Solitonai yra žudančios bangos. Šoko bangos. Pavienės bangos Uždaryti solitonai

Po trisdešimties metų paieškų buvo rastos netiesinės diferencialinės lygtys su trimačiais solitoniniais sprendimais. Pagrindinė mintis buvo laiko „kompleksavimas“, kuris gali rasti tolesnių pritaikymų teorinėje fizikoje.

Tiriant bet kurią fizinę sistemą, pirmiausia yra eksperimentinių duomenų „pradinio kaupimo“ ir jų supratimo etapas. Tada estafetė perduodama teorinei fizikai. Teorinio fiziko uždavinys – remiantis sukauptais duomenimis išvesti ir išspręsti šios sistemos matematines lygtis. Ir jei pirmasis žingsnis, kaip taisyklė, nekelia jokių ypatingų problemų, tada antrasis yra tiksli išspręsti gautas lygtis dažnai pasirodo nepalyginamai sunkesnė užduotis.

Taip atsitiko, kad aprašyta daugelio įdomių fizinių sistemų raida laikui bėgant netiesinės diferencialinės lygtys: tokios lygtys, kurioms superpozicijos principas neveikia. Tai iš karto atima galimybę teoretikams panaudoti daugybę standartinių technikų (pavyzdžiui, sprendinių sujungimą, išplėtimą nuosekliai), ir dėl to kiekvienai tokiai lygčiai tenka išrasti visiškai naują sprendimo būdą. Bet tais retais atvejais, kai randama tokia integruojama lygtis ir jos sprendimo būdas, išsprendžiama ne tik pirminė problema, bet ir visa eilė susijusių matematinių uždavinių. Todėl teoriniai fizikai kartais, sukompromituodami mokslo „natūralią logiką“, pirmiausia ieško tokių integruojamų lygčių, o tik tada bando ieškoti joms pritaikymo įvairiose teorinės fizikos srityse.

Viena ryškiausių tokių lygčių savybių yra formos sprendiniai solitonai— erdviškai ribotos „lauko dalys“, kurios juda laikui bėgant ir susiduria viena su kita be iškraipymų. Būdami erdviškai riboti ir nedalomi „gumbeliai“, solitonai gali pateikti paprastą ir patogų daugelio fizinių objektų matematinį modelį. (Daugiau informacijos apie solitonus rasite populiariame N. A. Kudryashovo straipsnyje Netiesinės bangos ir solitonai // SOZh, 1997, Nr. 2, p. 85-91 ir A. T. Filippovo knyga The Many Faces of Soliton.)

Deja, skirtingai rūšiųžinoma labai nedaug solitonų (žr. solitonų portretų galeriją), ir visi jie nelabai tinka objektams apibūdinti trimatis erdvė.

Pavyzdžiui, įprasti solitonai (kurie yra Korteweg-de Vries lygtyje) yra lokalizuoti tik vienoje dimensijoje. Jei toks solitonas bus „paleistas“ trimačiame pasaulyje, jis atrodys kaip begalinė plokščia membrana, skriejanti į priekį. Tačiau gamtoje tokių begalinių membranų nepastebima, o tai reiškia, kad pradinė lygtis netinka trimačiams objektams apibūdinti.

Ne taip seniai buvo rasti į solitoną panašūs sudėtingesnių lygčių sprendiniai (pavyzdžiui, dromionai), kurie jau yra lokalizuoti dviejose dimensijose. Tačiau trimatėje formoje jie taip pat reiškia be galo ilgus cilindrus, tai yra, jie taip pat nėra labai fiziniai. Tikrieji trimatis Solitonai dar nebuvo rasti dėl paprastos priežasties – nežinomos lygtys, galinčios juos sukurti.

Kitą dieną situacija kardinaliai pasikeitė. Kembridžo matematikas A. Focas, neseniai paskelbtos publikacijos A. S. Focas, Physical Review Letters 96, 190201 (2006 m. gegužės 19 d.) autorius, sugebėjo žengti reikšmingą žingsnį į priekį šioje matematinės fizikos srityje. Jo trumpame trijų puslapių straipsnyje yra du atradimai vienu metu. Pirma, jis rado naują būdą, kaip gauti integruojamas lygtis daugiamatis erdvėje, ir, antra, jis įrodė, kad šios lygtys turi daugiamačius solitoninius sprendimus.

Abu šie pasiekimai buvo įmanomi dėl drąsaus autoriaus žingsnio. Jis paėmė jau žinomas integruotas lygtis dvimatėje erdvėje ir bandė laikyti laiką bei koordinates kaip kompleksas, o ne realūs skaičiai. Šiuo atveju automatiškai buvo gauta nauja lygtis keturmatė erdvė Ir dvimatis laikas. Kitas žingsnis buvo nustatyti netrivialias sprendinių priklausomybės nuo koordinačių ir „laikų“ sąlygas, o lygtys pradėjo apibūdinti. trimatis situacija, kuri priklauso nuo vieno karto.

Įdomu tai, kad tokia „šventvagiška“ operacija kaip perėjimas prie dvimačio laiko ir naujo laiko paskirstymas. O ašį, labai nepablogino lygties savybių. Jie vis tiek išliko integruojami, ir autorius sugebėjo įrodyti, kad tarp jų sprendimų yra ir taip trokštamų trimačių solitonų. Dabar mokslininkai tiesiog turi užrašyti šiuos solitonus aiškių formulių pavidalu ir ištirti jų savybes.

Autorius išreiškia įsitikinimą, kad jo sukurtos laiko „kompleksavimo“ technikos nauda visiškai neapsiriboja tomis lygtimis, kurias jis jau išanalizavo. Jis išvardija daugybę matematinės fizikos situacijų, kuriose jo požiūris gali duoti naujų rezultatų, ir ragina kolegas pabandyti jį pritaikyti įvairiose šiuolaikinės teorinės fizikos srityse.

anotacija. Ataskaita skirta solitoninio metodo galimybėms supramolekulinėje biologijoje, pirmiausia modeliuojant plačią natūralių bangų tipo ir virpesių judėjimą gyvuose organizmuose. Autorius nustatė daugybę į solitoną panašių supramolekulinių procesų („biosolitonų“) egzistavimo pavyzdžių lokomotoriniuose, metaboliniuose ir kituose dinaminės biomorfologijos reiškiniuose įvairiose biologinės evoliucijos linijose ir lygiuose. Biosolitonai pirmiausia suprantami kaip būdingos vienguburės (vienpoliės) lokalios deformacijos, judančios išilgai biokūno, išlaikant savo formą ir greitį.

