În toate aceste domenii au un lucru în comun: ei sau secțiunile lor individuale studiate procesele val, sau mai simplu - valuri. In sensul cel mai general al valului - este răspândirea perturbării unei mărimi fizice care caracterizează substanța sau domeniu. Această răspândire apare de obicei în unele medii - apă, aer, solide. Numai undele electromagnetice se pot propaga în vid. Toate văzut în mod clar cum dintr-o piatră aruncată în apă, „perturb“ suprafață de apă calmă, valuri sferice sunt divergente. Acesta este un exemplu de răspândire a „single“ indignare. Foarte adesea perturbația reprezintă procesul de oscilație (în particular, periodică) sub diverse forme - oscilația pendulului, vibrație a unui șir de caractere instrument muzical, compresie și expansiune a unei plăci de cuarț sub acțiunea curentului alternativ, oscilațiile in atomi si molecule. Valuri - oscilații de propagare - pot fi de natură diferită: valuri de apă, sunet, electromagnetică (inclusiv lumina) valuri. Diferența dintre mecanismele fizice care implementează procesul de undă implică diferite metode pentru descrierea matematică. Dar valurile de diferite origini sunt inerente și unele proprietăți generale, care sunt utilizate pentru a descrie un formalism matematic universal. Acest lucru înseamnă că este posibil de a studia fenomenele val de natura lor afectează în mod fizic.
În teoria undelor așa face de obicei, având în vedere proprietățile undelor, cum ar fi interferență, difracție, dispersie, împrăștiere, reflexie și refracție. Dar deține un fapt important: o abordare comună este legitim, cu condiția ca procesele de undă studiate de natură diferită lineyny.O că prin aceasta ne referim, vom vorbi mai târziu, iar acum am doar act de faptul că linia poate fi doar un val fără amplitudine prea mare. În cazul în care amplitudinea undei este mare, ea devine non-linear, și este direct legată de tema acestui articol - solitoni.
Pentru a înțelege ideile de bază legate de solitoni, și, în același timp, face puțin sau deloc matematica, este necesar să vorbim în primul rând despre neliniarității deja menționate și dispersia - fenomenele care stau la baza mecanismului de formare a solitonilor. Dar mai întâi să vă spun despre cum și când a fost detectat un soliton. El a apărut pentru prima dată în persoană „deghizat“ val solitar pe apă.
Acest lucru sa întâmplat în 1834. Dzhon Skott Russell, un fizician scoțian și un inginer talentat și inventator, a primit o propunere de a explora posibilitățile de navigație a navelor de abur prin canalul care leagă Edinburgh și Glasgow. În timp ce canalul de transport transportat de barje mici, care sunt trase de cai. Pentru a afla cum de a converti o barjă cu tracțiune cal înlocuit cu abur, Russell a început să se realizeze o supraveghere pentru barje de diferite forme, se deplasează cu viteze diferite. Și în cursul acestor experimente, el dintr-o dată se confruntă cu o neobișnuită. Iată cum a descris în „Raportul privind valurile“ lui:
„Am urmărit mișcarea barja care a fugit repede printr-un canal îngust o pereche de cai, atunci când barja sa oprit brusc. Dar masa de apă care barja în mișcare, au adunat în jurul arcul într-o stare de mișcare frenetice, apoi l-au lăsat brusc în urmă, rulare înainte cu mare viteză și luând forma unui mare altitudine solitar -. apă rotunjite, netedă și clară a dealului a continuat drumul său de-a lungul canalului, la toate, fără a schimba forma, și nu reduce viteza de l-am urmat călare, iar când l-am prins, el n. -prezhnemu barreling înainte la o viteză de aproximativ 8-9 mile pe oră, înălțimea sa diminuat treptat, păstrând în același timp cota de profilul inițial de aproximativ treizeci de picioare în lungime și o înălțime de un picior și o picioare și jumătate., și după una sau două mile Chase, l-am pierdut în curbele canalului " .
definind în mod clar problema a făcut savantul olandez Johannes Diederik Korteweg și studentul lui Gustav De Vries. În 1895, treisprezece ani după moartea lui Russell, au găsit ecuația exactă, val de soluții care descriu pe deplin procesele. În primă aproximație, acest lucru poate fi explicat după cum urmează. Valuri Korteweg - de Vries au o formă non-sinusoidală și sunt sinusoidală numai atunci când amplitudinea lor este foarte mică. Atunci când creșterea lungimii de undă, acestea iau forma de distanțați de departe în afară cocoașe, și cu o lungime de undă foarte mare rămâne un bizon, ceea ce corespunde unui val „solitar“.
