Главная > Солитоны в математике и физике (А. Ньюэлл)
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

Есть много других важных в физике уравнений, проявляющих солитонные свойства. Список ссылок содержит много обзорных статей, специальных изданий, труды конференций, и читатель при желании может заняться поисками интересующего его уравнения. Тем не менее есть еще два уравнения, заслуживающие особого упоминания из-за их распространенности. нелинейной оптике (в модели распространения импульсов в резонансной среде), в физике конденсированных сред в магнетизме, где оно моделирует волны зарядовой плотности в периодическом потенциале подложки и спиновые волны в жидком гелии-3. В сверхпроводимости оно описывает динамику джозефсоновских контактов, в статистической механике оно возникает при описании критической области в моделях типа модели Изинга. Причиной такой вездесущности является то, что многие системы оказываются эквивалентны динамической системе с лагранжианом, состоящим из кинетической энергии $\frac{1}{2} \int \varphi_{t}^{2} d x$ и потенциальной, состоящей из двух частей – упругой энергии, которую в непрерывном пределе можно описать членом
\[
\frac{1}{2} c^{2} \int \varphi_{x}^{2} d x
\]
и потенциала, создаваемого некоей наложенной решеткой. Часто наилучшим приближением для этого потенциала является
\[
\omega_{p}^{2} \int(1-\cos \varphi) d x .
\]

Нетрудно видеть, что из этого лагранжиана получается уравнение Эйлера вида
\[
\varphi_{t t}-c^{2} \varphi_{x x}+\omega_{p}^{2} \sin \varphi=0 .
\]

Обсуждение и перечень задач, в которых появляется уравнение (2.96), можно найти в [68], [69], [19], [71].

Второе из упомянутых уравнений – это не одно уравнение, а система, описывающая резонансное взаимодействие трех волн.

Эту систему можно записать в виде [53]
\[
\frac{\partial A_{j}}{\partial t}+\mathbf{c}_{j} \cdot
abla A_{j}=\theta_{j k l} A_{k}^{*} A_{i}^{*},
\]

где $(j, k, l)$-циклические перестановки $(1,2,3), A_{j}(x, t)$ – медленно меняющаяся огибающая волнового пакета с основной гармоникой $e^{i\left(k_{j} x-\omega_{j} t\right)}, \omega_{j}=\omega\left(k_{j}\right), \mathbf{c}_{j}-$ линейная групповая скорость $
abla \omega_{j}$. Левая часть получается из тех простых соображений, что в порядке $\varepsilon$ (здесь $\varepsilon$ – спектральная ширина пакета с основным волновым числом $k$ ) огибающая $a\left(X, T_{1}\right)$, входящая в НУШ, удовлетворяет $a_{T_{1}}+\omega^{\prime} a_{X}=0$. Правая часть возникает из квадратично нелинейных членов, которые в слабонелинейной системе соответствуют наиболее сильному взаимодействию с резонансными соотношениями
\[
\mathbf{k}_{1}+\mathbf{k}_{2}+\mathbf{k}_{3}=0, \quad \omega\left(\mathbf{k}_{1}\right)+\omega\left(\mathbf{k}_{2}\right)+\omega\left(\mathbf{k}_{3}\right)=0 .
\]

В терминах дуализма волн и частиц (2.98) описывает сохранение импульса и энергии в трехчастичных столкновениях.

Структура (2.97) такова, что нас не должна удивлять та важная роль, которую эта система играет в тех областях физики, в которых доминируют волновые процессы. По существу она описывает перераспределение энергии по спектру вследствие нелинейных резонансных взаимодействий. Она появляется в физике плазмы, в волнах в атмосфере и океане. (Иногда линейное дисперсионное соотношение $\omega(\mathbf{k})$ не допускает (2.98) ни для каких триад волновых векторов $\mathbf{k}_{1}, \mathbf{k}_{2}, \mathbf{k}_{3}$. В этих случаях перераспределение энергии осуществляется в следующем порядке за счет четырехчастичных процессов, как, например, для поверхностных гравитационных волн.)

Наилучшим подробным обзором по (2.97) и ее свойствам интегрируемости (при определенном выборе $\theta_{j k l}$ она точно решаема) является статья Каупа, Римана и Берса [72]. (По поводу ее решения см. [74].)

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru