摘要：一种能够长时间保持其形状和运动方向的波——近两个世纪以来一直吸引着物理学家们的关注。在现实世界中，这些波最终会由于能量损失而消亡。阿姆斯特丹大学的一个物理学家团队如今发现了一种特殊类型的相互作用，即使在能量不守恒的情况下，也能用来产生非常稳定的孤子。

一种能够长时间保持其形状和运动方向的波——近两个世纪以来一直吸引着物理学家们的关注。在现实世界中，这些波最终会由于能量损失而消亡。阿姆斯特丹大学的一个物理学家团队如今发现了一种特殊类型的相互作用，即使在能量不守恒的情况下，也能用来产生非常稳定的孤子。

1834年，约翰·斯科特·罗素在苏格兰的联合运河上观察到一个不寻常的现象：一艘行驶中的船停下来后，它引起的水波仍然继续在运河中移动，速度和形状几乎保持不变。

直到1895年，荷兰数学家迪德里克·科特韦格（Diederik Korteweg）和古斯塔夫·德·弗里斯（Gustav de Vries）的研究，花了半个多世纪的时间才从数学角度详细解释罗素观察到的现象。罗素观察到的是一种“孤立波”，也就是现在人们所熟知的孤子现象。

如今，我们知道，这样的孤子不仅存在于浅水中，也存在于光学、磁场以及波动现象发挥作用的许多其他物理学分支中。与典型的扩散和衰减的波不同，孤子像粒子一样传播，在长距离上保持其波状形状。

然而，在现实世界的系统中，摩擦或能量输入不可避免，理想孤子通常无法存活。如果拉塞尔一直跟随船引起的波浪，最终它会消失。

不对称相互作用

阿姆斯特丹大学的一组物理学家在本周发表于《物理评论X》上的最新研究中，解决了在这种非理想的现实条件下稳定孤子的挑战。

沿着阿姆斯特丹大学前辈科特韦格和德弗里斯的脚步，第一作者乔纳斯·维恩斯特拉和他的六位合作者现在已经找到了一种方法来创造一种特殊的孤子，称为“呼吸”孤子，并且即使在能量不守恒的系统中也能长时间维持它。

为了实现这一目标，在课题组长 Corentin Coulais 的实验室中，研究人员构建了一个由“主动机械振荡器”组成的系统。“主动机械振荡器”是指可以旋转的小杆，由通过橡皮筋连接的独立微型马达驱动。当一个振荡器开始运动时，其相邻的振荡器也会运动，这样就可以形成波，包括孤子波。

实验中使用的特定振荡器具有一个有趣的特性：它们可以以非互易的方式相互影响。也就是说，一个振荡器对其相邻振荡器的影响与相邻振荡器对原始振荡器的影响不同。

当物理学家们探索这些非互易相互作用如何影响孤子行为时，他们发现这种不对称性是长寿命孤子的关键。这种不对称性使得孤子波能够加速，然后稳定下来，保持恒定的运动，而不会失去其形状或能量。

从观察到应用

对于所谓的“呼吸”孤子，这种行为一直以来都很难实现，因为它们在移动时会不断改变形态。这一次，研究人员看到的正是如此：一个持续的、呼吸的孤子。

虽然这并不是全新的——该团队六年前就已经通过实验观察到了第一个呼吸孤子——但从那时起，他们开发了一种新的、更精确的实验装置，以确定呼吸孤子在非互易性下以稳定方式传播的确切条件。

结果表明，即使在能量损失的系统中，也存在着稳定且长寿命的孤子。这不仅仅是一个可以在实验室中观察到的漂亮现象，类似于两个世纪前罗素在运河中观察到的第一个孤子。

持续孤子波非常有用：它们可以用来高效地传输信号或能量，这使得它们在传感器、能量收集设备和机器人系统中的应用前景广阔。

考虑到这些现实世界的应用，Veenstra 和同事目前正试图超越单纯的振荡器链，研究类似的波在非互易振荡器的二维表面中的行为。

展望未来，他们的研究为依赖稳定、自持波动的智能材料工程开辟了新的可能性——这是朝着在各种动态环境中可靠运行的自适应系统迈出的一步。

来源：老何说科学