Jak vědci dělali vlnky

„Pozoroval jsem pohyb lodi, kterou úzkým kanálem táhl pár koní, když tu náhle loď zastavila – ne tak vodní masa uvedená plavidlem do pohybu; ta se shromáždila kolem přídi lodi ve stavu prudkého vzedmutí a pak se náhle od něho odpoutala. Valila se vpřed velikou rychlostí, majíc tvar osamělého širokého hrbu; oblý, hladký a dobře určený vodní útvar pokračoval v běhu kanálem bez zjevné změny tvaru či snížení rychlosti. Následoval jsem vlnu na svém koni a viděl jsem, že se stále žene rychlostí osm až devět mil za hodinu, zachovávajíc původní formu asi třicet stop dlouhou a jednu či jeden a půl stopy vysokou. Výška vlny postupně klesala, než se mi po jedné nebo dvou mílích ztratila v záhybech kanálu. Takové bylo v měsíci srpnu 1834 moje první setkání s tímto výjimečným a krásným jevem.“

Tak popsal pozorování solitonové vlny na Union kanálu v Edinburghu před 161 lety skotský inženýr John Scott Russell, věhlasný konstruktér lodních trupů a zanícený vědec (poprvé experimentálně ověřil Dopplerův jev – změnu frekvence vlnění, např. zvuku, při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele). Po pozorování podivné vlny Russell prováděl v nádrži na své zahradě experimenty, kterými ukázal neobyčejnou stabilitu solitonové vlny v mělké vodě. Věřil, že objevil významný jev, a dnešní věda mu dává za pravdu.

Solitonové vlny, dlouho pokládané za pouhou kuriozitu, jsou dnes dobře matematicky popsány jako nelineární vlnění a uvádějí se jako typický příklad nelineárního fyzikálního jevu. Solitonové světelné pulzy se například využívají pro rychlé a téměř bezztrátové šíření signálů v optických vláknech. (V tomto případě nelineární vlastnosti skla vyrovnávají rozšiřování pulzu v důsledku disperze – tedy toho, že různé frekvence světla se šíří různě rychle.)

Letos během letní konference o nelineárních vlnách ve fyzice a biologii, která se konala na Heriotově-Wattově univerzitě v Edinburghu, provedli zúčastnění vědci rekonstrukci vlny, jakou pozoroval J. S. Russell. Experiment byl součástí slavnostního otevření nového akvaduktu, pojmenovaného právě po Russellovi (Nature 377, 373, 1995). Sláva nelinearitám!