Солитоны и их свойства

Чтобы понять, почему это происходит, вспомним, чем обусловлено поглощение света в веществе.Световой ‏ㅤквант, ‏ㅤвзаимодействуя ‏ㅤс ‏ㅤатомом, ‏ㅤотдает ‏ㅤему ‏ㅤэнергию ‏ㅤи ‏ㅤпереводит ‏ㅤна ‏ㅤболее ‏ㅤвысокий ‏ㅤэнергетический ‏ㅤуровень, ‏ㅤто ‏ㅤесть ‏ㅤв ‏ㅤвозбужденное ‏ㅤсостояние. ‏ㅤФотон ‏ㅤпри ‏ㅤэтом ‏ㅤисчезает ‏ㅤ- ‏ㅤсреда ‏ㅤпоглощает ‏ㅤсвет. ‏ㅤПосле ‏ㅤтого ‏ㅤкак ‏ㅤвсе ‏ㅤатомы ‏ㅤсреды ‏ㅤвозбуждаются, ‏ㅤпоглощение ‏ㅤсветовой ‏ㅤэнергии ‏ㅤпрекращается ‏ㅤ- ‏ㅤсреда ‏ㅤстановится ‏ㅤпрозрачной. ‏ㅤНо ‏ㅤтакое ‏ㅤсостояние ‏ㅤне ‏ㅤможет ‏ㅤдлиться ‏ㅤдолго: ‏ㅤфотоны, ‏ㅤлетящие ‏ㅤследом, ‏ㅤзаставляют ‏ㅤатомы ‏ㅤвозвращаться ‏ㅤв ‏ㅤисходное ‏ㅤсостояние, ‏ㅤиспуская ‏ㅤкванты ‏ㅤтой ‏ㅤже ‏ㅤчастоты. ‏ㅤИменно ‏ㅤэто ‏ㅤи ‏ㅤпроисходит, ‏ㅤкогда ‏ㅤчерез ‏ㅤтакую ‏ㅤсреду ‏ㅤнаправляется ‏ㅤкороткий ‏ㅤсветовой ‏ㅤимпульс ‏ㅤбольшой ‏ㅤмощности ‏ㅤсоответствующей ‏ㅤчастоты. ‏ㅤПередний ‏ㅤфронт ‏ㅤимпульса ‏ㅤперебрасывает ‏ㅤатомы ‏ㅤна ‏ㅤверхний ‏ㅤуровень, ‏ㅤчастично ‏ㅤпри ‏ㅤэтом ‏ㅤпоглощаясь ‏ㅤи ‏ㅤстановясь ‏ㅤслабее. ‏ㅤМаксимум ‏ㅤимпульса ‏ㅤпоглощается ‏ㅤуже ‏ㅤменьше, ‏ㅤа ‏ㅤзадний ‏ㅤфронт ‏ㅤимпульса ‏ㅤстимулирует ‏ㅤобратный ‏ㅤпереход ‏ㅤс ‏ㅤвозбужденного ‏ㅤуровня ‏ㅤна ‏ㅤосновной. ‏ㅤАтом ‏ㅤизлучает ‏ㅤфотон, ‏ㅤего ‏ㅤэнергия ‏ㅤвозвращается ‏ㅤимпульсу, ‏ㅤкоторый ‏ㅤи ‏ㅤпроходит ‏ㅤчерез ‏ㅤсреду. ‏ㅤПри ‏ㅤэтом ‏ㅤформа ‏ㅤимпульса ‏ㅤоказывается ‏ㅤсоответствующей ‏ㅤгрупповому ‏ㅤсолитону.