Уединенная волна. Ударные волны. Уединенные волны Замкнутые солитоны

Помимо традиционно изучаемых типов волн можно привести примеры и других видов волн, которые занимают особое место при анализе процессов распространения колебаний в различных средах.

1. Ударная волна. Ударная волна (скачок уплотнения) - это распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Она возникает при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. Например, при взрыве образуются продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под большим давлением. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причем в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определенном объеме, вне этого объема воздух остается в невозмущенном состоянии. С течением времени объем сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного воздуха, и представляет собой ударную волну (или как говорят, фронт ударной волны). На рис. 6.27,а в качестве примера приведен график распределения плотности в ударной волне, распространяющейся в реальном газе ( – плотность газа перед фронтом волны).

При ускоренном движении тела ударная волна возникает не сразу. Сначала возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности и давления. С течением времени крутизна передней части волны возрастает и в некоторый момент времени происходит резкий скачок всех гидродинамических величин, возникает ударная волна.

В случае движения тела со сверхзвуковой скоростью (
) звуковые волны охватывают лишь часть объема газа, лежащую позади движущегося тела и ограниченную некоторой поверхностью, называемой характеристической поверхностью, поверхностью слабого разрыва или фронтом ударной волны.

При сверхзвуковом движении тела малых размеров со скоростью характеристическая поверхность (фронт волны) имеет вид круговой конической поверхности, вершина которой совпадает с движущемся телом О , а угол между образующими и траекторией тела удовлетворяет условию:
. Этот угол называют углом слабых возмущений или углом Маха (рис. 6.27,б).

В случае электромагнитных волн аналогом ударной звуковой волны, возникающей при движении тел со скоростями, превышающими фазовые скорости упругих волн в данной среде, является излучение Вавилова – Черенкова (см. §7.4.4).

2. Уединенная волна представляет собой волновое движение, которое в каждый момент времени локализовано в конечной области пространства и относительно медленно изменяет свою структуру при распространении.

Типичная, уединенная волна имеет вид одиночного импульса или перепада, но она может иметь и более сложную структуру. К уединенным волнам относят такие типы нелинейных волн, как уединенные волны в диссипативных средах, стационарные импульсные волны возбуждения в активных средах (нервные импульсы) и солитон в среде без потерь.

Солитон (от лат. solus – один) – структурно устойчивая уединенная волна в нелинейной диспергирующей среде. Структура солитона поддерживается стационарной за счет баланса между действием нелинейности среды и дисперсии.

Солитон впервые наблюдался на водяном канале в 1834 г., когда при резкой остановке баржи около ее носа образовался водяной выступ (водяной холм) и затем он стал самостоятельно распространяться по каналу, сохраняя на протяжении длительного времени свою структуру и скорость.

Рассмотрим возможность образования солитона на поверхности воды. Для волн, у которых длина волны значительно превышает глубину
водоема (
, мелкая вода) явление дисперсии отсутствует, они распространяются с фазовой скоростью
, где – ускорение свободного падения, а - смещение поверхности жидкости в вертикальном направлении в данной точке профиля волны (см. рис. 6.27,в). Из записанной формулы для фазовой скорости следует, что вершина водяного холма движется быстрее, чем точки вблизи его подножия. Это нелинейность среды приводит к тому, что крутизна фронта волны возрастает с течением времени, т.е. происходит пространственное сужение водяного холма (см. рис. 6.28,б).

Если же длина волны будет значительно меньше глубины
водоема (
), то в этом случае для волн малой амплитуды наблюдается сильная дисперсия , т.е. их фазовая скорость зависит от длины волны
. Это приводит к расплыванию водяного холма. Оказывается, что существуют волны с таким соотношением между и максимальным возвышением
, при котором наблюдается компенсация процессов расплывания холма из-за явления дисперсии и процессов его пространственного сужения. Такая компенсация и соответствует существованию солитона.

Солитоны ведут себя подобно частицам: при взаимодействии между собой или с некоторыми другими возмущениями, солитоны не разрушаются, а расходятся, вновь сохраняя свою структуру неизменной.

Солитоны играют важную роль в теории конденсированного состояния вещества, в частности в квантовой статистике, теории фазовых переходов. Структуры в форме солитонов обнаружены во многих динамических системах – в плазме, радиосхемах, лазерах, нервных волокнах.

Учебное издание

Марс Гильманович Валишев

Александр Александрович Повзнер

), к-рое в каждый момент времени локализовано в конечной области пространства и относительно медленно изменяет свою структуру при распространении.

Примеры уединённых волн: а - стационарное возвышение (солитон) на мелкой воде; h - смещение поверхности жидкости; б - небольшой амплитуды в газе; р - изменение давления; в - возбуждения в аксоне нерва; и - мембраны. По оси абсцисс отложена переменная

Типичная У. в. имеет вид одиночного импульса или перепада (рис.), но У. в. может иметь и более сложную структуру.

В более узком смысле под У. в. понимают локализованную стационарную нелинейную волну, распространяющуюся без изменения формы с постоянной скоростью и описываемую ур-ниями в обыкновенных производных. В фазовом пространстве У. в. отвечает , соединяющая две различные точки равновесия или возвращающаяся в ту же самую точку. К У. в. относят, напр., такие типы нелинейных волн, как ударные волны в диссипативной среде, стационарные импульсные волны возбуждения в активных средах (напр., ) и в среде без потерь.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

УЕДИНЁННАЯ ВОЛНА

Волновое движение (см. Волны), к-рое в каждый момент времени локализовано в конечной области пространства и достаточно быстро убывает с удалением от этой области. Типичная У. в. имеет вид одиночного импульса или перепада (рис.), но У. в. может иметь и более сложную структуру.

