Uno de los problemas centrales de la ciencia no lineal, el "solitón", se remonta a la onda aislada descubierta por Russell, el científico nacional británico en electricidad, en 1834. Posteriormente, los matemáticos holandeses Korfeweg y Vries la estudiaron en 1895 y obtuvieron la ahora famosa ecuación KDV. No fue hasta 1965 que Crushal lo definió como un solitón. Durante este período, las aplicaciones más destacadas fueron la orientación láser y las comunicaciones por fibra óptica. El primero explica algunos fenómenos físicos antes inexplicables y el segundo provoca una revolución en los medios de comunicación.
Como tema central de la ciencia no lineal, los solitones tienen las siguientes características: primero, solución de solitón; segundo, intercambio de Bachlund; tercero, ley de conservación infinita, cuarto, ley de inversión de dispersión; Son estas características las que hacen de los solitones un tema candente en el mundo actual.
Para resumir sus últimos avances en investigación, uno es el pico Solifon, como la ecuación de Camassu-Holm; el otro es la integrabilidad de la ecuación tridimensional de Eulv.
Extracto de: Informe académico sobre ciencia no lineal del académico Guo Bailing.
Historia temprana
Scott Russell fue el primero en discutir este tema. Dio un informe a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia
El informe se publicó en 1845
Sobre las fluctuaciones
Un informe sobre las fluctuaciones. Scott Russell, caballero, MA, Real Sociedad de Edimburgo.
Miembros, realizada en las asambleas anuales de 1842 y 1843.
Comisionado
Sir John Robinson, Secretario de la Real Sociedad de Edimburgo
Scott Russell, Caballero, Miembro de la Real Sociedad de Edimburgo.
Creo que la mejor manera de presentar esto es describiendo la primera vez que lo conocí en persona.
Fenómenos. Estaba observando a un pony avanzar rápidamente por un estrecho canal de agua.
El movimiento del barco. Cuando el barco se detuvo repentinamente, una gran cantidad de agua fue empujada por el barco y desapareció en el canal. El agua se acumuló frente a la proa del barco y se agitó violentamente, y luego apareció de repente una gran ola.
La protuberancia aislada es un montículo de agua redondo, liso y bien definido. Era enorme
La velocidad avanzó, dejando atrás el barco. El agua sigue fluyendo por vías fluviales
que han cambiado significativamente su forma o han disminuido su velocidad. Lo perseguí y lo alcancé, pero estaba a salvo.
Mantiene su forma original aproximadamente 30 pies de largo y 1 pie a 1 pie y medio de alto, aproximadamente una vez por hora.
Avance a 8 o 9 mph. Poco a poco su altura fue disminuyendo. Lo perseguí durante una o dos millas y luego desaparecí en una curva del curso de agua. Así, en agosto de 1834, ésta fue mi primera posesión.
Una oportunidad de ver un fenómeno tan único y hermoso. A este fenómeno lo llamo ondas traslacionales
Este nombre ahora es muy aceptado. Este fenómeno ha estado sucediendo desde que lo descubrí.
Es una parte importante de la resistencia de todo fluido y entre tales olas se encuentran los océanos.
La elevación masiva, combinada con los ritmos de la tierra, hace que nuestros ríos crezcan y permanezcan en nuestras costas.
Desplazarse.
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Después de eso , Scott Russell llegó a proponer que los cuerpos aislados que encontró en realidad representaban la mecánica de fluidos.
Una amplia gama de soluciones. Primero la llamó "ola de traslación" y luego "ola solitaria".
A diferencia de las ondas de choque, que son singulares en el frente de onda, las "ondas solitarias" son regulares en todas partes.
No hay singularidad. Una onda solitaria es estable y no se dispersa, lo que la diferencia de cualquier onda compuesta de planos ordinarios.
Los paquetes de ondas compuestos por soluciones de ondas son diferentes. Sin embargo, Scott Russell no pudo complacer a todos sus colegas.
Todo el mundo lo cree.
Como se puede ver en la Figura 7.2 (tomada del artículo de Lord Rayleigh de 1876),
El problema de las ondas solitarias era todavía un tema acaloradamente debatido entre los principales físicos de la época.
Esta controversia no se resolvió hasta 1895, cuando Kotwich y Desfray basaron sus argumentos de la siguiente manera.
Las soluciones (ahora denominadas
subsoluciones de aislamiento) de las ecuaciones de dinámica de fluidos no lineales de las ecuaciones de Kotwich y Devrey se proporcionan en un análisis exhaustivo. Sin embargo, el problema restante es esta estabilidad.