Solitonai, kartais vadinami „bangų atomais“, pasižymi klasikiniu (tiesiniu) požiūriu neįprastomis savybėmis. Jie sugeba saviorganizacijos ir saviugdos aktus: autolokalizaciją; energijos surinkimas; dauginimasis ir mirtis; pulsuojančios ir kitokio pobūdžio dinamikos ansamblių formavimas. Solitonai buvo žinomi plazmoje, skystuose ir kietuose kristaluose, klasikiniuose skysčiuose, netiesinėse gardelėse, magnetinėse ir kitose daugiadomėse terpėse ir kt. Biosolitonų atradimas rodo, kad dėl savo mechanochemijos gyvoji medžiaga yra solitoninė terpė su įvairiomis fiziologinėmis savybėmis. Soliton mechanizmų panaudojimas. Biologijos tyrinėjimų medžioklė yra įmanoma dėl naujų tipų solitonų - alsuoklių, voblerių, pulsonų ir kt., kuriuos matematikai išvedė „rašinuko galiuku“ ir tik tada atrado fizikai gamtoje. Pranešimas parengtas remiantis monografijomis: S.V.Petuchovas „Biosolitonai. Solitonų biologijos pagrindai“, 1999; S.V.Petuchovas „Dviperiodinė genetinio kodo ir protonų skaičiaus lentelė“, 2001 m.

Solitonai yra svarbus šiuolaikinės fizikos objektas. Intensyvus jų teorijos ir pritaikymo kūrimas prasidėjo po to, kai 1955 m. buvo paskelbtas Fermi, Paste ir Ulamo darbas apie kompiuterinį virpesių skaičiavimą paprastoje netiesinėje svorių grandinės, sujungtos netiesinėmis spyruoklėmis, sistemoje. Netrukus buvo sukurti reikalingi matematiniai metodai Solitono lygtims, kurios yra netiesinės dalinės diferencialinės lygtys, išspręsti. Solitonai, kartais vadinami „bangų atomais“, turi bangų ir dalelių savybių tuo pačiu metu, tačiau visa prasme nėra nei viena, nei kita, o sudaro naują matematinio mokslo objektą. Jie pasižymi klasikiniu (linijiniu) požiūriu neįprastomis savybėmis. Solitonai geba saviorganizacijos ir saviugdos aktus: autolokalizaciją; iš išorės gaunamos energijos surinkimas į „solitoninę“ terpę; dauginimasis ir mirtis; netrivialios morfologijos ir dinamikos, pulsuojančio ir kitokio pobūdžio ansamblių formavimas; šių ansamblių savikomplikacija, kai į aplinką patenka papildomos energijos; polinkio į netvarką įveikimas solitoninėje terpėje, kurioje yra jų; Jie gali būti interpretuojami kaip specifinė fizinės energijos organizavimo materijoje forma, todėl apie „solitono energiją“ galime kalbėti pagal gerai žinomus posakius „bangų energija“ arba „vibracinė energija“. Solitonai realizuojami kaip specialių netiesinių terpių (sistemų) būsenos ir turi esminių skirtumų nuo įprastų bangų. Visų pirma, solitonai dažnai yra stabilūs savaime lokalizuoti energijos krešuliai, turintys būdingą vienos kupros bangos formą, judantys išsaugodami formą ir greitį, neišsklaidydami savo energijos. Solitonai sugeba nesugriaunančius susidūrimus, t.y. susitikdami gali praeiti vienas per kitą nepalauždami savo formos. Jie turi daug pritaikymų technologijų srityje.

Solitonas paprastai suprantamas kaip pavienis į bangą panašus objektas (lokalizuotas netiesinės dalinės diferencialinės lygties sprendimas, priklausantis tam tikrai vadinamųjų solitono lygčių klasei), galintis egzistuoti neišsklaidant savo energijos ir sąveikaujant su kitomis vietinius trikdžius, visada atkuria pirminę formą, t.y. galintys nesugriauti susidūrimų. Kaip žinoma, solitonų lygtys „natūraliausiu būdu atsiranda tiriant įvairių tipų silpnai netiesines dispersijos sistemas įvairiomis erdvinėmis ir laiko skalėmis. Šių lygčių universalumas pasirodo toks nuostabus, kad daugelis buvo linkę joje įžvelgti ką nors magiško... Tačiau taip nėra: dispersinės silpnai slopintos ar neslopintos netiesinės sistemos elgiasi taip pat, nepaisant to, ar jos susiduria plazmos, klasikinių skysčių, lazerių ar netiesinių gardelių aprašymas“. Atitinkamai, solitonai yra žinomi plazmoje, skystuose ir kietuose kristaluose, klasikiniuose skysčiuose, netiesinėse gardelėse, magnetinėse ir kitose daugiadomėse terpėse ir kt. (Solitonų judėjimas realioje terpėje dažnai nėra absoliučiai nesisklaido, lydimas mažų). energijos nuostoliai, į kuriuos teoretikai atsižvelgia į solitono lygtis įtraukdami mažus išsisklaidančius terminus).

Atkreipkite dėmesį, kad gyvąją medžiagą prasiskverbia daugybė netiesinių gardelių: nuo molekulinių polimerų tinklų iki supramolekulinių citoskeletų ir organinės matricos. Šių grotelių pertvarkymas turi svarbią biologinę reikšmę ir gali veikti kaip solitonas. Be to, solitonai yra žinomi kaip fazių persitvarkymo frontų judėjimo formos, pavyzdžiui, skystuosiuose kristaluose (žr., pavyzdžiui,). Kadangi daugelis gyvų organizmų sistemų (įskaitant skystųjų kristalų) egzistuoja ties fazių virsmų riba, natūralu manyti, kad jų fazių persitvarkymo frontai organizmuose taip pat dažnai judės solitonų pavidalu.