В более узком смысле под У. в. понимают локализованную стационарную нелинейную волну, распространяющуюся без изменения формы с пост. скоростью и описываемую ур-ниями в обыкновенных производных. В фазовом пространстве У. в. отвечает траектория, соединяющая две разл. точки равновесия или возвращающаяся в ту же самую точку. К У. в. относят, напр., такие типы нелинейных волн, как ударные волны в диссипативной среде, стационарные импульсные волны возбуждения в активных средах (напр., нервный импульс) и солитон в среде без потерь. Лит. см. при ст. Солитон. Л. А. Островский.

Примеры уединённых волн: а - стационарное возвышение (соли-тон) на мелкой воде; h - смещение поверхности жидкости; б - ударная волна небольшой амплитуды в газе; p - изменение давления; в - импульс возбуждения в аксоне нерва; и - потенциал мембраны. По оси абсцисс отложена переменная где t - время, x -координата, u- скорость уединённой волны.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "УЕДИНЕННАЯ ВОЛНА" в других словарях:

- (уединенная волна), структурно устойчивая уединенная волна, которая, распространяясь, не расширяется и сохраняет свою форму и скорость. Солитоны ведут себя, как частицы. Они важны во многих областях МЕХАНИКИ ТЕКУЧИХ СРЕД, а также ФИЗИКИ ТВЕРДОГО… … Научно-технический энциклопедический словарь

Структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся,… … Энциклопедический словарь

Структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся,… … Большой Энциклопедический словарь

Солитон - структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде, которая может характеризоваться как частицеподобная волна, частица … Начала современного естествознания

1) Л. т. в д е с к р и п т и в н о й теории множеств: топологич. отображение между двумя множествами в можно продолжить до гомеоморфизма нек рых содержащих их множеств типа Следствием этой Л. т. является топологич. инвариантность хаусдорфова типа … Математическая энциклопедия

Здесь описаны В.: а) водяные, б) воздушные звуковые, в) световые, г) электрические волны и д) математическая теория В. А) Волны в воде обыкновенно являются следствием косвенного удара ветра о воду. Поверхность воды от этого делается вогнутой, но… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Аннотация . Доклад посвящен возможностям солитонного подхода в надмолекулярной биологии, прежде всего, для моделирования широкого класса естественных волнообразных и колебательных движений в живых организмах. Автором выявлено множество примеров существования солитоноподобных надмолекулярных процессов («биосолитонов») в локомоторных, метаболических и иных явлениях динамической биоморфологии на самых разных линиях и уровнях биологической эволюции. Под биосолитонами понимаются, прежде всего, характерные одногорбые (однополярные) локальные деформации, движущиеся вдоль биотела с сохранением своей формы и скорости.

Солитоны, называемые иногда «волновыми атомами», наделены необычными с классической (линейной) точки зрения свойствами. Они способны к актам самоорганизации и саморазвития: автолокализации; улавливания энергии; размножения и гибели; образования ансамблей с динамикой пульсирующего и иного характера. Солитоны были известны в плазме, жидких и твердых кристаллах, классических жидкостях, нелинейных решетках, магнитных и других полидоменных средах, и пр. Обнаружение биосолитонов свидетельствует, что в связи со своей механохимией живое вещество является солитонной средой с разнообразным физиологическим использованием солитонных механизмов. Возможна исследовательская охота в биологии за новыми видами солитонов – бризерами, вобблерами, пульсонами и т.п., выведенными математиками на «кончике пера» и лишь затем обнаруживаемыми физиками в природе. Доклад базируется на монографиях: С.В.Петухов «Биосолитоны. Основы солитонной биологии», 1999; С.В.Петухов «Бипериодическая таблица генетического кода и число протонов», 2001.

Солитоны являются важным объектом современной физики. Интенсивное развитие их теории и приложений началось после опубликования в 1955 году Ферми, Паста и Уламом работы по компьютерному расчету колебаний в простой нелинейной системе из цепи грузиков, связанных нелинейными пружинками. Вскоре были развиты необходимые математические методы, позволяющие решать солитонные уравнения, представляющие собой нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных. Солитоны, называемые иногда «волновыми атомами», обладают свойствами волн и частиц одновременно, но не являются в полном смысле ни тем, ни другим, а составляют новый объект математического естествознания. Они наделены необычными с классической (линейной) точки зрения свойствами. Солитоны способны к актам самоорганизации и саморазвития: автолокализации; улавливанию энергии, приходящей извне в «солитонную» среду; размножению и гибели; образованию ансамблей с нетривиальной морфологией и динамикой пульсирующего и иного характера; самоусложнению этих ансамблей при поступлении в среду дополнительной энергии; преодолению тенденции к беспорядку в содержащих их солитонных средах; и пр. Их можно трактовать как специфическую форму организации физической энергии в веществе, и соответственно можно говорить о «солитонной энергии» по аналогии с известными выражениями «волновая энергия» или «вибрационная энергия». Солитоны реализуются как состояния особых нелинейных сред (систем) и имеют принципиальные отличия от обычных волн. В частности, солитоны зачастую представляют собой устойчивые автолокализованные сгустки энергии с характерной формой одногорбой волны, движущейся с сохранением формы и скорости без диссипации своей энергии. Солитоны способны к неразрушающим столкновениям, т.е. способны при встрече проходить сквозь друг друга без нарушения своей формы. Они имеют многочисленные применения в технике.

Под солитоном обычно понимается уединенный волноподобный объект (локализованное решение нелинейного дифференциального уравнения в частных производных, принадлежащего к определенному классу так называемых солитонных уравнений), который способен существовать без диссипации своей энергии и при взаимодействии с другими локальными возмущениями всегда восстанавливает свою первоначальную форму, т.е. способен к неразрушающим столкновениям. Как известно, солитонные уравнения «возникают самым естественным образом при изучении слабо нелинейных дисперсионных систем различных типов в различных пространственных и временных масштабах. Универсальность этих уравнений оказывается настолько поразительной, что многие были склонны видеть в этом нечто магическое… Но это не так: дисперсионные слабо затухающие или незатухающие нелинейные системы ведут себя одинаково, независимо от того, встречаются ли они при описании плазмы, классических жидкостей, лазеров или нелинейных решеток» . Соответственно, известны солитоны в плазме, жидких и твердых кристаллах, классических жидкостях, нелинейных решетках, магнитных и других полидоменных средах, и пр. (Движение солитонов в реальных средах зачастую не носит абсолютно недиссипативного характера, сопровождаясь малыми потерями энергии, что теоретиками учитывается посредством добавления малых диссипативных членов в солитонные уравнения).