Además de la mecánica física de fluidos, también pueden aparecer soluciones no singulares y no dispersivas en otros campos. A través de
Este problema avanzó aún más después del trabajo de Fermi, Basta y Ulam a principios de los años cincuenta.
Utilizando Maniac I, uno de los ordenadores más grandes, estudiaron la tendencia energética media de 64 resonadores.
En el proceso de distribución uniforme, existen acoplamientos no lineales débiles entre estos resonadores. Inicialmente
toda la energía se concentra en un solo oscilador. Se sorprendieron al descubrir que este concepto de cómo lograr el equilibrio térmico suele ser muy erróneo.
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Londres, Edimburgo y Dublín
Revistas de Filosofía y Ciencia
[Episodio 5]
65438+abril 0876
Treinta y dos. Lord Rayleigh, M.A., miembro de la Royal Society.
Solo Wave
Este es el nombre que Scott Russell le dio a un tipo especial de ola. Esta ola no figura en la lista de 1844.
Descrito en el informe de la asociación.
El artículo de Airy sobre mareas y olas sigue siendo probablemente el argumento más autorizado. Parecía estar
No me di cuenta de que había algo inusual en Gubo.
...
Por otro lado, el profesor Stokes dijo: "La opinión del Sr. Russell es que las ondas solitarias son un fenómeno especial.
Esto es absolutamente No se infiere del entorno en el que se produce la onda "
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Como podemos ver en la Figura 7.3, después de unos 10.000 ciclos, su energía casi
vuelve completamente a su patrón original sin cambios. Sólo un pequeño porcentaje de la energía total se reserva para alguna otra vibración.
Hijo. (Este no es un ciclo de Poincaré y requiere una duración más larga.) Este desarrollo de módulos colectivos es un fenómeno común y puede representarse aproximadamente mediante la solución solitón del punto 3 de Todag)
Visualización. Una característica general importante de la solución de solitón es que incluso si el acoplamiento no lineal es muy débil, la solución de solitón todavía existe:
Acoplamiento débil ≠ amplitud débil
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Investigación sobre problemas no lineales
E. ., J. Basta y S. Ulam Literatura LA-1900 (mayo de 1955)
Resumen
Estudio en la computadora MANIACI de Los Álamos mediante 64 partículas unidimensionales compuestas de partículas .
Sistema dinámico. Existen fuerzas no lineales entre partículas adyacentes. Los términos no lineales considerados son cuadráticos,
cúbicos y poligonales. Los resultados se descomponen en componentes de Fourier y se representan en función del tiempo.
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Desde entonces Ha aparecido una gran cantidad de artículos sobre solitones. En el artículo de revisión de Scott, Chiu y McLaughlin (1973) se enumeraron un total de ***267 referencias
. Pero todos estos artículos tratan sólo sobre
Las soluciones clásicas de solitones se limitan casi simultáneamente a una dimensión y solo se aplican a siete soluciones especiales de solitones
En lo que respecta a las ecuaciones: Kotvi Odd-DeVry ecuación, ecuación de Senna-Gordon, etc. Recientemente en este campo
Se han logrado grandes avances en este campo, incluyendo soluciones clásicas y soluciones cuánticas de solitones extendidas al espacio tridimensional.
Se han desarrollado algunas técnicas generales (al menos en el caso de campos de bosones débilmente acoplados)
Para cada solución clásica, existe una solución cuántica correspondiente. Estos nuevos desarrollos serán una parte importante de nuestras
discusiones.
1) D. J. Korteweg y G. de Vries, Phil. revista 39, 422(1895)
2) The Collected Works of Enrico Fermi, editado por E. Segre
(University of Chicago Press, 1965), Volumen 2, página 978.
3) M. Toda, Progr. Teor. Suplemento de Física 45, 174 (1970).
4) A. C. Scott, F. Y. F. Chu y D. W. Mclaughlin, IEEE 61,
144(1973).