Korteweg - de Vries (ecuația așa-numitul KDV) a jucat un rol foarte important în zilele noastre, când fizicienii a realizat versatilitatea sa și posibilitatea de aplicare a valurilor de natură diferită. Cel mai bun dintre toate, descrie valurile neliniare, iar acum ar trebui să elaboreze pe acest concept.
o importanță fundamentală este ecuația de undă în teoria valurilor. Nu-l da aici (acest lucru necesită familiarizarea cu matematici superioare), observăm doar că funcția dorită care descrie unda, iar valorile aferente sunt cuprinse în primul grad. Aceste ecuații sunt numite liniare. Ecuația de undă, ca oricare alta, are o soluție, adică expresia matematică, care după substituția devine o identitate. Ecuația de undă este armonică (sinusoidală) undă liniară. Subliniem încă o dată că termenul „liniar“ este folosit aici, nu în sensul geometric (sinus - nu este o linie dreaptă), dar în ceea ce privește utilizarea valorilor de gradul întâi în ecuația de undă.
valuri liniare supun principiului superpoziției (adăugare). Aceasta înseamnă că, la aplicarea mai multor valuri liniare rezultate sub formă de undă este determinată prin simpla adăugare de valuri originale. Acest lucru se datorează faptului că fiecare val se propagă în mediul independent de ceilalți, nu există nici un schimb de energie sau de alte interacțiuni între ele, ei sunt liberi să treacă prin unul pe altul. Cu alte cuvinte, principiul superpoziției undelor înseamnă independență, și de aceea ele pot fi pliate. În condiții normale, acest lucru este valabil și pentru undele de sunet, lumina si radio, precum și valuri, care sunt considerate în teoria cuantică. Dar pentru valurile în lichidul nu este întotdeauna adevărat: puteți adăuga doar valuri de amplitudine sunt foarte mici. Dacă încercați să adăugați până valuri Korteweg - de Vries, nu am primit un val care poate exista: ecuatii neliniare hidrodinamicii.
În cazul în care undele de sunet și lumină neliniare sunt formate numai în condiții specifice, dinamica non-lineare de fluide prin însăși natura sa. Deoarece hidrodinamica prezintă non-liniaritate, chiar și în cele mai simple fenomene, timp de aproape un secol le-a dezvoltat în izolare completă de fizica „liniar“. Nimeni nu pur și simplu nu a avut loc să caute ceva similar cu „solitar“ val Russell în celelalte fenomene val. A fost doar atunci când un nou domeniu al fizicii au fost dezvoltate - acustică neliniare, fizica de radio si optica - cercetatorii amintit solitonice Russell și se întreba: este doar poate fi observat un astfel de fenomen apa? În acest scop, a fost necesar pentru a înțelege mecanismul general de formare a solitonice. Condițiile de neliniarități erau necesare, dar nu suficiente: mediul necesar altceva, astfel încât să poată fi născut val „solitar“. Ca rezultat al cercetării, a devenit clar - starea lipsă a demonstrat prezența unui mediu de dispersie.
Una dintre proprietățile uimitoare ale undelor „solitare“ este că acestea sunt particule foarte similare. Așa că, atunci când se confruntă două solitoni nu trec prin fiecare ca valurile liniare normale, și modul în care s-ar respinge reciproc ca mingi de tenis.
Pe apa se poate produce solitoni și un alt grup de tip pe nume, ca forma lor foarte asemănătoare cu grupurile de valuri care apar în realitate, în loc de o undă sinusoidală și un infinit se deplasează cu viteza de grup. solitonice grup foarte similar cu undei electromagnetice modulate în amplitudine; învelișul său non-sinusoidală, ea a descris o funcție mai complicată - secante hiperbolic. Viteza unui astfel de soliton este independentă de amplitudine, iar acest lucru diferă de solitoni dV. Sub plicul este, de obicei, nu mai mult de 14-20 val. Media - cel mai mare - val este în grup, variind astfel, din ziua a șaptea a zecea; prin urmare, bine-cunoscuta expresie „al nouălea val“.
Articolul cadru nu ne permite să ia în considerare multe alte tipuri de solitoni, astfel solitoni în corpuri cristaline solide - așa-numita dislocare (ele se aseamănă cu „găuri“ în rețeaua cristalină și este, de asemenea, capabil să se deplaseze), solitoni aferente acestora magnetice din materiale feromagnetice (cum ar fi de fier), nervoase-soliton cum ar fi impulsuri în organismele vii, și multe altele. Ne limităm la luarea în considerare a solitoni optici, care au atras recent atenția fizicienilor, posibilitatea utilizării lor în legături de fibre extrem de promițătoare.
solitonice optică - solitonice este un grup tipic. Formarea sa poate fi înțeleasă ca un exemplu de efecte optice neliniare - așa-numita transparență auto-induse. Acest efect constă în aceea că mediul care absoarbe lumina de intensitate mică, adică opac, brusc devine transparent în timpul trecerii printr-un puls de lumină puternică. Pentru a înțelege de ce se întâmplă acest lucru, amintiți-vă ce se datorează absorbției luminii în substanța.
