لقد غزل البحارة خيوطًا لقرون حول موجات شريرة هائلة يمكن أن تخرج فجأة من العدم لتنقلب سفن البحارة غير الحذرين. لم يصدقهم العلماء لأن القصص بدت متناقضة مع كل شيء آخر معروف عن الأمواج. ثم بدأت الكاميرات والأدوات الأخرى في التقاط دليل لا يمكن إنكاره على وجود موجات مارقة. تون فان دن بريمر، خبير في ميكانيكا الموائع ، يتحدث مع ستيفن ستروغاتز حول ما تعلمه العلم حول كيفية تشكل الموجات المارقة ، وما إذا كان من الممكن التنبؤ بها وكيف يمكن إعادة تكوين الموجات في المختبر.

استمع Apple Podcasts, سبوتيفي, Google Podcasts, الخياطة, TuneIn أو تطبيق البث المفضل لديك ، أو يمكنك ذلك دفقه من كوانتا.

النص الكامل

ستيفن ستروغاتز (00:03): أنا ستيف ستروغاتز ، وهذا هو فرحة لماذا، بودكاست من مجلة كوانتا يأخذك إلى بعض أكبر الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في الرياضيات والعلوم اليوم. في هذه الحلقة ، سوف نسأل ما الذي يسبب موجات الوحش في المحيط المعروفة باسم الأمواج المارقة. 

(00:20) عبر العصور البشرية ، كانت المحيطات تدور مع كل أنواع الأساطير. فكر في سفينة الأشباح Flying Dutchman التي اختفت خلال عاصفة في القرن السابع عشر وهي مجبرة الآن على الإبحار في البحار إلى الأبد. أو ثعابين البحر الزاحفة التي أقسم الصيادون أنها ظهرت على نحو خطير من على سطح الماء ، أو صفارات الإنذار في الأساطير اليونانية التي جذبت البحارة إلى وفاتهم بأغانيهم الهادئة والمغرية. نحن نعلم أن كل هذه الأساطير. لكن هناك لغزًا واحدًا في البحر ليس أسطورة ، ويمكن أن يكون مميتًا: موجات المارقة. هذه موجات عملاقة يبدو أنها تأتي من العدم. يمكنهم الاصطدام بالسفن أو ضرب منصات النفط. ونظرًا لأن المحيط كبير جدًا ، مع العديد من العوامل ، فمن الصعب حقًا دراسته لأنه من الصعب مشاهدته بالفعل. 

(01:08) واحد من أشهرها يسمى موجة دراوبنر. وقد ضربت منصة خط أنابيب الغاز دروبنر في بحر الشمال في عام 1995 ، ووصلت إلى ارتفاع مذهل يبلغ 25.6 مترًا ، أو 84 قدمًا. هذا يقارب حجم مبنى من ستة إلى ثمانية طوابق. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها قياس موجة مارقة بالأدوات. 

(01:30) من النادر التقاط موجة شريرة في المحيط الشاسع ، لذلك ما زلنا نعرف القليل عنها نسبيًا. لكن العلماء مثل تون فان دن بريمر يحاولون تغيير ذلك. يستخدم الدكتور فان دن بريمر برك الأمواج والنمذجة لدراسة الموجات المارقة في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا. وهو أستاذ مشارك في الهندسة المدنية وعلوم الأرض ، وزميل باحث أول في قسم العلوم الهندسية بجامعة أكسفورد. تون ، شكرًا جزيلاً على انضمامك إلينا اليوم للحديث عن الأمواج المارقة.

تون فان دن بريمر (02:01): شكرًا. إنه لمن دواعي سروري.

ستروغاتز (02:02): حسنًا ، أنا حقًا أتطلع إلى هذا. إنه موضوع رائع. دعونا نبدأ فقط بالمسألة الأساسية المتمثلة في توصيفها. ما الذي يجعل الموجة المارقة مارقة؟ مثل ، كيف تختلف عن أمواج المحيط العادية التي نراها على الشاطئ؟ أو أخبرنا بالمزيد عن حجمها. كيف يمكنهم السفر بسرعة.

فان دن بريمر (02:19): عادة ، لديك الكثير من الموجات ، أليس كذلك؟ لذا يمكنك مقارنة واحد بالآخر. وهذا بالفعل ما تفعله. لذلك تنظر في الأساس إلى توصيف ما نسميه حالة البحر. إذن هذا هو متوسط ​​ارتفاع الأمواج. ومن ثم يتم تعريف الموجات المارقة بأنها أكبر بكثير مما هو متوسط ​​الموجة في تلك الحالة البحرية. ولذا فإننا في الواقع نقول على وجه التحديد أن الموجة المارقة يتم تعريفها على أنها ضعف كمية تسمى "ارتفاع الموجة المهم". وارتفاع الموجة المهم هو في الأساس مقياس لمدى ضخامة الموجات في تلك النقطة الزمنية. وإذا تجاوزت موجتك ضعف ذلك ، فإننا نقول ، "أوه ، هذه الآن موجة شريرة."

