obliku i brzini grba može doći do potpunog vraćanja izvornog oblika i tada nastaje soliton.

Jedno od nevjerovatnih svojstava "usamljenih" valova je da su vrlo slični česticama. Dakle, u sudaru dva solitona ne prolaze jedan kroz drugi, kao obični linearni talasi, već se, takoreći, odbijaju kao teniske loptice.

Na vodi se mogu pojaviti i solitoni druge vrste, zvani grupni solitoni, jer je njihov oblik vrlo sličan grupama valova, koji se u stvarnosti promatraju umjesto beskonačnog sinusoidnog vala i kreću se grupnom brzinom. Grupni soliton veoma liči na amplitudno modulisane elektromagnetne talase; njegov omotač je nesinusoidan, opisan je složenijom funkcijom - hiperboličkim sekantom. Brzina takvog solitona ne zavisi od amplitude i po tome se razlikuje od KdV solitona. Obično nema više od 14-20 talasa ispod omotača. Prosječni - najviši - talas u grupi je dakle u intervalu od sedmog do desetog; otuda dobro poznati izraz "deveti talas".

Opseg članka ne dopušta nam da razmotrimo mnoge druge vrste solitona, na primjer, solitone u čvrstim kristalnim tijelima - tzv. magnetni solitoni u feromagnetima (na primjer, u željezu), nervni impulsi slični solitonima u živim organizmima i mnogim drugim. Ograničavamo se na razmatranje optičkih solitona, koji su nedavno privukli pažnju fizičara mogućnošću njihove upotrebe u vrlo perspektivnim optičkim komunikacionim linijama.

Optički soliton je tipičan grupni soliton. Njegovo formiranje može se razumjeti na primjeru jednog od nelinearnih optičkih efekata - takozvane samoindukovane transparentnosti. Ovaj efekat se sastoji u tome da medij koji apsorbuje svetlost niskog intenziteta, odnosno neproziran, odjednom postaje providan kada kroz njega prođe snažan svetlosni impuls. Da bismo razumjeli zašto se to događa, prisjetimo se šta uzrokuje apsorpciju svjetlosti u materiji.

Kvant svjetlosti, u interakciji s atomom, daje mu energiju i prenosi je na viši energetski nivo, odnosno u pobuđeno stanje. Foton nestaje - medij upija svjetlost. Nakon što su svi atomi medija pobuđeni, apsorpcija svjetlosne energije prestaje - medij postaje transparentan. Ali takvo stanje ne može dugo trajati: fotoni koji lete iza uzrokuju da se atomi vrate u prvobitno stanje, emitujući kvante iste frekvencije. Upravo to se dešava kada se kroz takav medij usmjeri kratki svjetlosni impuls velike snage odgovarajuće frekvencije. Prednja ivica pulsa baca atome na gornji nivo, djelimično se apsorbuju i postaju slabiji. Maksimum pulsa se apsorbuje u manjoj meri, a zadnja ivica impulsa stimuliše obrnuti prelaz sa pobuđenog nivoa na nivo tla. Atom emituje foton, njegova energija se vraća impulsu, koji prolazi kroz medij. U ovom slučaju ispada da oblik impulsa odgovara grupnom solitonu.

Nedavno se u jednom od američkih naučnih časopisa pojavila publikacija o razvoju poznate kompanije Bell (Bell Laboratories, SAD, New Jersey) za prijenos signala na vrlo velike udaljenosti kroz optička vlakna pomoću optičkih solitona. Prilikom normalnog prenosa preko optičkih komunikacionih linija, signal se mora pojačavati na svakih 80-100 kilometara (sama vlakno može poslužiti kao pojačalo kada se pumpa svjetlom određene talasne dužine). A svakih 500-600 kilometara potrebno je ugraditi repetitor koji pretvara optički signal u električni, čuvajući sve njegove parametre, a zatim opet u optički za daljnji prijenos. Bez ovih mjera, signal na udaljenosti većoj od 500 kilometara je izobličen do neprepoznatljivosti. Cijena ove opreme je vrlo visoka: prijenos jednog terabita (10 12 bita) informacija iz San Francisca u New York košta 200 miliona dolara po relejnoj stanici.

Upotreba optičkih solitona, koji zadržavaju svoj oblik tijekom širenja, omogućava potpuno optički prijenos signala na udaljenostima do 5-6 hiljada kilometara. Međutim, postoje značajne poteškoće u stvaranju "linije solitona", koje su prevaziđene tek nedavno.

Mogućnost postojanja solitona u optičkom vlaknu je 1972. godine predvidio teoretski fizičar Akira Hasegawa, zaposlenik kompanije Bell. Ali u to vreme nije bilo optičkih vlakana sa malim gubicima u onim oblastima talasnih dužina gde su se mogli uočiti solitoni.

Optički solitoni se mogu širiti samo u svjetlovodu s malom, ali konačnom vrijednošću disperzije. Međutim, optičko vlakno koje održava potrebnu vrijednost disperzije preko cijele spektralne širine višekanalnog predajnika jednostavno ne postoji. I to čini "obične" solitone neprikladnim za korištenje u mrežama s dugim dalekovodima.

Odgovarajuća tehnologija solitona kreirana je tokom niza godina pod vodstvom Lynn Mollenauer, vodećeg stručnjaka u odjelu optičke tehnologije iste kompanije Bell. Ova tehnologija se zasnivala na razvoju optičkih vlakana kontrolisanih disperzijom, što je omogućilo stvaranje solitona čiji se impulsni oblik može održavati neograničeno.

Metoda kontrole je sljedeća. Količina disperzije duž dužine optičkog vlakna povremeno se mijenja između negativnih i pozitivnih vrijednosti. U prvom dijelu svjetlosnog vodiča, puls se širi i pomiče u jednom smjeru. U drugom dijelu, koji ima disperziju suprotnog predznaka, puls se komprimira i pomiče u suprotnom smjeru, zbog čega se vraća njegov oblik. Daljnjim kretanjem impuls se ponovo širi, zatim ulazi u sljedeću zonu, čime se kompenzira djelovanje prethodne zone i tako dalje - dolazi do cikličkog procesa širenja i kontrakcija. Puls doživljava pulsiranje u širini s periodom jednakim udaljenosti između optičkih pojačala konvencionalnog svjetlosnog vodiča - od 80 do 100 kilometara. Kao rezultat toga, prema Mollenaueru, signal s volumenom informacija većim od 1 terabita može putovati najmanje 5-6 hiljada kilometara bez ponovnog prijenosa pri brzini prijenosa od 10 gigabita u sekundi po kanalu bez ikakvih izobličenja. Takva tehnologija za komunikaciju na ultra-velikim udaljenostima preko optičkih linija već je blizu faze implementacije.

Što znanje čovječanstva o okolnom svijetu postaje šire i dublje, to se otoka nepoznatog ističu svjetlija. To su solitoni - neobični objekti fizičkog svijeta.

Gdje se rađaju solitoni?

Sam izraz solitoni preveden je kao usamljeni talas. Oni zaista rađaju se iz valova i nasljeđuju neka njihova svojstva. Međutim, u procesu širenja i sudara pokazuju svojstva čestica. Stoga je naziv ovih objekata uzet u skladu s poznatim konceptima elektrona, fotona, koji imaju sličnu dualnost.

Prvi put je takav usamljeni talas uočen na jednom od londonskih kanala 1834. Nastao je ispred pokretne teglenice i nastavio svoj brzi pokret nakon što se brod zaustavio, zadržavajući svoj oblik i energiju dugo vremena.

Ponekad takvi valovi koji se pojavljuju na površini vode dosežu visinu od 25 metara. Rođeni na površini okeana, uzrokuju štetu i smrt brodovima. Takva gigantska morska okna, koja dopire do obale, izbacuje ogromne mase vode na nju, donoseći kolosalna razaranja. Vraćajući se u okean, oduzima hiljade života, zgrada i raznih objekata.

Ova slika destrukcije je karakteristična. Proučavajući razloge njihovog nastanka, naučnici su došli do zaključka da većina njih zaista ima solitonsko porijeklo. Tsunami-solitoni bi se mogli roditi na otvorenom okeanu iu mirnom, tihom vremenu. Odnosno, nisu uopšte nastali niti su nastale usled drugih prirodnih katastrofa.

Matematičari su stvorili teoriju koja je omogućila predviđanje uslova za njihovu pojavu u različitim sredinama. Fizičari su ponovili ove uslove u laboratoriji i otkrili solitone:

u kristalima;
kratkotalasno lasersko zračenje;
Svjetlosni vodiči od vlakana;
druge galaksije;
nervni sistem živih organizama;
i u planetarnim atmosferama. Ovo sugerira da Velika crvena mrlja na površini Jupitera također ima solitonsko porijeklo.

Nevjerovatna svojstva i znakovi solitona

Solitoni imaju nekoliko karakteristika koje ih razlikuju od običnih valova:

šire se na velike udaljenosti, praktično bez promjene svojih parametara (amplituda, frekvencija, brzina, energija);
solitonski talasi prolaze jedan kroz drugi bez izobličenja, kao da se sudaraju čestice, a ne talasi;
što je veća "grba" solitona, veća je njegova brzina;
ove neobične formacije mogu zapamtiti informacije o prirodi utjecaja na njih.

Postavlja se pitanje kako obični molekuli koji nemaju potrebne strukture i sisteme mogu pamtiti informacije? Istovremeno, njihovi memorijski parametri su superiorniji u odnosu na najbolje moderne računare.

Soliton talasi takođe potiču od molekula DNK, koji su u stanju da pohranjuju informacije o telu tokom života! Uz pomoć supersenzitivnih uređaja bilo je moguće pratiti putanju solitona u cijelom lancu DNK. Ispada, val čita informacije pohranjene na svom putu, slično kao što osoba čita otvorenu knjigu, ali je tačnost skeniranja talasa višestruko veća.

Istraživanja su nastavljena u Ruska akademija nauke. Naučnici su izveli neobičan eksperiment, čiji su rezultati bili vrlo neočekivani. Istraživači su ljudskim govorom utjecali na solitone. Ispostavilo se da su verbalne informacije snimljene na posebnom nosaču doslovno oživjele solitone.

Živopisna potvrda tome je istraživanje provedeno na zrnima pšenice prethodno ozračenim monstruoznom dozom radioaktivnosti. S takvim udarom, lanci DNK se uništavaju, a sjemenke gube svoju održivost. Usmjeravanjem solitona, koji su "pamtili" ljudski govor, na "mrtva" zrna pšenice, bilo je moguće vratiti njihovu vitalnost, tj. proklijale su. Mikroskopske studije su pokazale potpunu restauraciju lanaca DNK uništenih zračenjem.

Izgledi primjene

Manifestacije solitona su izuzetno raznolike. Stoga je vrlo teško predvidjeti sve izglede za njihovu primjenu.

Ali već sada je očigledno da će na osnovu ovih sistema biti moguće kreirati snažnije lasere i pojačala, koristiti ih u oblasti telekomunikacija za prenos energije i informacija i primeniti u spektroskopiji.

Prilikom prijenosa informacija putem konvencionalnih optičkih kablova, potrebno je pojačanje signala svakih 80-100 km. Upotreba optičkih solitona omogućava povećanje raspona prijenosa signala bez izobličenja oblika impulsa do 5-6 tisuća kilometara.

Ali odakle dolazi energija za održavanje tako moćnih signala na tako velikim udaljenostima ostaje misterija. Potraga za odgovorom na ovo pitanje tek predstoji.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

Naučnici su uspjeli dokazati da riječi mogu oživjeti mrtve ćelije! Tokom istraživanja, naučnici su bili zadivljeni ogromnom snagom riječi. Kao i nezamisliv eksperiment naučnika o uticaju kreativne misli na okrutnost i nasilje.
Kako su to uspjeli postići?

Počnimo redom. Davne 1949. godine istraživači Enrico Fermi, Ulam i Pasta proučavali su nelinearne sisteme - oscilatorne sisteme, čija svojstva zavise od procesa koji se u njima odvijaju. Ovi sistemi su se pod određenim stanjem ponašali neobično.

Istraživanja su pokazala da su sistemi pamtili uslove uticaja na njih, a te su informacije bile pohranjene u njima prilično dugo. Tipičan primjer je molekul DNK koji pohranjuje informacijsku memoriju organizma. U to vrijeme, naučnici su se pitali kako je moguće da neinteligentni molekul koji nema ni moždane strukture ni nervni sistem može imati memoriju koja po preciznosti nadmašuje bilo koji savremeni kompjuter. Kasnije su naučnici otkrili misteriozne solitone.

solitoni

Soliton je strukturno stabilan talas koji se nalazi u nelinearnim sistemima. Iznenađenju naučnika nije bilo granica. Na kraju krajeva, ovi talasi se ponašaju kao inteligentna bića. I tek nakon 40 godina, naučnici su uspjeli napredovati u ovim studijama. Suština eksperimenta bila je sljedeća - uz pomoć specifičnih uređaja, naučnici su uspjeli pratiti putanju ovih valova u lancu DNK. Prolazeći lanac, val je u potpunosti pročitao informacije. Može se uporediti sa osobom koja čita otvorenu knjigu, samo stotine puta tačnije. Svi eksperimentatori tokom istraživanja imali su isto pitanje - zašto se solitoni ponašaju na ovaj način i ko im daje takvu naredbu?

Naučnici su nastavili svoja istraživanja na Matematičkom institutu Ruske akademije nauka. Pokušali su da utiču na solitone ljudskim govorom snimljenim na nosaču informacija. Ono što su naučnici videli prevazišlo je sva očekivanja - pod uticajem reči, solitoni su oživeli. Istraživači su otišli dalje - poslali su te valove na zrna pšenice, koja su prethodno bila ozračena takvom dozom radioaktivnog zračenja, pri kojoj se lanci DNK pokidaju i postaju neodrživi. Nakon izlaganja, sjemenke pšenice su niknule. Pod mikroskopom je uočena obnova DNK uništene radijacijom.

Ispostavilo se da su ljudske riječi mogle oživjeti mrtvu ćeliju, tj. pod uticajem reči solitoni su počeli da poseduju životvornu moć. Ove rezultate su više puta potvrđivali istraživači iz drugih zemalja - Velike Britanije, Francuske, Amerike. Naučnici su se razvili poseban program, u kojem je ljudski govor transformiran u vibracije i superponiran na solitonske valove, a zatim su utjecali na DNK biljaka. Kao rezultat toga, rast i kvalitet biljaka je značajno ubrzan. Eksperimenti su rađeni i na životinjama, nakon izlaganja njima, uočeno je poboljšanje krvnog pritiska, izjednačen puls i poboljšani somatski pokazatelji.

Naučnici istraživanja nisu tu stali

Zajedno sa kolegama iz naučni instituti Sjedinjene Američke Države, Indija provodile su eksperimente o utjecaju ljudske misli na stanje planete. Eksperimenti su izvedeni više puta, u potonjem je učestvovalo 60 i 100 hiljada ljudi. Ovo je zaista ogroman broj ljudi. Glavno i neophodno pravilo za provedbu eksperimenta bilo je prisustvo kreativne misli kod ljudi. Da bi to učinili, ljudi su se dobrovoljno okupljali u grupe i usmjeravali svoje pozitivne misli na određenu tačku na našoj planeti. Tada je za ovu tačku izabran glavni grad Iraka, Bagdad, gdje su se tada vodile krvave borbe.

Tokom eksperimenta, borbe su naglo prestale i nisu se nastavljale nekoliko dana, a takođe tokom dana eksperimenta stopa kriminala u gradu je naglo smanjena! Proces kreativnog misaonog uticaja zabilježen je naučnim instrumentima, koji su zabilježili najmoćniji tok pozitivne energije.

Naučnici su uvjereni da su ovi eksperimenti dokazali materijalnost ljudskih misli i osjećaja, te njihovu nevjerovatnu sposobnost da se odupru zlu, smrti i nasilju. Po ko zna koji put naučni umovi, zahvaljujući svojim čistim mislima i težnjama, naučno potvrđuju drevne zajedničke istine – ljudske misli mogu i stvarati i uništavati.

Izbor ostaje na osobi, jer od smjera njene pažnje ovisi hoće li osoba stvarati ili negativno utjecati na druge i na sebe. Ljudski život je stalan izbor i može se naučiti da ga pravilno i svjesno čini.

TEMATSKE SEKCIJE:
| | | | | | | | |

Sva navedena područja imaju jednu zajedničku osobinu: u njima ili u njihovim pojedinačnim dijelovima proučavaju se valni procesi ili, jednostavnije, valovi. U najopćenitijem smislu, val je širenje poremećaja neke fizičke veličine koja karakterizira supstancu ili polje. Ovo širenje se obično dešava u nekom mediju - vodi, vazduhu, čvrstim materijama. A samo elektromagnetski talasi se mogu širiti u vakuumu. Svi su, bez sumnje, vidjeli kako se sferni valovi odvajaju od kamena bačenog u vodu, što je "poremetilo" mirnu površinu vode. Ovo je primjer širenja "jedne" perturbacije. Vrlo često, perturbacija je oscilatorni proces (posebno periodični) u različitim oblicima - zamah klatna, vibracija žice muzičkog instrumenta, kompresija i širenje kvarcne ploče pod djelovanjem naizmjenične struje. , vibracije u atomima i molekulima. Talasi - oscilacije koje se šire - mogu imati različitu prirodu: valovi na vodi, zvučni, elektromagnetni (uključujući svjetlosne) valove. Razlika u fizičkim mehanizmima koji implementiraju talasni proces podrazumeva različite načine njegovog matematičkog opisa. Ali valovi različitog porijekla imaju i neka zajednička svojstva, koja se opisuju pomoću univerzalnog matematičkog aparata. A to znači da je moguće proučavati talasne fenomene, apstrahujući od njihove fizičke prirode.

U teoriji valova, to se obično radi, uzimajući u obzir svojstva valova kao što su interferencija, difrakcija, disperzija, raspršivanje, refleksija i refrakcija. Ali u ovom slučaju dolazi do jedne važne okolnosti: takav jedinstveni pristup je legitiman, pod uslovom da su proučavani talasni procesi različite prirode linearni. O tome šta se pod ovim podrazumeva, govorićemo malo kasnije, ali za sada ćemo samo primetiti da samo talasi sa ne prevelikom amplitudom mogu biti linearni. Ako je amplituda vala velika, postaje nelinearna, a to je direktno povezano s temom našeg članka - solitoni.

... To se dogodilo 1834. godine. John Scott Russell, škotski fizičar i talentirani inženjer-pronalazač, pozvan je da istraži mogućnost plovidbe parnim brodovima duž kanala koji povezuje Edinburgh i Glasgow. U to vrijeme, prijevoz duž kanala obavljao se malim barkama koje su vukli konji. Kako bi shvatio kako pretvoriti teglenice iz konjske vučne u motorne na parni pogon, Russell je počeo promatrati barže različitih oblika koje se kreću različitim brzinama. I u toku ovih eksperimenata iznenada je naišao na potpuno neobičnu pojavu. Ovako je to opisao u svom Izveštaju o talasima:

“Pratio sam kretanje teglenice, koju je nekoliko konja brzo vuklo duž uskog kanala, kada je teglenica iznenada stala. Ali masa vode koju je teglenica pokrenula skupila se u blizini pramca broda u stanju pomahnitalog kretanja, a zatim ju je iznenada ostavila za sobom, kotrljajući se naprijed velikom brzinom i poprimeći oblik velikog pojedinačnog uzvišenja - zaobljene, glatke i dobro definisano vodeno brdo. Nastavila je duž kanala, ne mijenjajući svoj oblik ili ni najmanje usporavajući. Pratio sam ga na konju, i kada sam ga pretekao, on se i dalje kotrljao naprijed oko 8 ili 9 milja na sat, zadržavši svoj prvobitni profil nadmorske visine, dug oko trideset stopa i visok stopu do stopu i po. Visina mu se postepeno smanjivala i nakon jedne ili dvije milje potjere izgubio sam ga u zavojima kanala.

Običan linearni val ima oblik pravilnog sinusnog vala (a). Nelinearni Korteweg-de Vries val izgleda kao niz daleko raspoređenih grba odvojenih slabo izraženom depresijom (b). Na veoma velikoj talasnoj dužini od njega ostaje samo jedna grba - "usamljeni" talas, ili soliton (c).

Rasel je fenomen koji je otkrio nazvao "usamljenim talasom prevođenja". Međutim, njegovu poruku su sa skepticizmom dočekali priznati autoriteti u oblasti hidrodinamike - George Airy i George Stokes, koji su smatrali da valovi ne mogu zadržati svoj oblik kada se kreću na velike udaljenosti. Za to su imali sve razloge: polazili su od jednadžbi hidrodinamike općenito prihvaćenih u to vrijeme. Prepoznavanje "usamljenog" talasa (koji je mnogo kasnije nazvan soliton - 1965. godine) dogodilo se još za Raselovog života u radovima nekoliko matematičara koji su pokazali da on može postojati, a osim toga, Russellovi eksperimenti su ponovljeni i potvrđeni. No, kontroverze oko solitona nisu prestale dugo - autoritet Airyja i Stokesa bio je prevelik.

Holandski naučnik Diderik Johannes Korteweg i njegov učenik Gustav de Vries uneli su konačnu jasnoću u problem. 1895. godine, trinaest godina nakon Russellove smrti, pronašli su tačnu jednačinu, čija valna rješenja u potpunosti opisuju tekuće procese. Kao prva aproksimacija, ovo se može objasniti na sljedeći način. Korteweg-de Vries talasi imaju nesinusoidalni oblik i postaju sinusoidni samo kada je njihova amplituda veoma mala. Sa povećanjem talasne dužine poprimaju oblik grba koje su udaljene jedna od druge, a na veoma velikoj talasnoj dužini ostaje jedna grba koja odgovara "usamljenom" talasu.

Linearni talasi poštuju princip superpozicije (sabiranja). To znači da kada se nekoliko linearnih valova superponira, oblik rezultirajućeg vala određuje se jednostavnim dodavanjem izvornih valova. To se dešava zato što se svaki talas širi u medijumu nezavisno od drugih, između njih nema razmene energije ili druge interakcije, oni slobodno prolaze jedan kroz drugi. Drugim riječima, princip superpozicije znači neovisnost valova i zato se oni mogu dodavati. U normalnim uslovima to važi za zvučne, svetlosne i radio talase, kao i za talase koji se razmatraju u kvantnoj teoriji. Ali za talase u tečnosti, to nije uvek tačno: mogu se dodati samo talasi veoma male amplitude. Ako pokušamo da dodamo Korteweg-de Vriesove valove, onda uopće nećemo dobiti val koji može postojati: jednadžbe hidrodinamike su nelinearne.

Ovdje je važno naglasiti da se svojstvo linearnosti akustičnih i elektromagnetnih valova uočava, kao što je već napomenuto, u normalnim uvjetima, što podrazumijeva, prije svega, male amplitude talasa. Ali šta znače "male amplitude"? Amplituda zvučnih talasa određuje jačinu zvuka, svetlosni talasi određuju intenzitet svetlosti, a radio talasi određuju jačinu elektromagnetnog polja. Emisija, televizija, telefonske komunikacije, kompjuteri, rasvjetna tijela i mnogi drugi uređaji rade u istim "normalnim uvjetima" baveći se različitim valovima male amplitude. Ako se amplituda naglo poveća, valovi gube svoju linearnost i tada nastaju nove pojave. U akustici su udarni valovi koji se šire nadzvučnim brzinama odavno poznati. Primeri udarnih talasa su grmljavina tokom grmljavine, zvuk pucnja i eksplozije, pa čak i pljesak biča: njegov vrh se kreće brže od zvuka. Nelinearni svetlosni talasi se dobijaju korišćenjem moćnih impulsnih lasera. Prolazak takvih talasa kroz različite medije menja svojstva samih medija; uočavaju se potpuno nove pojave koje su predmet proučavanja nelinearne optike. Na primjer, javlja se svjetlosni val čija je dužina dva puta manja, a frekvencija, respektivno, dvostruko veća od dolazne svjetlosti (generira se drugi harmonik). Ako se, recimo, snažan laserski snop talasne dužine λ 1 = 1,06 μm (infracrveno zračenje, nevidljivo oku) usmeri na nelinearni kristal, tada se na izlazu kristala pojavljuje zeleno svetlo talasne dužine λ 2 = 0,53 μm se pojavljuje pored infracrvenog.

Ovako se ponaša nelinearni talas na površini vode u odsustvu disperzije. Njegova brzina ne zavisi od talasne dužine, već se povećava sa povećanjem amplitude. Vrh vala se kreće brže od dna, front postaje strmiji i val se lomi. Ali usamljena grba na vodi može se predstaviti kao zbir komponenti različitih talasnih dužina. Ako medij ima disperziju, dugi valovi u njemu će teći brže od kratkih, izravnavajući strminu fronta. Pod određenim uvjetima, disperzija u potpunosti kompenzira učinak nelinearnosti, a val će zadržati svoj izvorni oblik dugo vremena - formira se soliton.

Ako se nelinearni zvučni i svjetlosni valovi formiraju samo pod posebnim uvjetima, onda je hidrodinamika nelinearna po svojoj prirodi. A budući da hidrodinamika ispoljava nelinearnost čak iu najjednostavnijim pojavama, ona se skoro čitav vijek razvija u potpunoj izolaciji od "linearne" fizike. Nikome jednostavno nije palo na pamet da u drugim talasnim fenomenima traži nešto slično Rasellovom „usamljenom“ talasu. I tek kada su se razvila nova područja fizike - nelinearna akustika, radiofizika i optika - istraživači su se sjetili Russellovog solitona i postavili pitanje: može li se takav fenomen primijetiti samo u vodi? Da bismo to učinili, bilo je potrebno razumjeti opći mehanizam formiranja solitona. Pokazalo se da je uslov nelinearnosti nužan, ali ne i dovoljan: od medija se tražilo nešto drugo da bi se u njemu rodio „usamljeni“ talas. I kao rezultat istraživanja, postalo je jasno da je nedostajući uslov prisustvo disperzije medija.

Da se ukratko podsetimo šta je to. Disperzija je zavisnost brzine širenja faze talasa (tzv. fazne brzine) od frekvencije ili, što je isto, talasne dužine (videti "Nauka i život" br. 2, 2000, str. 42). Prema dobro poznatoj Fourierovoj teoremi, nesinusoidalni val bilo kojeg oblika može se predstaviti skupom jednostavnih sinusoidnih komponenti s različitim frekvencijama (valnim dužinama), amplitudama i početnim fazama. Ove komponente se, zbog disperzije, šire različitim faznim brzinama, što dovodi do "razmazivanja" talasnog oblika pri njegovom širenju. Ali soliton, koji se takođe može predstaviti kao zbir ovih komponenti, kao što već znamo, zadržava svoj oblik prilikom kretanja. Zašto? Podsjetimo da je soliton nelinearni talas. I tu leži ključ za otključavanje njegove "tajne". Ispostavilo se da soliton nastaje kada se efekat nelinearnosti, koji čini "grbu" solitona strmijom i teži da je prevrne, izbalansira disperzijom, koja ga čini ravnijim i teži da ga zamagli. To jest, soliton se pojavljuje "na spoju" nelinearnosti i disperzije, kompenzujući jedan drugog.

