Введение

Самоукрепляющийся одноволновый пакет. В математике и физике солитон – это нелинейный, самоукрепляющийся, локализованный волновой пакет, обладающий высокой стабильностью: он сохраняет свою форму при свободном распространении с постоянной скоростью и восстанавливает её даже после столкновений с другими подобными локализованными волновыми пакетами. Эта замечательная стабильность обусловлена сбалансированной компенсацией нелинейных и дисперсионных эффектов в среде. (Дисперсионные эффекты – это свойство некоторых систем, в которых скорость волны зависит от её частоты.) Впоследствии было установлено, что солитоны представляют собой стабильные решения широкого класса слабо нелинейных дисперсионных уравнений в частных производных, описывающих физические системы. Феномен солитона впервые был описан в 1834 году Джоном Скоттом Расселом (1808–1882), который наблюдал одиночную волну в канале Юнион в Шотландии. Он воспроизвёл это явление в волновом бассейне и назвал её «Волной переноса». Термин «солитон» был предложен Забуски и Крускалом для описания локализованных, высокостабильных распространяющихся решений уравнения Кортевега — де Вриса, которое моделирует волны, подобные наблюдаемым Расселом. Название призвано отражать одиночную природу этих волн, а суффикс «-он» напоминает об использовании для обозначения частиц, таких как электроны, барионы или адроны, отражая их поведение, подобное поведению частиц.

Пояснение

Дисперсия и нелинейность могут взаимодействовать, создавая устойчивые и локализованные волновые формы. Рассмотрим световой импульс, распространяющийся в стекле. Этот импульс можно представить как состоящий из света различных частот. Поскольку стекло обладает дисперсией, эти частоты распространяются с разными скоростями, и, следовательно, форма импульса изменяется со временем. Однако также проявляется нелинейный эффект Керра: показатель преломления материала на заданной частоте зависит от амплитуды или интенсивности света. Если импульс имеет определенную форму, эффект Керра точно компенсирует эффект дисперсии, и форма импульса не изменяется во времени. Таким образом, импульс является солитоном. Более подробное описание можно найти в статье «Солитон (оптика)». Многие точно решаемые модели имеют солитонные решения, включая уравнение Кортевега — де Вриса, нелинейное уравнение Шрёдингера, систему нелинейных уравнений Шрёдингера и уравнение синуса Гордона. Солитонные решения обычно получаются с помощью обратного преобразования рассеяния и обязаны своей стабильностью интеграбельности уравнений поля. Математическая теория этих уравнений — это широкая и активно развивающаяся область математических исследований. Некоторые типы приливных волн, волновое явление, наблюдаемое в нескольких реках, включая реку Северн, являются «ундулярными»: волновой фронт, за которым следует серия солитонов. Другие солитоны возникают в виде подводных внутренних волн, генерируемых рельефом морского дна и распространяющихся вдоль океанического пикноклина. Существуют также атмосферные солитоны, такие как облако утренней славы в заливе Карпентария, где солитоны давления, распространяющиеся в слое температурной инверсии, образуют обширные линейные валообразные облака. Недавняя, но пока не получившая широкого признания солитонная модель в нейробиологии предлагает объяснять передачу сигнала внутри нейронов как солитоны давления. Топологический солитон, также называемый топологическим дефектом, — это любое решение системы дифференциальных уравнений, устойчивое к распаду в «тривиальное решение». Стабильность солитона обусловлена топологическими ограничениями, а не интеграбельностью уравнений поля. Эти ограничения почти всегда возникают из-за необходимости выполнения дифференциальными уравнениями набора граничных условий, а граница имеет нетривиальную гомотопическую группу, сохраняемую дифференциальными уравнениями. Таким образом, решения дифференциальных уравнений можно классифицировать по классам гомотопии. Никакое непрерывное преобразование не может перевести решение из одного класса гомотопии в другой. Решения действительно различны и сохраняют свою целостность даже под воздействием очень сильных сил. Примеры топологических солитонов включают винтовую дислокацию в кристаллической решетке, нить Дирака и магнитный монополь в электромагнетизме, скирмион и модель Весса — Зумино — Виттена в квантовой теории поля, магнитный скирмион в физике конденсированного состояния, а также космические струны и доменные стенки в космологии.