ستروغاتز (02:55): هذا مثير للاهتمام. إنه نوع من الشذوذ بالنسبة لأي شيء ...

فان دن بريمر (02:59): يمكنك التفكير في الأمر كشيء ما ، كموجة غير طبيعية ، سواء بالمعنى الرياضي الدقيق - لدينا التوزيع الطبيعي - ولكن أيضًا في نوع من اللغة الشائعة ، أليس كذلك؟ لدينا التوزيع الطبيعي للموجات ، وهذا شيء بعيد جدًا عن الطبيعي. أكبر بكثير مما تتوقعه. 

(03:14) لكن بالطبع ، عليك أن تكون حذرا مع ذلك لأن ما تتوقعه يعتمد على طول المدة التي تنتظرها. لذا فإن الأمواج تأتي وتذهب ، أليس كذلك؟ تحدث في كل وقت. هذا يعني أنه إذا انتظرت لفترة طويلة ، فستكون لديك دائمًا موجة شريرة. إنه مجرد سؤال حول المدة التي ترغب في الانتظار فيها. والموجات المارقة هي في الأساس موجات عليك الانتظار لفترة طويلة من الزمن.

ستروغاتز (03:34): ما هي تلك العبارة التي استخدمتها سابقًا؟ ارتفاع الموجة المميزة؟

فان دن بريمر (03:37): نسمي هذا ارتفاع الموجة المهم. في أي نوع من الوصف الإحصائي ، لديك الانحراف المعياري ، أليس كذلك؟ إنه عرض - إذا كان لدي عينة ، أود أن أصف تلك العينة ، على سبيل المثال ، من ارتفاع الإنسان ، أليس كذلك؟ لدي إحساس بمتوسط ​​الطول ، لكن لدي أيضًا إحساس بالتباين في تلك المجموعة السكانية. بمعنى التباين ، أو تباين السطح ، هو ارتفاع الموجة الكبير ، ما حجم الموجات عادةً. يسمى ارتفاع الموجة الكبير.

ستروغاتز (04:03): لماذا كان من المستحيل على العلماء في الأيام الخوالي تصديق حكايات البحارة عن الأمواج المارقة؟

فان دن بريمر (04:08): ما عليك أن تتخيله هو ، كما تعلم ، أننا ندرس السماء ، وفي الواقع ، الفضاء الخارجي لبعض الوقت ، وكان الأمر سهلاً نسبيًا. لكن المحيط أصعب بكثير. يمكننا دراسة هذا فقط من السفن أو من عوامات الأمواج أو من الساحل. وإذا درست أشياء من الساحل ، كما تعلم ، فأنت تتعلم فقط أشياء عن المنطقة المجاورة مباشرة. لذا فإن كل شيء يأتي ، بشكل أساسي ، من أعماق المحيطات ، من سطح أعماق المحيطات ، أتى من السفن. لقد كانت تلك حكايات البحارة. 

(04:33) ومن الصعب للغاية ، بالطبع ، أخذ قياس من جسم متحرك. لديك سفينة ، وعليك أن تأخذ القياس. لذلك كان كل ذلك نوعًا ما من القصص. ولم يكن الأمر كذلك حتى بداية السبعينيات والثمانينيات عندما بدأ التنقيب عن النفط ، وبدأنا في البناء في أعماق المحيط على منصات - لذلك ، هياكل ثابتة يمكننا من خلالها قياس الأشياء بشكل موثوق. وهذه هي أيضًا الطريقة التي تم بها قياس موجة دراوبنر. تم قياسه من منصة Draupner ، وهو مكان في بحر الشمال النرويجي حيث لن تقوم عادة بإجراء قياسات. ولكن الآن لديك منصة خارجية. وهذا يمنحك فرصة لأخذ هذه القياسات. 

(05:07) هذا المجال هو مجال توقعه الناس أو توقعوا حدوث ذلك ، لكن لم تكن هناك أي بيانات فعلية حتى هذه النقطة في التسعينيات. حديث بالفعل ، إذا أردت. عند هذه النقطة ، حصلنا أخيرًا على قياس حيث قلنا ، "حسنًا ، هذا ليس خطأ قياس الآن." في السابق ، ربما قمنا بقياس الموجات المارقة ، لكننا اعتقدنا ، "حسنًا ، ربما تم كسر الآلة ، أليس كذلك؟ بالتأكيد لا يمكن أن يكون هذا الارتفاع. إنها كبيرة جدًا ، لا بد أنه كان هناك خطأ ما ". والآن ، كان هذا قياسًا موثوقًا به. كان موثوقًا ، لأنه تم قياسه بشكل صحيح. وكذلك كان هناك بعض الضرر على منصة النفط على نفس الارتفاع. لذا فقد اصطدمت الموجة بمنصة النفط. لذلك كان هناك أكثر من مصدر واحد للأدلة. وهذا جعلها أول موجة مارقة ذات مصداقية.