-Introducción a la Física de Partículas y Teoría de Campos Capítulo 7 El huérfano
Li Zhengdao se negó a traducir La dinastía Tang de Ruan Tongze
Science Press 1984
En el umbral del cambio de siglo, nadie puede ignorarlo La importancia de la ciencia y la tecnología en este siglo ha provocado cambios trascendentales en la humanidad. Nació la computadora, la nube en forma de hongo de la bomba atómica envolvió al mundo, los satélites terrestres artificiales y los transbordadores espaciales viajaron en el espacio y la tecnología de clonación biológica causó sensación en todo el mundo. Cien años es sólo un abrir y cerrar de ojos en la larga historia de la humanidad, pero el desarrollo de la ciencia y la tecnología durante este período supera con creces el total de los últimos dos mil años y ha cambiado a la humanidad a un nivel sin precedentes. Como dijo el famoso escritor estadounidense R. W. Emerson: "Los milagros creados por la ciencia moderna superan con creces los milagros de los mitos y leyendas antiguos. El notable ascenso y el rápido desarrollo de la ciencia no lineal en este siglo ha transformado a los seres humanos desde la liberación cognitiva". determinismo mecánico, que permite a las personas explorar un mundo más complejo, universal y de mayor nivel fuera de la ventana. En el campo de la ciencia no lineal existe una hermosa "flor de la física matemática", junto con el conocido caos y los fractales, que actualmente se considera una de las tres ramas principales en este campo: el solitón. Los solitones, como el caos y los fractales, están llenos de muchas anécdotas e incluso leyendas desde su descubrimiento hasta la formación, desarrollo y aplicación de la teoría, y parecen ser más tortuosos y pueden darnos más pensamiento e iluminación.
En el umbral del cambio de siglo, nadie puede ignorar los cambios trascendentales que la ciencia y la tecnología han traído a la humanidad en este siglo. Nació la computadora, la nube en forma de hongo de la bomba atómica envolvió al mundo, los satélites terrestres artificiales y los transbordadores espaciales viajaron en el espacio y la tecnología de clonación biológica causó sensación en todo el mundo. Cien años es sólo un abrir y cerrar de ojos en la larga historia de la humanidad, pero el desarrollo de la ciencia y la tecnología durante este período supera con creces el total de los últimos dos mil años y ha cambiado a la humanidad a un nivel sin precedentes. Como dijo el famoso escritor estadounidense R. W. Emerson: "Los milagros creados por la ciencia moderna superan con creces los milagros de los mitos y leyendas antiguos. El notable ascenso y el rápido desarrollo de la ciencia no lineal en este siglo ha cambiado a los seres humanos desde la liberación cognitiva". determinismo mecánico, que permite a las personas explorar un mundo más complejo, universal y de mayor nivel "fuera de la ventana". En el campo de la ciencia no lineal existe una hermosa "flor de la física matemática", junto con el conocido caos y los fractales, que actualmente se considera una de las tres ramas principales en este campo: el solitón. Los solitones, como el caos y los fractales, están llenos de muchas anécdotas e incluso leyendas desde su descubrimiento hasta la formación, desarrollo y aplicación de la teoría, y parecen ser más tortuosos y pueden darnos más pensamiento e iluminación.
Monumento al lado del canal: Onda solitaria
Hablando de solitones, tenemos que introducir el proceso de descubrimiento de las ondas solitarias (las ondas solitarias son la forma específica más antigua con propiedades de solitón. ), Hay que mencionar a un personaje que pertenece al siglo pasado, el descubridor de las ondas solitarias, el científico y arquitecto naval británico John Scott Russell. Aunque la teoría del solitón se estableció en las décadas de 1950 y 1960, el descubrimiento de las ondas solitarias se remonta a la observación accidental de Russell hace más de 160 años [2], [3], [4], [5].
Un día de agosto de 1834, Russell estaba montando a caballo en la orilla del Union Canal en Edimburgo, Escocia, observando el movimiento de un barco. El barco era tirado por dos caballos y avanzaba rápidamente a lo largo del estrecho río.