Objasnimo ovo na primjeru. Pretpostavimo da se na površini vode stvorila grba koja se počela kretati. Da vidimo šta će se desiti ako ne uzmemo u obzir disperziju. Brzina nelinearnog talasa zavisi od amplitude (linearni talasi nemaju takvu zavisnost). Vrh grbe će se kretati najbrže od svih, a u nekom sljedećem trenutku njen prednji dio će postati strmiji. Strmina fronta se povećava, a s vremenom će se talas "prevrnuti". Slično prevrtanje valova vidimo i kada gledamo surf na morskoj obali. Sada da vidimo do čega dovodi prisustvo disperzije. Početna grba se može predstaviti zbirom sinusoidnih komponenti različitih talasnih dužina. Dugotalasne komponente rade većom brzinom od kratkotalasnih i, stoga, smanjuju strminu prednje ivice, u velikoj meri je nivelišući (videti "Nauka i život" br. 8, 1992). Pri određenom obliku i brzini grba može doći do potpunog vraćanja izvornog oblika i tada nastaje soliton.

Na vodi se mogu pojaviti i solitoni druge vrste, zvani grupni solitoni, jer je njihov oblik vrlo sličan grupama valova, koji se u stvarnosti promatraju umjesto beskonačnog sinusoidnog vala i kreću se grupnom brzinom. Grupni soliton veoma liči na amplitudno modulisane elektromagnetne talase; njegov omotač nije sinusoidan, opisan je složenijom funkcijom, hiperboličkim sekantom. Brzina takvog solitona ne zavisi od amplitude i po tome se razlikuje od KdV solitona. Ispod omotača obično nema više od 14 - 20 talasa. Srednji - najviši - talas u grupi je dakle u intervalu od sedmog do desetog; otuda dobro poznati izraz "deveti talas".

Opseg članka ne dopušta nam da razmotrimo mnoge druge vrste solitona, na primjer, solitone u čvrstim kristalnim tijelima - tzv. solitoni koji su im povezani u feromagnetima (na primjer, u željezu), nervni impulsi slični solitonima u živim organizmima i mnogi drugi. Ograničavamo se na razmatranje optičkih solitona, koji su nedavno privukli pažnju fizičara mogućnošću njihove upotrebe u vrlo perspektivnim optičkim komunikacionim linijama.

Kvant svjetlosti, u interakciji s atomom, daje mu energiju i prenosi je na viši energetski nivo, odnosno u pobuđeno stanje. U tom slučaju foton nestaje - medij upija svjetlost. Nakon što su svi atomi medija pobuđeni, apsorpcija svjetlosne energije prestaje - medij postaje transparentan. Ali takvo stanje ne može dugo trajati: fotoni koji lete iza uzrokuju da se atomi vrate u prvobitno stanje, emitujući kvante iste frekvencije. Upravo to se dešava kada se kroz takav medij usmjeri kratki svjetlosni impuls velike snage odgovarajuće frekvencije. Prednja ivica pulsa baca atome na gornji nivo, djelimično se apsorbuju i postaju slabiji. Maksimum pulsa se apsorbuje u manjoj meri, a zadnja ivica impulsa stimuliše obrnuti prelaz sa pobuđenog nivoa na nivo tla. Atom emituje foton, njegova energija se vraća impulsu, koji prolazi kroz medij. U ovom slučaju ispada da oblik impulsa odgovara grupnom solitonu.

Sasvim nedavno, jedan od američkih naučnih časopisa objavio je publikaciju o razvoju prenosa signala na veoma velike udaljenosti preko optičkih vlakana pomoću optičkih solitona poznatih Bell Laboratories (Bell Laboratories, SAD, New Jersey). Prilikom normalnog prenosa preko optičkih komunikacionih linija, signal se mora pojačavati svakih 80 - 100 kilometara (sama vlakno može poslužiti kao pojačalo kada se pumpa svjetlošću određene talasne dužine). I svakih 500 - 600 kilometara potrebno je ugraditi repetitor koji pretvara optički signal u električni signal uz očuvanje svih njegovih parametara, a zatim opet u optički za daljnji prijenos. Bez ovih mjera, signal na udaljenosti većoj od 500 kilometara je izobličen do neprepoznatljivosti. Cijena ove opreme je vrlo visoka: prijenos jednog terabita (10 12 bita) informacija iz San Francisca u New York košta 200 miliona dolara po relejnoj stanici.

Doktor tehničkih nauka A. Golubev
"Nauka i život" br. 11, 2001, str. 24 - 28
http://razumru.ru

Jedan od najnevjerovatnijih i najljepših talasnih fenomena je formiranje usamljenih valova, ili solitona, koji se šire u obliku impulsa nepromijenjenog oblika i na mnogo načina sličnih česticama. Solitonski fenomeni uključuju, na primjer, valove cunamija, nervne impulse itd.
U novom izdanju (1. izdanje - 1985.) materijal knjige je bitno revidiran uzimajući u obzir najnovija dostignuća.
Za srednjoškolce, studente, nastavnike.

Predgovor prvom izdanju 5
Predgovor drugom izdanju 6
Uvod 7

Dio I. ISTORIJA SOLITONA 16
Poglavlje 1. Prije 150 godina 17
Početak teorije talasa (22). Braća Weber proučavaju talase (24). O korisnosti teorije talasa (25). O glavnim događajima tog doba (28). Nauka i društvo (34).
Poglavlje 2
Do fatalnog susreta (38). Susret sa usamljenim talasom (40). Ne može biti! (42). A ipak postoji! (44). Rehabilitacija solitarnim talasom (46). Izolacija pojedinačnih talasa (49). Talas ili čestica? (pedeset).
Poglavlje 3. Rođaci solitona 54
Hermann Helmholtz i nervni impuls (55). Dalja sudbina nervnog impulsa (58). Hermann Helmholtz i vihorovi (60). "Vorteksni atomi" Kelvin (68). Lord Ross i vihorovi u svemiru (69). O linearnosti i nelinearnosti (71).

Dio II. NELINEARNE OSCILACIJE I TALASI 76 Poglavlje 4. Portret klatna 77
Jednačina klatna (77). Male oscilacije klatna (79). Galilejevo klatno (80). O sličnosti i dimenzijama (82). Očuvanje energije (86). Jezik faznih dijagrama (90). Fazni portret (97). Fazni portret klatna (99). "Soliton" rješenje jednadžbe klatna (103). Pokreti klatna i "ručni" soliton (104). Završne napomene (107).
Talasi u lancu spregnutih čestica (114). Povlačenje u istoriju. Porodica Bernuli i talasi (123). D'Alembertovi talasi i sporovi oko njih (125). Na diskretno i kontinuirano (129). Kako je mjerena brzina zvuka (132). Disperzija talasa u lancu atoma (136). Kako "čuti" Fourierovu ekspanziju? (138). Nekoliko riječi o disperziji svjetlosti (140). Disperzija talasa na vodi (142). Koliko brzo trči jato valova (146). Koliko je energije u talasu (150).

Dio III. SADAŠNJOST I BUDUĆNOST SOLA ETONA 155
Šta je teorijska fizika (155). Ideje Ya. I. Frenkela (158). Atomski model pokretne dislokacije prema Frenkelu i Kontorovoj (160). Interakcija dislokacija (164). "Živi" atom solitona (167). Dijalog između čitaoca i autora (168). Dislokacije i klatna (173). U šta su se zvučni talasi pretvorili (178). Kako vidjeti dislokacije? (182). Desktop solitoni (185). Drugi bliski srodnici dislokacija po matematičkoj liniji (186). Magnetski solitoni (191).
Može li se čovjek "družiti" sa računarom (198). Mnogolični haos (202). Kompjuter iznenađuje Enrika Fermija (209) Povratak Raselovog solitona (215). Okeanski solitoni: cunami, "deveti talas" (227). Tri solitona (232). Soliton telegraf (236). Nervni impuls je "elementarna čestica" misli (241). Sveprisutni vihori (246). Josephsonov efekat (255). Solitoni u dugim Josephsonovim spojevima (260). Elementarne čestice i solitoni (263). Ujedinjene teorije i strune (267).
Poglavlje 6 Frenkel Solitoni 155
Poglavlje 7. Ponovno rođenje solitona 195
Prijave
Indeks kratkih imena

