Уравнение синус-Гордона

Уравнение синус-Гордона — это нелинейное гиперболическое уравнение в частных производных в 1 + 1 измерениях, включающее в себя оператор Даламбера и синус неизвестной функции. Изначально оно было рассмотрено в XIX веке в связи с изучением поверхностей постоянной отрицательной кривизны. Это уравнение привлекло много внимания в 1970-х годах из-за наличия у него солитонных решений.

Происхождение уравнения и его названия 
Существует две эквивалентные формы уравнения синус-Гордона. В (вещественных) координатах пространство-время, обозначенных (x, t), уравнение имеет вид

 

При переходе к координатам светового конуса (u, v), близким к асимптотическим координатам, где

 

уравнение принимает вид

 

Это исходная форма уравнения синус-Гордона, в которой оно было рассмотрено в XIX веке в связи с изучением поверхностей постоянной гауссовой кривизны K = −1, также называемых псевдосферами. Выберем систему координат, в которой координатная сетка u = const, v = const задаётся асимптотическими линиями, параметризованными длиной дуги. Первая квадратичная форма данной поверхности в таких координатах примет специальный вид:

 

где φ — угол между асимптотическими линиями, и для второй квадратичной формы, L = N = 0. Тогда уравнение Петерсона ― Кодацци, отражающее условие совместимости между первой и второй квадратичными формами, приводит к уравнению синус-Гордона. Изучение этого уравнения и соответствующих преобразований псевдосфер в XIX веке Бьянки и Бэклундом привели к открытию преобразований Бэклунда.

Название «уравнение синус-Гордона» — каламбур на тему хорошо известного в физике уравнения Клейна — Гордона:

 

Уравнение синус-Гордона является уравнением Эйлера — Лагранжа для лагранжиана

 

Используя разложение в ряд Тейлора косинуса

 

в данном лагранжиане, он может быть записан как лагранжиан Клейна — Гордона плюс члены более высокого порядка

Солитоны 
Интересное свойство уравнения синус-Гордона — существование солитонных и многосолитонных решений.

Односолитонное решение 
Уравнение синус-Гордона имеет следующие односолитонные решения:

 

где

 

Односолитонное решение, для которого мы выбрали положительный корень для , называется кинк и представляет виток по переменной , который переводит одно решение  в смежное . Состояния  известны как вакуумные, так как они являются постоянными решениями нулевой энергии. Односолитонное решение, в котором мы взяли отрицательный корень для , называется антикинк. Форма односолитонных решений может быть получена посредством применения преобразования Бэклунда к тривиальному (постоянному вакуумному) решению и интегрированию получившихся дифференциальных уравнений первого порядка:

 

 

Односолитонные решения могут быть визуализированы посредством синус-гордоновской модели упругой ленты. Примем виток упругой ленты по часовой стрелке (левовинтовой) за кинк с топологическим зарядом . Альтернативный виток против часовой стрелки (правовинтовой) с топологическим зарядом  будет антикинком.

Двухсолитонные решения 
Многосолитонные решения могут быть получены посредством непрерывного применения преобразования Бэклунда к односолитонному решению, как предписывается решёткой Бьянки, соответствующей результатам преобразования. 2-солитонные решения уравнения синус-Гордона проявляют некоторые характерные свойства солитонов. Бегущие синус-гордоновские кинки и/или антикинки проходят сквозь друг друга как полностью проницаемые, и единственный наблюдаемый эффект — фазовый сдвиг. Так как сталкивающиеся солитоны сохраняют свою скорость и форму, такой вид взаимодействия называется упругим столкновением.

Другие интересные двухсолитонные решения возникают из возможности спаренного кинк-антикинкового поведения, известного как бризер. Известно три типа бризеров: стоячий бризер, бегущий высокоамплитудный бризер и бегущий малоамплитудный бризер.

Трёхсолитонные решения 
Трёхсолитонные столкновения между бегущим кинком и стоячим бризером или бегущим антикинком и стоячим бризером приводят к фазовому сдвигу стоячего бризера. В процессе столкновения между движущимся кинком и стоячим бризером сдвиг последнего  даётся соотношением

 

где  — скорость кинка, а  — частота бризера. Если координата стоячего бризера до столкновения — , то после столкновения она станет .

Связанные уравнения 
Уравнение шинус-Гордона:

 

Это уравнения Эйлера — Лагранжа для лагранжиана

 

Другое тесно связанное с уравнением синус-Гордона — это эллиптическое уравнение синус-Гордона:

 

где  — функция переменных x и y. Это уже не солитонное уравнение, но оно имеет много похожих свойств, так как оно связано с уравнением синус-Гордона аналитическим продолжением (или поворотом Вика) y = it.

Эллиптическое уравнение шинус-Гордона может быть определено аналогичным образом.
Обобщение даётся теорией поля Тоды.

Квантовая версия 
В квантовой теории поля модель синус-Гордона содержит параметр, который может быть отождествлён с постоянной Планка. Спектр частиц состоит из солитона, антисолитона и конечного (возможно, нулевого) числа бризеров. Число бризеров зависит от данного параметра. Множественные рождения частиц сокращаются на уравнениях движения.

Квазиклассическое квантование модели синус-Гордона было осуществлено Людвигом Фаддеевым и Владимиром Корепиным. Точная квантовая матрица рассеяния была открыта Александром и Алексеем Замолодчиковыми. Данная модель s-дуальна модели Тирринга.

В конечном объёме и на луче 
Также рассматривают модель синус-Гордона на круге, отрезке прямой или луче. Возможно подобрать граничные условия, которые сохраняют интегрируемость данной модели. На луче спектр частиц содержит пограничные состояния кроме солитонов и бризеров.

Суперсимметричная модель синуса-Гордона 
Суперсимметричный аналог модели синус-Гордона также существует. С таким же успехом для него могут быть найдены сохраняющие интегрируемость граничные условия.

Примечания

Ссылки 
 Polyanin A. D., Zaitsev V. F. Handbook of Nonlinear Partial Differential Equations. Chapman & Hall / CRC Press, Boca Raton, 2004.
 Rajaraman R. Solitons and instantons. North-Holland Personal Library, 1989.

Дифференциальная геометрия поверхностей
синус-Гордона
синус-Гордона