Cuando el barco se detuvo repentinamente, Russell vio un fenómeno maravilloso e increíble: las masas de agua empujadas en el río no dejaron de moverse, sino que se juntaron alrededor de la proa del barco y se movieron violentamente, y luego adquirieron una "forma redonda, suave y contorneada". ". Distintos picos de agua, enormes y aislados". De repente, el pico de agua abandonó la proa del barco, avanzó a una velocidad muy rápida y continuó navegando a lo largo del río sin ninguna tendencia a reducir la velocidad o detenerse. Russell sintió profundamente que se trataba de una ola de agua inusual e inmediatamente siguió al caballo. En este momento, el pico de agua todavía avanza a una velocidad de 8 a 9 millas por hora, mientras mantiene su forma original, aproximadamente 3 pies de largo y 1 a 1,5 pies de alto. No fue hasta que lo persiguió de 1 a 2 millas de distancia que la altura del pico del agua disminuyó gradualmente y finalmente desapareció en el sinuoso río. Russell quedó fascinado por este fenómeno "extraño" y "hermoso". Se dio cuenta de que este pico de agua aislado era completamente diferente de las ondas de agua ordinarias, porque generalmente las ondas de agua siempre consisten en una serie de trenes de ondas periódicos, que pueden describirse matemáticamente mediante una ecuación de ondas bien conocida, y la solución es un tren de ondas periódico. . Además, parte de una ola de agua normal está por encima de la superficie del agua y parte por debajo de la superficie del agua. Este pico de agua es una ola completa que está completamente por encima de la superficie del agua. Russell creía que este pico de agua era una solución estable de la mecánica de fluidos y lo llamó "onda de traslación". Las generaciones posteriores la llamaron "onda solitaria". Las ondas solitarias se diferencian de las ondas superficiales ordinarias porque estas últimas son dispersivas; también se diferencian de las extrañas ondas de choque anteriores a Apolo porque las formas de onda de las ondas solitarias son redondas y suaves, es decir, son regulares en todas partes.
Este descubrimiento accidental permaneció en la mente de Russell durante mucho tiempo, y creía firmemente que había descubierto un nuevo fenómeno físico. Diez años más tarde, en septiembre de 1844, informó de su descubrimiento a los científicos en la 14ª reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia bajo el título "Sobre las olas", con la esperanza de atraer la atención de la comunidad científica y la investigación conjunta. Durante estos diez años, Russell hizo muchos esfuerzos y exploraciones sobre el principio de las ondas solitarias, e hizo algunas suposiciones audaces en física. Además, también realizó investigaciones experimentales sobre ondas solitarias y, en 1844, utilizó varios métodos para excitarlas en un tanque de agua poco profundo y observó el mismo fenómeno de onda solitaria.
Sin embargo, la historia a menudo deja a la gente con arrepentimientos. Las ideas de Russell no fueron reconocidas por las autoridades científicas de la época. La mayoría de la gente dudó y se opuso a la existencia de ondas aisladas, y surgió un debate generalizado y acalorado. Por ejemplo, algunos físicos creen que la amplitud reducida de una onda solitaria niega su capacidad para mantener la forma y la energía. La explicación de Russell se debió a los efectos de la fricción y la resistencia. Aun así, todavía era incapaz de explicar y demostrar correctamente la existencia y el mecanismo de ondas solitarias matemática y físicamente, quejándose así de que los matemáticos de la época no podían predecir este fenómeno a partir de las conocidas ecuaciones de movimiento de la mecánica de fluidos. "Después de ver a Wu Gou, tomé fotografías por toda la barandilla, pero nadie prestó atención". Suspiré y miré a mi alrededor sin comprender. Russell finalmente no logró obtener legitimidad científica para las ondas solitarias. En 1982, en el centenario de la muerte de Russell, la gente erigió un monumento junto al Union Canal donde persiguió la ola solitaria a caballo[5] para conmemorar a este descubridor solitario de la ola solitaria. Puede que esto no se esperara durante su vida. . Si la característica de un gran científico es la capacidad de identificar cosas y fenómenos nuevos e importantes que de hecho son propiedades clave, entonces Russell es digno de su nombre [6]. Hasta el día de hoy, casi todas las monografías de teoría de solitones en diversos campos mencionan por primera vez con reverencia a este pionero de la teoría de solitones. El filósofo Voltaire dijo una vez: "Los afortunados que toman la iniciativa en el nuevo camino, aunque sólo den unos pocos pasos, obtienen altos honores en su nombre [1]
Russell falleció. Más tarde, En 1895, el matemático holandés D. Korteweg y su alumno G. de Vries estudiaron el movimiento de las ondas en aguas poco profundas. Bajo el supuesto de aproximación de onda larga y pequeña amplitud, se establece la ecuación de movimiento de ondas de aguas poco profundas con movimiento unidireccional. Al resolver la solución analítica, se obtuvo una solución de onda solitaria consistente con la descripción de Russell, que teóricamente demostró por primera vez la existencia de ondas solitarias. Esta ecuación es la famosa ecuación de KdV y también es uno de los modelos más comunes que se utilizan para estudiar soluciones de solitones en la actualidad. ¿Pero son estables las ondas solitarias? ¿Se deformaron las dos ondas solitarias después de chocar? Estos problemas no se han resuelto y muchos científicos lo abordan negativamente, creyendo que las ondas solitarias son "inestables" y renunciando a seguir investigando. Gubo volvió a perder la atención de la gente y estuvo enterrado durante mucho tiempo. Continuó pasando la primera mitad del siglo XX en soledad.
