Кіріспе
Өзін-өзі нығайтатын бір толқындық пакет. Математика мен физикада солитон – бұл сызықтық емес, өзін-өзі нығайтатын, локализацияланған толқындық пакет, ол өте тұрақты, себебі ол еркін тарағанда, тұрақты жылдамдықпен өзінің пішінін сақтайды және басқа осындай локализацияланған толқындық пакеттермен соқтығысқаннан кейін де оны қалпына келтіреді. Оның ерекше тұрақтылығы ортадағы сызықтық емес және дисперсиялық әсерлердің теңгерімді күшін жоюымен байланысты. (Дисперсиялық әсерлер – бұл кейбір жүйелердің қасиеттері, онда толқынның жылдамдығы оның жиілігіне байланысты.) Солитон физикалық жүйелерді сипаттайтын әлсіз сызықтық емес дисперсиялық дербес дифференциалдық теңдеулердің кең класы үшін тұрақты шешімдер беретіні анықталды. Солитон құбылысын алғаш рет 1834 жылы Шотландиядағы Юнион каналында жалғыз толқынды байқаған Джон Скотт Рассел (1808–1882) сипаттады. Ол осы құбылысты толқындық резервуарда қайта жасап, оны «Аударма толқыны» деп атады. «Солитон» терминін Забуски мен Крускаль Кортевег-де-Вриес теңдеуіне локализацияланған, өте тұрақты таралатын шешімдерді сипаттау үшін енгізді, бұл Рассел байқаған толқындардың типін модельдейді. Бұл атау толқындардың жеке сипатын көрсетеді, ал «-он» жұрнағы электрондар, бариондар немесе адрондар сияқты бөлшектерге қатысты қолданылуын еске түсіреді, олардың байқалған бөлшек тәрізді мінез-құлқына сәйкес келеді.
In mathematics and physics, a soliton is a nonlinear, self reinforcing, localized wave packet that is strongly stable, in that it preserves its shape while propagating freely, at constant velocity, and recovers it even after collisions with other such localized wave packets. Its remarkable stability can be traced to a balanced cancellation of nonlinear and dispersive effects in the medium. (Dispersive effects are a property of certain systems where the speed of a wave depends on its frequency.) Solitons were subsequently found to provide stable solutions of a wide class of weakly nonlinear dispersive partial differential equations describing physical systems. The soliton phenomenon was first described in 1834 by John Scott Russell (1808–1882) who observed a solitary wave in the Union Canal in Scotland. He reproduced the phenomenon in a wave tank and named it the "Wave of Translation". The term soliton was coined by Zabusky and Kruskal to describe localized, strongly stable propagating solutions to the Korteweg–de Vries equation, which models waves of the type seen by Russell. The name was meant to characterize the solitary nature of the waves, with the 'on' suffix recalling the usage for particles such as electrons, baryons or hadrons, reflecting their observed particle like behaviour.
Түсіндірме
