Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Но возвратимся к солитонам.
Датой второго рождения солитона следует считать 1938 год, когда советские физики Я. И. Френкель и Т. А. Конторова в своей теоретической работе, посвященной исследованию физики твердого тела, обнаружили, что в кристаллах могут возникать необычные образования, которые являются комбинацией пустого места в решетке кристалла и места, в котором находится не один (как это должно быть в идеальном кристалле), а два атома. Такое образование представляет собой простейший случай нарушения порядка внутри кристалла. Его называют «дислокацией», что означает в грубом переводе «нарушение местоположения».
Понадобилось почти тридцать лет, чтобы ученые поняли, что дислокация Френкеля — Конторовой обладает всеми свойствами
Солитоны, как и странные аттракторы, теперь опознают во многих явлениях, объединенных основной чертой — нелинейным законом изменения хотя бы одной величины, существенной для их возникновения и развития. Так, например, физико-химики хорошо изучили процессы горения, которые иногда происходят лишь в тонком слое, отделяющем холодное горючее от продуктов горения. Именно в этом слое происходит процесс окисления горючего, процесс горения. Этот слой обычно называют фронтом пламени или фронтом горения. Раз возникнув, он проявляет удивительную устойчивость, двигаясь с постоянной скоростью относительно горючего вещества, если условия горения (состав горючего и его начальная температура, состав воздуха и его температура и т. п.) остаются неизменными. Этот фронт движется в пространстве, если горючее неподвижно, или остается неподвижным, когда горючее поступает к месту горения с постоянной скоростью.
Солитоном является также волна детонации при ее движении во взрывчатом веществе. Солитоном является ударная волна, возбуждаемая взрывом, или ударные волны, возникающие в плазме или в воздухе, когда самолет преодолевает звуковой барьер.
В начале изучения этих и других подобных явлений возникновение и устойчивость ударных волн казались весьма таинственными «событиями». Эмоциональные ученые говорили о катастрофе — градиентной (или скачковой) катастрофе, угрожающей всей науке. Ситуация прояснилась, когда было обнаружено, что в большинстве нелинейных сред волны различной длины движутся с различными скоростями, а при взрывах или при турбулентных процессах в плазме возбуждаются волны со множеством различных длин волн. Эти волны, постепенно догоняя друг друга, складываются в единую волну, передний фронт которой становится все круче. Так возникает ударная волна, характеризующаяся разрывом — резким переходом от малого давления в газе или плазме, там, куда фронт еще не дошел, к большему давлению за фронтом, — скачком давления, быстро увеличивающегося на самом фронте. Этот переход и вызывает резкий удар, когда такая волна набегает на препятствие.
Сколь ни удивительны все эти и другие явления, родственные солитонам, сами солитоны поражают тем, что могут длительно существовать, не меняя своей формы даже в тех средах, где нет ни источников энергии, ни процессов, поглощающих энергию.
Физикам удалось разгадать тайну этих солитонов, понять, как они сохраняют свои свойства несмотря на возмущения, приходящие извне. Здесь возможны два механизма. Солитон может поглощать внутрь себя энергию возмущающего воздействия. При этом он остается солитоном, хотя энергия его постепенно возрастает. Бывает и так, что солитон пропускает энергию возмущения сквозь себя, поглощая ее своим передним фронтом и излучая через задний фронт. Физики говорят в этом случае, что энергия возмущающего воздействия проходит в «хвост» солитона.
Примером солитона, набирающего энергию, является нагонная волна. Нагонная волна — это одиночная волна, возникающая на воде, если скорость ветра постоянна и равна скорости распространения волн в данном месте. Например, нагонные волны возникают — к счастью, не часто — при ровном западном ветре в Финском заливе. Впитывая в себя энергию ветра, движущегося вместе с ней, нагонная волна постепенно возрастает и начинает быстро увеличиваться, когда сужающиеся берега залива втискивают ее в устье Невы. Так возникают наводнения, угроза которых может быть ликвидирована только дамбой, возводимой сейчас в Финском заливе.