Netgi solitonų atradėjas Scottas Russellas praėjusiame amžiuje eksperimentiškai įrodė, kad solitonas veikia kaip energijos ir medžiagos koncentratorius, gaudyklė ir pernešėjas, galintis nesugriaunamai susidurti su kitais solitonais ir sukelti vietinius trikdžius. Akivaizdu, kad šios solitonų savybės gali būti naudingos gyviems organizmams, todėl biosolitonų mechanizmai gali būti specialiai auginami gyvojoje gamtoje natūralios atrankos mechanizmais. Išvardinkime kai kuriuos iš šių pranašumų:

• - 1) spontaniškas energijos, medžiagos ir kt. paėmimas, taip pat spontaniška vietinė jų koncentracija (autolokalizacija) ir kruopštus, be nuostolių pernešimas vaisto pavidalu organizme;
• - 2) energijos, medžiagos ir tt srautų valdymo paprastumas (kai jie organizuojami solitonine forma) dėl galimo biologinės aplinkos netiesiškumo charakteristikų vietinio perjungimo iš solitoninio į nesolitono netiesiškumo tipą ir atvirkščiai ;
• - 3) atsiejimas daugeliui tų, kurie vyksta vienu metu ir vienoje kūno vietoje, t.y. persidengiantys procesai (judėjimo, aprūpinimo krauju, medžiagų apykaitos, augimo, morfogenetiniai ir kt.), kuriems reikalinga santykinė jų eigos nepriklausomybė. Šį atsiejimą galima užtikrinti būtent dėl ​​solitonų gebėjimo patirti neardomuosius susidūrimus.

Mūsų pirmasis supramolekulinių kooperacinių procesų gyvuose organizmuose tyrimas solitonų požiūriu atskleidė, kad juose yra daug makroskopinių į solitoną panašių procesų. Tyrimo objektas pirmiausia buvo tiesiogiai stebimi lokomotoriniai ir kiti biologiniai judesiai, kurių aukštą energetinį efektyvumą jau seniai manė biologai. Pirmajame tyrimo etape išsiaiškinome, kad daugelyje gyvų organizmų biologiniai makrojudesiai dažnai atrodo kaip solitonas, būdinga vietinės deformacijos banga, judanti išilgai gyvo kūno, išlaikant jo formą ir greitį, o kartais demonstruojanti. gebėjimas nesugriauti susidūrimų. Šie „biosolitonai“ realizuojami įvairiose biologinės evoliucijos atšakose ir lygiuose organizmuose, kurių dydis skiriasi keliais dydžiais.

Ataskaitoje pateikiama daug tokių biosolitonų pavyzdžių. Visų pirma, nagrinėjamas Helix sraigės šliaužiojimo pavyzdys, kuris atsiranda dėl vienos kupros bangos formos deformacijos, einančios per jos kūną, išlaikant formą ir greitį. Išsamūs šio tipo biologinio judėjimo įrašai paimti iš knygos. Vienoje šliaužiojimo versijoje (su vienu „einu“) sraigė patiria vietines tempimo deformacijas, einančius išilgai jos kūno atraminio paviršiaus iš priekio į galą. Kitoje, lėtesnėje šliaužiojimo versijoje, vietinės suspaudimo deformacijos atsiranda išilgai to paties kūno paviršiaus, einant priešinga kryptimi nuo uodegos iki galvos. Abi šios solitonų deformacijos, tiesioginės ir retrogradinės, gali atsirasti sraigėje tuo pačiu metu, kai tarp jų atsiranda priešingų susidūrimų. Pabrėžiame, kad jų susidūrimas yra neardomasis, būdingas solitonams. Kitaip tariant, po susidūrimo jie išlaiko savo formą ir greitį, tai yra savo individualumą: „didelių retrogradinių bangų buvimas neturi įtakos normalių ir daugelio trumpesnių priekinių bangų sklidimui; abiejų tipų bangos sklinda be jokių abipusių trukdžių požymių. Šis biologinis faktas žinomas nuo amžiaus pradžios, nors anksčiau tyrinėtojai su solitonais nebuvo siejami.

Kaip pabrėžė Grėjus ir kiti judėjimo (erdvinių judėjimų organizmuose) tyrimo klasikai, pastarieji yra labai energiją taupantys procesai. Tai būtina gyvybiškai svarbiam kūno aprūpinimui galimybe be nuovargio judėti dideliais atstumais ieškant maisto, pabėgti nuo pavojų ir pan. (paprastai organizmai itin atsargiai elgiasi su energija, kurią jiems visai nelengva kaupti). Taigi, sraigėje solitoninė kūno deformacija, dėl kurios jo kūnas juda erdvėje, vyksta tik kūno atskyrimo nuo atraminio paviršiaus zonoje. O visa kūno dalis, besiliečianti su atrama, yra nedeformuota ir yra ramybės būsenoje atramos atžvilgiu. Atitinkamai per visą solitoninės deformacijos, tekančios per sraigės kūną, laikotarpį tokiam banginiam judėjimui (arba masės perdavimo procesui) nereikia energijos sąnaudų, kad būtų galima įveikti sraigės trinties jėgas ant atramos. šiuo atžvilgiu kuo ekonomiškesnis. Žinoma, galima daryti prielaidą, kad dalis energijos judėjimo metu vis tiek išsklaido dėl tarpusavio audinių trinties sraigės kūne. Bet jei ši lokomotorinė banga yra panaši į solitoną, ji taip pat užtikrina trinties nuostolių kūno viduje sumažinimą. (Kiek mums žinoma, energijos nuostolių, atsirandančių dėl vidinio kūno trinties judėjimo metu, klausimas nebuvo pakankamai eksperimentiškai ištirtas, tačiau mažai tikėtina, kad organizmas praleido galimybę juos sumažinti). Aukščiau aptarus judėjimo organizavimą, visos (arba beveik visos) energijos sąnaudos sumažinamos iki kiekvienos tokios solitoninės vietinės deformacijos pradinio sukūrimo. Būtent solitonų fizika suteikia itin efektyvias energijos tvarkymo galimybes. O jo naudojimas gyviems organizmams atrodo logiškas, juolab kad mus supantis pasaulis yra prisotintas solitonų terpių ir solitonų.

