В момент прохождения фронта волны возникает резкий скачок давления, значительно превышающий давление столба воды в этом месте.

Как мы и предполагали, на склоне солитона имеет место резкий скачок давления на дно под солитоном, превышающий давление столба воды. Такая особенность солитонов на мелкой воде, несомненно, является дополнительным фактором, увеличивающим разрушительную силу цунами.

Заключение

 

Солитоны, как и любое физическое явление, совершенно “равнодушны” к тому, анализируют ли их из неподвижной системы координат или рассматривают, двигаясь вместе с ним. Однако сам процесс анализа, в зависимости от выбранной системы координат, не только упрощается или усложняется, но может даже поменять физическую трактовку исследуемого процесса, а вместе с этим и интерпретацию получаемых результатов.

Именно поэтому мы смогли увидеть много общего между одиночной волной на веревке, растянутой на земле, и динамической нестабильностью гибкого шланга, по которому протекает вода. Неожиданно похожими оказываются процессы в солитоне на мелкой воде с тем, как протекает вода по трубе, имеющей переменное сечение. С другой стороны, результаты анализа, справедливые для солитона на неподвижной воде, во многом применимы и для объяснения нестабильностей, возникающих в потоке воды.

На самых простых и наглядных моделях мы попытались показать возможности осмысления сложных физических процессов, происходящих в солитонах. Именно физическая сторона явлений интересовала нас в первую очередь, что отнюдь не является противопоставлением известному доминированию математического подхода к исследованию солитонов. Наоборот, нами была предпринята попытка сделать описание явления более объемным.

Известно, что солитоны по-настоящему проявляют себя в развитии во времени и во взаимодействиях друг с другом. Это чрезвычайно важное свойство отражено в “солитонных” уравнениях, содержащих временную зависимость. Одновременно это дает возможность математического моделирования такого рода процессов, что необходимо для идентификации и изучения солитонов.

Вместе с тем, солитоны являются наиболее устойчивыми физическими объектами, очень медленно меняющимися во времени. Поэтому мы и решили воспользоваться этой дополнительной возможностью, чтобы подробнее и внимательнее изучить “портрет” солитона. Фактически, исключив развитие во времени, мы рассматривали процессы как стационарные.

Принято считать, что солитоны возникают в нелинейных средах. И это во многих случаях действительно так. Однако бывают и не столь очевидные случаи.

Какие нелинейности ответственны за образование солитонов на мелкой воде? Фактически солитон сам создает эти нелинейности! Вода является однородной изотропной несжимаемой и не слишком вязкой средой. Только солитон, “организуя” особым образом взаимодействие потенциальной и кинетической энергии, делает эту среду “нелинейной”. В результате эта сложная динамическая система переходит в особое устойчивое состояние.

Чем определяется возникновение солитона? Этот самоподдерживающийся процесс оказывается “жизнеспособным” в первую очередь потому, что он “состоятелен” с энергетической точки зрения, а “нелинейности” порождаются самим физическим явлением и ему соответствуют, а не наоборот. Ведь движение воды может принимать множество других форм (в том числе, вихревое движение), при которых возникают совершенно другие “нелинейности”.

Описание солитона на мелкой воде с использованием аналогии со стационарным течением жидкости существенно упрощает решение задачи и дает возможность применить уравнение Бернулли, которое выражает равенство удельной энергии, приходящейся на единицу объема жидкости, во всех точках стационарного течения. Стационарность течения поддерживается тем, что любое отклонение, нарушающее указанное равенство, приводит к градиенту энергии, который, в свою очередь, устраняет произошедшее отклонение.

Уравнение (40), его решение (43), а также решения для всех точек фронта одиночной волны свидетельствуют о том, что солитон является одним из возможных вариантов стационарного состояния. Более того, нам удалось определить условия, при которых он реализуется в неподвижной и протекающей воде. Отсюда же следует, что возможны и другие варианты стационарных состояний (с уровнем воды h ₀, H, или в виде ступенек).

Нередко задаются вопросом, почему на мелкой воде не наблюдается солитон в виде впадины – можно сказать, антисолитон? Ведь “нелинейности” в среде те же самые! Ответ дает решение (43) уравнения (40): вариант в виде впадины оказался нереализуемым по энергетическим соображениям. Если взять знак минус перед квадратным корнем в (43), то получается отрицательное значение. Поэтому такая разновидность солитона и на практике не наблюдается.