Mnogi ljudi su vjerovatno naišli na riječ "co-lithon", koja je u skladu s riječima kao što su elektron ili proton. Ova knjiga je posvećena naučnoj ideji koja stoji iza ove lako pamtljive riječi, njenoj istoriji i tvorcima.
Namenjen je najširem krugu čitalaca koji su savladali školski predmet fizike i matematike i koji su zainteresovani za nauku, njenu istoriju i primene. U njemu nije sve ispričano o solitonima. Ali većinu onoga što je ostalo nakon svih ograničenja, pokušao sam izložiti dovoljno detaljno. Istovremeno, neke poznate stvari (na primjer, o oscilacijama i valovima) morale su biti predstavljene nešto drugačije nego što je to učinjeno u drugim naučno-popularnim i sasvim znanstvenim knjigama i člancima, koje sam, naravno, naširoko koristio. Sasvim je nemoguće nabrojati njihove autore i pomenuti sve naučnike čiji su razgovori uticali na sadržaj ove knjige, i ja im se izvinjavam uz duboku zahvalnost.
Posebno bih se zahvalio S. P. Novikovu na konstruktivnoj kritici i podršci, L. G. Aslamazovu i Ya. A. Smorodinskom na vrijednim savjetima, kao i Yu. S. Galpernu i S. R. Filonovichu, koji su pažljivo pročitali rukopis i dali mnogo komentara koji su doprinijeli njegovo poboljšanje.
Ova knjiga je napisana 1984. godine, a pripremajući novo izdanje, autor je, naravno, želio da govori o novim zanimljivim idejama koje su se nedavno rodile. Glavni dodaci odnose se na optičke i Josephsonove solitone, čije su promatranje i primjena u posljednje vrijeme predmet vrlo zanimljivih radova. Odjeljak posvećen haosu je nešto proširen, a po savjetu pokojnog Jakova Borisoviča Zeldoviča detaljnije su opisani udarni talasi i detonacije. Na kraju knjige dodat je esej o modernim unificiranim teorijama čestica i njihovih interakcija koji također pokušava dati neku ideju o relativističkim strunama - novom i prilično misterioznom fizičkom objektu, s čijim se proučavanjem povezuju nade za stvaranje jedinstvene teorije svih nama poznatih interakcija. Dodan je mali matematički dodatak, kao i kratak indeks imena.
Knjiga ima i dosta manjih izmjena – nešto je izbačeno, a nešto dodano. Teško da to treba detaljno opisivati. Autor je pokušao uvelike proširiti sve što je vezano za kompjutere, ali se od ove ideje moralo odustati, bilo bi bolje ovoj temi posvetiti posebnu knjigu. Nadam se da će preduzimljivi čitalac, naoružan nekom vrstom kompjutera, moći da izmisli i sprovede sopstvene kompjuterske eksperimente na materijalu ove knjige.
Zaključno, sa zadovoljstvom izražavam zahvalnost svim čitaocima prvog izdanja koji su dali svoje komentare i sugestije na sadržaj i formu knjige. Trudio sam se da im se prilagodim najbolje što sam mogao.
Nigdje se jedinstvo prirode i univerzalnost njenih zakona ne očituje tako jasno kao u oscilatornim i talasnim pojavama. Svaki učenik može lako odgovoriti na pitanje: „Šta je zajedničko između ljuljaške, sata, srca, električnog zvona, lustera, TV-a, saksofona i prekookeanskog broda?“ - i lako nastavite ovu listu. Zajednička stvar je, naravno, da oscilacije postoje ili mogu biti pobuđene u svim ovim sistemima.
Neke od njih vidimo golim okom, druge posmatramo uz pomoć instrumenata. Neke vibracije su vrlo jednostavne, kao npr. vibracije zamaha, druge su mnogo složenije - pogledajte samo elektrokardiograme ili encefalograme, ali uvijek možemo lako razlikovati oscilatorni proces po njegovom karakterističnom ponavljanju, periodičnosti.
Znamo da je titranje periodično kretanje ili promjena stanja, bez obzira što se kreće ili mijenja stanje. Nauka o fluktuacijama proučava ono što je uobičajeno u vibracijama vrlo različite prirode.
Na isti način mogu se porediti i talasi potpuno drugačije prirode - talasanje na površini lokve, radio talasi, "zeleni talas" semafora na autoputu - i mnogi, mnogi drugi. Nauka o talasima proučava same talase, apstrahujući od njihove fizičke prirode. Talas se smatra procesom prijenosa pobude (posebno oscilatornog kretanja) s jedne tačke medija na drugu. U ovom slučaju priroda medija i specifična priroda njegovih pobuda su nevažni. Stoga je prirodno da oscilatorne i zvučne valove i veze između njih danas proučava jedna nauka - teorija
vibracije i talasi. Opšta priroda ovih veza je dobro poznata. Sat otkucava, zvono zvoni, ljuljaška se ljulja i škripi, emitujući zvučne talase; val se širi kroz krvne sudove, što opažamo mjerenjem pulsa; elektromagnetne oscilacije pobuđene u oscilatornom kolu se pojačavaju i prenose u svemir u obliku radio talasa; "oscilacije" elektrona u atomima dovode do svjetlosti itd.
Kada se prosti periodični talas male amplitude širi, čestice medija vrše periodična kretanja. Sa malim povećanjem amplitude talasa, proporcionalno se povećava i amplituda ovih kretanja. Ako, međutim, amplituda vala postane dovoljno velika, mogu se pojaviti nove pojave. Na primjer, valovi na vodi na velikoj nadmorskoj visini postaju strmi, na njima se formiraju lomovi i na kraju se prevrću. U ovom slučaju, priroda kretanja čestica vala se potpuno mijenja. Čestice vode u vrhu vala počinju da se kreću potpuno nasumično, odnosno pravilno, oscilatorno kretanje prelazi u nepravilno, haotično. Ovo je najekstremniji stepen manifestacije nelinearnosti talasa na vodi. Slabija manifestacija nelinearnosti je zavisnost valnog oblika od njegove amplitude.
Da bismo objasnili šta je nelinearnost, prvo se mora objasniti šta je linearnost. Ako valovi imaju vrlo malu visinu (amplitudu), onda s povećanjem njihove amplitude, recimo, za faktor dva, oni ostaju potpuno isti, njihov oblik i brzina širenja se ne mijenjaju. Ako jedan takav val naiđe na drugi, tada se rezultirajuće složenije kretanje može opisati jednostavnim dodavanjem visina oba vala u svakoj tački. Dobro poznato objašnjenje fenomena interferencije talasa zasniva se na ovom jednostavnom svojstvu linearnih talasa.
Talasi sa dovoljno malom amplitudom su uvijek linearni. Međutim, kako se amplituda povećava, njihov oblik i brzina počinju ovisiti o amplitudi, te se više ne mogu jednostavno zbrajati, valovi postaju nelinearni. Pri velikoj amplitudi, nelinearnost stvara prekide i dovodi do lomljenja talasa.
Oblik valova može biti izobličen ne samo zbog nelinearnosti. Dobro je poznato da se talasi različitih dužina šire, uopšteno govoreći, različitim brzinama. Ova pojava se naziva disperzija. Posmatrajući talase koji se kreću u krug od kamena bačenog u vodu, lako je uočiti da dugi talasi po vodi trče brže od kratkih. Ako se na površini vode stvori blago uzvišenje u dugom i uskom žlijebu (lako ga je napraviti uz pomoć pregrada koje se brzo mogu ukloniti), tada će se, zahvaljujući disperziji, brzo raspasti u odvojene talasi različitih dužina, raspršuju se i nestaju.
Izvanredno je da neki od ovih vodenih humka ne nestaju, već žive dovoljno dugo da zadrže svoj oblik. Nije nimalo lako uočiti rađanje tako neobičnih "usamljenih" valova, ali su ipak prije 150 godina otkriveni i proučavani eksperimentima, čija je ideja upravo opisana. Priroda ovog nevjerovatnog fenomena dugo je ostala tajanstvena. Činilo se da je to u suprotnosti sa dobro utvrđenim zakonima o formiranju i širenju talasa od strane nauke. Samo mnogo decenija nakon objavljivanja izveštaja o eksperimentima sa usamljenim talasima, njihova zagonetka je delimično rešena. Ispostavilo se da mogu nastati kada se "uravnoteže" efekti nelinearnosti, koji nasip čine strmijim i imaju tendenciju da ga prevrnu, i efekti disperzije, koji ga čine ravnijim i zamagljuju. Između Scile nelinearnosti i Haribde disperzije, rađaju se usamljeni valovi, koji se nedavno nazivaju solitoni.
Već u naše vrijeme otkrivena su najnevjerovatnija svojstva solitona, zahvaljujući kojima su postali predmet fascinantnog naučnog istraživanja. O njima će se detaljno govoriti u ovoj knjizi. Jedno od izuzetnih svojstava usamljenog talasa je da je poput čestice. Dva usamljena talasa se mogu sudariti i razdvojiti kao bilijarske kugle, a u nekim slučajevima se o solitonu može zamisliti jednostavno čestica čije se kretanje povinuje Newtonovim zakonima. Najčudnija stvar kod solitona je njegova raznolikost. U proteklih 50 godina otkriveni su i proučavani mnogi usamljeni valovi, slični solitonima na površini valova, ali koji postoje u potpuno drugačijim uvjetima.
Njihova zajednička priroda postala je jasna relativno nedavno, u posljednjih 20-25 godina.
Sada se solitoni proučavaju u kristalima, magnetnim materijalima, supravodnicima, u živim organizmima, u atmosferi Zemlje i drugih planeta, u galaksijama. Očigledno su solitoni svirali važnu ulogu tokom evolucije univerzuma. Mnogi fizičari su sada fascinirani idejom da se elementarne čestice (kao što je proton) takođe mogu smatrati solitonima. Moderne teorije elementarne čestice predviđaju različite još neopažene solitone, kao što su solitoni koji nose magnetni naboj!
Upotreba solitona za pohranjivanje i prijenos informacija već počinje. Razvoj ovih ideja u budućnosti može dovesti do revolucionarnih promjena, na primjer, u komunikacijskoj tehnologiji. Općenito, ako niste čuli za solitone, čut ćete vrlo brzo. Ova knjiga je jedan od prvih pokušaja da se solitoni objasne na pristupačan način. Naravno, nemoguće je govoriti o svim danas poznatim solitonima, a ne vrijedi ni pokušavati. Da, ovo nije potrebno.
Zaista, da bismo razumjeli što su oscilacije, uopće nije potrebno upoznati se s čitavom raznolikošću oscilatornih pojava koje se javljaju u prirodi i. tehnika. Dovoljno je razumjeti osnovne ideje nauke o vibracijama na najjednostavnijim primjerima. Na primjer, sve male oscilacije su slične jedna drugoj i dovoljno je da shvatimo kako oscilira uteg na oprugi ili klatnu u zidnom satu. Jednostavnost malih oscilacija povezana je s njihovom linearnošću - sila koja vraća težinu ili klatno u ravnotežni položaj proporcionalna je odstupanju od ovog položaja. Važna posledica linearnosti je nezavisnost frekvencije oscilovanja od njihove amplitude (opsega).
Ako je uvjet linearnosti narušen, tada su oscilacije mnogo raznolikije. Ipak, mogu se razlikovati neke vrste nelinearnih oscilacija, proučavanjem kojih se može razumjeti rad raznih sistema - satova, srca, saksofona, generatora elektromagnetnih oscilacija...
Najvažniji primjer nelinearnih oscilacija daju kretanja istog klatna, ako se ne ograničimo na male amplitude i ne uredimo klatno tako da se može ne samo ljuljati, već i rotirati. Izvanredno je da se, nakon dobrog bavljenja klatnom, može razumjeti i struktura solitona! Na tom putu ćemo mi, čitaoci, pokušati da shvatimo šta je soliton.
Iako je ovo najlakši put do zemlje u kojoj žive solitoni, na njemu nas čekaju mnoge poteškoće, a onaj ko želi istinski razumjeti soliton mora biti strpljiv. Prvo morate proučiti linearne oscilacije klatna, zatim razumjeti vezu između ovih oscilacija i linearnih valova, posebno razumjeti prirodu disperzije linearnih valova. Nije tako teško. Odnos između nelinearnih oscilacija i nelinearnih valova mnogo je složeniji i suptilniji. Ali ipak, pokušat ćemo to opisati bez komplikovane matematike. U mogućnosti smo da na adekvatan način predstavimo samo jednu vrstu solitona, dok će se ostale morati baviti analogijom.
Neka čitalac ovu knjigu doživi kao putovanje u nepoznate krajeve, u kojem će do detalja upoznati jedan grad, a prošetati po ostalim mjestima, gledajući sve novo i pokušavajući to povezati sa onim što je već uspio razumeti. Još uvijek morate dovoljno dobro upoznati jedan grad, inače postoji rizik da propustite ono najzanimljivije zbog nepoznavanja jezika, običaja i običaja stranih zemalja.
Dakle, na put, čitaoče! Neka ova "zbirka šarolikih poglavlja" bude putokaz u još šarolikiju i raznolikiju zemlju u kojoj žive oscilacije, valovi i solitoni. Da bismo olakšali korištenje ovog vodiča, prvo trebamo reći nekoliko riječi o tome šta sadrži, a šta ne sadrži.
Odlazeći u nepoznatu zemlju, prirodno je prvo se upoznati s njenom geografijom i istorijom. U našem slučaju to je skoro isto, jer proučavanje ove zemlje, zapravo, tek počinje, a ne znamo ni njene točne granice.
Prvi dio knjige prikazuje istoriju usamljenog talasa zajedno sa osnovnim idejama o njemu. Zatim se pričaju stvari koje su na prvi pogled sasvim različite od usamljenog talasa na površini vode - o vrtlozima i nervnom impulsu. Njihovo proučavanje je takođe počelo u prošlom veku, ali je odnos sa solitonima uspostavljen sasvim nedavno.
Čitalac zaista može razumjeti ovu vezu ako ima strpljenja da dođe do posljednjeg poglavlja. Nadoknađujući uloženi trud, moći će da vidi duboku unutrašnju vezu takvih različitih pojava kao što su cunami, šumski požari, anticikloni, sunčeve pjege, otvrdnjavanje metala tokom kovanja, magnetizacija željeza itd.
Ali prvo ćemo morati nakratko zaroniti u prošlost, u prvu polovinu 19. stoljeća, kada su se pojavile ideje koje su u potpunosti savladane tek u naše vrijeme. U ovoj prošlosti će nas prvenstveno zanimati istorija doktrine oscilacija i talasa i kako su na toj pozadini nastale, razvijale se i sagledavale ideje koje su kasnije činile temelj nauke o solitonima. Nas će zanimati sudbina ideja, a ne sudbina njihovih kreatora. Kao što je Albert Ajnštajn rekao, istorija fizike je drama, drama ideja. U ovoj drami, „...poučno je pratiti promjenjivu sudbinu naučnih teorija. Zanimljivije su od promjenjivih sudbina ljudi, jer svaka od njih sadrži nešto besmrtno, barem djelić vječne istine.
*) Ove riječi pripadaju poljskom fizičaru Marijanu Smoluchowskom, jednom od tvoraca teorije Brownovog kretanja. Čitalac može pratiti razvoj nekih osnovnih fizičkih ideja (kao što su talas, čestica, polje, relativnost) iz divne popularne knjige A. Einsteina i T. Infelda "Evolucija fizike" (Moskva: GTTI, 1956).
Ipak, bilo bi pogrešno ne spomenuti tvorce ovih ideja, a u ovoj knjizi se dosta pažnje posvećuje ljudima koji su prvi iznijeli određene vrijedne misli, bez obzira da li su postali poznati naučnici ili ne. Autor se posebno trudio da iz zaborava izvuče imena ljudi koje njihovi savremenici i potomci nisu dovoljno cijenili, kao i da se prisjeti nekih malo poznatih radova prilično poznatih naučnika. (Ovdje je, na primjer, opisan život nekoliko naučnika, malo poznatih širokom krugu čitalaca, a koji su na ovaj ili onaj način iznosili ideje vezane za soliton; drugima su dati samo kratki podaci.)
Ova knjiga nije udžbenik, a još manje udžbenik istorije nauke. Možda nisu svi istorijski podaci predstavljeni u njemu prikazani apsolutno tačno i objektivno. Istorija teorije oscilacija i talasa, posebno nelinearnih, nije dovoljno proučena. Istorija solitona još nije uopšte napisana. Možda će komadići slagalice ove priče, koje je autor prikupio na različitim mjestima, nekome biti od koristi za ozbiljnije proučavanje. U drugom dijelu knjige uglavnom ćemo se fokusirati na fiziku i matematiku nelinearnih oscilacija i valova u obliku i volumenu u kojem je to neophodno za dovoljno duboko upoznavanje solitona.
Drugi dio ima relativno veliku količinu matematike. Pretpostavlja se da čitalac prilično dobro razumije šta je derivacija i kako se brzina i ubrzanje izražavaju pomoću derivacije. Također je potrebno zapamtiti neke trigonometrijske formule.
Uopšte ne možete bez matematike, ali u stvari će nam trebati malo više od onoga što je Njutn znao. Prije dvije stotine godina, Jean Antoine Condorcet, francuski filozof, pedagog i jedan od reformatora školskog učenja, rekao je: „Trenutno, mladić, nakon što je završio školu, zna više iz matematike nego što je Newton stekao dubokim proučavanjem ili otkrio njegov genije; zna da koristi alate za proračun sa lakoćom, tada nedostupnim. Dodaćemo onome što je Condorcet predložio slavnim školarcima, nekoliko ostvarenja Eulera, porodice Bernoulli, d'Alemberta, Lagrangea i Cauchyja. Ovo je sasvim dovoljno za razumijevanje modernih fizičkih koncepata solitona. O modernoj matematičkoj teoriji solitona se ne raspravlja - ona je vrlo komplikovana.
Ipak, u ovoj ćemo se knjizi prisjetiti svega što je potrebno od matematike, a osim toga, čitatelj koji ne želi ili nema vremena da razumije formule može jednostavno preletjeti kroz njih, slijedeći samo fizičke ideje. Stvari koje su teže ili odvode čitaoca od glavnog puta su sitnim slovima.
Drugi dio daje neku ideju o doktrini vibracija i valova, ali ne govori o mnogo važnih i zanimljivih ideja. Naprotiv, detaljno je opisano ono što je potrebno za proučavanje solitona. Čitalac koji želi da se upozna sa opštom teorijom oscilacija i talasa treba da pogleda druge knjige. Solitoni su povezani sa takvim različitim
nauke, da je autor u mnogim slučajevima morao preporučiti i druge knjige za detaljnije upoznavanje sa nekim pojavama i idejama, koje se ovdje suviše ukratko pominju. Posebno je vrijedno pogledati druge brojeve Kvantove biblioteke, koji se često citiraju.
Treći dio detaljno i dosljedno govori o jednoj vrsti solitona, koja je ušla u nauku prije 50 godina, bez obzira na usamljeni val na ženi, a povezuje se s dislokacijama u kristalima. Posljednje poglavlje pokazuje kako su se na kraju sudbine svih solitona ukrstile i rodile opšta ideja o solitonima i objektima sličnim solitonima. Kompjuteri su odigrali posebnu ulogu u rađanju ovih opštih ideja. Kompjuterski proračuni, koji su doveli do drugog rođenja solitona, bili su prvi primjer numeričkog eksperimenta, kada su kompjuteri korišteni ne samo za proračune, već i za otkrivanje novih pojava nepoznatih nauci. Numerički eksperimenti na računarima nesumnjivo imaju veliku budućnost i dovoljno su detaljno opisani.
Zatim prelazimo na razgovor o nekima savremene ideje o solitonima. Ovdje izlaganje postepeno postaje sve sažetije, a posljednji paragrafi pogl. 7 daju samo opštu ideju o pravcima u kojima se razvija nauka o solitonima. Svrha ovog vrlo kratkog izleta je da da predstavu o nauci današnjice i da malo pogleda u budućnost.
Ako čitalac bude u stanju da uhvati unutrašnju logiku i jedinstvo u šarolikoj slici koja mu je predstavljena, tada će biti postignut glavni cilj koji je autor sebi postavio. Specifičan zadatak ove knjige je da ispriča o solitonu i njegovoj istoriji. Sudbina ove naučne ideje po mnogo čemu deluje neobično, ali se dubljim promišljanjem ispostavlja da su se mnoge naučne ideje koje danas čine naše zajedničko bogatstvo rađale, razvijale i sagledavale sa ništa manje poteškoća.
Iz toga je proizašao širi zadatak ove knjige – da na primjeru solitona pokušamo pokazati kako nauka uopće funkcionira, kako na kraju dolazi do istine nakon mnogih nesporazuma, zabluda i grešaka. Glavni cilj nauke je sticanje istinitog i potpunog znanja o svijetu, a može koristiti ljudima samo u onoj mjeri u kojoj se tom cilju približi. Najteža stvar ovdje je potpunost. Konačno, eksperimentisanjem utvrđujemo istinu naučne teorije. Međutim, niko nam ne može reći kako da dođemo do nove naučne ideje, novog koncepta, uz pomoć kojih čitavi svetovi fenomena, prethodno odvojeni, ili čak potpuno izmičući našoj pažnji, ulaze u sferu harmoničnog naučnog saznanja. Može se zamisliti svijet bez solitona, ali to će već biti drugačiji, siromašniji svijet. Ideja o solitonu, kao i druge velike naučne ideje, vrijedna je ne samo zato što donosi koristi. Dodatno obogaćuje našu percepciju svijeta, otkrivajući njegovu unutrašnju ljepotu koja izmiče površnom pogledu.
Autor je posebno želio da otkrije čitaocu ovu stranu naučnikovog rada, koja ga dovodi u vezu sa stvaralaštvom pjesnika ili kompozitora, koji nam otkriva sklad i ljepotu svijeta u područjima koja su našim čulima dostupnija. Rad naučnika zahteva ne samo znanje, već i maštu, zapažanje, hrabrost i posvećenost. Možda će ova knjiga nekome pomoći da odluči da slijedi nezainteresovane vitezove nauke, čije su ideje u njoj opisane, ili barem da razmisli i pokuša shvatiti šta je natjeralo njihovu misao da neumorno radi, nikad zadovoljni onim što su postigli. Autor bi se tome nadao, ali, nažalost, "nije nam dato da predvidimo kako će naša riječ odgovoriti..." Ono što se dogodilo iz autorove namjere je da sudi čitaocu.