ستروغاتز (05:46): دعني أتخيلها قليلاً. حاولت أن أعطي صورة بصرية من خلال قول مبنى من ستة إلى ثمانية طوابق. هل هذه هي الطريقة الصحيحة بالنسبة لي لتصويرها ، أو ما الذي عادة ما تقوله لشخص ما؟

فان دن بريمر (05:56): أعتقد أن هذا وصف جيد. هذا الحجم ، أعني ، يعطيك دلالة. لكن عليك أن تتخيل أنه ، في الأساس ، سيكون لديك عدد من المباني التي تكون أقل ارتفاعًا بكثير ، وتأتي في طريقك طوال الوقت ، أليس كذلك؟ هذه هي الموجات العادية التي تراها قادمة إليك. لذلك كنت معتادًا على رؤية ارتفاع من طابقين إلى ثلاثة طوابق. وفجأة ، هناك ضعف أو ثلاثة أضعاف ذلك. وهذا بالفعل ما نتحدث عنه.

ستروغاتز (06:19): ما الذي نعرفه عن الظروف التي من شأنها أن تتشكل مثل هذه الموجة العملاقة؟ هل نعرف ، مثل ، ما حدث في المحيط أو الغلاف الجوي؟

فان دن بريمر (06:26) هناك الكثير من الآليات المختلفة ، ولأن لدينا عدد قليل جدًا من القياسات ، فمن الصعب جدًا علينا تحديد الآلية السائدة. ولكن كان هناك نوعان من الآلية التي ، إذا كنت ترغب في ذلك ، كانت تتنافس على الجائزة. وأحد هذه ببساطة - نسمي هذا التركيز التشتيت الخطي. وسأشرح. يتكون المحيط في الأساس من العديد والعديد من الأمواج. وهم يسافرون ... ليس عشوائيًا ولكن في كثير من الاتجاهات. وهناك الكثير من هذه الموجات المختلفة ذات السعات المختلفة. وفي وقت ما ، تتجمع عدة موجات وتتراكم. إنها نوعًا ما (ما نقوله) تتراكب خطيًا. إذن هناك موجة متر واحد وموجة أخرى بمتر آخر ، وكل ذلك يتراكم. وإذا انتظرت طويلاً ، ستجد أن الكثير من الموجات تتراكم. وهذه آلية واحدة. 

(07:11): إذن العلماء يجدون هذا أقل إثارة ، ربما لأنه آلية خطية تمامًا. لذلك فهو مجرد تراكب خطي ، عليك الانتظار لفترة كافية. وهذا ربما يفسر الكثير من الموجات المارقة في المحيط ، ولكن ليس كلها ، لأن هناك آلية ثانية لها علاقة بالتأثيرات غير الخطية. 

(07:26) إذن ، إنه تأثير حيث تتجمع هذه الموجات معًا ، فهي الآن لا تتراكم خطيًا. إذن ، ليس مترًا واحدًا زائد متر واحد يعطينا مترين ، لكنه متر واحد زائد متر واحد بشكل مفاجئ مما يعطي ثلاثة أمتار. وربما يكون هذا التأثير غير الخطي هو السبب في أن هذا مجال جذاب ، لأن هذه الآلية غير الخطية لا تحدث فقط في فيزياء أمواج المحيط ، ولكنها تحدث في العديد من الأنظمة المختلفة. وهي موصوفة ببعض معادلات شرودنغر غير الخطية التي نراها في الكثير من التطبيقات ، بما في ذلك البصريات ، بما في ذلك أمواج المحيط. وهو يؤدي بشكل أساسي إلى عدم الجمع بين واحد وواحد مما يؤدي إلى ظهور موجات أكبر. 

(08:01) الآن بالنسبة للآلية الثانية ، يمكن أن يؤدي ذلك بالتأكيد إلى موجات مارقة. لكنه يقتصر أيضًا على المحيط العميق حقًا ، لذا لا يمكن أن يكون قريبًا من الساحل. وبالنسبة لموجة Draupner ، لم يكن الماء عميقًا بما يكفي للعب دور هناك. لذلك فقد لعبت دورًا في بعض الموجات المارقة ، لكن ليس في الأغلبية. 

(08:18) ثم هناك الكثير من الآليات الأخرى ، الآليات التي لم يتم فهمها بشكل جيد ، مثل تأثير الرياح التي تهب بقوة ، وهبوب الرياح. هناك أيضًا تأثيرات أخرى مرتبطة بالتغيرات السريعة في عمق الماء. لذلك فجأة ، لديك خطوة في أعماق المياه. يتغير عمق الماء. يمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى موجات مارقة.