Reikėtų pažymėti, kad bent jau nuo šimtmečio pradžios tyrėjai į bangas panašią judėjimą vaizdavo kaip savotišką relinį procesą. Tais „ikizolitoninės fizikos“ laikais natūrali fizinė tokio relės proceso analogija buvo degimo procesas, kurio metu vietinė fizinė deformacija buvo perduodama iš taško į tašką, kaip ir užsidegimas. Ši relės išsklaidymo procesų, tokių kaip degimas, idėja, šiais laikais vadinama autobanginiais procesais, tuo metu buvo pati geriausia ir daugeliui jau seniai pažįstama. Tačiau pati fizika nestovėjo vietoje. Ir pastaraisiais dešimtmečiais ji išplėtojo idėją apie solitonus, kaip naujo tipo neišsklaidžiusius perdavimo procesus, pasižyminčius aukščiausiu energijos vartojimo efektyvumu, turinčiais anksčiau neįsivaizduojamų, paradoksalių savybių, o tai yra naujos klasės netiesinių relinių procesų modelių pagrindas. .

Vienas iš svarbių solitonų metodo pranašumų, palyginti su tradiciniu autobanginiu metodu, modeliuojant procesus gyvame organizme, yra nulemtas solitonų gebėjimo patirti neardomuosius susidūrimus. Iš tiesų, autobangos (apibūdinančios, pavyzdžiui, degimo zonos judėjimą palei degantį laidą) pasižymi tuo, kad už jų lieka nesužadinimo zona (sudegęs laidas), taigi ir dvi autobangos, kai susiduria viena su kita. , nustoja egzistuoti, nes negali judėti po jau „perdegusią“ svetainę. Tačiau gyvo organizmo srityse vienu metu vyksta daug biomechaninių procesų – judėjimo, aprūpinimo krauju, medžiagų apykaitos, augimo, morfogenetinių ir kt., todėl modeliuodamas jas autobangomis teoretikas susiduria su tokia abipusio autobangų naikinimo problema. Vienas autobangų procesas, judantis per nagrinėjamą kūno sritį dėl nuolatinio jame esančių energijos atsargų deginimo, kurį laiką daro šią aplinką nežadinamą kitoms autobangoms, kol šioje srityje bus atkurtos energijos atsargos jų egzistavimui. Gyvoje medžiagoje ši problema ypač aktuali dar ir todėl, kad joje esančių energetinių-cheminių atsargų rūšys yra labai unifikuotos (organizmas turi universalią energijos valiutą – ATP). Todėl sunku patikėti, kad daugelio procesų vienu metu egzistavimą vienoje kūno vietoje užtikrina tai, kad kiekvienas autobangų procesas kūne juda išdegindamas jam būdingą energijos rūšį, nesudegindamas energijos. kiti. Solitonų modeliams ši vienoje vietoje susidūrusių biomechaninių procesų abipusio sunaikinimo problema iš esmės neegzistuoja, nes solitonai dėl savo gebėjimo nesugriauti susidūrimų ramiai praeina vienas per kitą ir vienoje srityje tuo pačiu metu jų skaičius. gali būti tokio dydžio, kiek norisi. Mūsų duomenimis, solitono sinuso-Gordono lygtis ir jos apibendrinimai yra ypač svarbūs modeliuojant gyvosios medžiagos biosolitoninius reiškinius.

Kaip žinoma, daugiadomėse terpėse (magnetai, feroelektrikai, superlaidininkai ir kt.) solitonai veikia kaip tarpdomeninės sienos. Gyvoje medžiagoje polidomeno reiškinys vaidina svarbų vaidmenį morfogenetiniuose procesuose. Kaip ir kitose daugiadomėse terpėse, daugiadomėse biologinėse terpėse jis siejamas su klasikiniu Landau-Lifshitz energijos mažinimo terpėje principu. Tokiais atvejais solitoninės tarpdomeninės sienos pasirodo kaip padidintos energijos koncentracijos vietos, kuriose dažnai ypač aktyviai vyksta biocheminės reakcijos.

Solitonų gebėjimas atlikti lokomotyvų, gabenančių medžiagos dalis į norimą vietą solitoninėje aplinkoje (organizmas), pagal netiesinės dinamikos dėsnius, taip pat nusipelno viso dėmesio, susijusio su bioevoliucinėmis ir fiziologinėmis problemomis. Pridurkime, kad biosolitono fizinė energija gyvame organizme gali harmoningai sugyventi su žinomomis cheminėmis energijos rūšimis. Biosolitonų sampratos sukūrimas leidžia visų pirma pradėti biologijos tyrimų „medžioklę“ įvairių tipų solitonų analogų – alsuoklių, voblerių, pulsonų ir kt., kuriuos matematikai išvedė „rašiklio gale“, kai. analizuojant Solitono lygtis, o vėliau gamtoje atrado fizikai. Daugelis virpesių ir bangų fiziologinių procesų galiausiai gali gauti reikšmingus solitoninius modelius, susijusius su netiesine, solitonine biopolimerinės gyvosios medžiagos prigimtimi.

Pavyzdžiui, tai taikoma pagrindiniams gyvos biopolimerinės medžiagos fiziologiniams judesiams, tokiems kaip širdies plakimas ir kt. Prisiminkime, kad trijų savaičių žmogaus embrionui, kai jis yra vos keturių milimetrų ūgio, pirmoji pajuda širdis. Širdies veikla prasideda dėl kai kurių vidinių energijos mechanizmų, nes šiuo metu širdyje dar nėra jokių nervinių jungčių, galinčių kontroliuoti šiuos susitraukimus, ir ji pradeda trauktis, kai dar nėra kraujo, kurį būtų galima pumpuoti. Šiuo metu pats embrionas iš esmės yra polimerinių gleivių gabalėlis, kuriame vidinė energija savaime organizuojasi į energiją taupančius pulsavimus. Panašiai galima pasakyti apie širdies plakimą kiaušiniuose ir gyvūnų kiaušiniuose, kai energijos tiekimas iš išorės yra sumažintas dėl apvalkalo ir kitų izoliacinių dangtelių. Panašios energetinio saviorganizacijos ir savilokalizacijos formos yra žinomos polimerinėse terpėse, įskaitant ir nebiologines, ir pagal šiuolaikines sampratas jos yra solitoninio pobūdžio, nes solitonai yra energetiškai efektyviausi (neišsklaidžiantys arba mažai skleidžiantys) dissipacinės) pulsuojančio ir kitokio pobūdžio saviorganizuojančios struktūros. Solitonai realizuojami įvairiose natūraliose aplinkose, supančiose gyvus organizmus: kietuose ir skystuose kristaluose, klasikiniuose skysčiuose, magnetuose, gardelės struktūrose, plazmoje ir kt. Gyvosios medžiagos evoliucija su natūralios atrankos mechanizmais nepralenkė unikalių solitonų savybių. ir jų ansambliai.