Точно так же, как и в случае солитона на воде, можно задаться вопросом, какие “нелинейности” содержит в себе веревка как “среда” для распространения волнового процесса? Очевидно, что веревка как таковая такими нелинейностями не обладает. Все зависит от того, в каких условиях (например, разложена ли веревка на земле, или натянута между двумя опорами) и какие процессы инициированы в этой “среде”. И только тогда возникают соответствующие нелинейности “под развивающийся процесс”. То есть, одно нельзя отделять от другого. Они не существуют друг без друга! В рассмотренном нами варианте одиночной волны на веревке, реальной физической причиной стабильности процесса было создаваемое им же монотонное уменьшение натяжения веревки от центра волны к периферии.

Рассмотренные нами примеры сред, в которых возникают солитоны, являют собой лишь иллюстрацию общего принципа, действующего в природе: Ее Величество Энергия “изобрела” неисчислимое количество самоорганизующихся систем. Но главные из них, несомненно, принадлежат всеобъемлющей среде, которой является вакуум. И мы просто не имеем права об этом не упомянуть.

В отличие от рассмотренных выше сред, в которых два вида энергии сосуществуют и взаимодействуют благодаря “участию” гравитации, вакуум в такой “помощи” не нуждается. Вакуум обладает очень важным свойством – он может накапливать два вида энергии: электрическую (аналог потенциальной энергии) и магнитную (аналог кинетической энергии). Взаимное превращение и взаимодействие этих двух видов энергии создало благоприятные условия для солитонов (элементарные частицы) в этой универсальной среде.

А как же быть с нелинейностью, необходимой для существования солитонов в вакууме? Ведь хорошо известно, что вакуум изотропен, является идеальным изолятором и имеет постоянные и действительные характеристики - диэлектрическую и магнитную проницаемости. Несмотря на это, солитон опять сам “нашел способ добиться” нелинейности характеристик вакуума!

Солитон “воспользовался” тем, что вращение электромагнитного поля создает специфические напряжения в вакууме и порождает отличную от нуля дивергенцию электрического поля (заряд). В свою очередь, распределение этого заряда таково, что заставляет солитон вращаться, создавая радиальный градиент скорости распространения электромагнитного поля в структуре солитона [8-10]. Так проявилось неотъемлемое свойство солитона - самоорганизация!

Интересно, что в солитонах с вращающимся электромагнитным полем (электрон и другие элементарные частицы) имеются области и с положительным зарядом, и с отрицательным зарядом. Просто заряженные частицы имеют некоторый перевес либо отрицательного, либо положительного заряда. Например, в позитроне – античастице электрона (все поля в их структурах имеют противоположные направления), положительный заряд превалирует над отрицательным зарядом, а в электроне соответственно – наоборот.

“Увидеть” все эти процессы в вакууме помогает модель Максвелла [11]. Модель оказывается намного содержательнее уравнений электромагнитного поля, полученных Максвеллом на ее основе!

Характерной чертой солитона является равное распределение его внутренней энергии между ее разновидностями (потенциальной и кинетической, электрической и магнитной). Электрон, как и любой солитон, содержит в себе поровну электрическую и магнитную энергию. Точно также – поровну он распределяет энергию между этими двумя видами, когда происходит увеличение скорости электрона и соответствующее накопление внутренней энергии. Весомым подтверждением этому является излучение фотона (имеющего равные доли электрической и магнитной энергии) при резком торможении электрона, когда он “избавляется” от накопленной энергии.

Почему так важен для физики солитон? Он является наилучшим хранителем и “солдатом, защищающим энергию” и, в то же время, он - наилучшее ее воплощение. И это не преувеличение!

Мы видели, как солитон бережно несет в себе энергию, как стойко “борется” за свое существование, приближаясь к берегу (солитон на воде), или перемещаясь и преодолевая неровности на земле (солитон на веревке).

Не случайно солитоны теперь используют в средствах коммуникации, так как солитоны проходят многие тысячи километров, борясь с извечными “врагами” – диссипацией и дисперсией!

Однако ничто не может сравниться с настоящим чудом Природы, которым являются электромагнитные солитоны в вакууме [12]. Это истинные хранители Вселенной, так как несут и сохраняют в себе энергию многие миллиарды лет, предохраняя ее от расползания и размазывания по пространству, и определяют, таким образом, облик окружающего нас мира.

В частности, причиной закономерностей, описываемых теорией относительности, являются отнюдь не свойства пространства, а свойства самих солитонов, составляющих вещество. Такая точка зрения уже не просто высказывается в качестве предположения, но и находит свое отражение в теоретических исследованиях [13, 14].

Невероятная плотность энергии, заключенная в самых стойких солитонах – элементарных частицах вещества, живущих уже многие миллиарды лет, говорит о “бурном” прошлом Вселенной. Эти солитоны (также как и другие солитоны – реликтовые фотоны) являются свидетелями и непосредственными “участниками” событий той невероятно далекой эпохи.