ستروغاتز (08:38): إذن هل يجب أن أتخيل - سواء من خلال آلية الجمع الخطية أو آلية شرودنغر غير الخطية - هل يجب أن أتخيل موجة منفردة؟ هل هو سنام كبير من الماء؟ أو هل يجب أن أفكر في قطار موجي مكون من اثنين أو ثلاثة من هؤلاء العمالقة قادمًا نحوي؟

فان دن بريمر (08:53): الآن هذا سؤال جيد. عادةً ما تكون الأمواج في أعماق المحيط متفرقة. هذا يعني أنه إذا كان لديك موجة معينة لها شكل معين ، فإنها تتغير أثناء انتقالها. لذلك فهي على عكس الموجات الصوتية ، حيث يمكننا التواصل بسهولة مع بعضنا البعض لأن كل الموجات التي نتحدث عنها عندما نتحدث مع بعضنا البعض تصل إلى آذاننا في نفس الوقت. الآن ، هذا ليس هو الحال عمومًا بالنسبة لأمواج المحيط. ولذا عندما يكون لدينا هذه الموجات الشديدة - في الواقع ، تأتي في مجموعات أو في حزم ، لذا فهي قليلة. واعتمادًا على حالة البحر ، يمكن أن يكون هناك عدد أقل أو أكثر من الموجات ، ولكن عادةً ما تكون بين موجتين ، ولنقل من خمس إلى ست موجات تشكل هذا الشيء الذي يسمى حزمة الموجة أو مجموعة الموجة. وواحد من هؤلاء سيكون الأكبر ، وبعد ذلك سيكون هناك عدد قليل آخر كبير ، وبعد ذلك سوف يختفي. 

(09:41) لذا فإن قصة خروجها من العدم ربما تكون غير صحيحة ، لكنها تأتي بسرعة. لأن هذه الموجات لها فترات ، مما يعني أن كل موجة تستغرق ما بين ست و 20-30 ثانية. هذا هو نوع ترتيب المقدار. بحيث يأتي سريعًا ويمضي بسرعة ، وتستغرق المجموعة وقتًا أطول قليلاً. لكن كل ذلك ذهب على نطاق الدقائق.

ستروغاتز (10:04): إذن عندما تشير إلى هذه - هل قلت شيئًا مثل 20-30 ثانية لفترة؟

فان دن بريمر (10:09) يمكن أن يكون هذا صحيحًا. يعتمد ذلك على مكان وجودك ، ويعتمد بشكل أساسي على مكان وجودك في المحيط ، والوقت الذي استغرقته الرياح لإدخال الطاقة في المحيط. لذلك إذا كنت في أعماق المحيط ، فستحصل على فترات أطول ، على سبيل المثال ، تزيد عن 10 ثوانٍ. ولكن إذا كنت قريبًا من البيئة الساحلية ، فلديك موجات رياح تهب ، ستحصل على فترات أقصر. بحار أصغر حيث كانت الرياح تهب لوقت أقصر. إذن فالرياح فقط ، كما تعلمون ، العاصفة قد بدأت للتو ، تبدأ برؤية موجات سريعة نسبيًا ، مما يعني فترات قصيرة ، وبعد ذلك بمرور الوقت ، يمكنك الوصول إلى فترات أطول. 

ستروغاتز (10:40): فقط للتأكد من أنني أتابع لأنني أعتقد أنني أعرف ما تعنيه الفترة ، على سبيل المثال ، في دورة فيزياء السنة الأولى ، حيث أتخيل كتلة في زنبرك تتمايل صعودًا وهبوطًا في مذبذب توافقي بسيط. إذاً هنا في سياق الموجة ، ستكون الفترة إذا تخيلت نفسي جالسًا على الشاطئ ، جاءت موجة وضربت قلعي الرملي. ثم مقدار الوقت حتى تدمر الموجة التالية قلعي الرملي ، هذه هي الفترة.

فان دن بريمر (11:03): بالضبط. ثم لديك ، من تلك الموجات القادمة لتدمير قلعة الرمل الخاصة بك ، أليس كذلك؟ قد تكون الموجة المارقة مصحوبة ، ربما ، بأي جانب ، مثل موجتين أخريين أقل ارتفاعًا قليلاً. لكنهم يأتون معًا كمجموعة.

ستروغاتز (11:16): آه ، هذه صورتك الجماعية. جيد. ثم كان هناك مصطلح "المشتت" الذي نعرفه في اللغة العادية: إذا طلبت من حشد أن يتفرق ، فإن كل الأفراد ينتشرون. ماذا يعني أن تتشتت موجة أو حزمة موجية؟

فان دن بريمر (11:30): إلى - هذا يعني - وهذه هي أيضًا الآلية ، هذه الآلية الأولى التي وصفتها وراء الموجات المارقة - فهذا يعني أن الموجات ذات الفترات المختلفة ، جنبًا إلى جنب مع أطوال موجية مختلفة ، تنتقل بسرعات مختلفة. وهذا يسمح - إذا قمت بعمل بضع موجات مختلفة ، والتي ليس لها فقط سعة مختلفة ، ولكن الأهم من ذلك ، ترددات مختلفة ، يمكنها اللحاق ببعضها البعض. يمين. وهذا يسمح بآلية يمكنني من خلالها صنع موجات مختلفة (بمعنى فترات مختلفة) ويمكنني السماح لها بالرحيل. وهذا يعني أنه إذا قمت بعملهم في نفس الوقت وتركتهم يرحلون ، فإنهم جميعًا يسافرون بسرعات مختلفة ، لذا فهم يتفرقون. 

(12:05) ولكن يمكن أيضًا أن يكون العكس: إذا تم عملهم في أوقات مختلفة ، فيمكنهم أن يجتمعوا معًا. وهذا يؤدي بعد ذلك إلى الموجة الكبيرة ، لأن موجات السفر الأسرع تلحق فقط بموجات تسير ببطء. وهذا يؤدي إلى هذه الموجات العالية. وهذا بالفعل ، إذا أردت ، نصف آلية التركيز الخطي. موجات فترة مختلفة تتحرك بسرعات مختلفة وهي تلحق بالركب وتؤدي إلى موجة كبيرة.

ستروغاتز (12:26): فهمت. لذلك لأن - لاحظت أنك تستخدم كلمة "تركيز" في وقت سابق. هذا ما كان يدور في ذهنك. أو لا؟

فان دن بريمر (12:32): جانبان صحيح؟ لذلك نحن نسمي "التركيز" ، والذي ينشأ أساسًا من فترات مختلفة ، أليس كذلك؟ لذا فهو يركز فقط في اتجاه واحد إذا أردت ، أليس كذلك؟ لأنهم موجات مختلفة ، وسرعات مختلفة ، وكلهم يلحقون بالركب - إنهم يركزون ، ويلتقون ببعضهم البعض نوعًا ما. لكن بالطبع ، يمكنك أيضًا الحصول على شيء نسميه التركيز الاتجاهي. وهذا هو المكان الذي لدينا فيه موجات الآن ليس في اتجاه واحد ، ولكن في اتجاهات متعددة. وهم - من السهل تصور ذلك ، أليس كذلك؟ أنت تقود من اتجاهات مختلفة ، وتصل جميعًا إلى نقطة واحدة. وهذا ما نسميه التركيز الاتجاهي. إذاً هناك هذان الجانبان اللذان يركزان على جعل التركيز يحدث.

ستروغاتز (13:06): مفيد جدًا. آخر شيء يجب ذكره حول هذا الموضوع. إذا فكرت في موجة عملاقة ، فسيعود ذهني على الفور إلى تلك المطبوعة اليابانية الخشبية الشهيرة ، "الموجة العظيمة قبالة كاناغاوا. " إذا كانت حقيقية ، فهل سيكون تسونامي؟ هل هي موجة مارقة؟ وأيضًا ، ما الفرق بين هؤلاء؟

فان دن بريمر (13:24): لذا أعتقد أنه عمل فني في الغالب وهو صعب للغاية - حسنًا. إنه - لا أعرف السنة ، لكن مضى بعض الوقت. لذلك لا نعرف ، لم يكن لدينا - مثل ، كان لدينا منصة Draupner ، حيث تمكنا من التسجيل. في هذه الحالة ، لم يكن لدينا تسجيل حقيقي. على الأرجح - نظرًا لأنها كانت صورة ، فمن المحتمل أنها موجة قريبة من الساحل ، وإلا لما تم تسجيلها على الأرجح. هذا النوع من القواعد يحكمها من حيث كونها موجة شريرة تقليدية ، لأننا نميل إلى امتلاك إحدى تلك الآليات - على الأقل فيما يتعلق بآلية الموجة المارقة التقليدية ، الآلية غير الخطية - التي لا تحدث حقًا بالقرب من الساحل . لذلك من المحتمل ألا تكون إحدى الموجات المارقة غير الخطية. وما هو عليه حقًا ، ربما لم يكن تسونامي ، لأنه - سيكون تسونامي طويلًا جدًا ، وربما لن يتناسب مع نحت الخشب هذا. أعتقد أنه كان نحتًا على الخشب ، ربما يكون كذلك. تعلمون ، الأطوال الموجية هي من أجل حجم اللوحة.

(14:13) لذلك كان من الممكن أن تكون موجة شريرة ، لكن ليس لدينا طريقة للإخبار لأنه كان علينا مقارنتها بجميع الموجات الأخرى في ذلك الوقت. لذلك كان في الغالب توضيحًا جذابًا. والشيء الوحيد الذي كنا كعلماء عندما خلعنا قبعتنا العلمية وأصبحنا فنانين لفترة من الزمن ، هو أننا رأينا بعض الحركة ، بعض السلوك الموجي الذي لاحظناه أيضًا في تجاربنا لموجة Draupner ، هذا Draupner الموجة التي استنسخناها.

(14:42) وهذا النوع يقودنا إلى موضوع آخر ، وهو كسر الموجة ، أليس كذلك؟ لذا فقد وصفت هذه الفكرة القائلة بأن الموجات يمكن أن تلتقي ببعضها البعض ويمكنها نوعًا ما أن تتراكب ، وإذا انتظرت لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، ستصبح الموجة دائمًا أطول وأطول وأطول. لكن هناك حد لهذا ، أليس كذلك؟ في مرحلة ما ، سوف تنكسر الموجة. ونحن جميعًا على دراية بهذا لأننا نرى الأمواج تتكسر ، ونرى الغطاء الأبيض ، ونرى البقعة. ولكن ما يعنيه ذلك هو أنه عادةً ، في الموجة التي اعتدنا التفكير فيها ، يكون أيضًا الحد الأقصى لارتفاع الموجة. إنه يحدد حدًا أقصى ، لذلك لا يمكن أن تكون الموجات أكبر من ذلك.

