БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (НЕ)

Нелине'йная аку'стика,область акустики, изучающая явления, для описания которых обычные приближения линейной теории звука недостаточны и необходим учёт нелинейных членов уравнений гидродинамики и уравнения состояния. Обычно такие явления (так называемые нелинейные эффекты) становятся существенными лишь при достаточно больших амплитудах звуковых волн; в этом смысле предмет изучения Н. а. — звуковые поля большой интенсивности, например распространение мощных ультразвуковых и звуковых (ударных) волн, генерация интенсивных паразитных колебаний при работе ракетных двигателей и т.п.

Распространение интенсивных звуковых волн (называемых также волнами конечной амплитуды) обладает рядом существенных особенностей. Одна из них — изменение формы волны при её распространении — обусловлена разницей в скоростях перемещения различных точек её профиля: точки, соответствующие областям сжатия, «бегут» быстрее точек, соответствующих областям разрежения. Происходит это потому, что скорость звука в области сжатия больше, чем в области разрежения; кроме того, волна увлекается средой, которая в области сжатия движется в направлении распространения волны, а в области разрежения — в противоположном направлении. Для волн малой амплитуды эта разница скоростей пренебрежимо мала, и потому распространение таких волн происходит практически без изменения их формы, в соответствии с решениями линейной акустики, принимающей скорость звука постоянной для всех точек профиля волны. В случае же волн большой интенсивности накапливающийся эффект изменения формы первоначально синусоидальной волны может привести к такому увеличению крутизны отдельных участков её профиля, что на каждом периоде её появятся разрывы и образуется периодическая ударная волна пилообразной формы ( рис. ).

В отличие от волн малой амплитуды, интенсивные звуковые волны не подчиняются суперпозиции принципу. К числу нелинейных эффектов относятся также давление звука и акустического течения (см. Акустический ветер ) , существенные для некоторых технологических процессов.

Лит.: Зарембо Л. К. и Красильников В. А., Введение в нелинейную акустику, М., 1966; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, [кн. 2], М., 1968.

Фотография формы первоначально синусоидальной волны на расстоянии в 100 длин волн от излучателя.

Нелинейная ква'нтовая тео'рия по'ля,общее название теорий, в которых используются нелинейные уравнения для операторов, описывающих квантованные поля. Физически это соответствует учёту самовоздействия поля. В одних теориях самовоздействие поля постулируется как нечто изначальное (такие теории и называются обычно нелинейными), в других — оно «индуцируется» некоторым промежуточным взаимодействием. В квантовой электродинамике, например, нелинейность, «индуцированная» взаимодействием между фотонами посредством виртуальных электронно-позитронных пар, должна приводить к наблюдаемым (но ещё не обнаруженным ввиду их малости) эффектам рассеяния света на свете и на поле заряженных частиц (см. Квантовая теория поля ) .

В Н. к. т. п. можно заметить две тенденции. Во-первых, исследуется, к каким результатам приводит учёт нелинейности для конкретных физических полей. Высказываются предположения, что, подобно тому как нелинейное обобщение классической электродинамики, предложенное М. Борном и Л. Инфельдом, разрешило проблему так называемой кулоновской расходимости (энергия кулоновского поля точечной частицы в обычной электродинамике оказывается бесконечной), учёт нелинейности, «индуцированной», в частности, гравитацией, может устранить расходимости в квантовой теории поля.

Вторая тенденция, получившая известность в основном после работ групп В. Гейзенберга (ФРГ) и Д. Д. Иваненко (СССР), шире: делаются попытки искать нелинейные уравнения не для конкретных полей, а для материи в целом («праматерии»), а конкретные физические поля рассматривать как обусловленные самовоздействием «праматерии» различные возможные её состояния.

Указанные тенденции пока только намечены. Н. к. т. п. ещё не получила достаточного развития, хотя важность учёта нелинейностей в физике элементарных частиц становится всё более очевидной.

Лит.: Нелинейная квантовая теория поля, Сб. статей, перевод, под ред. Д. Д. Иваненко, М., 1959 (Проблемы физики); Нелокальные, нелинейные и неренормируемые теории поля, Препринт ОИЯИ 2-5400, Дубна, 1970.

В. И. Григорьев.

Нелине'йная о'птика,раздел физической оптики, охватывающий исследование распространения мощных световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах и их взаимодействие с веществом. С появлением лазеров оптика получила в своё распоряжение источники когерентного излучения мощностью до 10 9—10 10 вт. В таком световом поле возникают совершенно новые оптические эффекты и существенно изменяется характер уже известных явлений. Общая черта всех этих новых явлений — зависимость характера их протекания от интенсивности света. Сильное световое поле изменяет оптические характеристики среды (показатель преломления n, коэффициент поглощения), в связи с чем изменяется характер явления. Сказанное объясняет происхождение термина Н. о.: если оптические характеристики среды становятся функциями напряжённости электрического поля Е световой волны, то поляризация среды нелинейным образом зависит от Е. Н. о. имеет много общего с нелинейной теорией колебаний (см. Нелинейные системы ) , нелинейной акустикой и др. Оптику слабых световых пучков, поле которых недостаточно для заметного изменения свойств среды, естественно назвать линейной оптикой.

Историческая справка.В «долазерной» оптике считалось твёрдо установленным, что основными характеристиками световой волны, определяющими характер её взаимодействия с веществом, являются частота или непосредственно связанная с нею длина волны l и поляризация волны. Для подавляющего большинства оптических эффектов величина напряжённости электрического светового поля Е (или плотность потока излучения I = cnE 2 /8p , где с — скорость света, n — показатель преломления) фактически не влияла на характер явления. Показатель преломления n, коэффициента поглощения, эффективное сечение рассеяния света фигурировали в справочниках без указания интенсивности света, для которой они были измерены, так как зависимость указанных величин от интенсивности не наблюдалась. Можно указать лишь несколько работ, в которых были сделаны попытки исследовать влияние интенсивности света на оптические явления. В 1923 С. И. Вавилов и В. Л. Лёвшин обнаружили уменьшение поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности света и объяснили это тем, что в сильном электромагнитном поле большая часть атомов (или молекул) находится в возбуждённом состоянии и уже не может поглощать свет. Считая, что это лишь один из множества возможных нелинейных эффектов в оптике, Вавилов впервые ввёл термин «Н. о.». Возможность наблюдения ряда нелинейных оптических эффектов с помощью фотоэлектрических умножителей в 50-х гг. теоретически рассмотрел Г. С. Горелик (СССР); один из них — смещение оптического дублета с выделением разностной частоты, лежащей в диапазоне СВЧ (гетеродинирование света), наблюдали в 1955 А. Форрестер, Р. Гудмундсен и П. Джонсон (США).