В оптических волокнах

Много экспериментов было проведено с использованием солитонов в приложениях оптоволоконной связи. Солитоны в оптоволоконной системе описываются уравнениями Манакова. Внутренняя стабильность солитонов делает возможной передачу на большие расстояния без использования репитеров, а также потенциально может удвоить пропускную способность. Год открытия 1973 Акира Хасегава из AT&T Bell Labs первым предположил, что солитоны могут существовать в оптических волокнах благодаря балансу между самофазовой модуляцией и аномальной дисперсией. Также в 1973 году Робин Буллоу представил первый математический доклад о существовании оптических солитонов. Он также предложил идею системы передачи на основе солитонов для повышения производительности оптических телекоммуникаций. 1987 – исследователи из университетов Брюсселя и Лиможа впервые экспериментально наблюдали распространение темного солитона в оптическом волокне. 1988 Линн Ф. Молленауэр и его команда передали солитонные импульсы на расстояние более 4000 километров, используя явление, называемое эффектом Рамана, впервые описанное сэром С. В. Раманом в 1920-х годах, для обеспечения оптического усиления в волокне. 1991 Исследовательская группа Bell Labs передала солитоны без ошибок со скоростью 2,5 гигабита в секунду на расстояние более 14 000 километров, используя усилители оптического волокна, легированные эрбием (встроенные в сегменты оптического волокна, содержащие редкоземельный элемент эрбий). Лазеры накачки, соединенные с оптическими усилителями, активируют эрбий, который усиливает световые импульсы. 1998 Тьерри Жорж и его команда из R&D центра France Telecom, объединив оптические солитоны разных длин волн (мультиплексирование с разделением по длине волны), продемонстрировали композитную передачу данных со скоростью 1 терабит в секунду (1 000 000 000 000 единиц информации в секунду), что не следует путать с Terabit Ethernet. Однако вышеупомянутые впечатляющие эксперименты не привели к внедрению коммерческих солитонных систем, ни в наземных, ни в подводных системах, главным образом из-за джиттера Гордона-Хауса (GH). Джиттер GH требует сложных и дорогостоящих компенсационных решений, что делает передачу с использованием плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) на основе солитонов невыгодной по сравнению с традиционной схемой неотврата к нулю/возврата к нулю. Кроме того, вероятное будущее внедрение более спектрально эффективных форматов с фазовой манипуляцией/QAM делает солитонную передачу еще менее перспективной из-за эффекта Гордона-Молленауэра. Следовательно, солитонная передача на больших расстояниях по оптоволокну осталась лабораторным курьезом. 2000 Стивен Кандифф предсказал существование векторного солитона в бирефракционной волоконной резонаторе, пассивно модулируемом с помощью полупроводникового насыщаемого поглощающего зеркала (SESAM). Состояние поляризации такого векторного солитона может быть вращающимся или зафиксированным в зависимости от параметров резонатора. 2008 D. Y. Tang и др. наблюдали новую форму векторного солитона высшего порядка с точки зрения экспериментов и численного моделирования. Различные типы векторных солитонов и состояние поляризации векторных солитонов были исследованы его группой.

В биологии

Солитоны могут возникать в белках и ДНК. Солитоны связаны с низкочастотными коллективными колебаниями в белках и ДНК. Недавно разработанная модель в нейробиологии предполагает, что сигналы в форме волн плотности передаются внутри нейронов в виде солитонов. Солитоны можно описать как почти беспрепятственную передачу энергии в биомолекулярных цепях или решетках посредством волнообразного распространения связанных конформационных и электронных возмущений.