(15:13) وما أظهرناه في هذا العمل نمذجة موجة Draupner هذه، هل لو كانت موجة Draupner تتكون من مكونات موجية ، موجات فردية كانت تسير جميعها في اتجاه واحد - نسمي هذا الاتجاه أحادي الاتجاه - فمن المحتمل أن تنكسر. لن يصبح طويل القامة كما وصفته. ولكن إذا نجحنا بعد ذلك في الخروج من موجة متعددة الاتجاهات ، أو في الواقع نظام عبور على وجه التحديد ، حيث كانت لدينا طاقة موجية من اتجاهين ، عندها فقط يمكننا الحصول على موجة أطول بكثير. ويمكن أن تصبح تلك الموجة الأطول كثيرًا بنفس ارتفاعها الذي تم قياسه في عام 1995. وجزء من تلك الحركة التي رأيناها في هذا الانكسار ، أصبح مختلفًا.

(15:51) لذا بدلاً من هذا الانكسار المتدحرج الذي يمكنك رؤيته إذا كان لديك موجات أحادية الاتجاه ، إذا ذهبت إلى الشاطئ ، فإنك تميل إلى رؤية هذا النوع من الحركة المتدحرجة للأمام. إذا كان لدينا موجات متقاطعة ، فعندئذ يكون لدينا تناثر إلى أعلى. وظهر هذا الرش إلى الأعلى في هذا النقش الخشبي للموجة العظيمة. ونحن - مرة أخرى ، بقبعتنا العلمية وارتداء قبعة فناننا - رأينا ما تمكنا من إعادة إنتاجه في المختبر. وما يمكننا استخدامه لشرح موجة Draupner المارقة.

ستروغاتز (16:19): أوه ، هذا رائع. لذلك عندما ذكرت الأمواج المتدحرجة ، تذكرت على الفور راكبي الأمواج. كما تعلم ، أعني ، بالطبع ، نرى أمواجًا صغيرة عندما نجلس على الشاطئ في يوم هادئ. لكن إذا نظرت إلى المسابقات في هاواي ، لمتصفحي الأمواج داخل الأمواج بينما تتدحرج الموجة فوقها - حسنًا ، على الأقل هذه هي الصورة التي أراودها عندما تتحدث عن الأمواج المتدحرجة.

فان دن بريمر (16:41): لهذا استخدمتها. إنها صورة مألوفة يعرفها الناس ، لأنهم ذهبوا إلى الشاطئ ، ولكن حتى في أعماق المحيط ، أليس كذلك؟ إذا نظرت من طائرة ، فإنك تنظر إلى الأسفل في يوم عاصف نسبيًا ، وترى أجزاء بيضاء في كل مكان. وهناك أجزاء من الأمواج التي سقطت نوعًا ما ، والتي إذا أردت فقد أصبحت شديدة الانحدار. لذا فهي شديدة الانحدار لدرجة أنها لا تستطيع احتواء نفسها حقًا ، إذا أردت ، وقد تسقط للتو. وسترى القليل من التناثر. وهذا النوع من الرش هو الذي تراه عندما تدرس راكبي الأمواج وترى على الشاطئ. ولكنه يحدث أيضًا في أعماق المحيط ، بعيدًا جدًا عن أي راكبي الأمواج.

ستروغاتز (17:12): حسنًا ، دعني أعود إلى النقطة العلمية التي كنت تطرحها ، مع ذلك ، لأرى ما إذا كنت قد فهمت ذلك. هذا يعني أنك إذا كانت الموجات أحادية الاتجاه ، فكلها تتحرك بشكل أو بآخر في اتجاه واحد ، بمجرد أن تبدأ في الاندماج لتكوين موجة كبيرة ، كانت النقطة هي أنها ستكون محدودة في ارتفاعها. أنت تدعي أنه يجب أن تكون هناك آلية متعددة الاتجاهات.

فان دن بريمر (17:32): بشكل أساسي ، إذا أصبحت الموجة شديدة الانحدار - وهذا أسهل للتفكير في اتجاه واحد ، أليس كذلك؟ أنت فقط تحاول نوعًا من المشي صعودًا وهبوطًا التل. إذا كان هذا التل شديد الانحدار ، فإنك تسقط منه. وهذا ما يحدث للصورة أحادية الاتجاه ، أليس كذلك؟ هذه الفكرة التقليدية لشيء شديد الانحدار. وما يحدث هو أن الموجة تتجاوز السائل. يمر السائل أسرع من الموجة ، وهو نوع من السقوط.