Отметим, что живое вещество пронизано множеством нелинейных решеток: от молекулярных полимерных сеток до надмолекулярных цитоскелетов и органического матрикса. Перестройки этих решеток имеют важное биологическое значение и вполне могут вести себя солитоноподобным образом. Кроме того, солитоны известны как формы движения фронтов фазовых перестроек, например, в жидких кристаллах (см., например, ). Поскольку многие системы живых организмов (в том числе, жидкокристаллические) существуют на грани фазовых переходов, то естественно полагать, что фронты их фазовых перестроек в организмах также будут зачастую двигаться в солитонной форме.

Еще первооткрыватель солитонов Скотт Рассел в прошлом веке экспериментально показал , что солитон выступает как концентратор, ловушка и транспортер энергии и вещества, способный к неразрушающим столкновениям с другими солитонами и локальными возмущениями. Очевидно, что эти особенности солитонов могут быть выгодны для живых организмов, а потому биосолитонные механизмы могут специально культивироваться в живой природе механизмами естественного отбора. Перечислим некоторые из таких выгод:

- 1) самопроизвольное улавливание энергии, вещества и пр., а также их самопроизвольная локальная концентрация (автолокализация) и бережная, без потерь транспортировка в дозированной форме внутри организма;
- 2) легкость управления потоками энергии, вещества и пр. (при их организации в солитонной форме) за счет возможного локального переключения характеристик нелинейности биосреды с солитонного на несолитонный вид нелинейности и обратно;
- 3) развязка для множества тех одновременно и в одном месте протекающих в организме, т.е. накладывающихся друг на друга процессов (локомоторных, кровеобеспечивающих, метаболических, ростовых, морфогенетических и пр.), которые нуждаются в относительной независимости своего протекания. Эта развязка может быть обеспечена именно способностью солитонов к неразрушающим столкновениям.

Впервые проведенное нами исследование надмолекулярных кооперативных процессов в живых организмах с солитонной точки зрения выявило наличие в них множества макроскопических солитоноподобных процессов . Предметом изучения явились, прежде всего, непосредственно наблюдаемые локомоторные и иные биологические движения, высокая энергоэкономичность которых давно предполагалась биологами. На первом этапе исследования нами было обнаружено, что у множества живых организмов биологические макродвижения зачастую имеют солитоноподобный вид характерной одногорбой волны локальной деформации, движущейся вдоль живого тела с сохранением своей формы и скорости и иногда демонстрирующей способность к неразрушающим столкновениям. Эти «биосолитоны» реализуются на самых разных ветвях и уровнях биологической эволюции у организмов, различающихся по размерам на несколько порядков величины.

В докладе представлены многочисленные примеры таких биосолитонов. В частности, рассмотрен пример ползания улитки Helix, происходящего за счет пробегания по ее телу одногорбой волнообразной деформации с сохранением своей формы и скорости. Подробные регистрации этого вида биологического движения взяты из книги . В одном варианте ползания (при одной «походке») у улитки реализуются деформации локального растяжения, идущие по опорной поверхности ее тела спереди назад. При другом, более медленном варианте ползания по той же телесной поверхности проходят деформации локального сжатия, идущие в обратном направлении от хвостовой части к голове. Оба названных типа солитонных деформаций прямой и ретроградный могут реализовываться у улитки одновременно со встречными столкновениями между ними. Подчеркнем, что их столкновение носит неразрушающий характер, характерный для солитонов. Другими словами, после столкновения они сохраняют форму и скорость, то есть свою индивидуальность: «присутствие больших ретроградных волн не влияет на распространение нормальных и много более коротких прямых волн; оба типа волн распространялись без какого-либо признака взаимного вмешательства» . Этот биологический факт известен с начала века, хотя до нас никогда исследователями не связывался с солитонами.

Как подчеркивали Gray и другие классики исследования локомоций (пространственных перемещений у организмов), последние являются в высокой степени энергоэкономичными процессами. Это существенно для жизненно важного обеспечения организму возможности перемещаться без утомления на длительные дистанции в поисках пищи, спасения от опасности и т.п. (организмы вообще крайне бережно обращаются с энергией, запасать которую им вовсе не просто). Так, у улитки солитонная локальная деформация тела, за счет которой осуществляется перемещение ее тела в пространстве, происходит только в зоне отрыва тела от поверхности опоры. А вся контактирующая с опорой часть тела является недеформированной и покоится относительно опоры. Соответственно, во все время протекания по телу улитки солитоноподобной деформации такая волнообразная локомоция (или процесс массопереноса) не требует энергетических затрат на преодоление сил трения улитки об опору, являясь в этом плане максимально экономной. Конечно, можно предполагать, что часть энергии при локомоции все-таки диссипируется на взаимное трение тканей внутри тела улитки. Но если эта локомоторная волна является солитоноподобной, то она обеспечивает также минимизацию потерь на трение внутри тела. (Насколько нам известно, вопрос о потерях энергии на внутрителесное трение при локомоциях недостаточно изучен экспериментально, однако, вряд ли организм прошел мимо возможности минимизировать их). При рассмотренной организации локомоции все (или почти все) энергозатраты на нее сводятся к затратам на начальное создание каждой такой солитоноподобной локальной деформации. Именно физика солитонов дает предельно энергоэкономичные возможности обращения с энергией. И ее использование живыми организмами выглядит закономерным, тем более, что окружающий мир насыщен солитонными средами и солитонами.

