Осциллоны⁠⁠

Представьте себе кучки песка, которые притягиваются и отталкиваются подобно электрическим зарядам. Основываясь на бытовом опыте, вряд ли можно признать существование подобного явления, однако оно действительно было обнаружено два десятка лет назад. Итак, осциллон - нелинейная волновая структура, обладающая специфичными свойствами.

История открытия

Открытию осциллонов предшествовали эксперименты Фарадея по изучению свойств сыпучих веществ. Фарадей исследовал поведение порошка, находящегося под действием вибрации со стороны подложки. Им было обнаружено, что порошок может собираться в кучки различного размера, которые называют «кучками Фарадея». Кроме этого, он наблюдал образование устойчивых структур разной геометрии на поверхности гранулированного материала (полосы, дорожки, ячейки, кинки).

В настоящее время подобные структуры считаются хорошо изученными (диссипативные структуры).

Вплоть до недавнего времени, никаких принципиально новых режимов в таких системах не было найдено. Однако, в 1996 году Пол Амбенхауэр, работавший в университете Техаса в Остине, опубликовал работу по результатам своих экспериментов, в которой рассказывал об обнаружении ранее никем не описанного явления.

Эксперимент Амбенхауэра

Установка представляла собой контейнер цилиндрической формы с плоским дном, где были расположены бронзовые шарики одинакового диаметра меньше миллиметра. Контейнеру придавали вертикальные колебания частотой от 10 до 100 Гц. При глубине слоя до десятка частиц наблюдались все те явления, которые были изучены ранее.

Однако, продолжая увеличивать глубину, внезапно стали образовываться локализованные структуры. Они напоминали всплеск воды с одним важным отличием: после падения, этот всплеск не размазывался по поверхности, а образовывал кратер, после чего снова появлялся всплеск. Именно эти структуры Амбенхауэр назвал осциллонами. Таким образом, осциллон попеременно меняет свое состояние: кратер-пик-кратер-пик-...

Свойства осциллонов

Амбенхауэр отметил следующие свойства, которыми обладают осциллоны:

• осциллоны колеблются на частоте, в два раза меньшей, чем частота колебаний пластины (то есть, за одно колебание пластины осциллон один раз меняет свое состояние)

• осциллон, в отличие от других структур, обнаруживаемых на поверхности гранулированных материалов, является локализованной структурой (то есть, сам осциллон колеблется на половинной частоте, при этом все вокруг него продолжает колебаться с частотой колебаний пластины)

• осциллоны могут находиться в противофазе (на фотографии ниже один осциллон в состоянии пика - светлый, а второй в состоянии кратера - темный)

• осциллоны способны перемещаться.

Вышеперечисленные свойства выглядят вполне естественно. Но самые удивительные свойства осциллонов открываются при их взаимодействии друг с другом.

Ожидаемо, что если осциллон в состоянии пика столкнется с осциллоном в состоянии кратера, то они взаимоуничтожатся. Однако все оказалось совсем не так.

Два осциллона в противофазе притягиваются и образуют пару. Благодаря такому взаимодействию, осциллоны могут образовывать сложные структуры: цепи, тетрамеры, решетки.

Два осциллона в одинаковой фазе при этом отталкиваются.

Позднее, осциллоны были обнаружены и в других средах, в том числе на поверхности жидкостей.

Заключение

В настоящее время, экспериментально осциллоны обнаружены во многих средах: в сыпучих материалах, суспензиях, коллоидных смесях, неньютоновских жидкостях, в обычных жидкостях, в химических реакциях и даже в плазме. Также, осциллоны обнаружены в математических моделях и наблюдаются при математическом моделировании. Со стороны математики вопрос, судя по всему, решен, то есть выяснены условия, при которых математическая модель допускает наличие осциллонов. В целом же вопрос является открытым, так как отсутствуют математические модели, полученные из физических соображений и описывающих конкретные физические среды, в которых возникают осциллоны.