Александр Филиппов - Многоликий солитон

То, что вихри похожи на частицы, было ясно уже Кельвину. Именно это их свойство позволило предложить любопытную модель вихревых атомов . Представим себе, что Вселенная заполнена эфиром, который во всем подобен идеальной жидкости. Если при рождении Вселенной образовалось какое-то количество вихревых колец, то они, согласно Гельмгольцу, будут сохраняться, взаимодействуя, как было описано выше. Для того чтобы объяснить существование атомов различных типов, Кельвин рассматривал замкнутые вихревые линии с разным числом узлов (рис. 3.7).

Атомы Кельвина не удалось связать с какими-либо реальными частицами, да и сам Кельвин, похоже, не пытался это сделать. Его теория была надолго забыта, а после того как из физики было изгнано понятие эфира, казалось, что любые подобные теории совершенно бессмысленны. Тем не менее почти через сто лет стали появляться модели элементарных частиц, близкие по духу к теории Кельвина, с которой их роднит представление об элементарных частицах как о солитонах. Можно сказать, что Кельвин первый попытался построить солитонную модель элементарных частиц , и в этом смысле его идея оказалась очень живучей *).

*) Наиболее интересная особенность модели Кельвина — объяснение отличий атомов друг от друга чисто топологическими различиями вихревых нитей. (Об основных топологических понятиях см. книгу: Болтянский В. Г., Ефремович В. А. Наглядная топология. — М.: Наука, 1982. — Библиотечка «Квант», вып. 21.)

В речи, посвященной 300-летию со дня рождения Декарта, замечательный русский физик Николай Алексеевич Умов (1846—1915) сказал: «Возможно, что в мире мысли, как и в материальной природе, нет произвольного зарождения, а существует только развитие, эволюция; что современная мысль возникает на неосознаваемом фоне идей, переданных нам предшествующими поколениями». История идей, связанных с солитоном, вполне подтверждает эту гипотезу.

В то самое время, когда создавалась теория вихрей, человеку впервые удалось увидеть вихри в космосе.

Увидел их в 1848 г. астроном-любитель Уильям Парсонс (лорд Росс, 1800—1867). Он построил самый большой в то время телескоп-рефлектор длиной около 18 м с металлическим зеркалом диаметром 182 см. Размеры этого телескопа производили огромное впечатление. Еще большее впечатление произвели результаты сделанного на нем наблюдения спиральной структуры туманности М51 в созвездии гончих Псов (рис. 3.8). В последовавших за этим открытием многолетних наблюдениях Росса и других астрономов выяснилось, что подобную структуру имеют многие туманности.

Теперь мы знаем, что туманности — это гигантские галактики, состоящие из огромного числа звезд, межзвездной пыли и газа. Большинство галактик, в том числе и наша галактика, имеют спиральную структуру и подобны гигантским вихрям. Идея о вращении туманностей и сходстве их с вихрями в воде, стекающей в отверстие, не ускользнула, конечно, от внимания первооткрывателя, но показалась ему чересчур смелой: «В настоящее время было бы бессмысленным гадать о динамическом состоянии подобных систем... Их сходство с предметами, плывущими в водовороте, разумеется, должно дать толчок воображению, хотя существование там соответствующих условий невозможно. Еще более соблазнительная гипотеза может родиться, если рассмотреть орбитальное движение в сопротивляющейся среде, но все такие догадки ведут в тупик».

На самом деле они привели не в тупик, а к увлекательной новой науке, объясняющей рождение звезд. Те, кого интересуют история открытия галактик и их структуры, с удовольствием прочтут увлекательную книгу «Открытие нашей Галактики» *), а с современным развитием вихревой космогонии можно познакомиться по более трудной книге «Происхождение галактик и звезд» **). История открытия спиральной структуры галактик очень интересна сама по себе и полна неожиданных открытий, недоразумений, тупиков — всего того, с чем мы уже встретились в истории солитона. Судьба всякой глубокой идеи в науке очень непроста, и история солитона не представляет исключения, а очень наглядно показывает, на каком извилистом пути добываются крупицы научного знания. До сих пор мы были скорее зрителями, чем участниками этой нелегкой работы. Теперь попробуем исследовать несколько тропинок, проявляя некоторую самостоятельность.

*) Уитни Ч . Открытие нашей Галактики: Пер. с англ. — М.: Мир, 1975.

**) Туревич Л. Э., Чернин, А. Д. Происхождение галактик и звезд. — М.: Наука, 1983.

Прежде чем приступить к этой работе, еще раз обдумаем, что мы уже узнали о солитонах. В самых разных средах могут существовать и распространяться локализованные (т. е. сосредоточенные в ограниченной части пространства; от лат. locus — место) возбуждения, которые похожи на своеобразные деформируемые частицы. В научной литературе обычно употребляют для этих частиц названия « уединенная волна » или « солитон », причем солитонами обычно (особенно математики) называют уединенные волны, которые сохраняют свою индивидуальность при столкновении и описываются решениями некоторых специальных уравнений, подобных КдФ-уравнению. Мы позволим себе, как это делает большинство физиков, отклоняться от этого правила и зачастую называть солитонами всякие локализованные возбуждения, похожие на частицы (термин «солитоноподобное возбуждение» звучит слишком неуклюже, и мы его будем по возможности избегать). Это не приведет к недоразумениям, если идет речь о свойствах, общих для всех солитоноподобных возбуждений, а конкретные солитоны можно называть их индивидуальными именами.

Мы познакомились с солитонами трех типов. Они были открыты примерно в одно и то же время, но судьбы их складывались по-разному, а главное, в течение целого столетия никак не скрещивались. В большой мере это связано с тем, что для их правильного понимания необходимо было освободиться от представлений о линейности соответствующих им возбуждений. Принцип сложения возбуждений позволил разработать настолько общие и эффективные методы решения многочисленных задач физики, что многие стали сознательно или бессознательно считать его одним из основных принципов математической физики *). Отсюда возникло стремление хотя бы приближенно «линеаризовать» каждую физическую задачу, т. е. свести ее к такой, для которой в первом приближении принцип сложения выполняется. К нелинейным задачам не было никакого общего подхода, а потому и не могла возникнуть общая теория солитонов, которые по своей природе нелинейны. В некоторых счастливых случаях удавалось изучить конкретные нелинейные явления, такие, как волны Герстнера, КдФ-солитоны или простые гидродинамические вихри, но общую атмосферу это изменить не могло.