Губанков В.Н. Солитоны № 44. Изд. стереотип.

Содержание

Введение

Термин "солитон" стал использоваться в научной литературе сравнительно недавно, в середине 60-х годов XX столетия, однако за прошедшее время прочно утвердился в экспериментальной и теоретической физике нелинейных процессов. Этим термином обозначается уединенная волна, обладающая особыми свойствами. Впервые такая волна наблюдалась и была описана в литературе в 1834 году; первым объектом наблюдения была водная поверхность. Богатый экспериментальный материал, собранный с тех пор, свидетельствует о том, что солитоны могут возникать и присутствуют во многих физических системах и средах: в плазме, полупроводниках, ферритах и сверхпроводниках, в нелинейных линиях передачи электромагнитных волн, при взаимодействии элементарных частиц.

Прогресс в изучении солитонов в значительной степени был обусловлен развитием математических методов анализа нелинейных волн. Весьма примечателен тот факт, что среди решений дифференциальных уравнений, описывающих целый спектр разнообразных волновых процессов, существует решение, соответствующее солитону – уединенной волне, не изменяющей своих скорости и формы по мере перемещения в нелинейной среде с дисперсией. Прошло немало времени, прежде чем стало ясно, что такая уединенная волна не есть некое экзотическое явление. Сейчас нередко высказывается мнение, что солитон в нелинейных волновых процессах имеет такое же фундаментальное значение, как и линейный осциллятор в классической физике колебаний.

Солитоны составляют предмет обсуждения данной книги. Вначале излагается история развития науки о солитонах, начиная с их первого наблюдения английским ученым Джоном Скоттом Расселом, анализируется место солитонов среди других типов волн, распространяющихся в различных средах. Мы сочли возможным затронуть вопросы, связанные со свойствами сред, в которых происходит волновое движение: эти вопросы имеют, конечно, более общий характер, однако основное внимание уделяется нелинейным средам с дисперсией. К настоящему времени причины и условия возникновения солитонов изучены достаточно подробно как теоретически, так и экспериментально. В деталях исследовано взаимодействие солитонов между собой. В этом взаимодействии проявляется, пожалуй, одно из самых необычных и важных, если не самое важное, свойство этих удивительных нелинейных волн: форма и скорость солитонов после взаимодействия оказываются точно такими же, как и до взаимодействия. Это свойство роднит солитоны с некоторыми элементарными частицами.

Рассмотрение поведения солитонов в различных физических средах естественно связывается с вопросами их прикладного использования. Оказывается, что на основе солитонов можно разрабатывать новые приборы, обладающие рядом уникальных возможностей. Сохранение формы и скорости и пространственная локализация – эти свойства солитонов весьма выгодны при передаче и обработке дискретной информации. Системы передачи, обработки и запоминания информации на основе твердотельных элементов составляют одно из наиболее перспективных направлений прикладной науки о солитоне. Среди этих систем особое внимание специалистов в последнее время привлекают сверхпроводниковые устройства логики и памяти с использованием эффекта Джозефсона, в которых роль солитона играет единичный квант магнитного потока.

Другим примером использования солитонов, присутствующих в твердых телах, являются домены сильного электрического поля в диоде Ганна, движение которых приводит к колебаниям тока. На основе диодов Ганна уже созданы и нашли широкое применение генераторы сверхвысокочастотных колебаний.

Об авторе

Доктор физико-математических наук (1978), профессор (1985), заслуженный деятель науки РФ (2006). Cпециалист в области криогенной радиофизики, сверхпроводниковой электроники, слабой сверхпроводимости. Окончил физический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова в 1964 г. С момента окончания университета работает в Институте радиотехники и электроники им.В.А.Котельникова РАН; в настоящее время – заведующий отделом физической электроники ИРЭ РАН. По совместительству является профессором Московского физико-технического института (государственного университета).