Нельзя не отметить, что, по крайней мере, с начала века исследователи представляли волнообразные локомоции как некоторый эстафетный процесс. В ту пору «досолитонной физики» естественной физической аналогией такого эстафетного процесса был процесс горения, при котором локальная телесная деформация передавалась от точки к точке подобно поджиганию. Это представление об эстафетных диссипативных процессах типа горения, называемых в наши дни автоволновыми, было наилучшим из возможного в то время и оно давно стало привычным для многих. Однако сама физика не стояла на месте. И в ней в последние десятилетия развилось представление о солитонах как новом типе недиссипативных эстафетных процессов высшей энергоэкономичности с немыслимыми прежде, парадоксальными свойствами, что дает основу для нового класса нелинейных моделей эстафетных процессов.

Одно из важных преимуществ солитонного подхода перед традиционным автоволновым при моделировании процессов в живом организме определено способностью солитонов к неразрушающим столкновениям. Действительно, автоволны (описывающие, например, перемещение зоны горения вдоль горящего шнура) характеризуются тем, что за ними остается зона невозбудимости (сгоревший шнур), а потому две автоволны при столкновении друг с другом прекращают свое существование, не имея возможности двигаться по уже «выгоревшему участку». Но на участках живого организма одновременно протекает множество биомеханических процессов – локомоторных, кровеобеспечивающих, метаболических, ростовых, морфогенетических и пр., а потому, моделируя их автоволнами, теоретик сталкивается со следующей проблемой взаимного уничтожения автоволн. Один автоволновой процесс, двигаясь по рассматриваемому участку организма за счет непрерывного выжигания на нем энергетических запасов, делает эту среду невозбудимой для других автоволн на некоторое время до тех пор, пока на данном участке не восстановятся запасы энергии для их существования. В живом веществе эта проблема особенно актуальна еще и потому, что виды энергохимических запасов в нем сильно унифицированы (в организмах имеется универсальная энергетическая валюта – АТФ). Поэтому трудно полагать, что факт одновременного существования многих процессов на одном участке в организме обеспечивается тем, что каждый автоволновой процесс в организме движется за счет выжигания своего специфического вида энергии, не выжигая энергии для других. Для солитонных моделей этой проблемы взаимного уничтожения сталкивающихся в одном месте биомеханических процессов не существует в принципе, поскольку солитоны в силу их способности к неразрушающим столкновениям спокойно проходят друг сквозь друга и на одном участке одновременно их число может быть как угодно велико. По нашим данным, для моделирования биосолитонных феноменов живого вещества особое значение имеют солитонное уравнение синус-Гордона и его обобщения.

Как известно, в полидоменных средах (магнетики, сегнетоэлектрики, сверхпроводники и пр.) солитоны выступают в качестве междоменных стенок. В живом веществе феномен полидоменности играет важную роль в морфогенетических процессах. Как и в других полидоменных средах, в полидоменных биологических средах он связан с классическим принципом Ландау-Лифшица минимизации энергии в среде. В этих случаях солитонные междоменные стенки оказываются местами повышенной концентрации энергии, в которых зачастую особенно активно протекают биохимические реакции.

Способность солитонов играть роль паровозиков, транспортирующих порции вещества в нужное место в пределах солитонной среды (организма) по законам нелинейной динамики, также заслуживает всяческого внимания в связи с биоэволюционными и физиологическими проблемами. Добавим, что биосолитонная физическая энергия способна гармонично сосуществовать в живом организме с известными химическими видами его энергии. Развитие концепции биосолитонов позволяет, в частности, открыть исследовательскую «охоту» в биологии за аналогами разных видов солитонов бризеров, вобблеров, пульсонов и пр., выведенных математиками «на кончике пера» при анализе солитонных уравнений и затем обнаруживаемых физиками в природе. Многие колебательные и волновые физиологические процессы могут в итоге получить для своего описания содержательные солитонные модели, связанные с нелинейным, солитонным характером биополимерного живого вещества.

Например, это относится к базовым физиологическим движениям живого биополимерного вещества типа сердечных биений и т.п. Напомним, что у человеческого эмбриона в возрасте трех недель, когда он имеет рост всего в четыре миллиметра, первым приходит в движении сердце. Начало сердечной деятельности обусловлено какими-то внутренними энергетическими механизмами, так как в это время у сердца еще нет никаких нервных связей для управления этими сокращениями и оно начинает сокращаться, когда еще нет крови, которую надо перекачивать. В этот момент сам эмбрион представляет собой по существу кусочек полимерной слизи, в которой внутренняя энергия самоорганизуется в энергоэкономичные пульсации. Аналогичное можно сказать о возникновении сердечных биений в яйцах и икринках животных, куда подвод энергии извне минимизирован существованием скорлупы и других изолирующих покровов. Подобные формы энергетической самоорганизации и самолокализации известны в полимерных средах, в том числе, небиологического типа и по современным представлениям имеют солитонную природу, поскольку солитоны являются наиболее энергоэкономичными (недиссипативными или малодиссипативными) самоорганизующимися структурами пульсирующего и иного характера. Солитоны реализуются во множестве природных сред, окружающих живые организмы: твердых и жидких кристаллах, классических жидкостях, магнетиках, решетчатых структурах, плазме и пр. Эволюция живого вещества с ее механизмами естественного отбора не прошло мимо уникальных свойств солитонов и их ансамблей.