(17:53) لكن إذا كان لديك عبور ، يمكنك تخيل آلية مختلفة ، لأنه لديك الآن موجتان قادمتان من اتجاهين مختلفين. وعندما يلتقيان ، لا يوجد اتجاه هبوط واضح بعد الآن لأنه لا يوجد اتجاه واضح تتجه فيه الموجة. وبالتالي ما يحدث بدلاً من ذلك هو أن الحركة تتجه لأعلى. قد تتخيل أنك إذا اصطدمت ببعضكما البعض ، فإن الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها تجنب بعضكما البعض في تلك المرحلة هي القفز لأعلى. وبعبارات فضفاضة ، هذا نوع ما يحدث ، كما نعتقد.

(18:19) وبطريقة ما فإن حقيقة أن لدينا هذا السلوك التصاعدي تجعل الموجة في الواقع أكثر حدة مما ستكون عليه. وإلا لكان قد سقط نوعًا ما. وقد أصبح الآن أكثر انحدارًا وأطول. وبالتالي في الأساس هذا Draupner التسجيل التي لدينا ، لدينا تسجيل من عام 1995 للموجة في ذلك الوقت ، والتي كانت شديدة الانحدار حقًا. ونبين أنه ربما كان سينكسر قبل وقت طويل من الوصول إلى هذا الانحدار لو كانت طاقة قادمة من اتجاه واحد.

(18:45) وعلينا أن نضيف ، بالطبع ، لدينا تسجيل لهذه الموجة. لكن لدينا تسجيل في وقت ما. إذن لدينا نقطة واحدة - ليزر يشير أساسًا إلى الأسفل ويسجل السطح. ما لم نحصل عليه هو معلومات عن مصدر الأمواج. لذلك كان علينا نوعًا ما أن نستنتج ، إذا نظرنا إلى الوراء بعد كل تلك السنوات ، ما كان يمكن أن يكون التكوين الاتجاهي ونضع بعض الافتراضات هناك. وهم يظهرون أن هناك أدلة تشير إلى أنه ربما كان هناك بالفعل ما نسميه السلوك العابر يحدث.

ستروغاتز (19:11): دعنا ننتقل إلى مختبرك الخاص هنا. إنه - لقد ذكرته قليلاً حتى الآن. وآمل أن نتمكن من التعمق فيها. يبدو أنك قد أجريت نوعًا من إعادة التمثيل أو المحاكاة أو شيئًا ما يحاول نوعيًا الوصول إلى ما كان يحدث في موجة Draupner هذه. هل اسمعك صحيح؟

فان دن بريمر (19:30): هذا صحيح تمامًا. هذا المجال - لأنه من الصعب جدًا تكوينه في أمواج المحيط التي تريدها ، أليس كذلك؟ في الحقيقة ، لا يمكنك ذلك. عليك أن تنتظر الريح. لذلك نحن نصنعهم بأنفسنا. لذلك لدينا ما هو حمامات السباحة ، حمامات السباحة الكبيرة ، ولكن جوانب حمامات السباحة هي مجاديف. لذا فهي أجهزة تسمح لنا بالتحكم في إشارة الإدخال بالضبط ، وبالتالي نصنع الموجات أساسًا بالطريقة التي نحبها. وعادة ما تكون هذه البرك إما طويلة جدًا - نسميها مجاري - مع واحد أو اثنين من صانعي الموجات في نهاية واحدة ، أو أنها تجمعات مربعة كبيرة بها صانعو موجات في أحد طرفيها. وهذا يجعل من الصعب جدًا عمل سيناريوهات العبور هذه حيث تنتقل الأمواج من اتجاهات متعددة.

(20:11) أجريت هذه التجارب في مرفق فلو ويف لأبحاث طاقة المحيط في جامعة ادنبره. وكان هذا المرفق فريدًا تمامًا لأنه مستدير تمامًا. لذا فهي بركة مستديرة. وتتكون جميع الجدران الجانبية من صانعي موجات فرديين. لذلك هناك 164 صانع موجة فردي حول هذا التجمع. ويمكننا السيطرة عليهم بأي طريقة نحبها. لذلك يمكننا عمل موجات قادمة من اتجاهات مختلفة.

(20:33) ما فعلناه هو أننا ببساطة حاولنا ذلك جعل موجة Draupner. وقد فعلنا ذلك حيث كانت لدينا كل الطاقة في اتجاه واحد ، ثم قسمناها إلى نظامين بزاوية مع بعضها البعض. ثم قمنا بتغيير تلك الزاوية. وبهذه الطريقة ، تعلمنا أساسًا أنه - تمكنا من دراسة ما إذا كان بإمكاننا إنشاء موجة Draupner هذه في بيئة معملية. وأظهرنا أننا إذا كنا في بيئة أحادية الاتجاه ، فقد أرسلنا كل الموجات في اتجاه واحد ، وببساطة لا يمكننا فعل ذلك. لقد تطلب هذا الاتجاه ، والذي يمكننا القيام به في هذه المنشأة.