SOLITON HISTORY

Nauka! ti si dijete sivih vremena!
Mijenjam sve pažnjom prozirnih očiju.
Zašto remetiš pesnikov san...
Edgar Poe

Prvi službeno zabilježeni susret osobe sa solitonom dogodio se prije 150 godina, u avgustu 1834. godine, u blizini Edinburga. Ovaj susret je na prvi pogled bio slučajan. Čovjek se za to nije posebno pripremao, a od njega su se zahtijevale posebne kvalitete kako bi mogao vidjeti neobično u pojavi s kojom su se i drugi susreli, ali u njoj nije primijetio ništa iznenađujuće. John Scott Russell (1808 - 1882) bio je u potpunosti obdaren upravo takvim osobinama. Ne samo da nam je ostavio naučno tačan i živopisan opis svog susreta sa solitonom*, ne bez poezije, već je i mnoge godine svog života posvetio proučavanju ovog fenomena koji je pogodio njegovu maštu.
*) On je to nazvao talasom prevođenja (transfer) ili velikim usamljenim talasom (veliki usamljeni talas). Od riječi solitary kasnije je nastao izraz "soliton".
Raselovi savremenici nisu dijelili njegov entuzijazam, a usamljeni talas nije postao popularan. Od 1845. do 1965 objavljeno ne više od dva desetina naučni radovi, direktno vezano za ko-litone. Za to vrijeme, međutim, otkriveni su i djelomično proučavani bliski srodnici solitona, ali univerzalnost solitonskih fenomena nije bila shvaćena, a Russellovo otkriće se jedva pamtilo.
U posljednjih dvadesetak godina započeo je novi život solitona, koji se pokazao zaista mnogostranim i sveprisutnim. Godišnje se objavljuju hiljade naučnih radova o solitonima u fizici, matematici, hidromehanici, astrofizici, meteorologiji, okeanografiji i biologiji. Održavaju se naučni skupovi posebno posvećeni solitonima, pišu se knjige o njima, a sve veći broj naučnika uključen je u uzbudljiv lov na solitone. Ukratko, usamljeni talas je izašao iz povučenosti u veći život.
Kako je i zašto došlo do ovog čudesnog zaokreta u sudbini solitona, koji ni Rasel, koji je bio zaljubljen u soliton, nije mogao da predvidi, čitalac će saznati ima li strpljenja da pročita ovu knjigu do kraja. U međuvremenu, pokušajmo da se mentalno vratimo u 1834. kako bismo zamislili naučnu atmosferu tog doba. To će nam pomoći da bolje razumijemo odnos Raselovih suvremenika prema njegovim idejama i dalju sudbinu solitona. Naš izlet u prošlost će, nužno, biti vrlo površan, upoznaćemo se uglavnom sa onim događajima i idejama za koje se pokazalo da su direktno ili indirektno povezane sa solitonom.

Poglavlje 1
PRIJE 150 GODINA

Devetnaesti vek, gvožđe,
Wonstiyu okrutno doba...
A. Blok

Naše jadno doba - koliko napada na njega, kakvim ga čudovištem smatraju! A sve za željeznicu, za parobrode - to su njegove velike pobjede, ne samo nad majkom, već i nad prostorom i vremenom.
V. G. Belinsky

Dakle, prva polovina prošlog veka, vreme ne samo Napoleonovih ratova, društvenih pomeranja i revolucija, već i naučnih otkrića, čiji se značaj otkrivao postepeno, decenijama kasnije. U to vrijeme malo je ljudi znalo za ova otkrića, a samo su rijetki mogli predvidjeti njihovu veliku ulogu u budućnosti čovječanstva. Sada znamo o sudbini ovih otkrića i nećemo moći u potpunosti uvidjeti poteškoće njihovog percepcije od strane suvremenika. Ali pokušajmo ipak napregnuti svoju maštu i pamćenje i pokušati probiti slojeve vremena.
1834... Još uvijek nema telefona, radija, televizije, automobila, aviona, raketa, satelita, kompjutera, nuklearne energije i još mnogo toga. Prije samo pet godina izgrađena je prva željeznica, a tek su počeli da se grade parobrodi. Glavna vrsta energije koju ljudi koriste je energija zagrijane pare.
Međutim, već sazrevaju ideje koje će na kraju dovesti do stvaranja tehničkih čuda 20. veka. Sve ovo će trajati skoro sto godina. U međuvremenu, nauka je i dalje koncentrisana na univerzitetima. Vrijeme uske specijalizacije još nije došlo, a fizika se još nije pojavila kao posebna nauka. Univerziteti predaju predmete iz "prirodne filozofije" (tj. prirodne nauke), prvi institut za fiziku biće stvorena tek 1850. godine. U to daleko vrijeme, fundamentalna otkrića u fizici mogu se napraviti vrlo jednostavnim sredstvima, dovoljno je imati blistavu maštu, zapažanje i zlatne ruke.
Jedno od najneverovatnijih otkrića prošlog veka napravljeno je korišćenjem žice kroz koju je prolazila električna struja i jednostavnog kompasa. Ne može se reći da je ovo otkriće bilo potpuno slučajno. Russellov stariji savremenik, Hans Christian Oersted (1777. - 1851.), bio je doslovno opsjednut idejom o povezanosti različitih prirodnih fenomena, uključujući toplinu, zvuk, elektricitet, magnetizam *). Godine 1820., tokom predavanja o potrazi za vezama između magnetizma i "galvanizma" i elektriciteta, Oersted je primijetio da kada se struja prođe kroz žicu paralelnu sa iglom kompasa, strelica skreće. Ovo zapažanje izazvalo je veliko interesovanje u obrazovanom društvu, au nauci je dovelo do lavine otkrića, koju je započeo André Marie Ampère (1775 - 1836).
*) Bliska veza između električnih i magnetnih pojava prvi put je uočena krajem 18. veka. Peterburški akademik Franz Aepinus.
U čuvenom nizu radova 1820-1825. Amper je postavio temelje jedinstvenoj teoriji elektriciteta i magnetizma i nazvao je elektrodinamikom. Zatim su uslijedila velika otkrića briljantnog samouka Michaela Faradaya (1791. - 1867.), koje je napravio uglavnom 30-ih - 40-ih godina, od opažanja elektromagnetne indukcije 1831. do formiranja koncepta elektromagnetnog polja 1852. godine. Faraday je također postavljao svoje eksperimente, koji su pogodili maštu njegovih savremenika, koristeći najjednostavniji način.
Godine 1853. Hermann Helmholtz, o kome će biti reči kasnije, piše: „Uspeo sam da se upoznam sa Faradejem, zaista prvim fizičarom u Engleskoj i Evropi... On je jednostavan, ljubazan i nepretenciozan, kao dete; Nikad nisam sreo ovako dragu osobu... Uvek je bio od pomoći, pokazao mi sve što je vredelo videti. Ali morao je malo da se osvrne, jer mu stari komadi drveta, žice i gvožđa služe za njegova velika otkrića.
U ovom trenutku, elektron je još uvijek nepoznat. Iako je Faraday već 1834. godine sumnjao u postojanje elementarnog električnog naboja u vezi s otkrićem zakona elektrolize, njegovo postojanje postalo je naučno utvrđena činjenica tek krajem stoljeća, a sam pojam "elektron" bio bi uveden tek 1891. godine.
Potpuna matematička teorija elektromagnetizma još nije stvorena. Njegov tvorac, James Clark Maxwell, imao je samo tri godine 1834. godine, a odrasta u istom gradu Edinburgu, gdje junak naše priče drži predavanja o prirodnoj filozofiji. U ovom trenutku fizika, koja još nije podijeljena na teorijsku i eksperimentalnu, tek počinje da se matematizira. Dakle, Faraday nije koristio ni elementarnu algebru u svojim djelima. Iako će Maksvel kasnije reći da se držao „ne samo ideja, već i matematičkih metoda Faradeja“, ova izjava se može razumeti samo u smislu da je Maksvel uspeo da prevede Faradejeve ideje na jezik savremene matematike. . U svom Traktatu o elektricitetu i magnetizmu napisao je:
„Možda je za nauku bila srećna okolnost što Faradej zapravo nije bio matematičar, iako je bio savršeno upoznat sa pojmovima prostora, vremena i sile. Stoga nije bio u iskušenju da se upušta u zanimljiva, već čisto matematička istraživanja, koja bi njegova otkrića zahtijevala ako bi se predstavila u matematičkom obliku... Tako je mogao krenuti svojim putem i uskladiti svoje ideje sa dobivenim činjenicama, koristeći prirodni, netehnički jezik... Počevši da proučavam Faradejevo delo, otkrio sam da je i njegov metod razumevanja fenomena bio matematički, iako nije predstavljen u obliku običnih matematičkih simbola. Takođe sam otkrio da se ova metoda može izraziti u uobičajenom matematičkom obliku i na taj način uporediti sa metodama profesionalnih matematičara.
Ako me pitate... da li će se ovo doba zvati gvozdeno ili doba pare i elektriciteta, bez ustezanja ću odgovoriti da će se naše doba zvati doba mehaničkog pogleda na svet...
Istovremeno, mehanika sistema tačaka i čvrstih tela, kao i mehanika kretanja fluida (hidrodinamika), već su suštinski matematizovane, odnosno u velikoj meri su postale matematičke nauke. Problemi mehanike sistema tačaka su u potpunosti svedeni na teoriju običnih diferencijalnih jednadžbi (Njutnove jednačine - 1687, opštije Lagranževe jednačine - 1788), a problemi hidromehanike - na teoriju tzv. diferencijalnih jednačina sa parcijalni derivati (Eulerove jednačine - 1755.), Navierove jednačine - 1823.). To ne znači da su svi zadaci riješeni. Naprotiv, u tim naukama su naknadno napravljena duboka i važna otkrića, čiji tok ni danas ne prestaje. Mehanika i hidromehanika su jednostavno dostigle onaj nivo zrelosti kada su osnovni fizički principi jasno formulisani i prevedeni na jezik matematike.
Naravno, ove duboko razvijene nauke poslužile su kao osnova za izgradnju teorija novih fizičkih pojava. Razumeti fenomen za naučnika prošlog veka značilo je objasniti ga jezikom zakona mehanike. Nebeska mehanika smatrana je primjerom dosljedne konstrukcije naučne teorije. Rezultate njegovog razvoja sažeo je Pjer Simon Laplas (1749 - 1827) u monumentalnom petotomnom Traktatu o nebeskoj mehanici, koji je objavljen u prvoj četvrtini veka. Ovo djelo, koje je sakupilo i saželo dostignuća divova XVIII vijeka. - Bernuli, Ojler, D'Alembert, Lagranž i sam Laplas su imali dubok uticaj na formiranje "mehaničkog pogleda na svet" u 19. veku.
Imajte na umu da je iste 1834. godine harmonijskoj slici klasične mehanike Newtona i Lagrangea dodan posljednji potez - poznati irski matematičar William Rowan Hamilton (1805. - 1865.) dao je jednadžbi mehanike tzv. kanonski oblik (prema rečnik S.I. Ozhegova "kanonski" znači "uzet kao model, čvrsto uspostavljen, koji odgovara kanonu") i otkrio je analogiju između optike i mehanike. Hamiltonove kanonske jednačine bile su predodređene da odigraju izuzetnu ulogu na kraju veka u stvaranju statističke mehanike, a optičko-mehaničku analogiju, koja je uspostavila vezu između širenja talasa i kretanja čestica, koristio je 20-ih godina našeg veka tvorci kvantne teorije. Ideje Hamiltona, koji je prvi duboko analizirao koncept valova i čestica i povezanost između njih, odigrale su značajnu ulogu u teoriji solitona.
Razvoj mehanike i hidromehanike, kao i teorije deformacija elastičnih tijela (teorija elastičnosti), podstaknut je potrebama razvoja tehnologije. J.K. Maxwell se također dosta bavio teorijom elastičnosti, teorijom stabilnosti kretanja s primjenama na rad regulatora i strukturnom mehanikom. Štoviše, dok je razvijao svoju elektromagnetsku teoriju, stalno je pribjegavao ilustrativnim modelima: „... Ostajem u nadi da ću, pažljivo proučavajući svojstva elastičnih tijela i viskoznih tekućina, pronaći metodu koja bi nam omogućila da damo neku mehaničku sliku za električno stanje ... (uporedi sa djelom: William Thomson "O mehaničkom prikazu električnih, magnetskih i galvanskih sila", 1847)".
Drugi poznati škotski fizičar William Thomson (1824 - 1907), koji je kasnije dobio titulu Lord Kelvin za naučne zasluge, općenito je vjerovao da se sve prirodne pojave moraju svesti na mehanička kretanja i objasniti jezikom zakona mehanike. Tomsonovi stavovi imali su snažan uticaj na Maksvela, posebno u njegovim mlađim godinama. Iznenađujuće je da je Thomson, koji je pomno poznavao i cijenio Maxwella, bio jedan od posljednjih koji je prepoznao njegovu elektromagnetnu teoriju. To se dogodilo tek nakon čuvenih eksperimenata Petra Nikolajeviča Lebedeva o mjerenju svjetlosnog pritiska (1899): "Cijeli život sam se borio s Maxwellom ... Lebedev me je prisilio da se predam ..."

