形狀不變、能一路前進的波,為什麼不會崩潰?
― 在運河邊,有位技師騎馬追著一道波浪
一般的波,前進時不是逐漸攤平,就是前緣變陡而崩潰。但有時候,單單一座水丘,能在形狀和速度都不變的情況下,前進好幾公里。1834年,有位技師騎馬追上了這座波,而這個「不可能的波」的真面目,花了130年才解開。
1834年8月,蘇格蘭愛丁堡附近的一條運河。兩匹馬從岸邊拉著一艘細長的船前進。年輕的造船技師約翰.史考特.羅素,正為了研究船形與水的阻力而觀察這一幕。
當船突然停下時,原本被船首推出去的水,聚成一團圓丘狀,向前竄出。水丘拋下了船,沿著運河一路直直前進。
羅素跳上馬追了上去。水丘以時速約13〜14公里前進,追了1.5〜3公里左右後,據記錄,在運河的彎道處失去了蹤影。在這段期間,水丘的形狀幾乎沒有改變。
這道波為什麼能保持形狀?理由只有兩個
淺水波的特性是,水愈深的地方波走得愈快。水丘的頂部,相當於比丘底的水更深。所以頂部會想追上前面,使水丘的前側愈來愈陡。放著不管的話,就會像海灘上的波浪一樣往前崩潰。
另一方面,寬度窄的水丘,放著不管的話,會橫向擴散而變低。這是因為愈細小的波,前進速度的差異愈大。這個效應則會使水丘趨於平緩。
「前側變陡」與「橫向擴散」。這兩種相反的傾向,剛好互相抵消時,水丘就能既不崩潰也不擴散地持續前進。羅素看到的,正是這種平衡恰巧成立的波。
愈高的水丘,速度愈快,形狀也愈窄
羅素忘不了自己看到的這道波,據說還在自家庭院裡建了一座長約9公尺的水槽,反覆重現這座水丘。他透過實驗發現,水丘前進的速度是由「水深+水丘高度」決定的。水丘愈高,前進得愈快。
請看圖1。水深固定在1.2公尺,水丘高度可以用旋鈕調整。調高之後,速度會上升,同時水丘的寬度會變窄。高度、寬度、速度並非各自獨立決定,而是「這個高度的孤立波,對應的寬度和速度就是這樣」成套決定的。
花了130年才確認的「真面目」
1844年,羅素把這道波命名為「平移大波」並發表報告。然而,當時的一流學者並未立即接受,因為「波前進時形狀會改變」是當時的常識。
轉機出現在1895年。荷蘭的柯特維格與德弗里斯建立了描述淺水波的方程式。這個方程式裡,確實包含了形狀不變、持續前進的水丘解。羅素的觀察,在理論上也是正確的。只不過,羅素在那之前13年就已經過世了。
再過70年後的1965年,美國的扎布斯基與克魯斯卡爾用電腦解出了這個方程式。結果發現,兩座水丘即使碰撞,穿過彼此後仍會維持原本的形狀繼續前進。因為表現得像粒子一樣,兩人便將其命名為「孤子(soliton)」。
圖2是這篇文章的重點。只有左邊的傾向,波就會崩潰;只有中間的傾向,波就會變平而消失。只有在高度和寬度恰好搭配時,才會像右邊那樣兩者互相抵消。圖1中改變高度時寬度也跟著變,正是為了維持這種平衡。
在澳洲北部,每年9〜10月左右,長達數百公里的筒狀雲,有時會在清晨的天空中排成一列前進。這種被稱為「晨光雲」的雲,被認為是空氣中傳播的孤立波,以雲的形狀顯現出來。在海裡,巨大的孤立波也會沿著不同密度水層的交界前進。從太空觀看海面時,有時也能拍到這種痕跡。
光訊號在細細的光纖中傳播時,也會逐漸擴散而變模糊。1973年,日本的長谷川晃等人用理論證明,光也能形成孤子。這和運河裡的水丘一樣,是讓「變模糊的傾向」與「收縮的傾向」互相平衡的構想。
總結
一般的波,不是前側變陡而崩潰,就是橫向擴散而消失。在淺水中,這兩種傾向恰好方向相反。當高度和寬度搭配得宜時,兩者會互相抵消,單獨一座水丘就能維持形狀持續前進。羅素騎馬追逐運河波浪的觀察,在130年後,成了物理學一門新領域的起點。
不崩潰的波,並不是因為強大。
只是崩潰的力量,和模糊化的力量,恰好打成平手而已。
關於波向前崩潰的話題,請參見海浪,最高能有多高?;關於水深改變波速的話題,則在海浪,為什麼總是幾乎平行岸邊打上來?中有詳細說明。
- 在細長的容器(收納箱,或浴缸較長的那一側)裡,注入約3〜5公分深的淺水。
- 在一端立起一塊墊板或木板,快速地只往前推一次就停住。你會看到單獨一座隆起,向另一側前進。
- 接著用力推,做出一座高的水丘。比較到達對面牆壁所花的時間,高的水丘應該會稍微快一點抵達。
水注得愈深,水丘前進愈快,差異也愈不明顯。愈淺愈容易觀察。為了不弄濕地板,建議在浴室裡嘗試。
想知道更多 ― 用語、公式、與教科書的連結從國中理化到大學專業科目,會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中+高中的延伸內容,或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(流體力學、非線性物理學)的內容
- 研究中即使在大學也不會當作「定論」來教,是研究者目前正在探討的話題
國中用語:這個現象是有名字的
- 孤立波:前後不伴隨其他波浪、單獨一座水丘前進的波。
- 孤子(soliton):保持形狀前進、即使與其他孤子碰撞形狀也會恢復的孤立波。1965年被命名。
- 淺水波:相對於波長而言水深較淺時的波。速度只由水深決定,愈深前進愈快。
國中高中用公式驗證:羅素看到的波,速度究竟有多快
這裡使用羅素從水槽實驗中找到的孤立波速度公式。由於運河的確切深度不明,這裡假設水深為1.2公尺,代入記錄中水丘的高度(約0.4公尺),來確認是否與騎馬追逐時的速度相符。
| 用符號表示 | c = √( g × ( h + a ) ) |
| 用文字表示 | 孤立波速度 = 重力加速度 ×(水深 + 水丘高度)的平方根 |
| 公式的由來 | 這是羅素從水槽實驗中找到的經驗公式。將淺水波速度 √( g × h ) 中的「水深」,換成「到水丘頂部的深度」。後來也從KdV方程式中,作為水丘較低時的近似解被推導出來。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| c | 孤立波前進速度(m/秒) |
| g | 重力加速度(m/秒²) |
| h | 沒有水丘時的水深(m) |
| a | 從原本水面算起的水丘高度(m) |
| 重力加速度 g | 9.8 m/秒² |
| 水深 h(假設值) | 1.2 m |
| 水丘高度 a | 約 0.4 m(記錄為30〜45公分) |
| 羅素追上時的速度 | 據稱約為時速13〜14公里 |
| 到水丘頂部的深度 | 1.2 + 0.4 = 1.6 m |
| 乘上重力加速度 | 9.8 × 1.6 = 15.68 |
| 其平方根即為孤立波速度 | 15.68 的平方根約為 3.96 m/秒 |
| 換算成時速 | 3.96 × 3.6 ≒ 14.3 km |
| 比較:極低的水丘 | 9.8 × 1.2 = 11.76 |
| 其平方根 | 11.76 的平方根約為 3.43 m/秒 |
| 高度造成的速度增幅 | 3.96 ÷ 3.43 ≒ 1.15 |
孤立波的速度換算約為時速14公里,與羅素騎馬追逐時的時速13〜14公里相當吻合。即使在同一條水道裡,高度0.4公尺的水丘,速度也比低波快約15%。這個「愈高愈快」的特性,正是圖2中①、也就是前側變陡傾向的根本原因。
高中高中+波速是由什麼決定的
高中高中物理學到:波速=頻率×波長。在一般的波裡,水丘的高度(振幅)被視為與速度無關。而孤立波,正是這個前提不成立的特殊波。
高中+速度隨振幅改變的特性稱為「非線性」,隨波長改變的特性稱為「色散」。非線性會使水丘變陡,色散則會使水丘擴散。孤立波,正是這兩者互相平衡的波。因此,高度 a 與寬度的大致指標 L 之間,存在 L = √( 4h³ ÷ 3a ) 這樣的關係。圖1中的旋鈕,也是依據這個關係來繪製寬度的。
大學KdV方程式與逆散射法
淺水中微弱的非線性波,可以用KdV方程式(柯特維格-德弗里斯方程式)來表示。這是一個各含一項非線性項與色散項的偏微分方程式,孤立波解的形式是使用雙曲函數的 sech² 型。1967年,加德納等人找到了嚴格求解這個方程式的逆散射法,使「可積系統」這個領域大為擴展。光纖中的光孤子,則是用非線性薛丁格方程式來處理。
📖 公式推導與更深入的內容:維基百科「KdV方程式」 / 維基百科「孤子」
研究中目前尚未完全弄清楚的事
- 海中巨大孤立波的作用。 沿著水層交界前進的孤立波,被認為會混合深水與淺水、搬運養分。但它對整體海洋混合的貢獻有多大,目前仍在估算中。
- 晨光雲的形成方式。 目前較有力的說法是海風互相碰撞所形成。雖然每年都在同一地點發生,但決定出現與不出現的條件,仍未完全釐清。
- 孤子與突發巨浪。 有研究嘗試用非線性波的集合,來解釋外海突然出現的異常高浪中的一部分。這套解釋在多大程度上適用於實際海洋,目前仍在討論中。
也就是說,這篇文章的內容,也是「目前已知範圍內的說明」。從運河裡一道波浪開始的提問,至今仍在海洋、天空與光之中延續。
與教科書的連結(依程度)
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・聲音與波的傳播方式 | 水丘形狀不變地前進的觀察 |
| 高中 | 物理・波的性質、平方根計算 | 「用公式驗證」中的速度計算 |
| 高中+ | 物理・波的延伸(色散與非線性) | 圖2中變陡與擴散的傾向 |
| 大學 | 流體力學・非線性物理學 | KdV方程式、逆散射法 |
| 研究中 | 海洋物理學・氣象學 | 海中孤立波、晨光雲 |
| ― | 與生活的連結 | 光纖通訊、溯溪而上的潮波觀賞 |
- J. S. Russell, Report on Waves, Report of the 14th Meeting of the British Association for the Advancement of Science(1844)
- D. J. Korteweg & G. de Vries, On the change of form of long waves advancing in a rectangular canal, and on a new type of long stationary waves, Philosophical Magazine(1895)
- N. J. Zabusky & M. D. Kruskal, Interaction of "Solitons" in a Collisionless Plasma and the Recurrence of Initial States, Physical Review Letters(1965)
- 維基百科「孤子」(ソリトン)
- 和達三樹《非線形波動》岩波書店(日文書籍)
※本文為大眾科學解說文章。文中數值僅為幫助理解原理的參考估算值。羅素觀察的數值為根據其本人記錄的概略值,運河水深則為假設值。