Szolitonok, a tudomány és az élet
Mindezen területeken van egy dolog közös: ők vagy az egyes szakaszok vizsgált hullám folyamatok, vagy még egyszerűbben - a hullámok. A legáltalánosabb értelemben a hullám - a terjedését a zavar egy fizikai mennyiség jellemző az anyag vagy a területen. Ez elterjedt általában akkor fordul elő bizonyos környezetekben - a víz, a levegő, szilárd anyagok. Csak az elektromágneses hullámok terjednek vákuumban. Minden jól látható, hogyan egy követ dobott a vízbe, „zavarják” nyugodt vízfelület, gömb alakú hullámok eltérnek. Ez egy példa a terjedését „egyetlen” felháborodás. Nagyon gyakran a perturbáció képviseli oszcillációs folyamat (különösen, időszakos) különböző formában - az inga swing, rezgése egy string hangszer, sűrítési és expanziós a kvarc lemez hatása alatt váltakozó áram, a oszcillációk atomok és molekulák. Waves - szaporító rezgések - lehet a különböző jellegű: víz hullámok, hang, elektromágneses (beleértve a fény) hullámok. A különbség a fizikai mechanizmusok végrehajtása hullám folyamat része különböző módszereket annak matematikai leírása. De a hullámok különböző eredetű velejárói, és néhány általános tulajdonságokat, amelyek leírására használjuk univerzális matematikai formalizmus. Ez azt jelenti, hogy lehetséges, hogy tanulmányozza hullámjelenségek rontaná a fizikai jellegű.
Az elmélet a hullámok, így általában nem, figyelembe véve a tulajdonságai, mint a hullámok interferencia, diffrakció, diszperziós, szórás, tükröződés és fénytörés. De ez tart egy fontos tényt: a közös megközelítés legitim, feltéve, hogy vizsgálták hullám folyamatok különböző jellegű lineyny.O hogy ez alatt azt értjük, később beszélünk, és most már csak megjegyezni, hogy a vonal lehet csak egy hullám nélkül túl nagy amplitúdójú. Ha az amplitúdó a hullám nagy, akkor válik a nem-lineáris, és közvetlenül kapcsolódik a téma ezt a cikket - szolitonok.
Ahhoz, hogy megértsük az alapvető kapcsolódó ötletek elszigetelt hullámok és ugyanakkor keveset vagy egyáltalán nem matematika, meg kell beszélni, elsősorban a már említett nemlinearitásra és diszperziós - a jelenségek, amelyek hátterében a mechanizmus kialakulását szolitonok. De először mondani arról, hogyan és mikor volt kimutatható a változtatható térfogatú. Ő először személyesen „álruhában” magányos hullám a víz.
Ez történt 1834-ben. Dzhon Skott Russell, skót fizikus és egy tehetséges mérnök és feltaláló, kapott egy javaslatot, hogy vizsgálja meg a lehetőségeket gőzhajózást hajók a csatornán keresztül összekötő, Edinburgh és Glasgow. Míg a közlekedési csatorna által szállított kis bárkák, amelyek húzta ló. Ahhoz, hogy megtudja, hogyan lehet átalakítani a bárka ló tapadást helyébe gőz, Russell kezdte, hogy végezzen felügyelet az uszályok különböző formájú, különböző sebességgel mozgó. És a Ezen kísérletek során, hirtelen szembe egy teljesen szokatlan. Itt van, hogyan írta le az ő „Jelentés a hullámok”:
„Néztem a mozgás az uszály futott gyorsan egy szűk egy pár lovat, amikor az uszály hirtelen megállt. De a víz tömege, hogy az uszály mozgásban van, köré az íj állapotban féktelen mozgás, majd hirtelen balra mögé, előregördülését nagy sebesség és formáját öltő nagy magányos magasság -. kerek, sima és világos víz a hegy ment útban a csatorna mentén egyáltalán nem változtatja az alakját, és nem csökkenti a sebességet követtem őt a lovon, és amikor rajtakaptam, ő n. -prezhnemu barreling előre sebességgel 8-9 mérföld per óra, magassága fokozatosan csökken, miközben megőrzi az eredeti profilját magassága körülbelül harminc láb hosszú, magassága egy láb és egy fél lábát., majd egy vagy két mérföldre a hajsza, elvesztettem a kanyarokban a csatorna " .
Egyértelműen meghatározza a probléma tette a holland tudós Diederik Johannes Korteweg és tanítványa Gustav De Vries. 1895-ben, tizenhárom év után Russell halála, megtalálták a pontos egyenlet hullám megoldások, amelyek teljes mértékben leírják a folyamatokat. Az első közelítésben, ez a következőképpen magyarázható. Waves Korteweg - de Vries nem-szinuszos alakú és szinuszosak esetén csak az amplitúdója nagyon kicsi. Ha növekszik a hullámhossz, ők formájában távol helyezkedik gurítódombjait, és egy nagyon nagy hullámhosszú marad púp, amely megfelel egy „magányos” hullám.