Početak teorije talasa
Iako su osnovne jednačine koje opisuju kretanje fluida, 30-ih godina XIX v. već dobijeni, matematička teorija talasa na vodi tek je počela da se stvara. Najjednostavniju teoriju o talasima na površini vode dao je Newton u svojim "Matematičkim principima prirodne filozofije", prvi put objavljenim 1687. Stotinu godina kasnije, poznati francuski matematičar Joseph Louis Lagrange (1736 - 1813) nazvao je ovo djelo " najveće delo ljudskog uma." Nažalost, ova teorija je bila zasnovana na pogrešnoj pretpostavci da čestice vode u talasu jednostavno osciliraju gore-dole. Unatoč činjenici da Newton nije dao tačan opis valova na vodi, on je ispravno postavio problem, a njegov jednostavan model doveo je do drugih studija. Lagrange je prvi put pronašao ispravan pristup površinskim valovima. Shvatio je kako je moguće izgraditi teoriju talasa na vodi u dva jednostavna slučaja - za talase male amplitude („mali talasi”) i za talase u posudama čija je dubina mala u odnosu na talasnu dužinu („plitki talasi”). voda”), Lagrange nije proučavao detaljan razvoj teorije talasa, jer su ga fascinirali drugi, opštiji matematički problemi.
Ima li mnogo ljudi koji, diveći se igri valova na površini potoka, razmišljaju kako pronaći jednadžbe po kojima bi se mogao izračunati oblik bilo kojeg talasnog vrha?
Uskoro, tačno i iznenađujuće jednostavno rješenje jednačina koje opisuje
talasi na vodi. Ovo je prvo i jedno od rijetkih tačnih rješenja jednadžbi hidromehanike koje je 1802. godine dobio češki naučnik, profesor matematike u
Prag Frantisek Josef Gerstner (1756 - 1832) *).
*) Ponekad se F.I. Gerstner brka sa svojim sinom, F.A. Gerstnerom, koji je nekoliko godina živio u Rusiji. Pod njegovim vodstvom 1836-1837. Izgrađena je prva željeznička pruga u Rusiji (od Sankt Peterburga do Carskog Sela).
U Gerstnerovom talasu (slika 1.1), koji se može formirati samo u "dubokoj vodi", kada je talasna dužina mnogo manja od dubine posude, čestice fluida se kreću u krug. Gerstnerov talas je prvi nesinusoidni talas koji je proučavan. Iz činjenice da se TEČNE čestice kreću u krug, može se zaključiti da površina vode ima oblik cikloide. (od grčkog "kyklos" - krug i "eidos" - oblik), odnosno kriva koja opisuje neku tačku točka koji se kotrlja po ravnom putu. Ponekad se ova kriva naziva trohoidna (od grčkog "trochos" - točak), a Gerstnerovi talasi se nazivaju trohoidalnim *). Samo za vrlo male talase, kada visina talasa postane mnogo manja od njihove dužine, cikloida postaje slična sinusoidi, a Gerstnerov talas se pretvara u sinusoidu. Iako čestice vode malo odstupaju od svojih ravnotežnih položaja, one se i dalje kreću u krug, a ne ljuljaju se gore-dolje, kao što je Newton vjerovao. Treba napomenuti da je Newton bio jasno svjestan pogrešnosti takve pretpostavke, ali je smatrao da je moguće koristiti je za grubu približnu procjenu brzine širenja valova: zapravo, on se ne događa pravolinijski, već radije u krug, stoga tvrdim da je vrijeme ovim pozicijama dato samo približno. Ovdje je "vrijeme" period oscilacija T u svakoj tački; brzina talasa v = %/T, gde je K talasna dužina. Njutn je pokazao da je brzina talasa na vodi proporcionalna -y/K. Kasnije ćemo vidjeti da je to ispravan rezultat i naći ćemo koeficijent proporcionalnosti, koji je Njutnu bio poznat samo približno.
*) Cikloide ćemo zvati krive opisane točkama koje leže na obodu kotača, a trohoide - krivulje opisane točkama između ruba i osovine.
Gerstnerovo otkriće nije prošlo nezapaženo. Mora se reći da je i sam nastavio da se zanima za talase i primenio je svoju teoriju na praktične proračune brana i nasipa. Ubrzo je počelo laboratorijsko proučavanje talasa na vodi. To su uradila mlada braća Weber.
Stariji brat Erist Weber (1795 - 1878) kasnije je napravio važna otkrića u anatomiji i fiziologiji, posebno u fiziologiji nervnog sistema. Wilhelm Weber (1804 - 1891) postao je poznati fizičar i dugogodišnji saradnik K. Gaussove "kontrole matematičara" u istraživanju fizike. Na prijedlog i uz Gaussovu pomoć, osnovao je prvu fizičku laboratoriju na svijetu na Univerzitetu u Getingenu (1831). Najpoznatija su njegova djela o elektricitetu i magnetizmu, kao i Weberova elektromagnetna teorija, koja je kasnije zamijenjena Maxwellovom teorijom. Bio je jedan od prvih (1846) koji je uveo koncept pojedinačnih čestica električne materije - "električne mase" i predložio prvi model atoma, u kojem je atom upoređen sa planetarnim modelom. Solarni sistem. Weber je također razvio osnovnu teoriju Faradayeve teorije elementarnih magneta u materiji i izumio nekoliko fizičkih uređaja koji su bili vrlo napredni za svoje vrijeme.
Ernst, Wilhelm i njihov mlađi brat Eduard Weber ozbiljno su se zainteresovali za talase. Bili su pravi eksperimentatori, a jednostavna zapažanja talasa, koja se vide "na svakom koraku", nisu ih mogla zadovoljiti. Tako su napravili jednostavan instrument (Weberov pladanj) koji se, uz razne modifikacije, i danas koristi za eksperimente s vodenim valovima. Sagradivši dugačku kutiju sa staklenom bočnom stijenkom i jednostavnim uređajima za pobuđivanje valova, izvršili su opsežna opažanja različitih valova, uključujući i Gerstnerove, čiju su teoriju na taj način eksperimentalno testirali. Objavili su rezultate ovih zapažanja 1825. godine u knjizi pod nazivom Učenje talasa na osnovu eksperimenata. Ovo je bila prva eksperimentalna studija u kojoj su sistematski proučavani talasi različitih oblika, njihova brzina širenja, odnos između talasne dužine i visine itd. Metode posmatranja su bile veoma jednostavne, genijalne i prilično efikasne. Na primjer, da bi odredili oblik valne površine, spustili su mat staklo
ploča. Kada val dosegne sredinu ploče, brzo se izvlači; u ovom slučaju, prednji dio vala je sasvim ispravno utisnut na ploču. Da bi posmatrali putanje čestica koje osciluju u talasu, napunili su tacnu mutnom vodom iz reka. Saale i promatrane pokrete golim okom ili slabim mikroskopom. Na taj način su odredili ne samo oblik, već i dimenzije putanja čestica. Dakle, otkrili su da su putanje blizu površine bliske krugovima, a kada se približe dnu, spljošte se u elipse; blizu dna, čestice se kreću horizontalno. Webersi su otkrili mnoga zanimljiva svojstva valova na vodi i drugim tekućinama.