Дисперсия және сызықтық емес құбылыстар өзара әрекеттесіп, тұрақты және локализацияланған толқын нысандарын тудырады. Мысалы, шыны арқылы өтетін жарық импульсін қарастырайық. Бұл импульсті әртүрлі жиіліктері бар жарықтан құралған деп есептеуге болады. Шыны дисперсиялық қасиеттерге ие болғандықтан, осы әртүрлі жиіліктер әртүрлі жылдамдықтармен қозғалады, демек импульстің пішіні уақыт өте келе өзгереді. Бірақ, сонымен қатар сызықтық емес Керр эффектісі де орын алады: материалдың сындыру көрсеткіші берілген жиілікте жарықтың амплитудасына немесе күшіне тәуелді болады. Егер импульстің пішіні белгілі бірдей болса, Керр эффектісі дисперсиялық эффектіні дәл жояды және импульстің пішіні уақыт бойынша өзгермейді. Осылайша, импульс – солитон болып табылады. Толығырақ ақпарат алу үшін «солитон (оптика)» деген мақаланы қараңыз. Көптеген дәл шешілетін модельдерде солитондық шешімдер кездеседі, олардың ішінде Кортевег-де Врис теңдеуі, сызықтық емес Шредингер теңдеуі, байланысқан сызықтық емес Шредингер теңдеуі және синус Гордон теңдеуі бар. Солитондық шешімдер көбінесе кері шашырау түрлендіруі арқылы табылады және олардың тұрақтылығы өріс теңдеулерінің интегралдығына байланысты. Бұл теңдеулердің математикалық теориясы – математикалық зерттеулердің кең және өте белсенді саласы. Тұмандық толқындардың кейбір түрлері, мысалы, Северн өзені сияқты бірнеше өзендерде байқалатын құбылыс, «ундулярлық» болып табылады: толқын фронтынан кейін солитондар тізбегі келеді. Басқа солитондар теңіз түбінің топографиясынан туындайтын және мұхиттың пикноклинінде таралатын теңіз астындағы ішкі толқындар ретінде пайда болады. Атмосфералық солитондар да бар, мысалы, Карпентария шығанағындағы таңғы даңқ бұлты, онда температуралық инверсия қабатында қозғалатын қысым солитондары үлкен сызықтық дөңгелек бұлттарды жасайды. Нейробиологиядағы салыстырмалы түрде жаңа және кеңінен қабылданбаған солитондық модель нейрондар ішіндегі сигналдардың таралуын қысым солитондары арқылы түсіндіруді ұсынады. Топологиялық солитон, сондай-ақ топологиялық дефект деп те аталады, – бұл «тривиальды шешімге» ыдырауға қарсы тұрақты болатын бөлшектік дифференциалдық теңдеулер жиынтығының кез келген шешімі. Солитонның тұрақтылығы өріс теңдеулерінің интегралдығына емес, топологиялық шектеулерге байланысты. Бұл шектеулер көбінесе дифференциалдық теңдеулердің шекаралық шарттар жиынтығына бағынуы керек болғандықтан туындайды, ал шекарада дифференциалдық теңдеулер сақтайтын тривиальды емес гомотопиялық топ бар. Осылайша, дифференциалдық теңдеулердің шешімдерін гомотопиялық кластарға жіктеуге болады. Бір гомотопиялық кластағы шешімді екіншісіне үздіріссіз түрлендіру мүмкін емес. Шешімдер шынымен де ерекше және тіпті өте күшті күштерге қарсы тұрып, өздерінің тұтастығын сақтайды. Топологиялық солитондардың мысалдары: кристаллдық тордағы бұрандалы дислокация, Дирактың жібі және электромагнетизмдегі магниттік монополь, кванттық өріс теориясындағы Скайрмион және Весс-Зумино-Виттен моделі, конденсатталған материя физикасындағы магниттік скайрмион, космологиядағы ғарыштық жіптер және домен қабырғалары.
Оптика талшығында
