Текст уведомления здесь

Предсказания волн-убийц сделают оптическую связь надежнее

Новые формулы позволят лучше понять нелинейные оптические системы и волны, появляющиеся без ветра.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа ученых, среди которых были математики из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау, предложила новый простой и эффективный способ приближенно решать нелинейное уравнение Шредингера, предсказывая с его помощью появление аномально сильных волн «на ровном месте». Ученые рассчитывают, что их работа поможет лучше понять как гигантские волны-убийцы в океане, так и сходные процессы в оптоволоконной связи. Соответствующая статья опубликована в Physical Review X.

Значительная часть изучаемых физических систем относится к линейным. Они описываются линейными уравнениями, сравнительно предсказуемы, а их реакция на внешние воздействия в целом равна сумме реакций на каждое из этих воздействий по отдельности (принцип суперпозиции). Однако в природе огромный интерес представляют и нелинейные системы, в которых принцип суперпозиции не работает.

Другая их особенность — проблема Ферми — Паста — Улама — Цингу, один из важнейших парадоксов в теории хаоса. Согласно ему, некоторые достаточно сложные нелинейные системы периодически возвращаются в одно и то же состояние и делают это через почти одинаковые периоды времени. В норме такого быть не должно: физическая система должна «забывать» свое исходное состояние из-за постоянного рассеивания энергии от каждого из ее компонентов. В ходе него энергия постепенно распределяется по системе в целом, и исходное состояние само по себе не может восстановиться.

Одно из объяснений проблемы Ферми — Паста — Улама — Цингу — анализируемые в ее рамках нелинейные системы близки к интегрируемым. Так называют системы, обладающие большим количеством высших симметрий, поэтому сохранение энергии в их компонентах влияет на распределение энергии между ними и способствует сохранению исходного состояния в системе в целом.

Хороший пример интегрируемых и близких к ним систем — возникновение гигантских волн-убийц, высотой до 25 метров (по отдельным наблюдениям — и до 30 метров). Они появляются в относительно спокойных водах и за счет размеров и внезапности появления (никто не ждет серьезных волн вне шторма) могут опрокинуть даже крупное судно.

В Мировом океане волны распределены неравномерно, и из-за этой неравномерности те зоны, где волн больше, могут захватывать энергию волн из соседних районов и «накапливать» ее, складывая энергию малых волн в одну очень большую. В 1968 году сотрудник ИТФ им. Л.Д. Ландау академик Владимир Захаров показал, что эффективной моделью для описания такой ситуации может быть нелинейное уравнение Шредингера.

Кроме волн-убийц в море сходные аномально сильные волны возникают и в оптоволокне, где они также порождают проблемы — сбои в передаче информации. Наблюдать и исследовать периодическое появление аномальных волн сложно, так как период между ними может быть большим, и очень трудно предсказать, когда появится следующая волна.

Авторы новой работы создали и опробовали в эксперименте систему на основе нелинейного оптического кристалла. Так называют кристалл, коэффициент преломления которого зависит от интенсивности падающего на него света. В подобный кристалл аномальная волна с близкими параметрами возвращается несколько раз. Происходит это за счет того, что энергия в нем распределяется так же неравномерно, как волны в море.

Поскольку коэффициент преломления в кристалле зависит от силы падающего света, то более освещенные участки кристалла действуют как фокусирующие линзы, собирая падающее излучение. Менее освещенные, в силу другого коэффициента преломления, действуют как рассеивающие линзы и ослабляют свет, проходящий через них. Чем ярче становится освещенная зона кристалла, тем больше света она «притягивает». Поэтому исходные небольшие неоднородности в оптических параметрах кристалла многократно усиливаются — именно так и проявляется модуляционная неустойчивость, подобная океанским волнам-убийцам.

В эксперименте на кристалл подавали три луча — центральный и два боковых, которые давали неоднородности, приводившие к развитию неустойчивой аномальной волны. Дополнительный лазер другой частоты обеспечивал работу системы в почти интегрируемом режимеИзображение: пресс-служба ИТФ им. Л.Д. Ландау

В эксперименте на кристалл подавали три лазерных луча разной силы — центральный и два боковых. За счет этого в нем возникали неоднородности, приводившие в итоге к развитию неустойчивой аномальной волны. Дополнительный лазер, с другой длиной волны, обеспечивал системе работу в почти интегрируемом режиме. В ходе опыта удалось трижды зафиксировать возвращение аномальной волны близкой амплитуды.