Grandes olas se llevan la arena. Nadie en el mundo te entiende.
“A veces la verdad puede ser oscura, pero nunca saldrá a la luz”. 1] El entierro y el silencio a largo plazo de Solitary Wave no significa que haya perdido su poder.
En la década de 1950, un experimento numérico por ordenador comenzó a cambiar el destino de las ondas solitarias. A partir de 1952, tres físicos estadounidenses, Enrico Fermi, John Pasta y Stan Ulam, utilizaron la computadora Maniac I utilizada en los Estados Unidos para diseñar bombas de hidrógeno para analizar 64 interacciones débilmente no lineales entre sí y realizar experimentos de cálculo numérico en un sistema. compuesto de resonadores en un intento de confirmar el "Teorema de equivalencia de energía" en física estadística. En el momento inicial, toda la energía de estos osciladores está concentrada en un oscilador y la energía inicial de los otros 63 osciladores es cero. Según el teorema de equipartición de energía, mientras existan efectos no lineales, aparecerán fenómenos como la equipartición de energía y la ergodicidad, es decir, cualquier interacción no lineal débil puede conducir a una transición de un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio. Pero los resultados de los cálculos de 1955 los sorprendieron, porque después de un largo período de decenas de miles de cálculos, la energía no se distribuyó uniformemente a otros osciladores, sino que se produjo un extraño fenómeno de "reflujo": la mayor parte de la energía se concentró en el original. Oscilador armónico con energía inicial distinta de cero. El teorema clásico de equipartición de la energía aún no se ha demostrado. Este es el famoso problema FPU, al igual que el experimento de Michelson-Morley que dio origen a la teoría de la relatividad de Einstein, y se considera un poderoso desafío para la ciencia tradicional [2] y [6].
Desafortunadamente, en ese momento Fermi y otros solo investigaron este experimento en el espacio de frecuencia y no encontraron la solución de onda solitaria y no obtuvieron una explicación correcta, por lo que se perdieron la teoría del solitón. Más tarde, la gente consideró el cristal como una cadena de masa unida por resortes, lo que se aproximaba a esta situación. Toda estudió este modo de vibración no lineal y de hecho obtuvo una solución de onda solitaria, lo que permitió resolver correctamente el problema de la FPU.
La aparición y solución del problema FPU se basa en la recién nacida tecnología informática, que por primera vez demostró la existencia de ondas solitarias mediante cálculo numérico, despertando así aún más el interés de la gente en la investigación de ondas solitarias. En 1962, Perring y Skyrme aplicaron la ecuación seno-Godin al estudio de partículas elementales. Sus cálculos mostraron que estas ondas solitarias no se dispersan, e incluso después de que dos ondas solitarias colisionen, aún mantienen su forma y velocidad originales. En 1965, dos matemáticos de la Universidad de Princeton, M. D. Kruskal y N. Zabusky, basándose en el problema FPU, conectaron en el experimento la naturaleza casi regresiva de la distribución de energía con las peculiares propiedades de interacción de la onda solitaria y utilizaron métodos de simulación numérica para estudio en detalle en plasma Proceso de interacción no lineal de colisión de ondas solitarias. Se obtuvo un resultado relativamente completo y rico, que confirmó además que la forma de onda y la velocidad de la onda solitaria se mantuvieron sin cambios después de la colisión. Este resultado disipó por completo las dudas previas de la gente sobre la estabilidad de la onda solitaria.
Kruskal y Zabusky denominaron oficialmente al solitón "solitón" basándose en el hecho de que las propiedades de las ondas solitarias son similares a las que se producen tras las colisiones de partículas. Este es un hito importante para que Gubo salga del limbo científico. Desde el descubrimiento de las ondas solitarias hasta la propuesta formal del concepto de solitones, ha sido un largo viaje de más de 130 años, con altibajos poco comunes en la historia de la ciencia moderna. Hasta ahora, el solitón, conocido como la "flor de la física matemática", finalmente ha limpiado el polvo de más de un siglo, ha resistido la prueba del tiempo y ha mostrado sus hermosos capullos en el jardín de la ciencia.