В физике материалов

Солитоны могут возникать в материалах, таких как ферроэлектрики, в форме доменных стенок. Ферроэлектрические материалы демонстрируют спонтанную поляризацию, или электрические диполи, которые связаны с конфигурациями структуры материала. Домены с противоположно направленными поляризациями могут присутствовать в пределах одного материала, поскольку структурные конфигурации, соответствующие противоположным поляризациям, одинаково благоприятны при отсутствии внешних сил. Границы доменов, или стенки, разделяющие эти локальные структурные конфигурации, являются областями решетчатых дислокаций. Доменные стенки могут распространяться вместе с поляризацией, и, следовательно, локальные структурные конфигурации могут переключаться внутри домена под воздействием сил, таких как электрическое смещение или механическое напряжение. Следовательно, доменные стенки можно описать как солитоны – дискретные области дислокаций, способные скользить или распространяться, сохраняя свою форму по ширине и длине. В недавних публикациях ферроэлектричество наблюдалось в скрученных двуслойных материалах Ван-дер-Ваальса, таких как дисульфид молибдена и графен. Суперрешетка моаре, возникающая из-за относительного угла скручивания между монослоями Ван-дер-Ваальса, генерирует области с различным порядком укладки атомов внутри слоев. Эти области демонстрируют структурные конфигурации, нарушающие инверсионную симметрию, что обеспечивает возможность возникновения ферроэлектричества на границе этих монослоев. Доменные стенки, разделяющие эти области, состоят из частичных дислокаций, в которых решетка испытывает различные типы напряжений и, следовательно, деформаций. Было замечено, что распространение солитонной или доменной стенки на умеренном протяжении образца (порядка нанометров – микрометров) может быть инициировано при приложении напряжения от наконечника АСМ к фиксированной области. Распространение солитона переносит механическое возмущение с незначительными потерями энергии по материалу, что позволяет осуществлять переключение доменов по принципу домино. Эти магнитные солитоны являются точным решением классических нелинейных дифференциальных уравнений – магнитных уравнений, например, уравнения Ландау — Лифшица, модели континуума Гейзенберга, уравнения Исимори, нелинейного уравнения Шрёдингера и других.

В ядерной физике

Атомные ядра могут демонстрировать солитонное поведение. В определенных условиях температуры и энергии предсказывается, что вся ядерная волновая функция существует в виде солитона. Считается, что такие условия могут возникать в ядрах некоторых звезд, где ядра не вступают в реакции, а проходят друг сквозь друга, оставаясь неизменными и сохраняя свои солитонные волны при столкновении. Модель Скайрма – это модель ядер, в которой каждое ядро рассматривается как топологически стабильное солитонное решение теории поля с сохраняющимся барионным числом.

Бионы

Связанное состояние двух солитонов известно как бион, или, в системах, где связанное состояние периодически колеблется, как дыхатель. Силы интерференционного типа между солитонами могут быть использованы для создания бионов. Однако эти силы очень чувствительны к их относительным фазам. Альтернативно, связанное состояние солитонов может быть сформировано путем возбуждения атомов до высокоэнергетических уровней Ридберга. Слово "регулярный" означает гладкое решение, не содержащее источников. Однако решение модели Борна — Инфельда все же содержит источник в виде дельта-функции Дирака в начале координат. Как следствие, в этой точке наблюдается сингулярность (хотя электрическое поле всюду регулярно). В некоторых физических контекстах (например, в теории струн) эта особенность может быть важна, что и послужило причиной введения специального названия для этого класса солитонов. С другой стороны, при добавлении гравитации (то есть при рассмотрении связи модели Борна — Инфельда с общей теорией относительности) соответствующее решение называется EBIon, где "E" обозначает Эйнштейна.

Дорога Алькубьерре

Эрик Ленц, физик из Геттингенского университета, высказал теорию о том, что солитоны могут позволить генерировать пузыри искривления Алькубьера в пространстве-времени, не требуя экзотической материи, то есть материи с отрицательной массой.