§ ‏ㅤ4. ‏ㅤПерспективы ‏ㅤпримененияСовсем ‏ㅤнедавно ‏ㅤв ‏ㅤодном ‏ㅤиз ‏ㅤамериканских ‏ㅤнаучных ‏ㅤжурналов ‏ㅤпоявилась ‏ㅤпубликация ‏ㅤо ‏ㅤведущихся ‏ㅤизвестной ‏ㅤфирмой ‏ㅤ"Белл" ‏ㅤ(Bell ‏ㅤLaboratories, ‏ㅤСША, ‏ㅤштат ‏ㅤНью-Джерси) ‏ㅤразработках ‏ㅤпередачи ‏ㅤсигналов ‏ㅤна ‏ㅤсверхбольшие ‏ㅤрасстояния ‏ㅤпо ‏ㅤоптическим ‏ㅤволоконным ‏ㅤсветоводам ‏ㅤс ‏ㅤиспользованием ‏ㅤоптических ‏ㅤсолитонов. ‏ㅤПри ‏ㅤобычной ‏ㅤпередаче ‏ㅤпо ‏ㅤоптико-волоконным ‏ㅤлиниям ‏ㅤсвязи ‏ㅤсигнал ‏ㅤдолжен ‏ㅤподвергаться ‏ㅤусилению ‏ㅤчерез ‏ㅤкаждые ‏ㅤ80-100 ‏ㅤкилометров ‏ㅤ(усилителем ‏ㅤможет ‏ㅤслужить ‏ㅤсам ‏ㅤсветовод ‏ㅤпри ‏ㅤего ‏ㅤнакачке ‏ㅤсветом ‏ㅤопределенной ‏ㅤдлины ‏ㅤволны). ‏ㅤА ‏ㅤчерез ‏ㅤкаждые ‏ㅤ500-600 ‏ㅤкилометров ‏ㅤприходится ‏ㅤустанавливать ‏ㅤретранслятор, ‏ㅤпреобразующий ‏ㅤоптический ‏ㅤсигнал ‏ㅤв ‏ㅤэлектрический ‏ㅤс ‏ㅤсохранением ‏ㅤвсех ‏ㅤего ‏ㅤпараметров, ‏ㅤа ‏ㅤзатем ‏ㅤвновь ‏ㅤв ‏ㅤоптический ‏ㅤдля ‏ㅤдальнейшей ‏ㅤпередачи. ‏ㅤБез ‏ㅤэтих ‏ㅤмер ‏ㅤсигнал ‏ㅤна ‏ㅤрасстоянии, ‏ㅤпревышающем ‏ㅤ500 ‏ㅤкилометров, ‏ㅤискажается ‏ㅤдо ‏ㅤнеузнаваемости. ‏ㅤСтоимость ‏ㅤэтого ‏ㅤоборудования ‏ㅤочень ‏ㅤвысока: ‏ㅤпередача ‏ㅤодного ‏ㅤтерабита ‏ㅤ(1012 бит) ‏ㅤинформации ‏ㅤиз ‏ㅤСан-Франциско ‏ㅤв ‏ㅤНью-Йорк ‏ㅤобходится ‏ㅤв ‏ㅤ200 ‏ㅤмиллионов ‏ㅤдолларов ‏ㅤна ‏ㅤкаждую ‏ㅤретрансляционную ‏ㅤстанцию.Использование ‏ㅤоптических ‏ㅤсолитонов, ‏ㅤсохраняющих ‏ㅤсвою ‏ㅤформу ‏ㅤпри ‏ㅤраспространении, ‏ㅤпозволяет ‏ㅤосуществить ‏ㅤполностью ‏ㅤоптическую ‏ㅤпередачу ‏ㅤсигнала ‏ㅤна ‏ㅤрасстояния ‏ㅤдо ‏ㅤ5-6 ‏ㅤтысяч ‏ㅤкилометров. ‏ㅤОднако ‏ㅤна ‏ㅤпути ‏ㅤсоздания ‏ㅤ"солитонной ‏ㅤлинии" ‏ㅤимеются ‏ㅤсущественные ‏ㅤтрудности, ‏ㅤкоторые ‏ㅤудалось ‏ㅤпреодолеть ‏ㅤтолько ‏ㅤв ‏ㅤсамое ‏ㅤпоследнее ‏ㅤвремя.