Имеют ли данные материалы какое-либо отношение к синергетике? Да, безусловно. Как определено в монографии Хагена /6, с.4/, «в рамках синергетики изучается такое совместное действие отдельных частей какой-либо неупорядоченной системы, в результате которого происходит самоорганизация – возникают макроскопические пространственные, временные или пространственно-временные структуры, причем рассматриваются как детерминированные, так и стохастические процессы». Существует много типов нелинейных процессов и систем, которые изучаются в рамках синергетики. Курдюмов и Князева /7, с.15/, перечисляя ряд этих типов, специально отмечают, что среди них одним из важных и интенсивно изучаемых являются солитоны. В последние годы начал издаваться международный журнал «Хаос, солитоны и фракталы» («Chaos, Solitons & Fractals»). Солитоны, наблюдаемые в самых разных природных средах, представляют собой яркий пример нелинейного кооперативного поведения множества элементов системы, приводящего к формированию специфических пространственных, временных и пространственно-временных структур. Наиболее известный, хотя далеко не единственный вид таких солитонных структур – описанная выше самолокализующаяся устойчивая по форме одногорбая локальная деформация среды, бегущая с постоянной скоростью. Солитоны активно используются и изучаются в современной физике. С 1973 года, начиная с работ Давыдова /8/, солитоны применяются также в биологии для моделирования молекулярных биологических процессов. В настоящее время во всем мире имеется множество публикаций по применению таких «молекулярных солитонов» в молекулярной биологии, в частности, для осмысления процессов в белках и ДНК. Наши работы /3, 9/ явились первыми в мировой литературе публикациями на тему «надмолекулярных солитонов» в биологических явлениях надмолекулярного уровня. Подчеркнем, что из существования молекулярных биосолитонов (которое, по мнению многих авторов, еще предстоит доказать) никак не следует существование солитонов в кооперативных биологических надмолекулярных процессах, объединяющих мириады молекул.

ЛИТЕРАТУРА:

Додд Р. и др. Солитоны и нелинейные волновые уравнения. М., 1988, 694 с.
Каменский В.Г. ЖЭТФ, 1984, т.87, вып. 4(10), с. 1262-1277.
Петухов С.В. Биосолитоны. Основы солитонной биологии. – М., 1999, 288 с.
Gray J. Animal locomotion. London, 1968.
Петухов С.В. Бипериодическая таблица генетического кода и число протонов. – М., 2001, 258 с.
Хаген Г. Синергетика. – М., Мир, 1980, 404 с.
Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М., Наука, 1994, 220 с.
Давыдов А.С. Солитоны в биологии. – Киев, Наукова Думка, 1979.
Петухов С.В. Солитоны в биомеханике. Депонировано в ВИНИТИ РАН 12 февраля 1999 г, №471-В99. (Указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», № 4 за 1999 г.)

Summary . The report discusses the opportunities opened up by a solitonic approach to supramolecular biology, first of all, for modeling a wide class of natural wave movements in living organisms. The results of author’s research demonstrate the existence of soliton-like supramolecular processes in locomotor, metabolic and other manifestations of dynamic biomorphology on a wide variety of branches and levels of biological evolution.

Solitons, named sometimes « wave atoms », have unusual properties from the classical (linear) viewpoint. They have ability for self-organizing: auto-localizations; catching of energy; formation of ensembles with dynamics of pulsing and other character. Solitons were known in plasma, liquid and firm crystals, classical liquids, nonlinear lattices, magnetic and others poly-domain matters, etc. The reveal of biosolitons points out that biological mechano-chemistry makes living matter as solitonic environment with opportunities of various physiological use of solitonic mechanisms. The report is based on the books: S.V. Petoukhov «Biosolitons. Bases of solitonic biology », Moscow, 1999 (in Russian).

Петухов С.В., Солитоны в кооперативных биологических процессах надмолекулярного уровня // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.13240, 21.04.2006

