§7. 孤波的相互作用

表达式(466)之中曾分离出两个完整的算子,从而使相互作用方程得以简化。但是对于卍时空波动方程(429)的相互作用方程就一般不能进行这种分离,因而共存解的相互作用方程不会呈现简单的形式。波动方程(429)的非线性主要来源于度量张量时的分量。表达式(429)显示出实际上是一个一阶非线性偏微分算子,分析这个算子的非线性,就可判断共存孤波解之间的相互作用状况。

设有两个独立的孤波解,二者共存情况下度量

亦即

                                    4-70

可以直接验证=1,而当,式中,现在来看一看A、B两波相离的情况下,(470)会变成什么样子。

(图4-5

45中,弧波期相离,其相边界不相交。这种情况下,在不恒为零的地点,必恒为零,反之亦然。于是(470)式中A、B混合积的所有项均变为零。于是(470)式变成

 (4-71)

对于同样理由,又可写成

 (4-72)

由于=1与相互作用无关,故不必考虑在内。于是上式就表示:

                     (4-73)

此式说明两孤波之间并无相互作用。

然而就这种相离的情况而言,孤波之间实际上应该普遍地存在相互作用。如果考虑到孤波对其相边界之外的空间会有影响,就可以解释这种相互作用。实际上,假设相边界W上任一点P(),其上的波函数为

,                      (4-74)

宗量之中只有 t 不是常数,因此随时间 t 的波动过程会在相边界每一点上全部实现,从而必然对相边界外部的自由空间产生扰动。这一周期性扰动若以线性波方式传播出去,则其所到之处必引起度量波动,从而影响其它弧波的运动。这种线性波将被称为孤波的溢出。显然溢出波的频率应该等于相波前的胀缩频率,这使得整个情况很象敲打一个钟而使远处的另一个钟发生共振一般,理论上应该只有轨道频率相同的孤波才会互相影响,而且,仅限于库伦类型的相互作用,因为溢出波波前总曲率必然与距离平方成反比。

考虑溢出的情况下,前述度量表达式(470)之中,A、B二者必有一个是溢出波。如果求的孤波解,则只有溢出波会与 叠加。而溢出波可以看作是已知的线性波,它引起的度量波动亦可看成是已知的。于是(470)就描述了溢出波对弧波的作用,反之亦然。图45用虚线弧表示的溢出波波前。

另一种情况是两个孤波相交,亦即两个相边界相交。这种情况下,

(图4-5

度量(470)不能被简化。代入波动方程后将得到一个繁杂的相互作用方程,(473)亦不成立,因此必有相互作用存在。从图46可以看出,对每个孤波而言,相交部份意味着中心对称条件被破坏,相边界的球形发生畸变,从而两个孤波必须重新组织成一个统一体系,包括两个变形孤波及其相对非惯性运动——即相互作用在内。而这种情况下的相互作用则不必遵守库伦平方反比定律。由此可以看出,这里所谓外力实际上是共存解的非线性现象。

总而言之,在满足共存解相互作用方程的条件下,孤波解之中应该包含了相互作用下的运动。加速运动看起来象是有外力作用,本质上却和惯性运动一样是孤波自己运动,是每一个非线性共存解的本具属性。