Ar šios medžiagos turi ką nors bendro su sinergija? Taip, būtinai. Kaip apibrėžiama Hageno monografijoje /6, p.4/, „sinergetikos rėmuose tiriamas toks bendras bet kokios netvarkingos sistemos atskirų dalių veikimas, dėl kurio vyksta saviorganizacija - makroskopinė erdvinė, laiko ar erdvėlaikinė. atsiranda struktūros ir yra laikomos deterministiniais ir stochastiniais procesais. Yra daugybė netiesinių procesų ir sistemų tipų, kurie tiriami sinergijos rėmuose. Kurdyumovas ir Knyazeva /7, p.15/, išvardindami keletą šių tipų, konkrečiai pažymi, kad tarp jų vieni svarbiausių ir intensyviausiai tyrinėtų yra solitonai. Pastaraisiais metais pradėtas leisti tarptautinis žurnalas „Chaos, Solitons & Fractals“. Solitonai, stebimi įvairiose natūraliose aplinkose, yra ryškus daugelio sistemos elementų netiesinio bendradarbiavimo pavyzdys, dėl kurio susidaro specifinės erdvinės, laiko ir erdvėlaikinės struktūros. Žymiausia, nors ir toli gražu ne vienintelė tokių solitoninių konstrukcijų rūšis, yra aukščiau aprašyta, stabilios formos, pastoviu greičiu važiuojančios terpės savaime lokalizuojanti vienguburė vietinė deformacija. Solitonai aktyviai naudojami ir tiriami šiuolaikinėje fizikoje. Nuo 1973 m., pradedant Davydovo darbais /8/, solitonai buvo naudojami ir biologijoje molekuliniams biologiniams procesams modeliuoti. Šiuo metu visame pasaulyje yra daug publikacijų apie tokių „molekulinių solitonų“ naudojimą molekulinėje biologijoje, ypač siekiant suprasti procesus baltymuose ir DNR. Mūsų darbai /3, 9/ buvo pirmosios publikacijos pasaulinėje literatūroje „supramolekulinių solitonų“ biologiniuose reiškiniuose supramolekuliniame lygmenyje. Pabrėžiame, kad molekulinių biosolitonų egzistavimas (kuris, daugelio autorių nuomone, dar turi būti įrodytas) jokiu būdu nereiškia, kad solitonai egzistuoja kooperaciniuose biologiniuose supramolekuliniuose procesuose, jungiančiuose daugybę molekulių.

LITERATŪRA:

1. Dodd R. ir kt., Solitonai ir netiesinių bangų lygtys. M., 1988, 694 p.
2. Kamensky V.G. JETP, 1984, v. 87, leidimas. 4(10), p. 1262-1277.
3. Petukhovas S.V. Biosolitonai. Solitonų biologijos pagrindai. – M., 1999, 288 p.
4. Gray J. Gyvūnų judėjimas. Londonas, 1968 m.
5. Petukhovas S.V. Biperiodinė genetinio kodo ir protonų skaičiaus lentelė. – M., 2001, 258 p.
6. Hagenas G. Sinergetika. – M., Mir, 1980, 404 p.
7. Knyazeva E.N., Kurdyumov S.P. Sudėtingų sistemų evoliucijos ir saviorganizacijos dėsniai. M., Nauka, 1994, 220 p.
8. Davydovas A.S. Solitonai biologijoje. – Kijevas, Naukova Dumka, 1979 m.
9. Petukhovas S.V. Solitonai biomechanikoje. Deponuota VINITI RAS 1999-02-12 Nr.471-B99. (VINITI rodyklė „Deponuoti mokslo darbai“, 1999 m. Nr. 4)

Santrauka . Pranešime aptariamos galimybės, kurias atveria solitoninis supramolekulinės biologijos požiūris, visų pirma, modeliuojant plačią natūralių bangų judėjimo gyvuose organizmuose klasę. Autoriaus tyrimų rezultatai rodo, kad į solitoną panašius supramolekulinius procesus lokomotorinėse, metabolinėse ir kitose dinaminės biomorfologijos apraiškose egzistuoja įvairiose biologinės evoliucijos šakose ir lygiuose.

Solitonai, kartais vadinami „bangų atomais“, turi neįprastų savybių klasikiniu (tiesiniu) požiūriu. Jie turi galimybę savarankiškai organizuotis: automatinės lokalizacijos; energijos gaudymas; pulsuojančių ir kitų charakterių dinamikos ansamblių formavimas. Solitonai buvo žinomi plazmoje, skystuose ir kietuose kristaluose, klasikiniuose skysčiuose, netiesinėse gardelėse, magnetinėse ir kitose daugiadomėse medžiagose ir kt. Biosolitonų atskleidimas atkreipia dėmesį į tai, kad biologinė mechanochemija gyvąją medžiagą paverčia solitonine aplinka su įvairiomis solitoninių mechanizmų fiziologinio panaudojimo galimybėmis. Pranešimas parengtas pagal knygas: S.V. Petuchovo „Biosolitonai. Solitoninės biologijos pagrindai“, Maskva, 1999 (rusų k.).

Petukhov S.V., Solitonai kooperaciniuose biologiniuose procesuose supramolekuliniame lygmenyje // "Trejybės akademija", M., El Nr. 77-6567, publikacija 13240, 2006-04-21

Mokslininkai įrodė, kad žodžiai gali atgaivinti negyvas ląsteles! Tyrimo metu mokslininkai buvo nustebinti, kokia milžiniška žodžio galia. Taip pat neįtikėtinas mokslininkų eksperimentas apie kūrybinės minties įtaką žiaurumui ir smurtui.
Kaip jiems pavyko tai pasiekti?

Pradėkime eilės tvarka. Dar 1949 metais mokslininkai Enrico Fermi, Ulam ir Pasta tyrinėjo netiesines sistemas – svyruojančias sistemas, kurių savybės priklauso nuo jose vykstančių procesų. Šios sistemos tam tikroje būsenoje elgėsi neįprastai.