Солитонды оптикалық талшықтарда қолдану бойынша көптеген тәжірибелер жүргізілді. Оптикалық талшықты жүйедегі солитондар Манаков теңдеулерімен сипатталады. Солитонның ішкі тұрақтылығы ретрансляторларды қолданбай-ақ ұзақ қашықтыққа сигнал беруді мүмкін етеді, сонымен қатар, беру қуатын екі есеге арттыруы мүмкін. 1973 жылы Акира Хасегава AT&T Bell Labs-тен солитондардың оптикалық талшықтарда болуы мүмкін екенін алғаш рет ұсынды, себебі өзіндік фазалық модуляция мен аномальды дисперсия арасындағы тепе-теңдік сақталады. Сондай-ақ 1973 жылы Робин Було оптикалық солитонның бар екендігі туралы алғашқы математикалық есеп берді. Ол сондай-ақ оптикалық телекоммуникациялардың өнімділігін арттыру үшін солитонға негіделген беру жүйесін ұсынды. 1987 жылы Брюссель және Лимож университеттерінен шыққан ғалымдар оптикалық талшықта қараңғы солитонның таралуын алғашқы рет тәжірибелік түрде байқады. 1988 жылы Линн Ф. Моленхауэр және оның командасы Раман эффектісі деп аталатын құбылысты пайдаланып, 4000 шақырымнан астам қашықтыққа солитон импульстарын жіберді. Бұл эффектіні 1920 жылдары алғаш рет сипаттаған сэр С.В. Раманның есімімен аталады және талшықта оптикалық күшейтуді қамтамасыз етеді. 1991 жылы Bell Labs зерттеу тобы 14000 шақырымнан астам қашықтықта секундына 2,5 гигабит жылдамдықпен солитонды қатесіз жіберді. Бұл үшін ербийлі оптикалық талшықты күшейткіштер (ербий элементі бар оптикалық талшықтың сегменттеріне жалғанған) қолданылды. Лазерлер, оптикалық күшейткіштермен байланысты, ербийді белсендіреді, ол жарық импульстарын қуаттандырады. 1998 жылы Тьерри Жорж және оның командасы France Telecom R&D орталығында әртүрлі толқын ұзындықтарының оптикалық солитондарын (толқын ұзындығын бөлу мультиплексі) біріктіріп, секундына 1 терабит (1,000,000,000,000 ақпарат бірлігі) құрама деректерді беруді көрсетті, бұл Terabit Ethernet-тен өзгеше. Жоғарыда көрсетілген әсерлі тәжірибелер, негізінен, Гордон-Хаус (GH) тербелісіне байланысты, жердегі немесе су асты жүйелерінде нақты коммерциялық солитондық жүйелерді іске асыруға әкелмеді. GH тербелісі күрделі, қымбат өтемақылық шешімдерді қажет етеді, бұл, ақырында, тығыз толқын ұзындығын бөлу мультиплексі (DWDM) солитонды беруді нөлге қайтарылмау/нөлге қайту парадигмасына қарағанда тартымсыз етеді. Сонымен қатар, болашақта спектрлік тиімділігі жоғары фазалық модуляцияланған/QAM форматтарын қабылдау, Гордон-Моленхауэр эффектісіне байланысты солитонды беруді одан да аз тиімді етеді. Сондықтан ұзақ қашықтыққа өтетін оптикалық талшықты солитон зертханалық қызығушылық нысаны болып қалуда. 2000 жылы Стивен Кандифф жартылай өткізгіштік толығуды сіңіретін айна (SESAM) арқылы пассивті режимде бұғатталатын екі бұзылушы талшық қуысында векторлық солитонның болуын болжады. Мұндай векторлық солитонның поляризациялық күйі қуыс параметрлеріне байланысты айналушы немесе бұғатталған болуы мүмкін. 2008 жылы D. Y. Tang және оның әріптестері эксперименттер мен сандық симуляциялар негізінде жоғары реттік векторлық солитонның жаңа түрін байқады. Оның тобы векторлық солитонның әртүрлі түрлерін және векторлық солитонның поляризациялық күйін зерттеді.
Биологияда
Солитондар ақуыздар мен ДНК-да кездесуі мүмкін. Солитондар ақуыздар мен ДНК-ның төмен жиілікті ұжымдық қозғалысымен байланысты. Нейроғылымда жақында жасалған модельде сигналдар тығыздық толқындары түрінде нейрондар ішінде солитон түрінде тарайды деп ұсынылған. Солитондарды биомолекулалық тізбектерде немесе торларда толқын тәрізді таралатын байланысты конформациялық және электрондық өзгерістер арқылы дерлік жоғалмайтын энергияның берілуі ретінде сипаттауға болады.