Морякам давно известны одиночные волны большой высоты, которые губят корабли. Долгое время считалось, что подобное встречается только в открытом океане. Однако последние данные говорят о том, что одиночные волны-убийцы (до 20-30 метров высотой), или солитоны (от английского solitary – «уединенный»), могут появляться и в прибрежных зонах. Происшествие с «Бирмингемом” Мы находились примерно в 100 милях к юго-западу от Дурбана на пути в Кейптаун. Крейсер шел быстро и почти без качки, встречая умеренную зыбь и ветровые волны, когда внезапно мы провалились в яму и понеслись вниз навстречу следующей волне, которая прокатилась через первые орудийные башни и обрушилась на наш открытый капитанский мостик. Я был сбит с ног и на высоте 10 метров над уровнем моря оказался в полуметровом слое воды. Корабль испытал такой удар, что многие решили, что нас торпедировали. Капитан сразу же уменьшил ход, но эта предосторожность оказалась напрасной, так как умеренные условия плавания восстановились и больше «ям» не попадалось. Это происшествие, случившееся ночью с затемненным кораблем. было одним из наиболее волнующих в море. Я охотно верю, что груженое судно при таких обстоятельствах может потонуть». Так описывает неожиданную встречу с одиночной катастрофической волной британский офицер с крейсера “Бирмингем-. Эта история произошла во время Второй мировой войны, поэтому понятна реакция экипажа, решившего, что крейсер торпедирован. Не столь удачно закончилось аналогичное происшествие с пароходом “Уарита” в 1909 году. На нем находились 211 пассажиров и команда. Погибли все. Такие одиночные неожиданно появляющиеся в океане волны, собственно, и получили название волн-убийц, или солитонов. Казалось бы. любой шторм можно назвать -убийцей.. Ведь действительно, сколько судов погибло во время бури и гибнет сейчас? Сколько моряков нашли свое последнее пристанище в пучинах бушующего моря? И все же волны. возникающие в результате морских штормов и даже ураганов, “убийцами” не называют. Считается, что встреча с солитоном наиболее вероятна у южного побережья Африки. Когда транспортные морские пути благодаря Суэцкому каналу изменились и суда перестали ходить вокруг Африки, количество встреч с волнами-убийцами уменьшилось. Тем не менее уже после Второй мировой войны с 1947 года примерно за 12 лет с солитонами повстречались весьма крупные корабли – “Босфонтейн”. “Гиастеркерк”, “Оринфонтейн” и “Яхерефонтейн”, не считая более мелких местных судов. В период арабо-израильской войны Суэцкий канал был практически закрыт, и движение судов вокруг Африки снова стало интенсивным. От встречи с волной-убийцей в июне 1968 года погиб супертанкер «Уорлд Глори» водоизмещением более 28 тысяч тонн. Танкер получил штормовое предупреждение, и при подходе шторма все выполнялось по инструкции. Ничего плохого не предвиделось. Но среди обычных ветровых волн, которые серьезной опасности не представляли. неожиданно возникла огромная волна высотой около 20 метров с очень крутым фронтом. Она подняла танкер так, что его середина -опиралась» на волну, а носовая и кормовая части оказались в воздухе. Танкер был нагружен сырой нефтью и под своим весом разломился пополам. Эти половинки еще какое-то время сохраняли плавучесть, но через четыре часа танкер ушел на дно. Правда, большую часть экипажа удалось спасти. В 70-е годы «нападения» волн-убийц на корабли продолжались. В августе 1973 года судно “Нептун Сапфир”, шедшее из Европы в Японию, в 15 милях от мыса Хермис при ветре около 20 метров в секунду испытало неожиданный удар неизвестно откуда взявшейся одиночной волны. Удар был такой силы, что носовая часть судна длиной примерно 60 метров отломилась от корпуса! Судно «Нептун Сапфир» имело самую совершенную конструкцию для тех лет. Тем не менее встреча с волной-убийцей оказалась для него роковой. Подобных случаев описано довольно много. В страшный перечень катастроф, естественно, попадают не только крупные суда, на которых существуют возможности спасения экипажа. Встреча с волнами-убийцами для малых судов чаще всего заканчивается намного трагичнее. Такие корабли не только испытывают сильнейший удар. способный их разрушить, но на крутом переднем фронте волны могут запросто опрокинуться. Это происходит столь быстро, что рассчитывать на спасение невозможно.Это не цунами Что же это такое – волны-убийцы? Первая мысль, которая приходит в голову осведомленному читателю, – это цунами. После катастрофического «набега» гравитационных волн на юго-восточные берега Азии многие представляют цунами как жуткую стену воды с крутым передним фронтом, обрушивающуюся на берег и смывающую дома и людей. Действительно, цунами способны на многое. После появления этой волны у северных Курил гидрографы, изучая последствия, обнаружили приличных размеров катер, переброшенный через прибрежные холмы в глубь острова. То есть энергия цунами просто поражает. Однако это все касается цунами, «нападающих» на берег. В переводе на русский язык термин “цунами” означает “большая волна в гавани”. Ее очень трудно обнаружить в открытом океане. Там высота этой волны обычно не превышает одного метра, а средние, типичные размеры -десятки сантиметров. Да и уклон чрезвычайно маленький, ведь при такой высоте ее длина составляет несколько километров. Так что выявить цунами на фоне бегущих ветровых волн или зыби практически нереально. Почему же при «нападении» на берег цунами становятся такими устрашающими? Дело в том, что эта волна из-за своей большой длины приводит в движение воду по всей глубине океана. И, когда при распространении она достигает сравнительно мелководных районов, вся эта колоссальная масса воды из глубин поднимается вверх. Вот так «безобидная» в открытом океане волна становится разрушительной на побережье. Так что волны-убийцы – это не цунами. На самом дел солитоны – это необыкновенное и малоизученное явление. Их называют волнами, хотя на самом деле они нечто иное. Для возникновения солитонов, конечно, необходим некоторый изначальный импульс, удар, иначе откуда взяться энергии, но не только. В отличие от обычных волн солитоны распространяются на большие расстояния с очень малым рассеянием энергии. Это загадка, которая еще ждет изучения. Солитоны практически не взаимодействуют друг с другом. Как правило, они распространяются с разными скоростями. Конечно, может получиться так, что один солитон догонит другой, и тогда они суммируются по высоте, но потом все равно снова разбегаются по своим путям. Конечно, сложение солитонов – редкое событие. Но есть еще одна причина резкого возрастания у них крутизны и высоты. Причина эта – подводные уступы, через которые «пробегает» солитон. При этом в подводной части происходит отражение энергии, и волна как бы «выплескивается» вверх. Подобная ситуация изучалась на физических моделях международной научной группой. Опираясь на эти исследования, можно прокладывать более безопасные маршруты движения судов. Но загадок все же остается намного больше, чем изученных особенностей, и тайна волн-убийц по-прежнему ждет своих исследователей. Особенно загадочны солитоны внутри вод моря, на так называемом «слое скачка плотности». Эти солитоны могут приводить (или уже приводили) к катастрофам подводных лодок.

СОЛИТОН

Структурно устойчивая уединённая волна в нелинейной диспергирующей среде. С. ведут себя подобно ч-цам: при вз-ствии между собой или с нек-рыми др. возмущениями С. не разрушаются, а расходятся вновь, сохраняя свою структуру неизменной. Структура С. поддерживается стационарной за счёт баланса между действием нелинейности среды (см. НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ) и дисперсии (см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН). Напр., в случае гравитац. волн на поверхности жидкости для достаточно длинной плоской (l->2pH, где Н - глубина водоёма) дисперсия отсутствует, волны распространяются с фазовой скоростью v=?(g(H+h)), где g- , h - возвышение поверхности воды в данной точке профиля волны. Вершина волны движется быстрее её подножия (нелинейность), поэтому крутизна фронта волны растёт до тех пор, пока протяжённость фронта не станет соизмеримой с величиной 2pН, после чего v будет зависеть от крутизны фронта (дисперсия). В результате на профиле волны появляются (рис. 1), развитие к-рых приводит к образованию С.

Рис. 1. Эволюция профиля волны на поверхности водоёма глубины Н.

Рис. 5. Связанная пара солитонов.

В системах с сильной дисперсией, если профиль стационарной волны близок к синусоидальному, также возможно существование модулир. волн в виде локализованных волн. пакетов со стационарно движущейся огибающей, к-рые также обнаруживают «частицеподобное» поведение при вз-ствии (С. «огибающей»). Такие С. возможны для волн на поверхности глубокого водоёма, ленгмюровских волн в плазме, мощных коротких (пикосекундных) световых импульсов в рабочей среде лазера и т. д.