Tyrimai parodė, kad sistemos įsiminė joms poveikio sąlygas, ir ši informacija jose buvo saugoma gana ilgai. Tipiškas pavyzdys yra DNR molekulė, kurioje saugoma kūno informacinė atmintis. Dar tais laikais mokslininkai klausė savęs, kaip įmanoma, kad neprotinga molekulė, neturinti nei smegenų struktūrų, nei nervų sistemos, gali turėti tikslesnę atmintį nei bet kuris šiuolaikinis kompiuteris. Vėliau mokslininkai atrado paslaptingus solitonus.

Solitonai

Solitonas yra struktūrinė stabili banga, randama netiesinėse sistemose. Mokslininkų nuostabai nebuvo ribų. Juk šios bangos elgiasi kaip protingos būtybės. Ir tik po 40 metų mokslininkams pavyko padaryti pažangą šiame tyrime. Eksperimento esmė buvo tokia: specialių instrumentų pagalba mokslininkai sugebėjo atsekti šių bangų kelią DNR grandinėje. Eidama per grandinę, banga visiškai perskaitė informaciją. Tai galima palyginti su žmogumi, skaitančiu atverstą knygą, tik šimtus kartų tiksliau. Visiems eksperimento dalyviams tyrimo metu kilo tas pats klausimas – kodėl solitonai taip elgiasi ir kas jiems duoda tokią komandą?

Mokslininkai tęsė tyrimus Rusijos mokslų akademijos Matematikos institute. Jie bandė paveikti solitonus žmogaus kalba, įrašyta į informacinę laikmeną. Tai, ką pamatė mokslininkai, pranoko visus lūkesčius – žodžių įtakoje solitonai atgijo. Mokslininkai nuėjo toliau – nukreipė šias bangas į kviečių grūdus, kurie anksčiau buvo apšvitinti tokia radioaktyviosios spinduliuotės doze, kad nutrūkdavo DNR grandinės ir jos tapdavo nebegyvybingos. Po poveikio kviečių sėklos išdygo. Po mikroskopu buvo stebimas spinduliuotės sunaikintos DNR atstatymas.

Pasirodo, žmogaus žodžiais pavyko atgaivinti negyvą ląstelę, t.y. veikiami žodžių, solitonai pradėjo turėti gyvybę teikiančią galią. Šiuos rezultatus ne kartą patvirtino mokslininkai iš kitų šalių – Didžiosios Britanijos, Prancūzijos, Amerikos. Mokslininkai sukūrė specialią programą, pagal kurią žmogaus kalba buvo transformuojama į vibracijas ir uždedama ant solitoninių bangų, o vėliau paveikė augalų DNR. Dėl to augalų augimas ir kokybė gerokai paspartėjo. Eksperimentai buvo atlikti ir su gyvūnais, po jų poveikio pagerėjo kraujospūdis, susilygino pulsas, pagerėjo somatiniai rodikliai.

Mokslininkų tyrimai tuo taip pat nesibaigė.

Kartu su kolegomis iš JAV ir Indijos mokslinių institutų buvo atlikti eksperimentai apie žmogaus minties įtaką planetos būklei. Eksperimentai buvo atlikti ne kartą, pastarajame dalyvavo 60 ir 100 tūkst. Tai tikrai didžiulis žmonių skaičius. Pagrindinė ir būtina taisyklė atliekant eksperimentą buvo kūrybinių minčių buvimas žmonėms. Norėdami tai padaryti, žmonės savo noru rinkosi į grupes ir nukreipė savo teigiamas mintis į tam tikrą mūsų planetos tašką. Tuo metu šiuo tašku buvo pasirinkta Irako sostinė Bagdadas, kur tuomet vyko kruvini mūšiai.

Eksperimento metu muštynės staiga nutrūko ir kelias dienas neatsinaujino, o eksperimento dienomis nusikalstamumo lygis mieste smarkiai sumažėjo! Kūrybinės minties įtakos procesas buvo fiksuojamas moksliniais instrumentais, fiksuojančiais galingą teigiamos energijos srautą.

Mokslininkai įsitikinę, kad šie eksperimentai įrodė žmogaus minčių ir jausmų materialumą bei neįtikėtiną jų gebėjimą atsispirti blogiui, mirčiai ir smurtui. Jau ne vieną kartą moksliniai protai savo grynų minčių ir siekių dėka moksliškai patvirtina senovinius truizmus – žmogaus mintys gali ir kurti, ir griauti.

TEMINIAI SKYRIAI:
| | | | | | | | |

Kuo platesnės ir gilesnės žmonijos žinios apie mus supantį pasaulį, tuo aiškiau išsiskiria nežinomybės salos. Būtent tai yra solitonai – neįprasti fizinio pasaulio objektai.

Kur gimsta solitonai?

Pats terminas solitons verčiamas kaip vieniša banga. Jie tikrai gimsta iš bangų ir paveldi kai kurias jų savybes. Tačiau plitimo ir susidūrimo proceso metu parodyti dalelių savybes. Todėl šių objektų pavadinimas buvo paimtas pagal gerai žinomas elektrono ir fotono sąvokas, kurios turi panašų dvilypumą.

Tokia vieniša banga pirmą kartą buvo pastebėta viename iš Londono kanalų 1834 m. Jis pasirodė priešais judančią baržą ir toliau sparčiai judėjo laivui sustojus, ilgą laiką išlaikydamas savo formą ir energiją.

Kartais tokios vandens paviršiuje pasirodančios bangos pasiekia 25 metrų aukštį. Gimę vandenynų paviršiuje, jie daro žalą ir žūsta jūrų laivams. Tokia gigantiška jūros siena, pasiekusi krantą, išmeta ant jos didžiules vandens mases, sukeldama milžinišką sunaikinimą. Grįžęs į vandenyną, jis nusineša tūkstančius gyvybių, pastatų ir įvairių objektų.

Šis sunaikinimo vaizdas yra tipiškas. Tyrinėdami jų atsiradimo priežastis, mokslininkai priėjo prie išvados, kad dauguma jų iš tiesų buvo solitoninės kilmės. Cunamio solitonai gali būti generuojami atvirame vandenyne ir ramiu, tyliu oru. Tai yra, jų visiškai nesukūrė kitos stichinės nelaimės.