O prednostima teorije talasa
Niko ne traži svoje, ali svako traži korist drugog.
Apostola Pavla
Bez obzira na to, odvijao se razvoj Lagrangeovih ideja, vezanih uglavnom za imena francuskih matematičara Augustina Louisa Cauchyja (1789 - 1857) i Simona Denisa Poissona (1781 - 1840). U ovom radu učestvovao je i naš sunarodnik Mihail Vasiljevič Ostrogradski (1801 - 1862). Ovi poznati naučnici učinili su mnogo za nauku, brojne jednadžbe, teoreme i formule nose njihova imena. Manje poznati su njihovi radovi na matematičkoj teoriji talasa male amplitude na površini vode. Teorija ovakvih valova može se primijeniti na neke olujne valove na moru, na kretanje brodova, na valove na plićacima i blizu lukobrana, itd. Vrijednost matematičke teorije takvih valova za inženjersku praksu je očigledna. Ali u isto vrijeme, matematičke metode razvijene za rješavanje ovih praktičnih problema kasnije su primijenjene na rješavanje sasvim drugih problema, daleko od hidromehanike. Iznova ćemo se susresti sa sličnim primjerima „svejedinosti“ matematike i praktičnih koristi rješavanja matematičkih problema, na prvi pogled vezanih za „čistu“ („beskorisnu“) matematiku.
Ovdje se autoru teško suzdržati od male digresije posvećene jednoj epizodi povezanoj s pojavom jednog
Rad Ostrogradskog na teoriji volje. Ovaj matematički rad ne samo da je doneo daleku korist za nauku i tehnologiju, već je imao direktan i važan uticaj na sudbinu svog autora, što se ne dešava baš često. Evo kako ovu epizodu opisuje izuzetni ruski brodograditelj, matematičar i inženjer, akademik Aleksej Nikolajevič Krilov (1863 - 1945). „Godine 1815. Pariška akademija nauka je teoriju volje učinila predmetom Grand Prixa iz matematike. Na takmičenju su učestvovali Cauchy i Poisson. Nagrađeni su opsežni (oko 300 stranica) memoari Košija, Poissonovi memoari su zaslužili počasno priznanje... U isto vreme (1822) M.V. je bio zatvoren u Klišiju (dužnički zatvor u Parizu). Ovdje je napisao "Teoriju volje u cilindričnoj posudi" i poslao svoje memoare Cauchyju, koji ne samo da je odobrio ovo djelo i predstavio ga Pariškoj akademiji nauka za objavljivanje u njenim radovima, već je i, budući da nije bio bogat, kupio Ostrogradskog je izašao iz dužničkog zatvora i preporučio ga za mjesto nastavnika matematike u jednom od liceja u Parizu. Brojni matematički radovi Ostrogradskog privukli su pažnju Petrogradske akademije nauka na njega, te je 1828. izabran u njene pomoćnike, a potom i za obične akademike, posjedujući samo uvjerenje studenta na Univerzitetu u Harkovu, koji je otpušten. bez završenog kursa.
Dodajmo ovome da je Ostrogradski rođen u siromašnoj porodici ukrajinskih plemića, sa 16 godina upisao je Fakultet fizike i matematike Harkovskog univerziteta po nalogu svog oca, suprotno sopstvene želje(Oi je želio postati vojnik), ali vrlo brzo su se pojavile njegove izvanredne sposobnosti u matematici. Godine 1820. položio je ispite za kandidata s odlikom, ali ministar narodnog obrazovanja i duhovnih poslova Kiyaz A.N. Golitsyn ne samo da je odbio da mu dodijeli stupanj kandidata, već mu je oduzeo i prethodno izdatu univerzitetsku diplomu. Osnova su bile njegove optužbe za "bezbožništvo i slobodoumlje", da "nije posjetio samo
predavanja o filozofiji, bogopoznanju i hrišćanskoj doktrini. Kao rezultat toga, Ostrogradski je otišao u Pariz, gdje je marljivo pohađao predavanja Laplacea, Cauchyja, Poissona, Fouriera, Amperea i drugih istaknutih naučnika. Nakon toga, Ostrogradski je postao dopisni član Pariške akademije nauka, član Torina,
Rimske i Američke akademije itd. Godine 1828. Ostrogradski se vratio u Rusiju, u Sankt Peterburg, gdje je, po ličnom naređenju Nikole I, stavljen pod tajni policijski nadzor *). Ova okolnost, međutim, nije omela karijeru Ostrogradskog, koji se postepeno uzdigao na vrlo visok položaj.
Rad o talasima koji spominje A. N. Krilov objavljen je u Proceedings of the Paris Academy of Sciences 1826. godine. Posvećen je talasima male amplitude, odnosno problemu na kojem su radili Cauchy i Poissois. Ostrogradski se više nije vratio proučavanju talasa. Pored čisto matematičkih radova, poznata su njegova istraživanja Hamiltonove mehanike, jedno od prvih radova o proučavanju uticaja nelinearne sile trenja na kretanje projektila u vazduhu (ovaj problem je postavljen još u
*) Car Nikolaj I se generalno odnosio prema naučnicima s nepoverenjem, smatrajući sve njih, ne bez razloga, slobodoumcima.
Euler). Ostrogradsky je bio jedan od prvih koji je shvatio potrebu za proučavanjem nelinearnih oscilacija i pronašao genijalan način da uzme u obzir približno male nelinearnosti u oscilacijama klatna (Poissonov problem). Nažalost, mnoge svoje naučne poduhvate nije dovršio – previše truda je trebalo uložiti u pedagoški rad, otvarajući put novim generacijama naučnika. Samo zbog toga treba da budemo zahvalni njemu, kao i drugim ruskim naučnicima s početka prošlog veka, koji su vrednim radom stvorili temelj za budući razvoj nauke u našoj zemlji.
Vratimo se, međutim, našem razgovoru o dobrobitima talasa. Možemo dati izvanredan primjer primjene ideja teorije valova na potpuno drugačiji raspon pojava. Govorimo o Faradejevoj hipotezi o talasnoj prirodi procesa širenja električnih i magnetskih interakcija.
Faraday je za života postao poznati naučnik, a o njemu i njegovom radu napisane su mnoge studije i popularne knjige. Međutim, malo ko i danas zna da je Faraday bio ozbiljno zainteresovan za talase na vodi. Ne poznavajući matematičke metode koje su poznavali Cauchy, Poisson i Ostrogradsky, on je vrlo jasno i duboko shvatio osnovne ideje teorije valova na vodi. Razmišljajući o širenju električnih i magnetskih polja u svemiru, pokušao je zamisliti ovaj proces po analogiji sa širenjem valova na vodi. Ova analogija ga je, očigledno, dovela do hipoteze o konačnosti brzine širenja električnih i magnetskih interakcija i o talasnoj prirodi ovog procesa. On je 12. marta 1832. godine zapisao ove misli u posebnom pismu: "Novi pogledi, koji će se sada čuvati u zapečaćenoj koverti u arhivi Kraljevskog društva." Ideje izražene u pismu bile su daleko ispred svog vremena; zapravo, ideja o elektromagnetnim valovima ovdje je formulirana po prvi put. Ovo pismo je zakopano u arhivi Kraljevskog društva, otkrio ga je Eidimo tek 1938. godine, a sam Faraday ga je zaboravio (postupno je razvio ozbiljnu bolest povezanu s gubitkom pamćenja). Glavne ideje pisma izložio je kasnije u radu 1846.
Naravno, danas je nemoguće precizno rekonstruisati Faradejev tok misli. Ali njegova razmišljanja i eksperimenti na valovima na vodi, neposredno prije sastavljanja ovog izvanrednog pisma, odražavaju se u djelu koje je objavio 1831. Posvećen je proučavanju malih talasa na površini vode, odnosno takozvanih "kapilarnih" talasa*) (više o njima biće reči u 5. poglavlju). Za njihovo proučavanje smislio je duhovit i, kao i uvijek, vrlo jednostavan uređaj. Nakon toga, Faradejevu metodu je upotrijebio Russell, koji je promatrao i druge suptilne, ali lijepe i zanimljive pojave s kapilarnim valovima. Eksperimenti Faradaya i Russela opisani su u § 354 - 356 Rayleighove knjige (John William Stratt, 1842 - 1919) "Teorija zvuka", koja je prvi put objavljena 1877., ali još uvijek nije zastarjela i može donijeti veliko zadovoljstvo čitalac (postoji ruski prevod). Rayleigh nije samo učinio mnogo za teoriju oscilacija i valova, već je bio i jedan od prvih koji je prepoznao i cijenio usamljeni val.

O glavnim događajima tog doba
Unapređenje nauke ne treba očekivati od sposobnosti ili okretnosti bilo kog pojedinca, već od dosledne aktivnosti mnogih generacija koje se smenjuju jedna drugu.
F. Bacon
U međuvremenu, vrijeme je da završimo pomalo dugotrajan istorijski izlet, iako se slika nauke tog vremena pokazala, možda, previše jednostrana. Da bismo to nekako ispravili, prisjetimo se ukratko događaja iz tih godina koje istoričari nauke s pravom smatraju najvažnijim. Kao što je već spomenuto, svi osnovni zakoni i jednačine mehanike formulisani su 1834. godine u samom obliku u kojem ih mi danas koristimo. Sredinom stoljeća napisane su osnovne jednačine koje opisuju kretanje fluida i elastičnih tijela (hidrodinamika i teorija elastičnosti) koje su počele da se detaljno proučavaju. Kao što smo videli, talasi u tečnostima i u elastičnim tijelima bili su od interesa za mnoge naučnike. Fizičari su, međutim, u to vrijeme bili mnogo više fascinirani svjetlosnim valovima.
*) Ovi talasi su povezani sa silama površinskog napona vode. Iste sile uzrokuju podizanje vode u najtanjim cijevima tankim kao kosa (latinska riječ capillus znači kosa).
U prvoj četvrtini veka, uglavnom zahvaljujući talentu i energiji Tomasa Janga (1773 - 1829), Augustina Žana Frenela (1788 - 1827) i Dominika Fransoa Araga (1786 - 1853), pobedila je talasna teorija svetlosti. Pobjeda nije bila laka, jer su među brojnim protivnicima teorije valova bili tako istaknuti naučnici poput Laplacea i Poissona. Kritički eksperiment koji je konačno odobrio teoriju valova napravio je Arago na sastanku komisije Pariške akademije nauka, koja je raspravljala o Fresnelovom radu na difrakciji svjetlosti koji je podnesen na konkurs. U izvještaju komisije to je opisano na sljedeći način: „Jedan od članova naše komisije, Monsieur Poisson, je iz integrala koje je objavio autor zaključio da je zadivljujući rezultat da bi centar sjene velikog neprozirnog ekrana trebao biti kao osvijetljen kao da ekran nije postojao... Ova posljedica je potvrđena direktnim iskustvom, a posmatranje je u potpunosti potvrdilo ove proračune.
To se dogodilo 1819. godine, a sljedeće godine je već spomenuto Oerstedovo otkriće izazvalo senzaciju. Objavljivanje Oerstedovog rada "Eksperimenti koji se odnose na djelovanje električnog sukoba na magnetsku iglu" dovelo je do lavine eksperimenata o elektromagnetizmu. Općenito je prihvaćeno da je Ampere dao najveći doprinos ovom radu. Oerstedov rad objavljen je u Kopenhagenu krajem jula, početkom septembra Arago najavljuje ovo otkriće u Parizu, au oktobru se pojavljuje poznati Biot-Savart-Laplaceov zakon. Od kraja septembra Ampere nastupa gotovo sedmično (!) sa izvještajima o novim rezultatima. Rezultati ove pre-Faradayeve ere u elektromagnetizmu su sažeti u Ampereovoj knjizi "Teorija elektrodinamičkih fenomena izvedenih isključivo iz iskustva".
Obratite pažnju kako su se u to vrijeme brzo širile vijesti o događajima koji su izazvali opći interes, iako su sredstva komunikacije bila manje savršena nego danas (ideju o telegrafskoj komunikaciji iznio je Ampere 1829., a tek 1844. telegraf je počeo da radi na komercijalnoj telegrafskoj liniji Severne Amerike). Rezultati Faradejevih eksperimenata brzo su postali nadaleko poznati. To se, međutim, ne može reći o širenju Faradayjevih teorijskih ideja koje su objašnjavale njegove eksperimente (koncept linija sile, elektrotonično stanje, tj. elektromagnetsko polje)
Prvi koji je shvatio dubinu Faradejevih ideja bio je Maksvel, koji je uspeo da pronađe odgovarajući matematički jezik za njih.
Ali to se dogodilo već sredinom veka. Čitalac se može zapitati zašto su ideje Faradaya i Amperea bile shvaćene tako različito. Poenta je, očigledno, da je Amperova elektrodinamika već sazrela, "bila u vazduhu". Ne umanjujući velike zasluge Ampera, koji je prvi dao ovim idejama tačan matematički oblik, ipak se mora naglasiti da su Faradejeve ideje bile mnogo dublje i revolucionarnije. Oii nisu "jurili u vazduh", već su rođeni kreativnom snagom misli i fantazija njihovog autora. Činjenica da nisu bili obučeni u matematičku odjeću otežavala je njihovo opažanje. Da se Maxwell nije pojavio, Faradejeve ideje bi mogle biti dugo zaboravljene.
Treći najvažniji trend u fizici u prvoj polovini prošlog veka je početak razvoja teorije toplote. Prvi koraci u teoriji toplotnih pojava, naravno, bili su povezani sa radom parnih mašina, a opšte teorijske ideje su se teško formirale i polako su prodirale u nauku. Izvanredno djelo Sadija Carnota (1796 - 1832) "Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama sposobnim da razviju tu silu", objavljeno 1824. godine, ostalo je potpuno nezapaženo. Ostala je upamćena samo zahvaljujući Clapeyronovom djelu, koje se pojavilo 1834. godine, ali stvaranje moderna teorija toplota (termodinamika) - stvar druge polovine veka.
Dva rada su usko povezana sa pitanjima koja nas zanimaju. Jedna od njih je poznata knjiga istaknutog matematičara, fizičara i egiptologa *) Jean Baptiste Josepha Fouriera (1768 - 1830) "Analitička teorija toplote" (1822), posvećena rješavanju problema širenja topline; u njemu je detaljno razvijena metoda dekompozicije funkcija na sinusne komponente (Fourierova ekspanzija) i primijenjena na rješavanje fizičkih problema. Rođenje matematičke fizike kao samostalne nauke obično se računa iz ovog rada. Njegov značaj za teoriju oscilatornih i talasnih procesa je ogroman - više od jednog veka glavna metoda za proučavanje talasnih procesa bila je dekompozicija složenih talasa na jednostavne sinusoidne talase.
*) Nakon Napoleonove kampanje u Egiptu, sastavio je "Opis Egipta" i sakupio malu, ali vrijednu zbirku egipatskih starina. Fourier je režirao prve korake mladog Jaya-Fraisois Champolloia, briljantnog dešifratora hijeroglifskog pisanja, osnivača egiptologije. Thomas Jung je također bio zainteresiran za dešifriranje hijeroglifa, ne bez uspjeha. Nakon studija fizike, ovo mu je možda bio glavni hobi.
(harmonične) talase, ili "harmonike" (od "harmonija" u muzici).
Drugo djelo je izvještaj dvadesetšestogodišnjeg I Elmholtza "O očuvanju sile", sačinjen 1847. godine na sastanku Fizičkog društva koje je on osnovao u Berlinu. Herman Ludwig Ferdinand Helmholtz (1821 - 1894) s pravom se smatra jednim od najvećih naučnika prirode, a neki istoričari nauke ovo njegovo djelo stavljaju u rang sa najistaknutijim radovima naučnika koji su postavili temelje prirodnih nauka. Bavi se najopštijom formulacijom principa očuvanja energije (koja se tada zvala „sila“) za mehaničke, termičke, električne („galvanske“) i magnetne pojave, uključujući procese u „organizovanom biću“. Za nas je posebno zanimljivo da je ovdje Helmholtz prvi uočio oscilatornu prirodu pražnjenja Leyden tegle i napisao jednačinu iz koje je W. Thomson ubrzo izveo formulu za period elektromagnetskih oscilacija u oscilatornom kolu.
U ovom malom radu mogu se vidjeti nagoveštaji Helmholtzovog budućeg izvanrednog istraživanja. Čak i jednostavno nabrajanje njegovih dostignuća u fizici, hidromehanici, matematici, anatomiji, fiziologiji i psihofiziologiji odvelo bi nas veoma daleko od glavne teme naše priče. Spomenimo samo teoriju vrtloga u tekućini, teoriju nastanka morskih valova i prvo određivanje brzine širenja impulsa u živcu. Sve ove teorije, kao što ćemo uskoro vidjeti, najdirektnije su povezane sa modernim istraživanjima solitona. Od ostalih njegovih ideja potrebno je spomenuti prvi put koju je iznio u predavanju o fizičkim pogledima Faradaya (1881), ideju o postojanju elementarnog ("najmanjeg mogućeg") električnog naboja (" električni atomi"). Elektron je eksperimentalno otkriven tek šesnaest godina kasnije.
Oba opisana rada su bila teorijska, činili su temelj matematičke i teorijske fizike. Konačni razvoj ovih nauka nesumnjivo je povezan sa Maksvelovim radom, a u prvoj polovini veka čisto teorijski pristup fizičkim pojavama bio je, generalno, većini stran.
štenci. Fizika se smatrala čisto "eksperimentalnom" naukom, a čak su i u naslovima radova glavne riječi bile "eksperiment", "zasnovano na eksperimentima", "izvedeno iz eksperimenata". Zanimljivo je da Helmholtzov rad, koji se i danas može smatrati uzorom dubine i jasnoće izlaganja, nije prihvaćen od strane jednog časopisa za fiziku kao teorijski i prevelik po obimu i kasnije je objavljen kao zaseban pamflet. Neposredno prije smrti, Helmholtz je govorio o historiji nastanka svog najpoznatijeg djela:
“Mladi su najspremniji da odmah preuzmu najdublje zadatke, pa sam se zaokupio pitanjem misterioznog stvorenja životnu snagu... otkrio sam da ... teorija vitalnosti ... pripisuje svakom živom tijelu svojstva "vječne mašine za kretanje" ... Gledajući kroz radove Daniela Bernoullija, D'Alemberta i drugih matematičara posljednjeg stoljeće ... naišao sam na pitanje: "kakvi odnosi moraju postojati između različitih sila prirode, ako pretpostavimo da je "vječni motor" općenito nemoguć, i da li su svi ti odnosi stvarno ispunjeni... "Ja samo namjera da da kritičku procjenu i sistematičnost činjenica u interesu fiziologa. Ne bi me čudilo da mi na kraju upućeni ljudi kažu: „Da, sve je to poznato. Šta ovaj mladi medicinar želi upuštajući se u takve detalje o ovim stvarima?” Na moje iznenađenje, fizičari s kojima sam stupio u kontakt zauzeli su potpuno drugačiji pogled na stvar. Bili su skloni da odbace pravdu zakona; usred revne borbe koju su vodili sa Hegelovom prirodnom filozofijom, a moj rad se smatrao fantastičnom spekulacijom. Jedino je matematičar Jacobi prepoznao vezu između mog rasuđivanja i razmišljanja matematičara prošlog veka, zainteresovao se za moje iskustvo i zaštitio me od nesporazuma.
Ove riječi jasno karakteriziraju način razmišljanja i interesovanja mnogih naučnika tog doba. U ovakvom otporu naučne zajednice prema novim idejama, naravno, postoji pravilnost, pa čak i neophodnost. Zato nemojmo žuriti da osuđujemo Laplacea, koji nije razumio Fresnela, Webera, koji nije prepoznao Faradejeve ideje, ili Kelvina, koji se protivio priznavanju Maxwellove teorije, nego se bolje zapitajmo da li nam je lako asimilirati nove ideje , za razliku od svega na šta smo navikli. . Svjesni smo da je određeni konzervativizam svojstven našoj ljudskoj prirodi, a time i nauci kojom se ljudi bave. Kažu da je za razvoj nauke neophodan čak i određeni "zdravi konzervativizam", koji sprečava širenje praznih fantazija. Međutim, to nikako nije utješno kada se prisjetimo sudbina genijalaca koji su gledali u budućnost, ali ih njihova era nije razumjela i prepoznala.