Теоретическая часть работы заключалась в создании приближенных формул, которые очень точно предсказали результаты эксперимента. Их выводили с учетом, что система нелинейного кристалла может быть описана нелинейным уравнением Шредингера. Ранее Владимир Захаров и Алексей Шабат из ИТФ им. Л.Д. Ландау показали интегрируемость нелинейного уравнения Шредингера. Теоретики из числа авторов работы представили хотя и приближенные, но сравнительно простые формулы, позволяющие без чрезмерных затрат времени предсказать появление и периодичность аномальных волн типа волн-убийц.

В практическом отношении такие формулы могут быть полезны для оптических систем связи: зная параметры аномально сильных волн, типичных для того или иного оптоволокна, можно бороться с их негативным влиянием на устойчивость соединения.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Российские астрономы заявили о начале нового цикла солнечной активности

На Солнце появились области магнитного поля иной направленности.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) зафиксировали на звезде области с магнитным полем иной направленности, отличающейся от той, которая была последние 11 лет. По мнению астрофизиков, это свидетельствует о приближении нового цикла солнечной активности. Об этом сообщает сайт лаборатории. [ ... ]

Читать полностью

У Крымского моста нашли непаханую усадьбу боспорской знати

Земля над ней непригодна для сельского хозяйства, что обеспечило необычайно высокую сохранность памятника.
Добавить в закладки
Комментарии

Крымская новостроечная экспедиция Института археологии РАН обнаружила в зоне будущего строительства железнодорожного подхода к Крымскому мосту, у села Октябрьское, античную усадьбу конца V — начала III века до нашей эры. Она принадлежала либо крупному аристократу Боспорского царства, либо даже члену правящей династии. Поселение исключительно хорошо сохранилось, потому что находится на территории, которая непригодна для земледелия. Об этом сообщается в пресс-релизе Института археологии, поступившем в редакцию «Чердака».

Боспорское царство — это сильное государство с «гибридной» культурой. Его основатели были тиранами греческого происхождения (род Археанакта, первого боспорского царя), объединившими греческие города-колонии вокруг Пантикапея (сегодняшней Керчи). Около 438 года до нашей эры к власти пришла династия Спартокидов (фракийского происхождения, имя Спартока I близко к более позднему Спартаку, также фракийцу).

Политические традиции и материальная культура царства быстро стали смесью элементов, типичных для греческой тирании и варварских царств, окружавших со всех сторон Боспорское царство. Оно играло весьма значительную роль в истории античности. Половина хлеба, потребляемого Афинами и другими полисами Эллады, приходила именно с Боспора. Из Греции же в обратном направлении ввозились вина и керамика, которые частично перепродавались в Скифское царство, частично оседали в Боспорском. [ ... ]

Читать полностью

Роскомнадзор начал блокировать Sci-Hub в России

У части российских пользователей интернета перестали открываться некоторые домены сервиса Sci-Hub, обеспечивающего пиратский доступ к научным статьям. Они заблокированы Роскомнадзором.
Добавить в закладки
Комментарии

Блокировки производятся на основании определения Московского городского суда (не путать с решением) от 22 октября этого года. Истец — издательская компания Springer Nature, которая требует защитить свои авторские права на три научные публикации, вышедшие в Nature Reviews Cardiology (первая, вторая) и Nature Reviews Neuroscience (третья). Два года назад флагман издательства, журнал Nature, назвал Александру Элбакян, создательницу сервиса Sci-Hub, одной из десяти наиболее влиятельных людей в науке.

Сообщение о блокировке ресурса, которое уже получают некоторые российские пользователи при попытке обратиться к ресурсу sci-hub

Кроме Sci-Hub под блокировки попали и домены ресурса Library Genesis, также хранящего в открытом доступе научные статьи из журналов, распространяющихся по подиске. [ ... ]

Читать полностью