Matematikai sukūrė teoriją, kuri leido numatyti jų atsiradimo sąlygas įvairiose aplinkose. Fizikai laboratorijoje atkūrė šias sąlygas ir atrado solitonus:

• kristaluose;
• trumpųjų bangų lazerio spinduliuotė;
• pluošto šviesos kreiptuvai;
• kitos galaktikos;
• gyvų organizmų nervų sistema;
• ir planetų atmosferose. Tai leido manyti, kad Didžioji Raudonoji dėmė Jupiterio paviršiuje taip pat yra solitoninės kilmės.

Nuostabios solitonų savybės ir ženklai

Solitonai turi keletą savybių, išskiriančių juos nuo įprastų bangų:

• jie pasklinda dideliais atstumais, praktiškai nekeičiant savo parametrų (amplitudės, dažnio, greičio, energijos);
• solitoninės bangos praeina viena per kitą be iškraipymų, tarsi susidurtų dalelės, o ne bangos;
• kuo aukštesnė solitono „kupra“, tuo didesnis jo greitis;
• šie neįprasti dariniai geba atsiminti informaciją apie jiems daromo poveikio pobūdį.

Kyla klausimas: kaip įprastos molekulės, neturinčios reikiamų struktūrų ir sistemų, gali įsiminti informaciją? Be to, jų atminties parametrai lenkia geriausius šiuolaikinius kompiuterius.

Soliton bangos taip pat kyla iš DNR molekulių, kurios gali išlaikyti informaciją apie kūną visą gyvenimą! Naudojant ultrajautrius instrumentus, buvo galima atsekti solitonų kelią visoje DNR grandinėje. Pasirodo, banga nuskaito informaciją, saugomą jos kelyje, panašiai kaip žmogus skaito atverstą knygą, tačiau bangų nuskaitymo tikslumas daug kartų didesnis.

Tyrimai buvo tęsiami Rusijos mokslų akademijoje. Mokslininkai atliko neįprastą eksperimentą, kurio rezultatai buvo labai netikėti. Tyrėjai paveikė solitonus žmogaus kalba. Paaiškėjo, kad specialioje laikmenoje įrašyta žodinė informacija tiesiogine prasme atgaivino solitonus.

Tai aiškus patvirtinimas buvo tyrimai, atlikti su kviečių grūdais, anksčiau apšvitintais milžiniška radioaktyvumo doze. Dėl šio poveikio DNR grandinės sunaikinamos, o sėklos praranda gyvybingumą. Žmogaus kalbą „atsiminusius“ solitonus nukreipus į „negyvus“ kviečių grūdus, pavyko atkurti jų gyvybingumą, t.y. jie išdygo. Mikroskopu atlikti tyrimai parodė visišką radiacijos sunaikintų DNR grandinių atkūrimą.

Taikymo perspektyvos

Solitonų apraiškos yra labai įvairios. Todėl labai sunku numatyti visas jų panaudojimo perspektyvas.

Bet jau dabar akivaizdu, kad šių sistemų pagrindu bus galima sukurti galingesnius lazerius ir stiprintuvus, panaudoti juos telekomunikacijų srityje energijai ir informacijai perduoti, panaudoti spektroskopijoje.

Perduodant informaciją įprastomis optinėmis skaidulomis, signalą stiprinti reikia kas 80-100 km. Optinių solitonų naudojimas leidžia padidinti signalo perdavimo diapazoną neiškreipiant impulso formos iki 5-6 tūkstančių kilometrų.

Tačiau iš kur ateina energija palaikyti tokius galingus signalus tokiais dideliais atstumais lieka paslaptis. Atsakymo į šį klausimą paieškos dar laukia.