Электромагнитный солитон в среде, описываемой моделью Максвелла, дает возможность объяснить свойства и все характеристики самой простой частицы вещества. Даже первые наброски солитонной теории электрона, сделанные мной в 1986 году, поразили меня открывающимися возможностями в описании природы, необычностью и красотой этого физического явления.

Правда, тогда я еще не знал даже слова “солитон”. Когда я показал мои наброски по электрону замечательному человеку и талантливому ученому, доктору технических наук, Михаилу Борисовичу Голанту, он на удивление внимательно к этому отнесся и сказал, что все это очень похоже на солитон. Только после этого я начал интересоваться этим странным, как мне казалось, явлением. Теперь я вижу, насколько велика была интуиция и научная эрудиция М. Б. Голанта. Его уже нет с нами, но многие люди, и я в их числе, с благодарностью вспоминают этого замечательного ученого и человека, участника войны.

В этой связи я не могу не вспомнить той прекрасной творческой атмосферы, которая царила в те годы в НПП “Исток” (г. Фрязино) – головном предприятии Министерства электронной промышленности СССР. Перечислить всех корифеев науки мощной научной школы этого предприятия здесь просто невозможно. Вот только несколько имен. Моим научным руководителем был В. Ф. Коваленко – изобретатель отражательного клистрона и талантливейший ученый. Самое непосредственное и деятельное участие в моей научной судьбе приняли такие замечательные ученые как Н. В. Черепнин – один из создателей технологии изготовления электронной техники, автор ряда замечательных книг в этой области; Л. А. Парышкуро – талантливый разработчик и организатор науки, Герой социалистического труда; теоретики – классики СВЧ электроники: В. П. Сазонов, Р. А. Силин, В. С. Лукошков, А. С. Победоносцев и многие другие. Ученый совет предприятия возглавлял академик Н. Д. Девятков. Естественно, что сам факт защиты диссертации (1984 г.) в таком Ученом совете был для меня величайшей ответственностью и настоящим испытанием.

Еще один замечательный энтузиаст науки, с которым мне довелось познакомиться, главный редактор научно-популярного журнала “Еретик” фонда “Потенциал” В. Г. Денисенко опубликовал в 1991 году мою статью “Загадка электрона”, содержавшую солитонную версию строения электрона [15].

В заключение хотелось бы выразить надежду на то, что новые поколения как физиков, так и математиков приложат максимум усилий для дальнейшего изучения самых распространенных в природе и наиважнейших для науки солитонов – элементарных частиц вещества.

Вакуум Максвелла – это не только уравнения электродинамики, но и солитоны, образующиеся в этой удивительной среде.

　

Литература

1. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. М.: Наука, Библиотечка “Квант”, Вып. 48, 1986.

2. Scott Russell J. Report on waves. Rept. 14th meetings of the British Assoc. for the Advancement of Science. London: John Murray, 1844. P. 311–390.

3. Верин О.Г. Динамика вакуума и солитонная теория элементарных частиц. М. РТ-Пресс. 2002 г.

4. Korteweg D.J., de Vries G. On the change of form of long waves advancing in a rectangular channel, and on a new type of long stationary waves // Phil. Mag. 1895. Vol. 39. P. 422–443.

5. Zabusky N.J., Kruskal M.D. Interaction of “solitons” in a collisionless plasma and the reccurence of initial states // Phys. Rev. Lett. 1965. Vol. 15, № 6. P. 240–243.

6. Ньюэлл А. Солитоны в математике и физике. М.: Мир, 1989.

7. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике.М.: “Наука”, 1982.

8. Верин О.Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и Великое Объединение. М. Контур-М. 2005 г.

9. Верин О.Г. Энергия. Вещество и поле. М. Контур-М. 2006 г.

10. Верин О.Г. Постоянная тонкой структуры “из компьютера”. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8893.html

11. Верин О.Г. Модель Максвелла и свойства вакуума. http:// www. sciteclibrary. ru / rus / catalog / pages /8864. html

12. Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. М.: Мир, 1989.

13. Чаварга Н.Н. Относительное движение в мире солитонов. http://ivanik3.narod.ru/Chavarga/SOLITON.doc

14. Чаварга Н.Н. Относительное движение солитонов в светоносном эфире // Вестник Ужгородского университета, серия Физика.- 2000, выпуск 7. – С. 174-194.

15. Верин О.Г. Загадка электрона. М.: “Еретик”, Научно-популярный журнал фонда “Потенциал”, 1991.

 

Дата публикации: 16 октября 2012