Korteweg - de Vries (az ún KdV egyenlet) játszott nagyon fontos szerepet töltenek be az idő, amikor a fizikusok felismerték a sokoldalúság és a lehetőséget az alkalmazás, hogy a hullámok különböző jellegű. A legjobb az egészben, hogy leírja a nemlineáris hullámok, és most meg kell, hogy dolgozza ki ezt a koncepciót.
alapvető fontosságú az a hullám egyenlet az elmélet hullámok. Ne add ide (ez ismeretét igényli a magasabb matematika), tudomásul vesszük, csak az, hogy a kívánt funkciót leíró hullám, és azok értékeit tartalmazza az első fokú. Az ilyen egyenletek nevezzük lineáris. A hullám egyenlet, mint bármely más, van egy megoldás, vagyis a matematikai kifejezést, amely után helyettesítési válik identitás. hullám egyenlet lineáris harmonikus (szinuszos) hullám. Hangsúlyozzuk, hogy ismét a „lineáris” kifejezés itt nem a geometriai értelemben (Sine - nem egy egyenes vonal), de tekintve az alkalmazott első fokú értékeket a hullám egyenlet.
Lineáris hullámok engedelmeskedik a szuperpozíció elve (felül). Ez azt jelenti, hogy az alkalmazásnál többszörös lineáris miatti hullámok hullám formájában határozza meg az egyszerű hozzáadásával az eredeti hullámok. Ez azért van, mert minden egyes hullám terjed a közegben a többitől függetlenül, nincs cseréje energia, vagy egyéb kölcsönhatások közöttük, azok szabadon áthaladjon egymást. Más szóval, a szuperpozíció elve hullámok jelent függetlenséget, és ezért is lehet hajtani. Normális körülmények között ez igaz hang-, fény- és rádióhullámok, valamint hullámokat, amelyeket figyelembe vesznek a kvantumelmélet. De a hullámok a folyékony ez nem mindig igaz: felveheti csak hullámok nagyon kis amplitúdójú. Ha megpróbálja összeadja a hullámok Korteweg - de Vries, akkor nem kap egy hullámot, ami létezhet: nemlineáris egyenletek hidrodinamika.
Ha nem-lineáris hang és a fény hullámok keletkeznek, csak specifikus körülmények, a nem-lineáris folyadék dinamika természeténél fogva. Mivel hidrodinamikai mutat nem-linearitást még a legegyszerűbb jelenségek, közel egy évszázad alatt alakult ki teljesen elszigetelten „lineáris” fizika. Senki egyszerűen nem fordulhat elő, hogy keressen valami hasonló a „magányos” Russell hullám a másik hullámjelenségek. Csak amikor egy új mezőt a fizika dolgoztak - nemlineáris akusztika, rádió a fizika és optika - a kutatók emlékezett térfogatú Russell és csodálkozott: ez csak a vízben is megfigyelhető ez a jelenség? Erre a célra szükséges volt, hogy megértsék az általános mechanizmusa térfogatú kialakulását. nemlinearitásnak feltételek szükségesek voltak, de nem elégséges: a környezet szükséges valami mást, úgyhogy lehetne született „magányos” hullám. Ennek eredményeként a kutatás, világossá vált - a hiányzó feltétel jelenlétét igazolta, diszperziós közegként.
Az egyik csodálatos tulajdonságai „magányos” hullámok az, hogy nagyon hasonló részecskéket. Tehát, amikor szembesült két elszigetelt hullámok nem jutnak át egymást, mint a normál lineáris hullámok, és hogyan taszítják egymást, mint a teniszlabda.
A víz előfordulhat szolitonok és a másik típusú megnevezett csoport, mivel formájuk nagyon hasonlít a csoportok hullámok amelyek előfordulnak a valóságban helyett szinuszhullám, és egy végtelen mozog a csoport sebesség. Csoport szoliton nagyon hasonló az amplitúdó-modulált elektromágneses hullám; A nem szinuszos borítékot, ő le egy bonyolultabb funkció - hiperbolikus metsző. A sebesség egy ilyen szoliton független amplitúdójú, és ez különbözik a dV szolitonok. Az borítékot általában nem több, mint 14-20 hullám. Átlagos - a legmagasabb - hullám a csoportban, így kezdve a hetedik a tizedik; így a jól ismert expressziós „kilencedik hullám”.
Cikk keret nem teszi lehetővé számunkra, hogy fontolja meg sok más típusú szolitonok, mint elszigetelt hullámok szilárd kristályos testek - az úgynevezett zavar (hasonlítanak a „lyukak” a kristályrács, és képes mozogni), a hozzájuk kapcsolódó mágneses szolitonok ferromágneses anyagok (mint a vas), változtatható térfogatú hasonló idegi impulzusok az élő szervezetekben, és még sokan mások. Korlátozzuk magunkat a figyelmet az optikai szolitonok, amelyek a közelmúltban felkeltette fizikus, a lehetőséget a felhasználásuk igen ígéretes szál linkeket.