El concepto de solitones ha abierto una nueva era en la investigación teórica de los solitones, y científicos de diversos campos han puesto gran entusiasmo e interés en los solitones. En este punto, ha ido tomando forma gradualmente un sistema relativamente completo de teoría de solitones. Hoy en día, los matemáticos entienden la definición de un solitón como una solución de onda viajera local de una ecuación de evolución no lineal. Después de chocar entre sí, la forma de onda y la velocidad no cambiarán, pero la fase puede cambiar. Los físicos entienden las ecuaciones de evolución no lineal como soluciones con energía limitada, es decir, la energía se concentra en un área limitada del espacio y no se extiende a áreas infinitas a medida que aumenta el tiempo [5].
Las investigaciones iniciales sobre la teoría del solitón se centraron principalmente en problemas matemáticos. En 1967, Gardner et al. descubrieron el método de dispersión inversa (IST) para resolver la ecuación de KdV. Posteriormente, además de la ecuación KdV, se descubrieron al menos docenas de ecuaciones no lineales con soluciones de solitones y se desarrollaron métodos físicos y matemáticos coloridos y eficaces [3], [5], [7]. Con la profundización de la investigación, los científicos ya no se conforman con estudiar los solitones en forma de matemáticas puras, y están tratando de encontrar otros tipos de solitones en campos distintos a la mecánica de fluidos. Los resultados son muy interesantes y se han descubierto solitones en diferentes campos de las ciencias naturales.
Por ejemplo, los científicos han descubierto que existen varios tipos de solitones en las proteínas y el ADN de las macromoléculas biológicas. Estos solitones asumen responsabilidades indispensables en las actividades de la vida: transmitir energía biológica e información biológica y completar las funciones de replicación, herencia y transcripción [8]. . Hasta ahora, se puede decir que el fenómeno del solitón está en todas partes: ondas de densidad en galaxias espirales cósmicas, ondas de choque oceánicas, plasmas, sistemas moleculares, sistemas biológicos, transmisión de luz en fibras ópticas, propagación de láser, uniones superconductoras de Josephson, magnetismo, fase estructural. cambio, cristal líquido, etc. , se encuentra la figura mágica del solitario [4]. Los solitones, la "flor de la física matemática", muestran un maravilloso encanto en el mundo microscópico del universo y las partículas elementales, atrayendo cada vez a más científicos.
Un científico dijo una vez: "Toda la historia del desarrollo científico ha demostrado que cualquier nuevo campo de dominio de los fenómenos naturales siempre conducirá a aplicaciones prácticas. Tales aplicaciones prácticas son a menudo completamente inesperadas".[1] Lo mismo ocurre con el descubrimiento de los solitones. Aunque el solitón parecía ser sólo una solución a una ecuación matemática no lineal o un fenómeno descubierto en el laboratorio, pronto se descubrieron sus aplicaciones en la práctica. El ejemplo más típico es la aplicación de solitones ópticos en la tecnología de comunicación moderna [4], [9]. En 1973, los científicos propusieron y predijeron la existencia de solitones ópticos. Confirmado experimentalmente en 1980. Debido a que los solitones ópticos tienen las ventajas de no perder la forma de onda, no cambiar la velocidad, alta fidelidad y buena confidencialidad, son el mejor portador de información para los métodos de comunicación basados en fotoelectricidad y son los preferidos por los científicos. Naturalmente, la gente espera aplicarlo a las comunicaciones modernas de fibra óptica, produciendo así tecnología moderna de comunicación de solitones de fibra óptica. Esta alta tecnología está en constante desarrollo y ha comenzado a entrar en una etapa parcialmente práctica. A mediados de la década de 1990, los solitones ópticos se habían transmitido a 14.000 km y 1.000.000 km sin deformación (este último requería regeneración). Los científicos esperan fervientemente que en las futuras tecnologías de comunicación, los solitones ópticos puedan ejercer su tremendo poder, de modo que todos en la Tierra puedan disfrutar de la velocidad y la comodidad que brindan los solitones de fibra óptica.
