4. Solitony
Dnes si povíme o solitonech – velmi zvláštních vlnách, které se pohybují beze změny tvaru a dokáží procházet jedna skrze druhou podobně jako duchové.
Počátky solitonové fyziky jsou neodkladně spojeny se jménem skotského inženýra Johna Russella, který byl nejen vynikajícím fyzikem, ale i konstruktérem lodí, parních automobilů a vynálezcem. Krom toho všeho byl také politikem. V době americké občanské války se pokoušel vyjednat mír mezi znesvářenými stranami. Jako vynálezce testoval čluny na kanálu Union, který spojoval města Eddinburg a Glasgow. Kanál sloužil především pro dopravu uhlí a osob na člunech, jenž musely být taženy koňmi klusajícími po břehu. V srpnu 1834 učinil Russell mimořádný objev, který sám popisuje takto:
„Díval jsem se na člun, který byl podél úzkého kanálu rychle tažen párem koní. Člun se náhle zastavil, ale nikoliv tak voda, která byla tlačena před přídí loďky. Voda pokračovala v samostatném pohybu a valila se kanálem velkou rychlostí. Zformovala se do osamocené vzedmuté vlny s hladkým kulatým tvarem. Při pohybu se neměnil ani tvar vlny, ani její rychlost. Sledoval jsem vlnu na koňském hřbetu a předjel ji. Stále se valila rychlostí osm až devět mil za hodinu, neměnila svůj tvar – byla dlouhá kolem třiceti stop a vysoká asi jeden a půl stopy. Výška se postupně snižovala, až jsem vlnu ztratil v záhybu kanálu po jedné nebo dvou mílích.“
Russell si byl plně vědom výjimečnosti objevu. Jím nalezená vlna odporovala zákonitostem hydrodynamiky, které ve svých pracích popisovali Newton a Bernoulli. Právě proto nebyl svými současníky brán příliš vážně. Jeho objev zkrátka předběhl svou dobu.
Chování Russellova solitonu poprvé vysvětlili až o 60 let později holandští matematici Diederik Korteweg a Gustav de Vries. Jde o nádhernou ukázku nelineární fyziky. Normální vlny se rozplývají, odborník by řekl, že podléhají disperzi. U solitonů je rozplývání přesně kompenzováno smršťováním, za které mohou nelineární jevy. Na rozdíl od normálních vln se solitony nikdy nespojí. Rychlejší vlna projde skrze pomalejší a předběhne ji.
Nedávno jsem byl na konferenci v portugalském Lisabonu. Přímo v městském parku byl vodotrysk z něhož voda odtékala úzkými kanály vedenými mezi květinami. Tolik nádherných solitonů už asi nikdy neuvidím!
Dnes solitony využíváme například při komunikaci po optických vláknech, kde světelné pulzy urazí beze ztráty tvaru tisíce kilometrů. Se solitony má mnoho společných vlastností také nebezpečná vlna tsunami. Známé jsou i solitony v plazmatu. Například Langmuirův soliton je pohybující se dutina vyplněná elektrickým polem.
V roce 2005 objevily družice Double Star v blízkosti čelní rázové vlny zemské magnetosféry podivné bubliny v magnetickém poli. Jedna je veliká několik tisíc kilometrů a je pravděpodobné, že jde opět o solitony.
Nad solitony dnes vědci neohrnují nos jako za dob Johna Russella. Solitony se v současnosti zabývá celá řada vědních oborů jako jsou nelineární elektrodynamika, biofyzika, fyzika elementárních částic nebo fyzika pevných látek.