Istorijat solitona

Otkriće i prvi matematički modeli

Solitonski val prvi je uočio škotski inženjer John Scott Russel 1834. godine. Evo tog događaja opisanog njegovim riječima:

„Proučavao sam kretanje broda kojeg je par konja brzo vukao duž uskog kanala, kada se brod iznenada zaustavio – ali ne i masa vode u kanalu koju je on pokrenuo; ona se akumulirala oko pramca broda u stanju žestoke pobuđenosti, zatim, naglo ostavivši ga iza sebe, krenula naprijed velikom brzinom, uzimajući oblik velikog osamljenog izdignuća, zaobljene, glatke i dobro definirane gomile vode, koja je nastavila svoj put duž kanala bez vidljive promjene oblika i smanjenja brzine. Slijedio sam je na konju, i pretekao je, dok se ona kretala brzinom od nekih osam ili devet milja na sat, zadržavajući početni oblik od nekih trideset stopa dužine i stope do stope i po visine. Postepeno se smanjila, i nakon praćenja od jedne ili dvije milje, izgubio sam je u zavojima kanala. To je bio, u mjesecu avgustu 1834. godine, moj prvi susret sa tim jedinstvenim i lijepim fenomenom kojeg sam nazvao Translacijski val.“^[1]

Scott Russelovu oduševljenost, međutim, nisu podijelili fizičari njegovog vremena, tako da je fenomen dosta dugo ostao neistražen, a Scott Russel zapamćen po drugim dostignućima.^[2]

Prvi matematički opis osamljenih valova (tj. solitona) u plitkoj vodi dali su D. J. Korteweg i G. de Vries 1895. godine. Zatim je opet uslijedilo zatišje, sve do 1960-tih godina, kada je razvoj računarske tehnike omogućio da se numeričkim proračunima dođe do nekoliko različitih tipova jednadžbi koje daju solitonska rješenja. Ipak, Korteweg – de Vriesova jednadžba je do danas vjerovatno najpoznatija nelinearna disperzivna jednačina.

Solitoni i čestice

S pojavom kvantne mehanike i ideje o valovima materije, pomislilo se da bi solitoni mogli biti valovi koji bi opisivali materiju. Međutim, brzo se uvidjelo da raspršenja solitona ne odgovaraju raspršenjima čestica. Naime, solitoni naprosto prolaze jedni kroz druge, bez promjene smjera kretanja, brzine i oblika, a jedini efekat raspršenja je eventualni pomak u fazi.

Ipak, solitoni su našli svoje mjesto u opisivanju materije: oni danas predstavljaju jedan od osnovnih pojmova u teoriji struna (engl. string theory).

[1] Ova pojava je uspješno rekonstruirana u julu 1995. godine, na istom mjestu gdje ju je prvi put uočio Scott Russel – na Union Canal-u, blizu Edinburga. Svjedoci ove rekonstrukcije bili su naučnici okupljeni na konferenciji o nelinearnim valovima koja se održavala na Heriot-Watt univerzitetu, blizu samog kanala. Više o ovome, kao i originalni tekst Scott Russellovog citata, može se naći na referenci 6 - http://www.ma.hw.ac.uk/solitons/

[2] Od svojih mnogih aktivnosti, najpoznatiji je bio po projektovanju brodova. Razvio je sistem „valne linije“ za konstrukciju korita brodova, koji je predstavljao revoluciju u brodogradnji XIX stoljeća, a projektovao je brodove „Great Eastern“, najveći brod na svijetu u svoje vrijeme – prekookeanski parni brod dugačak 211 metara, i „Warrior“, prvi brod sagrađen u potpunosti od željeza. Projektovao je i bečku Rotondu, a za vrijeme američkog građanskog rata se angažovao pokušavajući pregovarati mir. Postoje naznake da je, nezavisno od Dopplera, izvršio prva eksperimentalna proučavanja Dopplerovog efekta.