Solitonid

1834. aastal nägi Briti insener ja laevaehitaja John Scott Russell Edinburghi lähedal veekanalil haruldast lainet. Hobused tõmbasid tempokalt paati läbi vee, kui ühel hetkel paat ja hobused peatusid. Kuid veevall paadi nina ees ei peatunud. Selle asemel liikus see piki kanalit edasi kiirusega umbes 4 meetrit sekundis. Olles ise sadulas, sai Russell sellele vallile, mis oli umbes 1/3 meetrit kõrge ja 10 meetrit lai (ulatudes üle kanali), järgneda umbes 3 kilomeetrit, enne kui ta selle „kanalikeerise” silmist kaotas. Ta oli üllatunud, et laine ei tundunud edasi liikudes vaibuvat. Kui astuda ojasse, vaibuvad lained, mida astuja tekitab, üsna kiiresti ja kindlasti ei levi need mitme kilomeetri kaugusele isegi tasasel veepinnal. Mis oli Russelli laines nii erilist?

Vastus Kui paat liigub läbi kanali kiiremini kui lained veepinnal, hakkab paadi nina vett enda ette valli kuhjama. Kui paadi kiirus on vaid veidi lainekiirusest suurem, tekib hulk selgesti eristatavaid laineharju ja nõgusid. Kui paat liigub veelgi kiiremini, siis orud täituvad ja kokku lükatud vesi muutub üheks esileulatuvaks valliks, mida nimetatakse solitoniks.

Russell nägi solitoni, mille tekitas järsult peatunud paat. Sellise laine matemaatiline tagapõhi on tõsiselt keeruline, kuid laine ise on lihtne. Tavaliselt sorteeruvad läbi vee liikuvad lained lainepikkuste järgi protsessis, mida tuntakse dispersioonina. Seega, kui sulpsatus saadab välja suure hulga erineva lainepikkusega laineid, siis lained hajuvad laiali ning hääbuvad kaugemale jõudes. Solitonis võimendab laine ise veepinna häiritust, vältides dispersiooni ja säilitades nii laine kuju. Tegelikkuses peaks soliton levima väga kaugele, sest see kaotab energiat väga aeglaselt, seda põhjustab vee väike viskoossus (sisemine hõõrdumine).

Tavalises laines liigub veehulk ringi- või ellipsikujuliselt, kuid seda ei kanta laine liikumise suunas edasi. Näiteks kui visata kivi lainete tekitamiseks tiigivette, siis liiguvad tegelikkuses ainult lained ja mitte vesi ise. Soliton on teistsugune, sest ta tõesti viib vett endaga kaasa. Et seda näidata, tekitas Russell mitme hobustega veetava paadi abil mööda pikka kanalit liikuvaid solitone. Ta avastas, et vee sügavus suurenes kanali kaugemas otsas ja vähenes (sama palju) lähemas otsas.