С. играют важную роль в теории конденсир. состояния в-ва, в частности в квант. статистике, теории фазовых переходов. Солитонные решения имеют нек-рые ур-ния, предложенные для описания элем. ч-ц. Изучение св-в С. как «частицеподобных» волн, в т. ч. и возможных трёхмерных С., в к-рых убывает по всем направлениям в трёхмерном пр-ве (а не только по одной координате, как в приведённых выше примерах), привело к попыткам использовать С. при построении квант. нелинейной теории поля.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

СОЛИТОН

(от лат. solus - один) - локализованное стационарноеили стационарное в среднем возмущение однородной или пространственно-периодич. С. характеризуется следующими свойствами: локализован в конечной области;распространяется без деформации, перенося энергию, момент импульса;сохраняет свою структуру при взаимодействии с др. такими же С.; может образовыватьсвязанные состояния, ансамбли. Профиль (форма) С. определяется в нелинейнойсреде двумя конкурирующими процессами: расплыванием волны из-за дисперсиисреды и «опрокидыванием» нарастающего волнового фронта из-за нелинейности.

До нач. 1960-х гг. С. называли уединённую волну - неизменнойформы, распространяющийся с пост. скоростью по поверхности тяжёлой жидкостиконечной глубины и в плазме. Ныне под определение С. попадает множестворазнообразных физ. объектов. Первая классификация С. может быть сделанапо числу пространственных измерений, вдоль к-рых происходит локализациястационарного возмущения нелинейной среды. К одномерным С. относятся классич. 2p -импульсы и огибающей в нелинейной оптике (см. Солитоны оптические), локализов. коллективной проводимости в молекулахорганич. полупроводников и в одномерных металлах (см. Волны зарядовойплотности), С. (кванты магн. потока) в джозефсоновских контактах всверхпроводниках (см. Джозефсона эффект )и т. д. К двумерным С. дислокации в кристаллич. решётке, дисклинации в жидкихкристаллах, вихревые структуры в тонком слое сверхтекучей жидкости, Сверхтекучесть), магн. трубки (вихри Абрикосова) в сверхпроводниках 2-го рода (см. Сверхпроводимость), антициклональные области в геофиз. гидродинамике, в т. ч. «Большоекрасное пятно» на Юпитере, каналы самофокусировки в нелинейной оптике. Солитон в квантовой теории поля), чёрные дыры втеории гравитации. В квантовой теории поля рассматривают С., локализованныев четырёхмерном пространстве-времени,- инстантоны.

Математически С. представляют собой локализованные стационарные решениянелинейных дифференциальных уравнений в частных производных или их обобщений(дифференциально-разностных, интегро-дифференциальных и т. п. ур-ний).Во мн. случаях разл. физ. ситуации и явления описываются одними и темиже ур-ниями, напр. Кортевега - де Фриса уравнением, синус-Гордона уравнением, - Петвиашвили уравнением. Линейные ур-ния (кроме одномерного волнового ур-ния) не имеют локализованныхстационарных решений. С. представляют собой существенно нелинейные объекты, топологическимзарядом, т. е. если конфигурация волнового поля в присутствии С. топологическиотлична от конфигурации невозмущённого состояния. Значит. часть ур-ний, обратной задачи рассеяния метод, большинство из них являются интегрируемымигамильтоновыми системами.

Одномерные солитоны. Уединённая волна на поверхности жидкости конечнойглубины впервые наблюдалась в 1834 Дж. С. Расселлом (J. S. Russell). Матем.

Здесь Н - невозмущённая глубина жидкости,- скорость длинных волн малой амплитуды, x 0 - положениецентра С., бесстолкновительных ударных волн в плазме, возникающих, Моделируя на поведение цепочки атомов, связанных нелинейными упругимисилами и описываемых ур-ниями движения

где л - номер атома в цепочке, Э. Ферми (Е. Fermi), Дж. Паста (J. Pasta) иС. Улам (S. Ulam) в 1954 обнаружили аномально медленную стохастизацию вэтой системе. Система не термализовалась (в ней не устанавливалось термодинамич.

выведенное в 1895 для описания эволюции волнового пакета на поверхностижидхости малой глубины. Ур-ние КдФ является универсальным ур-нием, описывающимодномерные или квазиодномерные среды, в к-рых конкурируют слабая квадратичнаянелинейность [член 6 ии х вур-нии (3)] и слабаялинейная дисперсия [член и ххх в ур-нии (3)].Оказалось, что оно описывает также и колебат. поведение цепочки атомов,

В зависимости от соотношения указанных выше двух факторов система переходитиз одного состояния в другое, а в случае их взаимной компенсации возникаетС.

Из численного решения ур-ния (3) [Н. Забуски (N. Zabusky) и М. Крускал(М. Kruskal), 1964] следует, что С. обладают значит. устойчивостью и пристолкновениях рассеиваются упруго, сохраняя свою форму и амплитуду. Анализируяэто явление, М. Крускал, Дж. Грин (G. Green), Ч. Гарднер (С. Gardner) иР. Миура (R. Miura) открыли в 1967 фундам. метод обратной задачи рассеяния, :

Ур-ние (5) представляет собой стационарное ур-ние Шрёдингера с потенциалом- u(x,t). Если удовлетворяет ур-нию КдФ (3), то дискретныесобств. значения ур-ния Шрёдингера не зависят от времени и непосредственносвязаны с С. Если ур-ние (5) имеет N дискретных собств. значений , то при будут присутствовать N С. вида (4) с параметрами .В общем случае в решении содержится также осциллирующая «несолитонная часть».Решение ур-ния (5), определённое методом обратной задачи рассеяния, имеетвид:

В чисто солитонном случае

N-солитонное решение описывает рассеяние N С. друг на друге. парном столкновении С. с амплитудами С. приобретают сдвиги

т. е. быстрый С. приобретает положительный, а медленный - отрицательныйсдвиги. При взаимодействии N С. полный каждого С. равен алгебраич. взаимодействие нерелятивистских частиц, между к-рыми действуют парныесилы отталкивания. Напр., для двух С. (4) с одинаковыми амплитудами ,разделённых расстоянием L, много большим характерного размера С., потенциал силы отталкивания

Типичная картина возникновения С. в океане, сфотографированная из космоса, изображенана рис.: чётко видны пять полос (солитонов), перемещающихся снизу справавверх налево.