Pensamiento e ilustración: no "el gran debate de Xuanzong"
Después de que se propuso el concepto de solitones, este campo atrajo a miles de científicos, incluidos aquellos dedicados a las matemáticas, la mecánica y la física. Investigadores de cada vez más campos como la biología, la óptica, etc., han logrado que la teoría del solitón se desarrolle rápidamente en los últimos treinta años. Se puede decir que la investigación sobre solitones está en ascenso y continúa penetrando en niveles más complejos, más amplios y más esenciales. Cuando volvemos a la historia de la ciencia moderna y analizamos el destino histórico de los solitones, la "flor de la física matemática", durante más de 100 años desde la perspectiva actual, deberíamos poder darnos cuenta profundamente de que esto también es un microcosmos de la historia centenaria de la ciencia y la tecnología modernas. "Muchas cosas en los tiempos antiguos y modernos son ridículas." Desde el descubrimiento de Russell de las ondas solitarias hasta la visualización de los solitones ópticos, desde la ecuación KdV hasta los vastos trabajos teóricos matemáticos sobre los solitones, todas son buenas historias y siempre se puede hablar de ellas. Sin embargo, para los científicos y las científicas, además de “sentarse y esperar” o “hablar y reír”, quizás más importante sea el pensamiento que nos trae esta historia. Aquí tenemos que preguntar: ¿Por qué el descubrimiento de Russell hace más de 160 años no condujo al surgimiento de la teoría del solitón en ese momento? En otras palabras, ¿por qué la teoría del solitón sólo entró en el ámbito científico después de la década de 1950?
De hecho, hay muchos ejemplos en la historia de la ciencia y la tecnología, como el destino histórico de los solitones. Según los registros históricos [11], el hombre conoce desde hace mucho tiempo el principio del vapor. Ya en el año 120 a. C., los antiguos griegos crearon máquinas impulsadas por vapor basadas en el principio de la reacción del chorro. Pero no lo usaron para promover herramientas de producción o acorazados y carros, porque no había tal demanda en ese momento, simplemente se usaba como una habilidad extraña para disfrutar en palacios y templos. No fue hasta el siglo XVII d.C. que la tecnología del vapor recibió atención, mejora e innovación debido a las necesidades de la industria minera y metalúrgica, desencadenando una revolución tecnológica y una revolución industrial sin precedentes en la historia, y desarrollando así una nueva disciplina: la termodinámica. A lo largo del desarrollo de la ciencia y la tecnología en el siglo XX, no hay desviación de las leyes de la historia. El destino histórico de "Huérfano" ilustra vívida y profundamente este punto.
El período en que Russell descubrió y exploró las ondas solitarias fue al final de la Revolución Industrial británica. Fue el comienzo de la revolución de la tecnología química y la revolución de la tecnología de la energía eléctrica en la historia. La producción mecánica reemplazó a la producción manual. Esta era se caracteriza por el desarrollo sin precedentes de la economía occidental, que exige la teoría científica y la revolución tecnológica que necesita y la llena de vitalidad avanzada. El edificio de las ciencias naturales clásicas se ha construido básicamente sobre la sabiduría de estrellas como Newton, y la ciencia se encuentra en la era del determinismo mecánico.
Newton, el "explicador del universo", logró logros en matemáticas, mecánica y óptica clásicas, que representaron el pico más alto del determinismo mecánico y han dominado el pensamiento científico de la gente desde entonces. Laplace dio una brillante explicación de esto. Considera que la imagen de un mundo complejo, al igual que la estructura y la secuencia de las piezas mecánicas, no pueden escapar a las ideas de las llamadas "personas superinteligentes". Para una "persona superinteligente", "probablemente podría utilizar una fórmula matemática para deducir el movimiento del universo desde los objetos más grandes hasta los átomos más ligeros". "Probablemente nada es incierto. El futuro, como el pasado, aparecerá antes". "Una consecuencia del determinismo mecánico fue la obsesión por los métodos matemáticos y físicos de problemas deterministas y lineales, que luego fueron perfeccionados y dominados. Aunque este pensamiento científico sólo se abrió paso después del siglo XX, logró grandes logros en su época: por un lado, promovió el rápido desarrollo de diversas ramas de las ciencias naturales clásicas y sentó las bases teóricas para la revolución tecnológica; por un lado, ha promovido enormemente el progreso de la producción social. Ni el desarrollo de la producción industrial ni el nivel tecnológico de la época podían plantear requisitos "no triviales" para las ciencias naturales clásicas que trascendieron esa época. Por lo tanto, aunque han aparecido interesantes problemas no lineales en la mecánica newtoniana (como el movimiento de punto fijo de un cuerpo rígido, de tres cuerpos), los científicos