§6. 非线性方程的共存解及其相互作用

根据前面讨论的孤波结构特征可以知道,孤波经过之处的空间度量 —— 非指孤波自身引起的度量 —— 的任何非欧几里德变化都会影响孤波的运动状态,亦即偏离惯性运动,这样便产生力学现象。孤波在卍时空理论中将扮演物质根本粒子的角色,孤波之间若不存在相互作用,则等于是不能被探测到的幽灵粒子。既然粒子由时空波动产生而非独立于时空之外,那么就不能设想从时空之外为这些粒子引进一整套力学法则。

实际上,波动方程的非线性既可以产生孤波,也可以产生相互作用。现在先就一般的非线性算子作一个简单的讨论。

为某个微分方程的算子,而f1f2为此方程的两个独立解,亦即同一时刻给定不同初始条件得到的解,而且

   以及                   4-60

若对于f1+f2

                  (4-61)

是线性算子。此式说明f1f2两解共存情况下与各自单独存在情况下并无差别,每个解并不因为另一解共存而发生任何改变。这就意味着两解之间没有相互作用。

如果算子不满足(461),即

                     (4-62)

为非线性算子。其实这就说明共存解会互相影响。考虑到每个独立解都是定义在一定时空域上的函数如,表示此时空域上的某种规律,以后称方程所有解的定义域之和为此方程的统治域。如果一个非线性方程在其统治域上只允许一个独立解存在,那么此方程代表的规律并无实际意义。因为实际规律都具有一定的普遍性,至少要适用于两个以上独立事物。

实际上,在(462)式的条件下,若将算子依和式f1+f2展开,则会得到一个新的算子 ,即

,                       (4-63)

一般结构不同,其特征是关于f1f2对称。如果能使

                           (4-64)

成立,则虽然是非线性算子,仍然可以实现

.                            

方程(4-64)称为原方程的相互作用方程,它描述共存解的相互依存系,也构成原方程的定解条件之一。这个理论实际上深刻地揭示了力学的本质。

作为一个例子,现在来求孤立子理论的Kortweg-deVries(K-dV)方程的相互作用方程。K-dV方程为:

                      (4-65)

下标tx表示偏微商。设u(t,x), v(t,x)为其两个独立解,现以u + v代入算子并展开:

  (4-66)

亦即

                  4-67

显然,若方程

                       (4-68

成立,则可使得u + v也是K-dV方程的解,即有

                     (4-69)

468)就是K-dV方程的相互作用方程。

若有更多的独立解共存,则(468)将增加项数以包含所有独立解的两两混合积。而所有独立解定义域之和就是K-dV方程的统治域。