Возможность ‏ㅤсуществования ‏ㅤсолитонов ‏ㅤв ‏ㅤоптическом ‏ㅤволокне ‏ㅤпредсказал ‏ㅤв ‏ㅤ1972 ‏ㅤгоду ‏ㅤфизик-теоретик ‏ㅤАкира ‏ㅤХасегава, ‏ㅤсотрудник ‏ㅤфирмы ‏ㅤ"Белл". ‏ㅤНо ‏ㅤв ‏ㅤто ‏ㅤвремя ‏ㅤеще ‏ㅤне ‏ㅤбыло ‏ㅤсветоводов ‏ㅤс ‏ㅤнизкими ‏ㅤпотерями ‏ㅤв ‏ㅤтех ‏ㅤобластях ‏ㅤдлин ‏ㅤволн, ‏ㅤгде ‏ㅤможно ‏ㅤнаблюдать ‏ㅤсолитоны.Оптические ‏ㅤсолитоны ‏ㅤмогут ‏ㅤраспространяться ‏ㅤтолько ‏ㅤв ‏ㅤсветоводе ‏ㅤс ‏ㅤнебольшим, ‏ㅤно ‏ㅤконечным ‏ㅤзначением ‏ㅤдисперсии. ‏ㅤОднако ‏ㅤоптического ‏ㅤволокна, ‏ㅤсохраняющего ‏ㅤтребуемое ‏ㅤзначение ‏ㅤдисперсии ‏ㅤво ‏ㅤвсей ‏ㅤспектральной ‏ㅤширине ‏ㅤмногоканального ‏ㅤпередатчика, ‏ㅤпросто ‏ㅤне ‏ㅤсуществует. ‏ㅤА ‏ㅤэто ‏ㅤделает ‏ㅤ"обычные" ‏ㅤсолитоны ‏ㅤнепригодными ‏ㅤдля ‏ㅤиспользования ‏ㅤв ‏ㅤсетях ‏ㅤс ‏ㅤдлинными ‏ㅤлиниями ‏ㅤпередачи.Подходящая ‏ㅤсолитонная ‏ㅤтехнология ‏ㅤсоздавалась ‏ㅤв ‏ㅤтечение ‏ㅤряда ‏ㅤлет ‏ㅤпод ‏ㅤруководством ‏ㅤЛинна ‏ㅤМолленауэра, ‏ㅤведущего ‏ㅤспециалиста ‏ㅤОтдела ‏ㅤоптических ‏ㅤтехнологий ‏ㅤвсе ‏ㅤтой ‏ㅤже ‏ㅤфирмы ‏ㅤ"Белл". ‏ㅤВ ‏ㅤоснову ‏ㅤэтой ‏ㅤтехнологии ‏ㅤлегла ‏ㅤразработка ‏ㅤоптических ‏ㅤволокон ‏ㅤс ‏ㅤуправляемой ‏ㅤдисперсией, ‏ㅤпозволившая ‏ㅤсоздать ‏ㅤсолитоны, ‏ㅤформа ‏ㅤимпульсов ‏ㅤкоторых ‏ㅤможет ‏ㅤподдерживаться ‏ㅤнеограниченно ‏ㅤдолго.Метод ‏ㅤуправления ‏ㅤсостоит ‏ㅤв ‏ㅤследующем. ‏ㅤВеличина ‏ㅤдисперсии ‏ㅤпо ‏ㅤдлине ‏ㅤволоконного ‏ㅤсветовода ‏ㅤпериодически ‏ㅤизменяется ‏ㅤмежду ‏ㅤотрицательным ‏ㅤи ‏ㅤположительным ‏ㅤзначениями. ‏ㅤВ ‏ㅤпервой ‏ㅤсекции ‏ㅤсветовода ‏ㅤимпульс ‏ㅤрасширяется ‏ㅤи ‏ㅤсдвигается ‏ㅤв ‏ㅤодном ‏ㅤнаправлении. ‏ㅤВо ‏ㅤвторой ‏ㅤсекции, ‏ㅤимеющей ‏ㅤдисперсию ‏ㅤпротивоположного ‏ㅤзнака, ‏ㅤпроисходят ‏ㅤсжатие ‏ㅤимпульса ‏ㅤи ‏ㅤсдвиг ‏ㅤв ‏ㅤобратном ‏ㅤнаправлении, ‏ㅤв ‏ㅤрезультате ‏ㅤчего ‏ㅤего ‏ㅤформа ‏ㅤвосстанавливается. ‏ㅤПри ‏ㅤдальнейшем ‏ㅤдвижении ‏ㅤимпульс ‏ㅤопять ‏ㅤрасширяется, ‏ㅤзатем ‏ㅤвходит ‏ㅤв ‏ㅤследующую ‏ㅤзону, ‏ㅤкомпенсирующую ‏ㅤдействие ‏ㅤпредыдущей ‏ㅤзоны, ‏ㅤи ‏ㅤтак ‏ㅤдалее ‏ㅤ- ‏ㅤпроисходит ‏ㅤциклический ‏ㅤпроцесс ‏ㅤрасширений ‏ㅤи ‏ㅤсжатий. ‏ㅤИмпульс ‏ㅤиспытывает ‏ㅤпульсацию ‏ㅤпо ‏ㅤширине ‏ㅤс ‏ㅤпериодом, ‏ㅤравным ‏ㅤрасстоянию ‏ㅤмежду ‏ㅤоптическими ‏ㅤусилителями ‏ㅤобычного ‏ㅤсветовода ‏ㅤ- ‏ㅤот ‏ㅤ80 ‏ㅤдо ‏ㅤ100 ‏ㅤкилометров. ‏ㅤВ ‏ㅤрезультате, ‏ㅤпо ‏ㅤзаявлению ‏ㅤМолленауэра, ‏ㅤсигнал ‏ㅤпри ‏ㅤобъеме ‏ㅤинформации ‏ㅤболее ‏ㅤ1 ‏ㅤтерабита ‏ㅤможет ‏ㅤпройти ‏ㅤбез ‏ㅤретрансляции ‏ㅤпо ‏ㅤменьшей ‏ㅤмере ‏ㅤ5 ‏ㅤ- ‏ㅤ6 ‏ㅤтысяч ‏ㅤкилометров ‏ㅤсо ‏ㅤскоростью ‏ㅤпередачи ‏ㅤ10 ‏ㅤгигабит ‏ㅤв ‏ㅤсекунду ‏ㅤна ‏ㅤканал ‏ㅤбез ‏ㅤкаких-либо ‏ㅤискажений. ‏ㅤПодобная ‏ㅤтехнология ‏ㅤсверхдальней ‏ㅤсвязи ‏ㅤпо ‏ㅤоптическим ‏ㅤлиниям ‏ㅤуже ‏ㅤблизка ‏ㅤк ‏ㅤстадии ‏ㅤреализации.Проявления солитонов ‏ㅤчрезвычайно ‏ㅤразнообразны. ‏ㅤПоэтому ‏ㅤпредсказать ‏ㅤвсе ‏ㅤперспективы ‏ㅤих ‏ㅤприменения ‏ㅤвесьма ‏ㅤсложно.Но ‏ㅤуже ‏ㅤсейчас ‏ㅤочевидно, ‏ㅤчто ‏ㅤна ‏ㅤбазе ‏ㅤэтих ‏ㅤсистем ‏ㅤудастся ‏ㅤсоздать ‏ㅤболее ‏ㅤмощные ‏ㅤлазеры ‏ㅤи ‏ㅤусилители, ‏ㅤиспользовать ‏ㅤих ‏ㅤв ‏ㅤсфере ‏ㅤтелекоммуникации ‏ㅤдля ‏ㅤпередачи ‏ㅤэнергии ‏ㅤи ‏ㅤинформации, ‏ㅤприменять ‏ㅤв ‏ㅤспектроскопии.ЗаключениеПодводя ‏ㅤитоги, ‏ㅤможно ‏ㅤсделать ‏ㅤвыводы, ‏ㅤчто ‏ㅤпоставленные ‏ㅤзадачи ‏ㅤбыли ‏ㅤизучены:В ‏ㅤреферате ‏ㅤрассмотрелась ‏ㅤисторическая ‏ㅤсправка ‏ㅤсолитонов;Было ‏ㅤизучено ‏ㅤуравнение ‏ㅤКортевега ‏ㅤ- ‏ㅤде ‏ㅤФриза;Рассмотрены ‏ㅤсвойство ‏ㅤи ‏ㅤприменение ‏ㅤсолитонов.