Материалдық физикада
Солитондар ферроэлектрлік материалдар сияқты материалдарда домен қабырғалары түрінде кездесуі мүмкін. Ферроэлектрлік материалдар материал құрылымының конфигурацияларымен байланыстырылған спонтанды поляризацияны немесе электр дипольдарын көрсетеді. Бір материалдың ішінде қарама-қарсы поляризацияланған домендер болуы мүмкін, себебі сыртқы күштердің болмауы жағдайында қарама-қарсы поляризацияға сәйкес келетін құрылымдық конфигурациялар бірдей тиімді болады. Домен шекаралары немесе осы жергілікті құрылымдық конфигурацияларды бөліп тұратын қабырғалар – тордың дислокацияланған аймақтары. Домен қабырғалары поляризациялар ретінде таралуы мүмкін, сондықтан жергілікті құрылымдық конфигурациялар домен ішінде электрлік кернеу немесе механикалық стресс сияқты қолданылатын күштер арқылы өзгеруі мүмкін. Осылайша, домен қабырғаларын солитондар деп сипаттауға болады, олар өз ені мен ұзындығын сақтай отырып, сырғанауға немесе таралуға қабілетті дислокациялардың дискретті аймақтары. Жақындағы әдебиеттерде ферроэлектрлік қасиеттер молибден дисульфиді және графен сияқты ван дер Вааль материалдарының бұралған екі қабатты құрылымдарында байқалды. Ван дер Вааль моноқабаттары арасындағы салыстырмалы бұрылыс бұрышынан туындаған моаре супертор қабаттар ішіндегі атомдардың әртүрлі реттелген аймақтарын жасайды. Бұл аймақтар инверсиялық симметрияны бұзатын құрылымдық конфигурацияларды көрсетеді, бұл осы моноқабаттардың интерфейсінде ферроэлектрлік қасиеттерді қамтамасыз етеді. Бұл аймақтарды бөліп тұратын домен қабырғалары жартылай дислокациялардан тұрады, онда әртүрлі типтегі кернеулер және, демек, деформациялар торға әсер етеді. Үлгінің орташа ұзындығы бойынша (нанометрден микрометрге дейін) солитонның немесе домен қабырғасының таралуы AFM ұшынан белгілі бір аймаққа қолданылатын стресс арқылы басталуы мүмкін екендігі анықталды. Солитон таралуы энергияның аз жоғалтылуымен материал бойынша механикалық бұзылысты алып жүреді, бұл домино тәрізді домендік ауысуға мүмкіндік береді. Бұл магниттік солитондар классикалық сызықты емес дифференциалдық теңдеулердің – магниттік теңдеулердің, мысалы, Ландау-Лифшиц теңдеуінің, үздікес Хейзенберг моделінің, Ишимори теңдеуінің, сызықты емес Шредингер теңдеуінің және басқаларының нақты шешімі болып табылады.
Ядролық физикада
Атом ядролары солитондық мінез-құлықты көрсетуі мүмкін. Бұл жерде, белгілі бір температура және энергия жағдайларында, бүкіл ядролық толқындық функция солитон ретінде өміршең болады деп болжанады. Мұндай жағдайлар кейбір жұлдыздардың орталық бөліктерінде кездесуі мүмкін, онда ядролар реакцияға түспей, өздерін өзгертпей бір-бірінен өтеді, ядролардың соқтығысуы кезінде солитондық толқындарын сақтайды. Скайрм моделі – бұл ядролар моделі, онда әрбір ядро сақталған бариондық саны бар өріс теориясының топологиялық тұрақты солитондық шешімі ретінде қарастырылады.
Биондар
Екі солитонның байланысқан күйі бион деп аталады, ал байланысқан күйі мерзімді түрде тербелетін жүйелерде – демсорушы деп аталады. Солитондар арасындағы интерференциялық күштер биондар жасау үшін қолданылуы мүмкін. Дегенмен, бұл күштер олардың өзара фазаларына өте сезімтал. Балама ретінде, солитондардың байланысқан күйі жоғары қозу күйіндегі Ридберг деңгейлерімен атомдарды қаптау арқылы құрылуы мүмкін. "Тұрақты" деген сөз қайнар көзі жоқ тегіс шешімді білдіреді. Алайда, Борн-Инфельд моделінің шешімі бастапқы нүктеде Дирак дельта-функциясы түріндегі қайнар көзді сақтайды. Осының салдарынан, бұл нүктеде сингулярлық пайда болады (электр өрісінің барлық жерде тұрақты болуына қарамастан). Кейбір физикалық контекстерде (мысалы, іс тізбесі теориясы) бұл ерекшелік маңызды болуы мүмкін, бұл осы класстағы солитондар үшін арнайы атау енгізуге ықпал етті. Екінші жағынан, гравитация қосылғанда (яғни Борн-Инфельд моделінің жалпы салыстырмалылықпен байланысын қарастырғанда), сәйкес шешім EBIon деп аталады, мұндағы "E" Эйнштейнды білдіреді.
Алкубьерре жолағы
Геттинген университетінің физигі Эрик Ленц, солитонның экзотикалық материяны, яғни теріс массасы бар материяны қажет етпей, кеңістік-уақытта Алькубиердің бүгілу көпіршіктерін жасауға мүмкіндік беретінін теориялаған.