Jei ši žinutė jums buvo naudinga, mielai jus pamatyčiau

Jūreiviai jau seniai žinojo apie pavienes didelio aukščio bangas, kurios naikina laivus. Ilgą laiką buvo manoma, kad tai vyksta tik atvirame vandenyne. Tačiau naujausi duomenys rodo, kad pavienės nesąžiningos bangos (iki 20–30 metrų aukščio) arba solitonai (iš anglų kalbos solitary – „vienišas“) gali atsirasti ir pakrantės zonose. Birmingamo incidentas Pakeliui į Keiptauną buvome apie 100 mylių į pietvakarius nuo Durbano. Kreiseris judėjo greitai ir beveik nesiriedėdamas, susidūręs su vidutinio stiprumo bangomis ir vėjo bangomis, kai staiga įkritome į duobę ir puolėme žemyn link kitos bangos, kuri išriedėjo pro pirmuosius pabūklų bokštelius ir trenkėsi į mūsų atvirą kapitono tiltelį. Buvau nugriautas ir 10 metrų aukštyje virš jūros lygio atsidūriau pusės metro vandens sluoksnyje. Laivas patyrė tokį smūgį, kad daugelis nusprendė, kad buvome torpeduoti. Kapitonas iš karto sumažino greitį, tačiau ši atsargumo priemonė buvo bergždžia, nes buvo atkurtos vidutinės plaukimo sąlygos ir daugiau „skylių“ neatsirado. Tai įvykis, nutikęs naktį su aptemusiu laivu. buvo vienas įdomiausių jūroje. Aš lengvai tikiu, kad tokiomis aplinkybėmis pakrautas laivas gali nuskęsti. Taip netikėtą susidūrimą su viena katastrofiška banga aprašo britų karininkas iš kreiserio Birmingamo. Ši istorija vyko Antrojo pasaulinio karo metais, todėl įgulos reakcija, nusprendusi, kad kreiseris buvo torpeduotas, yra suprantama. Panašus incidentas su garlaiviu „Ouarita“ 1909 metais nesibaigė taip sėkmingai. Juo skrido 211 keleivių ir įgulos narių. Visi mirė. Tokios pavienės bangos, kurios staiga atsiranda vandenyne, iš tikrųjų vadinamos nesąžiningomis bangomis arba solitonais. Atrodytų, kad. bet kokią audrą galima pavadinti žudiku... Juk iš tikrųjų kiek laivų žuvo per audrą ir žūva dabar? Kiek jūreivių rado paskutinį prieglobstį šėlstančios jūros gelmėse? Ir vis dėlto yra bangų. tie, kurie kyla dėl jūros audrų ir net uraganų, nėra vadinami „žudikais“. Manoma, kad susidūrimas su solitonu greičiausiai įvyksta prie pietinės Afrikos pakrantės. Kai dėl Sueco kanalo pasikeitė laivybos maršrutai ir laivai nustojo plaukioti aplink Afriką, susidūrimų su nesąžiningomis bangomis sumažėjo. Nepaisant to, po Antrojo pasaulinio karo, pradedant 1947 m., maždaug per 12 metų labai dideli laivai „Bosfontein“ susidūrė su solitonais. „Giasterkerk“, „Orinfontein“ ir „Jacherefontein“, neskaitant mažesnių vietinių laivų. Arabų ir Izraelio karo metu Sueco kanalas buvo praktiškai uždarytas ir laivybos eismas aplink Afriką vėl tapo intensyvesnis. Supertanlaivis „World Glory“, kurio vandentalpa viršijo 28 tūkst. tonų, žuvo susidūrus su nesąžininga banga 1968 m. birželį. Tanklaivis gavo įspėjimą apie audrą, o artėjant audrai viskas buvo atlikta pagal nurodymus. Nieko blogo nebuvo numatyta. Tačiau tarp įprastų vėjo bangų, kurios nekėlė rimto pavojaus. staiga pasirodė didžiulė apie 20 metrų aukščio banga su labai stačiu priekiu. Ji pakėlė tanklaivį taip, kad jo vidurys atsiremtų į bangą, o laivapriekio ir laivagalio dalys būtų ore. Tanklaivis buvo pakrautas žalios naftos ir nuo savo svorio lūžo pusiau. Šios pusės kurį laiką išliko plūduriuojančios, tačiau po keturių valandų tanklaivis nugrimzdo į dugną. Tiesa, didžioji dalis įgulos buvo išgelbėti. 70-aisiais tęsėsi nesąžiningi bangų „išpuoliai“ prieš laivus. 1973 m. rugpjūtį laivas Neptune Sapphire, plaukęs iš Europos į Japoniją, už 15 mylių nuo Hermio kyšulio, pučiant maždaug 20 metrų per sekundę vėjui, patyrė netikėtą vienos bangos, kilusios iš niekur, smūgį. Smūgis buvo toks stiprus, kad maždaug 60 metrų ilgio laivo laivas nulūžo nuo korpuso! Laivas „Neptūnas Sapphire“ turėjo pažangiausią tų metų dizainą. Nepaisant to, susitikimas su nesąžininga banga jam pasirodė lemtingas. Panašių atvejų aprašyta gana daug. Natūralu, kad baisiame nelaimių sąraše yra ne tik dideli laivai, kuriuose yra galimybių gelbėti įgulą. Susidūrimas su nesąžiningomis bangomis mažiems laivams dažniausiai baigiasi kur kas tragiškiau. Tokie laivai patiria ne tik stiprų smūgį. galintis jas sunaikinti, tačiau stačiame priekyje bangos gali lengvai apvirsti. Tai įvyksta taip greitai, kad neįmanoma tikėtis išsigelbėjimo.Tai ne cunamis.Kas tai yra - nesąžiningos bangos? Pirma mintis, kuri ateina į galvą informuotam skaitytojui, yra cunamis. Po katastrofiško gravitacijos bangų „reido“ pietrytinėje Azijos pakrantėje daugelis įsivaizduoja cunamį kaip baisią vandens sieną su stačiu priekiniu frontu, trenkiančiu į krantą ir nuplaunančią namus bei žmones. Iš tiesų, cunamiai gali daug ką. Po šios bangos atsiradimo netoli šiaurinių Kurilų salų hidrografai, tirdami pasekmes, aptiko padoraus dydžio valtį, išmestą per pakrantės kalvas į salos vidų. Tai yra, cunamio energija yra tiesiog nuostabi. Tačiau visa tai taikoma cunamiams, „puolantiems“ krantą. Išvertus į rusų kalbą terminas „cunamis“ reiškia „didelė banga uoste“. Tai labai sunku aptikti atvirame vandenyne. Ten šios bangos aukštis dažniausiai neviršija vieno metro, o vidutiniai, tipiški matmenys – dešimtys centimetrų. O nuolydis itin mažas, nes tokiame aukštyje jo ilgis siekia kelis kilometrus. Taigi aptikti cunamį bėgančių vėjo bangų ar bangavimo fone beveik neįmanoma. Kodėl cunamiai tampa tokie baisūs, kai „puola“ į krantą? Faktas yra tas, kad ši banga dėl savo didelio ilgio pajudina vandenį visame vandenyno gylyje. O kai plintant pasiekia gana seklias vietas, visa ši kolosali vandens masė pakyla iš gelmių. Taip „nekenksminga“ banga atvirame vandenyne tampa pražūtinga pakrantėje. Taigi nesąžiningos bangos nėra cunamis. Tiesą sakant, solitonai yra nepaprastas ir mažai ištirtas reiškinys. Jie vadinami bangomis, nors iš tikrųjų tai yra kažkas kita. Solitonams atsirasti, žinoma, būtinas kažkoks pradinis impulsas, smūgis, antraip iš kur bus energijos, bet ne tik. Skirtingai nuo įprastų bangų, solitonai sklinda dideliais atstumais labai mažai išsklaidydami energiją. Tai paslaptis, kuri vis dar laukia tyrinėjimo. Solitonai praktiškai nesąveikauja vienas su kitu. Paprastai jie plinta skirtingu greičiu. Žinoma, gali atsitikti taip, kad vienas solitonas pasiveja kitą, o tada jie sumuojami aukštyje, bet tada jie vis tiek išsisklaido savais keliais. Žinoma, solitonų pridėjimas yra retas įvykis. Tačiau yra ir kita priežastis, dėl kurios smarkiai padidėja jų statumas ir aukštis. Ši priežastis yra povandeninės atbrailos, per kurias „bėga“ solitonas. Tuo pačiu metu energija atsispindi povandeninėje dalyje, o banga tarsi „išsilieja“ aukštyn. Panašią situaciją, naudodama fizikinius modelius, ištyrė tarptautinė mokslo grupė. Remiantis šiais tyrimais, galima sukurti saugesnius laivų maršrutus. Tačiau vis dar yra daug daugiau paslapčių nei ištirtų savybių, o nesąžiningų bangų paslaptis vis dar laukia jos tyrinėtojų. Solitonai yra ypač paslaptingi jūros vandenyse, vadinamajame „tankio šuolio sluoksnyje“. Šie solitonai gali sukelti (arba jau privedė) prie povandeninio laivo katastrofų.