В ‏ㅤзаключение ‏ㅤотметим, ‏ㅤчто ‏ㅤнелинейные ‏ㅤволны ‏ㅤи ‏ㅤсолитоны ‏ㅤинтенсивно ‏ㅤизучаются ‏ㅤфизиками ‏ㅤи ‏ㅤматематиками, ‏ㅤчто ‏ㅤсвязано ‏ㅤс ‏ㅤтем, ‏ㅤчто ‏ㅤв ‏ㅤбудущем ‏ㅤони ‏ㅤмогут ‏ㅤнайти ‏ㅤширокое ‏ㅤприменение ‏ㅤв ‏ㅤтехнике.Библиографический ‏ㅤсписокАбловиц ‏ㅤМ., ‏ㅤСигур ‏ㅤХ. ‏ㅤСолитоны ‏ㅤи ‏ㅤметод ‏ㅤобратной ‏ㅤзадачи. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤМир, ‏ㅤ1987. ‏ㅤ— ‏ㅤ480 ‏ㅤс.Губанков ‏ㅤВ.Н. ‏ㅤСолитоны, ‏ㅤновое ‏ㅤв ‏ㅤжизни, ‏ㅤнауке, ‏ㅤтехнике. ‏ㅤМ.: ‏ㅤЗнание, ‏ㅤ1983. ‏ㅤ(Физика; ‏ㅤВып. ‏ㅤ12).Додд ‏ㅤР., ‏ㅤЭйлбек ‏ㅤДж., ‏ㅤГиббон ‏ㅤДж., ‏ㅤМоррис ‏ㅤХ. ‏ㅤСолитоны ‏ㅤи ‏ㅤнелинейные ‏ㅤволновые ‏ㅤуравнения. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤМир, ‏ㅤ1988. ‏ㅤ— ‏ㅤ696 ‏ㅤс.Захаров ‏ㅤВ. ‏ㅤЕ., ‏ㅤМанаков ‏ㅤС. ‏ㅤВ., ‏ㅤНовиков ‏ㅤС. ‏ㅤП., ‏ㅤПитаевский ‏ㅤЛ. ‏ㅤП. ‏ㅤТеория ‏ㅤсолитонов: ‏ㅤМетод ‏ㅤобратной ‏ㅤзадачи. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤНаука, ‏ㅤ1980. ‏ㅤ— ‏ㅤ320 ‏ㅤс.Инфельд ‏ㅤЭ., ‏ㅤРоуландс ‏ㅤДж. ‏ㅤНелинейные ‏ㅤволны, ‏ㅤсолитоны ‏ㅤи ‏ㅤхаос. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤФизматлит, ‏ㅤ2006. ‏ㅤ— ‏ㅤ480 ‏ㅤс.Ландсберг ‏ㅤГ.С. ‏ㅤЭлементарный ‏ㅤучебник ‏ㅤфизики. ‏ㅤМ.: ‏ㅤНаука, ‏ㅤ1964. ‏ㅤТ. ‏ㅤ3.Лэм ‏ㅤДж. ‏ㅤЛ. ‏ㅤВведение ‏ㅤв ‏ㅤтеорию ‏ㅤсолитонов. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤМир, ‏ㅤ1983. ‏ㅤ— ‏ㅤ294 ‏ㅤс.Ньюэлл ‏ㅤА. ‏ㅤСолитоны ‏ㅤв ‏ㅤматематике ‏ㅤи ‏ㅤфизике. ‏ㅤ— ‏ㅤМ.: ‏ㅤМир, ‏ㅤ1989. ‏ㅤ— ‏ㅤ328 ‏ㅤс.Фейнман ‏ㅤР., ‏ㅤЛейтон ‏ㅤР., ‏ㅤСэндс ‏ㅤМ. ‏ㅤФейнмановские ‏ㅤлекции ‏ㅤпо ‏ㅤфизике. ‏ㅤМ.: ‏ㅤМир, ‏ㅤ1965. ‏ㅤВып.4.Филиппов ‏ㅤА.Т. ‏ㅤМноголикий ‏ㅤсолитон. ‏ㅤМ.: ‏ㅤНаука, ‏ㅤ1986. ‏ㅤ(Б-чка ‏ㅤ“Квант”; ‏ㅤВып. ‏ㅤ48). ‏ㅤ