Шрёдингера нелинейное ур-ние для комплексной ф-ции u(x,t )

является одним из осн. ур-ний нелинейной физики, описывающим эволюциюоптич. волн в нелинейных кристаллах, ленгмюровских волн в плазме, тепловыхволн в твёрдых телах и др. При распространении одномерных квазигармонич. и хх)и линейной дисперсии (член ) происходит самомодуляция - возникают волны огибающей. В случае равновесиянелинейного самосжатия и дисперсионного расплывания появляются С. огибающей.

Здесь и v - амплитуда и скорость С. [в отличие от С. (4), эти параметрыявляются взаимно независимыми], Ф 0 и х 0 описывают фазу и положение С. в нач. момент.

В. Е. Захаров и А. Б. Шабат показали (1971), что ур-ние (7) также являетсяточно интегрируемым в рамках метода обратной задачи рассеяния с помощьювспомогат. переопределённой системы линейных ур-ний типа (5), (6) для многокомпонентной(векторной) ф-ции . Следствием точной интегрируемости является наличие точных многосолитонныхрешений. Как и в случае ур-ния КдФ, эти решения описывают чисто упругиестолкновения С. с сохранением формы, амплитуды и скорости. Единств. следствиемстолкновения являются фазовые сдвиги - изменения параметров Ф 0 и х 0 .

Одномерное ур-ние синус-Гордона. Точно интегрируемым с помощью вспомогат.

Это ур-ние встречается во мн. физ. задачах, в к-рых ангармонич. потенциалнелинейного самовоздействия волнового поля периодичен по полевой переменной Ф(х,t). Примерами являются в джозефсоновских переходах, волны зарядовой плотности в одномерных металлах, нелинейные волнынамагниченности в легко плоскостных и слабых ферромагнетиках и т. д.

Ур-ние (9) имеет солитонные решения двух разл. типов: т. н. кинки ибризеры. К и н к

представляет собой уединённую волну, обладающую топологич. зарядом , движущуюся со скоростью v (v 2 < 1). Кинк имеет смыслт. н. флаксона - кванта магн. потока в теории длинных джозефсоновских переходов, x 0 , характеризующих положение кинков в нач. v 1 ,v 2 (v 1 v 2)фазовыесдвиги равны:

Видно, что фазовые сдвиги не зависят от топологич. зарядов кинков.

Как и для С., описываемых ур-ниями (3) и (7), полный фазовый сдвиг любогокинка при рассеянии на совокупности остальных кинков в точности равен суммесдвигов, порождённых его столкновениями с каждым из остальных кинков поотдельности.

Наглядно два кинка, разделённых расстоянием L, много большим их характерныхразмеров ~ (1 - v 2) -1/2 , можно представлять как дверелятивистские частицы, взаимодействующие с потенциалом

Т. о., кинки с одинаковыми зарядами отталкиваются, с противоположными - притягиваются.

Пара кинков с противоположным зарядом может образовать связанное осциллирующеесостояние - т. н. б р и з е р, представляющий собой 2-й тип точного солитонногорешения ур-ния (9):

[движущийся бризер может быть получен из (11) преобразованием Лоренца].Параметр ,изменяющийся в пределах , характеризует энергию связи бризера, определённую разность энергий пары удалённых покоящихся (v= 0) кинков (10) и энергии бризера (11):. Столкновения бризеров друг с другом и с кинками также являются чистоупругими и сопровождаются аддитивными фазовыми сдвигами. В реальных системахбризер не наблюдается вследствие диссипации.

В пределе Ф 2 1 подстановка

преобразует ур-ние (9) в нелинейное ур-ние Шрёдингера (7) (с верх. знаком).При этом бризер (11) (при ) преобразуется в покоящийся С. (8) с амплитудой

Многомерные солитоны. Двумерный С. является решением точно интегрируемогоур-ния Кадомцева - Петвиашвили

описывающего ионно-звуковые волны в плазме, на поверхности«мелкой» жидкости и т. д. Точное решение ур-ния (12)

содержащее произвольный комплексный параметр v, описывает устойчивыйдвумерный С. (т. н. л а м п), движущийся со скоростью и = (v x ,Vy),, . При решение. (13) убывает как ( х 2 + y 2 ) -1 ,т. е., в отличие от одномерных С. (4), (8), (10), (11), характеризующихсяэкспоненциальным спадом профиля при ,двумерный С. (13) имеет степенную асимптотику. Столкновения любого числалампов (13) являются чисто упругими, причём, в отличие от одномерных С.,фазовые сдвиги тождественно равны нулю.

Понятие С. можно обобщить и на случай неинтегрируемых нелинейных волновыхур-ний. Сюда можно отнести почти интегрируемые с и с т е м ы, отличающиесяот универсальных интегрируемых ур-ний малыми возмущающими членами, чтоимеет место в реальных физ. системах. Теория возмущений для почти интегрируемыхсистем также основана на методе обратной задачи рассеяния [Д. Кауп (D.Каир), 1976; В. И. Карпман и Е. М. Маслов, 1977]. В почти интегрируемыхсистемах С. более богата; в частности, малые возмущения могутпорождать неупругие взаимодействия С. и многосолитонные эффекты, отсутствующиев точно интегрируемом случае.

В системах, далёких от точно интегрируемых, взаимодействия С. оказываютсяглубоко неупругими. Так, неинтегрируемое релятивистски инвариантное волновоеур-ние

описывающее, напр., динамику параметра порядка при фазовых переходахтипа смещения в сегнетоэлектриках, имеет точное устойчивое решение типакинка: