Волна
Материал из Википедии — свободной encyclopedia
Волна — изменение некоторой совокупности физических величин (характеристик некоторого физического поля или материальной среды), которое способно перемещаться, удаляясь от места своего возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства[1].
Волновой процесс может иметь самую разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова — Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромной кислотой HBrO3), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д. Как правило, распространение волны сопровождается переносом энергии, но не переносом массы.
Многообразие волновых процессов приводит к тому, что никаких абсолютных общих свойств волн выделить не удаётся[1]. Одним из часто встречающихся признаков волн считается близкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае[уточнить] может отсутствовать и оно[1].
Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих их физических законов[1]. Об этих законах говорят в таком случае как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производных в фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений[1]. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.
Считается, что физические волны не переносят материю. Однако, строго говоря, это утверждение справедливо для линейных волн (гармонических волн бесконечно малой амплитуды). Для волн конечной амплитуды начинают проявляться нелинейные эффекты, которые могут приводить к появлению дрейфа вещества. Причиной возникновения дрейфа может быть ненулевая амплитуда колебательного движения частиц среды около положений равновесия под действием гармонической волны конечной амплитуды, это явление получило название дрейф Стокса[2] (Stokes drift). Более строгий анализ учитывает отклонение профиля волны от гармонического, в этом случае также могут наблюдаться потоки частиц среды, индуцированные волнами[3][4]. Стоит отметить, что во всех указанных случаях, величина дрейфа быстро (квадратично) уменьшается с уменьшением амплитуды волн. Для периодических волн малой амплитуды дрейфом можно пренебречь. По иному обстоит ситуация с уединенными волнами – солитонами. Перенос вещества является неотъемлемым (фундаментальным) свойством классических солитонов, параметры которых описываются КдВ уравнением[5][6][7]. Перенос имеет форму сдвига, т.е. классические солитоны при движении сдвигают среду в направлении своего движения на конечное расстояние (несколько радиусов Дебая для ионно-звукового солитона). В случае солитонов дистанция переноса (смещения) очень медленно уменьшается с уменьшением амплитуды солитона (пропорционально корню квадратному из амплитуды волны[5]). Следовательно, перенос вещества следует учитывать для солитонов любой амплитуды. Возможны другие варианты, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Примером таких волн может служить нестационарное излучение газа в вакуум, волны вероятности электрона и других частиц, волны горения, волны химической реакции, волны плотности реагентов / транспортных потоков[источник не указан 3786 дней].