Tvoje godine, zadivljene tebi, nisu shvatile proročanstva
I pomiješani sumanuti prijekori sa laskanjem.
V. Bryusov
Možda najupečatljivije primjere takvog sukoba s erom u vremenu koje nas zanima (oko 1830. godine) vidimo u razvoju matematike. Lice ove nauke tada su vjerovatno odredili Gauss i Cauchy, koji su zajedno sa drugima dovršavali izgradnju velikog zdanja matematičke analize, bez koje moderna nauka jednostavno je nezamislivo. Ali ne možemo zaboraviti da su u isto vrijeme, necijenjeni od suvremenika, umrli mladi Abel (1802 - 1829) i Galois (1811 - 1832), koji su od 1826. do 1840. Lobačevski (1792. - 1856.) i Boljai (1802. - 1860.) objavili su svoja dela o neeuklidskoj geometriji, koji nisu doživjeli priznanje svojih ideja. Razlozi za ovaj tragični nesporazum su duboki i višestruki. Ne možemo ulaziti u njih, ali ćemo navesti samo još jedan primjer koji je važan za našu priču.
Kao što ćemo kasnije vidjeti, sudbina našeg heroja, solitona, usko je povezana s kompjuterima. Štaviše, istorija nam predstavlja upečatljivu slučajnost. U avgustu 1834. godine, dok je Rasel posmatrao usamljeni talas, engleski matematičar, ekonomista i pronalazač Čarls Babbeg (1792. - 1871.) završio je razvoj osnovnih principa svoje "analitičke" mašine, koja je kasnije bila osnova modernih digitalnih računara. Babbageove ideje bile su daleko ispred svog vremena. Bilo je potrebno više od sto godina da ostvari svoj san o izgradnji i upotrebi takvih mašina. Teško je za to kriviti Babbageove savremenike. Mnogi su shvatili potrebu za kompjuterima, ali tehnologija, nauka i društvo još nisu bili zreli za implementaciju njegovih hrabrih projekata. Premijer Engleske, Sir Robert Peel, koji je morao da odluči o sudbini finansiranja projekta koji je Babidž predstavio vladi, nije bio neznalica (diplomirao je na Oksfordu prvo matematiku i klasiku). Vodio je formalno detaljnu diskusiju o projektu, ali je kao rezultat došao do zaključka da stvaranje univerzalnog kompjutera nije među prioritetima britanske vlade. Tek 1944. godine pojavile su se prve automatske digitalne mašine, a članak pod naslovom „Babbageov san se ostvario“ pojavio se u engleskom časopisu „Nature“ („Priroda“).

Nauka i društvo
Tim naučnika i pisaca... uvek je ispred u svim iabegama prosvetljenja, u svim napadima obrazovanja. Ne bi trebali kukavički biti ogorčeni činjenicom da im je zauvijek suđeno da izdrže prve udarce i sve nedaće, sve opasnosti.
A. S. Puškin
Naravno, i uspesi nauke i njeni neuspesi povezani su sa istorijskim uslovima razvoja društva, na kojima ne možemo zadržati pažnju čitaoca. Nije slučajno da je u to vrijeme bio toliki pritisak novih ideja da nauka i društvo nisu imali vremena da ih ovladaju.
Razvoj nauke u različitim zemljama išao je različitim putevima.
U Francuskoj je naučni život bio ujednačen i organizovan od strane Akademije do te mere da rad koji nije primećen i podržan od Akademije, ili barem od poznatih akademika, nije imao velike šanse da bude od interesa za naučnike. Ali radovi koji su pali u vidno polje Akademije bili su podržani i razvijani. To je ponekad izazivalo proteste i negodovanje mladih naučnika. U članku posvećena sećanju Abel, njegov prijatelj Seguy je napisao: „Čak iu slučaju Abela i Jacobija, naklonost Akademije nije značila priznanje nesumnjivih zasluga ovih mladih naučnika, već želju da se podstakne proučavanje određenih problema koji se odnose na striktno definisan dijapazon pitanja, iza kojih, po mišljenju Akademije, ne može biti napretka nauke i ne može doći do vrijednih otkrića... Reći ćemo nešto sasvim drugo: mladi naučnici, ne slušajte nikoga osim svoje unutrašnji glas. Čitajte i meditirajte o djelima genija, ali nikada ne postanite obespravljeni učenici.
mišljenje... Sloboda pogleda i objektivnost prosuđivanja - ovo bi trebao biti vaš moto. (Možda je „ne slušati nikoga“ polemičko preterivanje, „unutrašnji glas“ nije uvek u pravu.)
U mnogim malim državama koje su se nalazile na teritoriji budućeg Nemačkog Carstva (tek 1834. su zatvorene carine između većine ovih država), naučni život je bio koncentrisan na brojnim univerzitetima, od kojih je većina takođe bila istraživanja. Tamo su se tada počele formirati škole naučnika i objavljivati veliki broj naučnih časopisa, koji su postepeno postali glavno sredstvo komunikacije između naučnika, nepodložnih prostoru i vremenu. Njihov obrazac prate savremeni naučni časopisi.
Na Britanskim ostrvima nije postojala akademija francuskog tipa koja je promovirala priznata dostignuća, niti takve naučne škole kao u Njemačkoj. Većina engleskih naučnika radila je sama*). Ovi usamljenici su uspjeli prokrčiti potpuno nove puteve u nauci, ali je njihov rad često ostajao potpuno nepoznat, posebno kada nisu slani u časopis, već samo izvještavani na sastancima Kraljevskog društva. Pronađeni su život i otkrića ekscentričnog plemića i briljantnog naučnika, lorda Henryja Cavendisha (1731. - 1810.), koji je radio sam u svojoj laboratoriji i objavio samo dva rada (ostala, koja sadrže otkrića koja su drugi otkrili tek desetljećima kasnije, su pronađeni i objavio Maxwell), posebno zorno ilustruju ove karakteristike nauke u Engleskoj na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće. Ovakvi trendovi u naučnom radu zadržali su se u Engleskoj dosta dugo. Na primjer, već spomenuti Lord Rayleigh je također radio kao amater, većinu eksperimenata izvodio je na svom imanju. Ovaj "amater" je, pored knjige o teoriji zvuka, napisao
*) Nemojte to shvatiti previše doslovno. Svakom naučniku je potrebna stalna komunikacija sa drugim naučnicima. U Engleskoj je centar takve komunikacije bilo Kraljevsko društvo, koje je takođe imalo značajna sredstva za finansiranje naučnih istraživanja.
više od četiri stotine radova! Maxwell je također nekoliko godina radio sam u svom porodičnom gnijezdu.
Kao rezultat toga, kako je o ovom vremenu pisao engleski istoričar nauke, „najveći broj formi i sadržaja usavršenih dela, koji su postali klasici... pripada, verovatno, Francuskoj; najveći broj naučnih radova je vjerovatno rađen u Njemačkoj; ali među novim idejama koje su oplođivale nauku tokom jednog veka, najveći udeo verovatno pripada Engleskoj. Posljednja tvrdnja se teško može pripisati matematici. Ako govorimo o fizici, onda se ovaj sud ne čini previše daleko od istine. Ne zaboravimo ni da je Raselov savremenik *) bio veliki Čarls Darvin, koji je rođen godinu dana kasnije i umro iste godine kao i on.
Šta je razlog uspjeha usamljenih istraživača, zašto su mogli doći do tako neočekivanih ideja da su se mnogim drugim jednako nadarenim naučnicima činile ne samo pogrešnim, već i gotovo ludim? Ako uporedimo Faradaya i Darwina, dva velika prirodoslovca prve polovine prošlog stoljeća, onda je njihova izuzetna nezavisnost od učenja koja su tada preovladavala, povjerenje u vlastiti vid i razum, velika domišljatost u postavljanju pitanja i želja da u potpunosti razumiju ono neobično što su uspjeli uočiti. Takođe je važno da obrazovano društvo ne bude ravnodušno prema naučnim istraživanjima. Ako nema razumijevanja, onda postoji interesovanje, a oko pionira i inovatora obično se okuplja krug poštovalaca i simpatizera. Čak je i Babbage, koji je bio neshvaćen i postao mizantrop do kraja života, imao ljude koji su ga voljeli i cijenili. Darwin ga je razumio i visoko cijenio, njegov bliski saradnik i prvi programer njegovog analitičkog motora bila je izvanredna matematičarka, Bajronova kćerka, Lady
*) Većina savremenika koje smo pomenuli verovatno su bili upoznati jedni s drugima. Naravno, članovi Kraljevskog društva su se sastajali na sastancima, ali su, osim toga, održavali i lične kontakte. Na primjer, poznato je da je Charles Darwin posjetio Charlesa Babbagea, koji je od studentskih godina bio prijatelj sa Johnom Herschelom, koji je blisko poznavao Johna Russela itd.
Ada Augusta Lovelace. Babbage je također cijenio Faradaya i druge istaknutih ljudi njegovo vrijeme.
Društveni značaj naučnog istraživanja već je postao jasan mnogim obrazovanim ljudima, a to je ponekad pomoglo naučnicima da dobiju potrebna sredstva, uprkos nedostatku centralizovanog finansiranja nauke. Do kraja prve polovine XVIII vijeka. Kraljevsko društvo i vodeći univerziteti imali su više resursa nego bilo koja od vodećih naučnih institucija na kontinentu. “... Galaksija izvanrednih fizičara, poput Maxwella, Rayleigha, Thomsona... ne bi mogla nastati da ... u Engleskoj u to vrijeme nije postojala kulturna naučna zajednica koja je ispravno procjenjivala i podržavala aktivnosti naučnika” (P L. Kapitsa).

KRAJ GLAVA I FRAGMEHTA KNJIGE

Slični članci

2022-04-10 06:00:40

Šifrin je govorio o sukobu sa Novikovom

Yefim Zalmanovich dugi niz godina ostaje istaknuta ličnost na nacionalnoj sceni. Djelatnost umjetnika je prilično raznolika, jer radi kao umjetnik konverzacijskog žanra, glumac, pjevač i režiser. Od 1990. godine uspješno se razvija...
Kuća
2022-04-10 06:00:40

Vitalij Sundakov o zamjeni koncepata u istoriji i religiji, iskrivljavanju tradicije, upravo suprotno "Arap, crnac nije crnac kovrdžave kose, već naučnik"

"Kada je u 3. veku pre nove ere kineski komandant Qin Shihuangdi osvojio 6 kraljevstava i osnovao Qin carstvo, prvo što je naredio bilo je da prikupi sve istorijske hronike osvojenih država i uništi ih. Istorija Kine je trebalo da... .
Privatna kuća
2022-04-10 06:00:40

Jurij Ribčinski: „Na spomeniku Lobanovskom, moji redovi su: „Sediš na klupi, a tribine besne u blizini... Jurij Ribčinski je čitao pesmu voz

Posebno mišljenje Jurija Ribčinskog: „Kada dođe poslednji dan, lakše je otići nekome ko je mogao duhovno da se odigra. Mogu da zamislim koliko će Abramoviču biti teško da umre...” Čuveni ukrajinski pesnik je za svoj 64. rođendan pripremio poklon – mjuzikl...
Hidroizolacija

Kategorije

Video snimak

A mnogi od nas to i ne primjećuju
Topli pod

Popularno

Novo