están lejos de verse "obligados" a estudiar problemas no lineales. Sabemos que los solitones son esencialmente un resultado no lineal. En la era de Russell, la producción industrial, los cambios tecnológicos y el desarrollo de teorías científicas no podían plantear necesidades urgentes para la investigación de solitones. Ésta es la razón fundamental por la que las olas solitarias no atrajeron la atención de la gente en el último siglo. Aunque Russell descubrió las ondas solitarias con su perspicacia y su profundo conocimiento de la naturaleza física de las cosas, no pudo trascender el predominio del determinismo mecánico en el pensamiento científico de esa época, y al principio no pudo obtener la respuesta a la pregunta en matemáticas. . De manera similar, más de 60 años después, el resultado de la ecuación KdV es sólo una "coincidencia" matemática y no puede cambiar el destino de la ola solitaria que está siendo enterrada. Por lo tanto, suponiendo que el descubrimiento de las ondas solitarias se retrase durante décadas o incluso un siglo (al igual que el descubrimiento del caos después de la década de 1960), la aparición y el desarrollo de la teoría del solitón probablemente no se verán muy afectados. En este sentido, Russell es como un pionero solitario que accidentalmente irrumpió en la puerta de una nueva casa del tesoro, pero no consiguió ni pudo conseguir el hechizo "ábrete sésamo". Por supuesto, esto no puede negar su contribución a la posterior teoría del solitón, ni podemos exigirle palabras duras, del mismo modo que no podemos exigir a los antiguos griegos que fabricaran máquinas de vapor.
Tras entrar en el siglo XX, estalló una revolución física en el campo de las ciencias naturales, marcada por el nacimiento de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, ya sea desde una perspectiva macro o micro, la exploración y la exploración de las personas. La comprensión del mundo ha alcanzado niveles sin precedentes. La evolución de los cuerpos celestes, los cambios en la Tierra y el origen de la vida implican las leyes de evolución de sistemas extremadamente complejos. Existe una necesidad urgente de que las personas estudien las leyes básicas de estos fenómenos complejos y exploren y comprendan la naturaleza desde la perspectiva de una conexión general más cercana a la esencia del mundo. [10] Sólo cuando la gente se comprometa con el estudio de problemas no lineales podrán los solitones salir del frío palacio de la ciencia.
En el siglo XX, después de la Segunda Guerra Mundial, la humanidad marcó el comienzo de una nueva era de desarrollo ultrarrápido de la ciencia y la tecnología. La competencia entre países de todo el mundo en términos de fortaleza nacional integral en economía, armamento y tecnología ha promovido fundamentalmente el desarrollo ultrarrápido de la ciencia y la tecnología modernas. Los datos muestran [10] que después de la guerra, la inversión en financiación de la investigación científica de todos los países desarrollados aumentó exponencialmente. A finales de la década de 1960, la financiación mundial de la investigación científica aumentó 400 veces en comparación con principios de este siglo. El desarrollo de la sociedad humana nunca ha dependido tanto de la ciencia y la tecnología como en este siglo. A principios de este siglo, sólo entre el 5% y el 20% del crecimiento de la producción en los países desarrollados dependía de la ciencia y la tecnología, pero en la década de 1970 había alcanzado entre el 60% y el 70%. Es en esta "enorme demanda" donde la ciencia y la tecnología se desarrollan a un ritmo acelerado. Los tentáculos de los científicos continúan profundizándose y extendiéndose, constantemente se descubren nuevos conocimientos y leyes y siguen surgiendo diversas disciplinas y campos nuevos. Tomando los solitones como ejemplo, el problema de la FPU no era estudiar los solitones al principio, sino examinar las leyes de movimiento de sistemas dinámicos complejos que simulan una red anarmónica, y finalmente descubrió el fenómeno del solitón por accidente. Vale la pena señalar que las necesidades militares desempeñan un papel inconmensurable en el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas. Como todos sabemos, la primera computadora electrónica ENIAC fue construida para resolver problemas complejos de cálculo balístico. La herramienta que utiliza cálculos numéricos para encontrar problemas de FPU similares a solitones es Maniac I, una gran computadora utilizada en Estados Unidos para diseñar bombas de hidrógeno. No es difícil imaginar que si no fuera por fines militares, la era informática de la humanidad podría retrasarse y se reescribirían la aplicación generalizada de la tecnología informática en campos no militares y muchos descubrimientos científicos y tecnológicos importantes.
Por lo tanto, varios factores sociales después de la guerra en este siglo tienen fuertes demandas para el desarrollo de la ciencia y la tecnología, así como la profundización y complicación de la ciencia y la tecnología en sí.