Иэн Стюарт - Математические головоломки профессора Стюарта

Рассела заинтриговало это явление, поскольку обычно одиночные волны расходятся в стороны по мере движения или рассыпаются, как прибой на пляже. Он соорудил дома волновой бассейн и провел серию экспериментов. В ходе испытаний выяснилось, что такая волна очень устойчива и может пройти большое расстояние, не меняя формы. Волны разных размеров движутся с разными скоростями. Если одна такая волна догоняет другую, она выходит вперед после сложного взаимодействия. А большая волна на мелководье разделяется на две – среднюю и маленькую.

Эти открытия поставили физиков того времени в тупик, потому что совершенно не поддавались объяснению с позиции тогдашних взглядов на поведение жидкостей. Более того, видный астроном Джордж Эйри и ведущий специалист по динамике жидкостей Джордж Стокс долго не верили, что такая волна существует. Сегодня мы знаем, что Рассел был прав. В некоторых обстоятельствах нелинейные эффекты, неизвестные математикам того времени, компенсируют тенденцию всякой волны к расхождению, потому что скорость движения волны зависит от частоты колебаний. В этих эффектах первыми разобрались лорд Рэлей и Жозеф Буссинеск примерно в 1870 г.

В 1895 г. Дидерик Кортевег и Густав де Врис предложили уравнение Кортевега – де Вриса, в которое вошли подобные эффекты, и показали, что у него есть обособленные (солитарные) волновые решения. Аналогичные результаты были получены для других уравнений математической физики, и феномен получил новое название: солитон. Серия крупных открытий позволила Питеру Лаксу сформулировать очень общие условия, при которых уравнения имеют обособленные решения, и объяснить эффект туннелирования. Математически этот процесс сильно отличается от того, как взаимодействуют мелководные волны, к примеру, на пруду, когда их формы складываются; все это – прямое следствие математической формы волнового уравнения. Солитоноподобные явления наблюдают во многих областях науки – от ДНК до волоконной оптики. Именно этим объясняется существование широкого спектра явлений со странными названиями вроде «бризер», «кинк» и «осциллон».

Есть также весьма соблазнительная идея, которую пока никому не удалось заставить работать. Элементарные частицы в квантовой механике соединяют в себе каким-то образом две разные несовместимые на первый взгляд характеристики. Как и большинство объектов квантового уровня, они представляют собой волны, но при этом умеют соединяться в частицеподобные блоки. Физики давно пытаются отыскать уравнения, которые согласовывались бы со структурой квантовой механики, но допускали существование солитонов. Лучшее, чего им на сегодняшний день удалось достичь, – это уравнение, описывающее инстантон, который можно интерпретировать как частицу с очень коротким временем жизни, которая возникает из ниоткуда и немедленно после этого исчезает.

Песчаные дюны образуют самые разные узоры: линейные, поперечные, параболические и т. п. Одна из наиболее интересных их разновидностей – бархан, или серповидная дюна. Название происходит из Туркестана; говорят, что в геологию его ввел русский натуралист Александр фон Миддендорф. Барханы можно найти в Египте, Намибии, Перу… и даже на Марсе. Они имеют серповидную форму, бывают разных размеров и, самое главное, движутся . Они собираются группами, взаимодействуют друг с другом, делятся и соединяются. В последние годы математическое моделирование помогло многое понять в их форме и поведении, но многие стороны их жизни до сих пор остаются загадкой.

Дюны формируются в процессе воздействия ветра на песчинки. Округлая сторона бархана обращена навстречу преобладающим ветрам, которые загоняют песчинки вверх по фронтальному склону дюны и гонят вдоль боковых ее склонов, где песок образует два «хвоста», которые и придают бархану характерную серповидную форму. На верхушке дюны песок перекатывается через гребень и засасывается вниз вдоль крутого подветренного склона между концами полумесяца. Большой воздушный вихрь – область так называемого «срыва потока» – выметает все лишнее из промежутка между ними.