Еще более разрушительными бывают нагонные волны, образуемые тайфунами в водах Бенгальского залива, уносящие иногда десятки тысяч жизней. Этому способствует невозможность точного предсказания возникновения этих убийственных волн. Для их грозного развития нужны особые величины скорости и направления ветра, а оценить ход турбулентных процессов не могут и ЭВМ. Здесь тоже приходится ограничиваться предупреждениями об угрожающей ситуации. Но когда эти предупреждения не сбываются, бдительность населения притупляется — и, несмотря на предупреждение, катастрофа оказывается неожиданной.
Свойствами солитонов обладают и волны океанских приливов.
Иногда говорят о том, что цунами тоже солитон. Это так, но цунами не обычный уединенный солитон, а более редкий — множественный солитон. Ведь цунами бежит группой следующих одна за другой волн.
«Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустой забавою». Последуем же этому совету Козьмы Пруткова.
Вспомним. Камень падает в воду, увлекая ее в глубину. На месте его падения образуется воронка. Потом вода заполняет ее, вздыбливаясь по инерции горкой. От вершины горки зачастую отрывается, поднимается ввысь и падает капля. Но это деталь. Не она определяет картину. Горка вновь опускается. В ее центре образуется углубление, а ее края разбегаются, образуя первую кольцевую волну. Так продолжается несколько раз. Вода в месте падения постепенно успокаивается, а по ее поверхности разбегается в стороны группа кольцевых волн. По мере удаления от центра они постепенно затухают, и все успокаивается.
Цунами начинается аналогично, по не совсем так. Момент рождения цунами, вероятно, не наблюдал никто. Ведь оно возникает в результате сильного подводного землетрясения, а оказаться в его эпицентре можно только случайно. По-видимому, такого случая не было.
Но хорошо известно, как это происходит. Мощные цунами возникают при внезапных сильных опусканиях значительных участков дна океана. Вслед за дном опускается весь толстый слой воды, расположенный над этим участком. В этом вся разница. Камень приводит в движение лишь небольшой объем воды, сообщает ей лишь малую порцию энергии. При этом возникают маленькие волны, их движение с большой точностью описывается линейным уравнением.
Землетрясение вводит в игру огромную энергию. Возникают гладкие волны, длина которых намного превышает глубину океана. Законы движения волн при этом оказываются нелинейными. Возникает солитон. Его особенностью является то, что он «помнит» обстоятельства своего рождения. Это солитон-впадина, кольцевая волна, обращенная вершиной вниз. Когда солитон-впадина разбежится, поверхность океана выровняется и даже немного вспучится, чтобы снова опуститься вниз. И так несколько раз.
По поверхности побегут странные, очень пологие и совсем не высокие одиночные волны, вершины и впадины которых бегут на большом удалении одна от другой. Корабли обычно не замечают этих небольших и очень гладких волн. Даже в безветренную погоду их маскирует зыбь — спокойные гладкие волны, остатки удаленных штормов.
Нелинейные свойства, присущие распространению волн, длина которых много больше глубины воды, приводят к тому, что скорость распространения волны увеличивается вместе с энергией, заключенной в волне. Поэтому первая, наиболее мощная волна бежит быстрее остальных, а вторая волна обгоняет третью. Ясно, что расстояние между отдельными волнами цунами возрастает по мере их удаления от места зарождения.
Лишь несколько первых мощных колебаний водной массы порождает солитоны-цунами. После того как основная часть энергии, освобожденной землетрясением, окажется израсходованной, остальные волны станут обычными, постепенно ослабевающими волнами. Обычными в том смысле, что их амплитуды уже не достаточны для того, чтобы выйти за пределы линейных законов распространения волн. Поэтому они затухнут после небольшого пробега.