Lumina cuantică, care interacționează cu atomul îi dă energie și se traduce într-un nivel mai ridicat de energie, adică, într-o stare excitată. Photon în acest dispar - mediu absoarbe lumina. După toți atomii sunt medii excitat, absorbția energiei luminoase se oprește - mediul devine transparent. Dar o astfel de stare nu poate dura mult timp: fotonii care zboară în spatele lui, forțând atomii de a reveni la starea lor inițială prin care emit fotoni de aceeași frecvență. Aceasta este ceea ce se întâmplă atunci când un astfel de mediu este ghidat printr-un puls de lumină scurtă de mare putere de frecvență corespunzătoare. Marginea frontală a impulsului basculează atomii la stratul superior, în timp ce absorbite parțial și devin mai slabe. puls maxim a absorbit mai puțin, iar muchia posterioară a impulsului stimulează tranziția inversă de la excitat la nivelul solului. Atom emite un foton, puls energia este returnat, care trece prin mediu. În acest caz, forma de impuls este grupul care corespunde unei soliton.
Cel mai recent a publicat un articol despre compania in curs de desfasurare bine-cunoscut „Bell“ (Bell Laboratories, Statele Unite ale Americii, New Jersey) de semnalizare evoluțiile pe distanțe extrem de mari în fibre optice folosind solitoni optici într-o reviste științifice americane. În timpul transmisiei normale pe liniile de comunicație prin fibre optice să fie supuse semnalului accesoriu la fiecare 80-100 de kilometri (amplificator în sine poate servi drept ghid de lumină, atunci când pomparea lumina unui anumit lungime de undă). Și fiecare 500-600 de kilometri trebuie să instalați un repetor convertește un semnal optic într-o conservă electrice toți parametrii, și apoi din nou la optic pentru transmisie. Fără aceste măsuri semnalul de la o distanță mai mare de 500 de kilometri, distorsionat de nerecunoscut. Costul acestui echipament este foarte mare: transmiterea unui Terabit (10 12 biți), informații de la San Francisco la New York costa 200 de milioane de $ la fiecare stație releu.
Utilizarea soliton optice menține forma în timpul propagării, permite toate optice transmitere la distanță a semnalului de până la 5-6 mii de kilometri. Cu toate acestea, spre crearea de „linia solitonice“ există provocări semnificative care ar putea fi depășite doar foarte recent.
Posibilitatea existenței solitonilor în fibra optică a prezis în 1972 de către fizicianul Akira Hasegawa, angajat al companiei „Bell“. Dar, la acel moment nu a existat nici un fibre cu pierderi mici în regiunea lungimii de undă unde puteți observa solitonii.
solitoni optice pot propaga numai în fibra optică, cu o valoare mică, dar finită variație. Cu toate acestea, fibra optică care păstrează valoarea de dispersie dorită în întreaga lățime spectrală a transmițătorului multi-canal, pur și simplu nu există. Acest lucru face ca solitoni „normale“ sunt nepotrivite pentru a fi utilizate în rețele cu linii lungi de transmisie.
Tehnologia solitonice Potrivit construit peste un număr de ani, sub conducerea lui Lynn Mollenauer, un specialist de frunte al Departamentului de tehnologii optice de către aceeași companie „Bell“. Baza acestei tehnologii pune dispersie gestionate dezvoltarea de fibre optice, care a permis crearea unor impulsuri solitonice a căror formă poate fi menținută pe termen nelimitat.
Metoda de control este după cum urmează. magnitudine de dispersie pe lungimea fibrei optice variază periodic între valori pozitive și negative. În prima secțiune a impulsului de fibre optice se extinde și se deplasează în aceeași direcție. În a doua secțiune, având o dispersie de semn opus, compresia impulsului are loc și deplasarea în sens invers, prin care este restabilită forma. Perfecționate impuls de mișcare se extinde din nou, și apoi intră în zona următoare, efectul compensator al zonei anterioare și așa mai departe - este un proces ciclic de expansiune și contracție. Lățimea impulsului se confruntă cu o creștere cu o perioadă egală cu distanța dintre fibra optică amplificatoare de obicei - de la 80 la 100 de kilometri. Ca rezultat, potrivit Mollenauer, semnalul la cantitatea de informații de mai mult de 1 terabiți poate trece fără să retransmiterea cel puțin 5 - 6000 km, cu o rată de transmisie de 10 gigabiți pe secundă per canal fără distorsiuni. O astfel de tehnologie wireless-gama super-pe liniile optice este deja aproape de a fi puse în aplicare.