Optikai szoliton - változtatható térfogatú egy tipikus csoport. A formáció lehet érteni, mint egy példa a nemlineáris optikai hatások - az úgynevezett önálló indukált átláthatóság. Ez a hatás abban áll, hogy a közeg, amely elnyeli a kis intenzitású fényt, azaz a nem átlátszó, hirtelen átlátszóvá válik történő áthaladás ideje alatt, hogy egy erős fényimpulzus. Ahhoz, hogy megértsük, miért történik ez, emlékszem mi miatt az elnyelt fény az anyagban.
Fénykvantumot, kölcsönhatásban az atommal ad neki energiát és lefordítva magasabb energiaszintre, azaz a gerjesztett állapotban. Foton ebben eltűnnek - közepes elnyeli a fényt. Miután az összes atom izgatott közegben, a felszívódását fényenergia megáll - a közeg átlátszóvá válik. De egy ilyen állapot nem tarthat sokáig: a fotonok repülő mögött, arra kényszerítve az atomok visszatérnek az eredeti állapotot kibocsátó fotonok ugyanazon a frekvencián. Ez történik, amikor egy ilyen közeg van vezetve egy rövid fényimpulzus nagyteljesítményű megfelelő frekvencia. Az elülső széle az impulzus fejtetőre atomok a felső réteg, míg a részben felszívódnak és egyre gyengébb. Maximális impulzus abszorbeált kevesebb, és a hátsó éle az impulzus stimulálja fordított átmenet a gerjesztett a talajszint. Atom kibocsát egy fotont, az energia visszakerül impulzus, amely áthalad a közegben. Ebben az esetben az impulzus alakja van a megfelelő csoport egy szoliton.
Legutóbb megjelent egy cikk a folyamatban lévő jól ismert cég a „harang” (Bell Laboratories, USA, New Jersey) jelzés fejlesztések rendkívül nagy távolságokra optikai szálak, optikai szolitonok egy amerikai tudományos folyóiratban. Normál átviteli az optikai szálas kommunikációs vonalak alávetett jelfokozódás minden 80-100 kilométerre (erősítő maga is szolgálhat egy fényvezető amikor pumpáló fényt egy adott hullámhosszon). És minden 500-600 kilométert kell telepíteni egy átjátszó átalakítja az optikai jelet elektromos megőrizve annak minden, majd ismét az optikai átviteli. Ezen intézkedések nélkül a jel nagyobb távolságra, mint 500 kilométert, torz felismerhetetlenségig. Ennek költsége berendezés nagyon magas: a sebességváltó egyik Terabit (10, 12 bites) információ San Francisco és New York költségek $ 200 millió az egyes átjátszó állomás.
Az optikai térfogatú megtartja alakját szaporítása során, lehetővé teszi, hogy minden optikai jelátviteli távolság legfeljebb 5-6 ezer kilométer. Azonban létrehozása felé „térfogatú line” vannak jelentős kihívás, hogy meg lehetne oldani csak a közelmúltban.
Az a lehetőség megléte szolitonok az optikai szál jósolt 1972-ben fizikus Akira Hasegawa, a cég alkalmazottja „harang”. De abban az időben még nem volt szálakat kis veszteséggel a hullámhossz-tartományban, ahol lehet megfigyelni a szolitonok.
Optikai szolitonok tudnak terjedni csak az optikai szálat egy kicsi, de véges szórás értékét. Azonban, az optikai szál, amely megőrzi a kívánt diszperziós érték a teljes spektrális szélessége többcsatornás távadó, egyszerűen nem léteznek. Ez teszi a „normális” szolitonok nem alkalmasak a hálózatok hosszú távvezeték.
Megfelelő térfogatú technológia épül fel, mely több éves vezetése alatt Lynn Mollenauer, vezető szakember a Department of optikai technológiák ugyanaz a cég a „harang”. A technológia alapját feküdt diszperziós irányított optikai szál fejlesztés, amely lehetővé tette létre térfogatú impulzusok, amelynek alakja lehet tartani a végtelenségig.
ellenőrzési módszer a következő. diszperziós nagysága hosszában optikai szál periodikusan változik a pozitív és negatív értékek. Az első részben az optikai szál impulzus kitágul, és eltolja ugyanabba az irányba. A második szakaszban, amelynek diszperziója ellenkező előjelű, impulzus összenyomódás következik be, és változó az ellenkező irányba, miáltal alakja helyreáll. A további mozgató impulzust kitágul, majd ismét belép a következő területre, a kompenzáló hatása az előző zóna, és így tovább - egy ciklikus folyamat kitágulás és összehúzódás. A impulzusszélesség tapasztalható túlfeszültség egy időtartamával azonos közötti távolság az optikai szál erősítő szokásos - 80 és 100 km-re. Ennek eredményeként szerint a Mollenauer, a jel az információs mennyisége több, mint 1 terabits átadhatók anélkül átmosó legalább 5-6000 kilométert átviteli sebességgel 10 Gbit lehet másodpercenként csatornánként torzítás nélkül. Ilyen szuper hatótávolságú vezeték nélküli technológia az optikai vezetékek már közel hajtanak végre.