ستروغاتز (21:01): أحب صوت هذا. اريد ان اسمع الكثير عن هذا. لذلك اسمحوا لي أن أرى. البركة المستديرة ، ما حجم - هل يجب أن أتخيل حوض سباحة بحجم أولمبي ولكن مستدير؟

فان دن بريمر (21:13): حسنًا ، أعتقد أن هناك القليل من هذه الأشياء حول العالم. وبعضها بالفعل يتجاوز حجم حمامات السباحة الأولمبية. يبلغ قطرها 25 مترا فقط. قصير نسبيًا. بعمق مترين.

ستروغاتز (21:23): وصانع موجات. اسمحوا لي أن أفهم ما هذا. إذن هناك مجداف به محرك متصل به ، يمكنه ضخه؟

فان دن بريمر (21:30): لا ، لا تضخها. إنه مجرد مجداف ، أليس كذلك؟ إذاً هو فقط - في الأساس ، على مسافة مترين ، يكون الجدار على مفصل. وهو نوع من اللوحات. وهي ترفرف بطريقة يمكن التحكم فيها للغاية بمحرك بآلية تحكم. ويمكننا فقط تحديد مدى سرعة خفقانه ، والذي يحدد تردد الموجة ، ومدى حجم حركة الخفقان ، وسعتها. هذا يحدد سعة الموجة.

ستروغاتز (21:52): وأنت تقول أن هناك 164 منهم ، أظن متباعدة بشكل أو بآخر حول هذا؟

فان دن بريمر (21:57): لا ، إنها مستمرة. لذلك الجدار كله ، في الأساس -

ستروغاتز: أوه ، مستمر.

فان دن بريمر (22:01): كلهم ​​- كلهم ​​- كلهم ​​، كل شيء ، هناك فقط صانع موجات ، بشكل أساسي.

ستروغاتز (22:06): الحائط كله مصنوع من صانعي الأمواج ، لكنك قلتم 164 منهم.

فان دن بريمر (22:09): نعم. يمنحك هذا - يمكنك قسمة 360 درجة على هذا الرقم ، وأنا متأكد من حصولك على رقم آخر. وهذا يعني بضع درجات فقط ، في الأساس هو القرار في التوزيع الاتجاهي الذي يمكننا تحقيقه بهذه الطريقة.

ستروغاتز (22:21): إذن فاللعبة هي محاولة صنع - هل تقوم بالتصويب لأكبر موجة يمكنك صنعها في تلك البركة؟

فان دن بريمر (22:26): هذه لعبة يمكن للمرء أن يلعبها. وبالفعل لدينا. لكن هذه مجرد لعبة مملة بعض الشيء. لأنه اتضح ، يمكن للمرء أن يصنع موجات هائلة إذا ركزت تمامًا على محور الأشياء بشكل متماثل. إذن ، أنت تجعل شيئًا مستديرًا تمامًا ، وقد أظهرنا بالفعل أنه يمكنك تكوين هذه الموجات المتناظرة المحورية. وهذه الطرق المتناظرة المحورية تحدث في تطبيقات متعددة في الطبيعة. على سبيل المثال ، إذا أسقطت شيئًا ما على سطح حر ، مثل عملة معدنية ، فستجد القليل من الضوضاء "bloop". وهذه موجة صغيرة من التماثل المحوري تتشكل بالفعل. ستجده في موجات فاراداي. ويمكنك أيضًا العثور عليها هنا. ويؤدي إلى هذا النوع من الارتفاع ، هذا الارتفاع الكبير الحقيقي. لذلك قد تتخيل أنك إذا أرسلت موجات من 360 درجة ، فإنها جميعًا تتراكم وتتراكب ، وهذا يؤدي فقط إلى ارتفاع هائل.

(23:09) في المحيط الحقيقي ، هذا لا يحدث أبدًا. لكن هناك عناصر لهذا السلوك. عناصر هذا ، ما وصفته ، كما تعلمون ، سيارتان تلتقيان وجهاً لوجه أو تصطدم ببعضهما البعض. تخيل وجود 360 منهم ، أليس كذلك؟ جميعهم يقودون على بعضهم البعض ، باتجاه مركز عين الثور ، إذا أردت. هذا يؤدي إلى موجة كبيرة حقًا.

(23:27) وهذا ، في اعتقادنا ، يعطي نظرة ثاقبة للآلية التي تحدث في المحيط الحقيقي. ليس حقًا عندما تأتي الأمواج من جميع الاتجاهات ، لأن هذا لا يحدث أبدًا ، باستثناء ربما في ظروف الأعاصير ، عندما يكون لديك إعصار سريع التغير. ثم تأتي الموجات من اتجاه واحد في دقيقة واحدة. وبعد ذلك بقليل ، جاءوا من اتجاه آخر. لكن هناك دائمًا شيء نسميه التوزيع الاتجاهي. لذا فإن بعض الطاقة تنتشر على عدة اتجاهات مختلفة.

ستروغاتز (23:48): وهكذا عندما تحاول محاكاة الظروف التي من شأنها أن تؤدي إلى موجة Draupner ، حول كم عدد الاتجاهات المختلفة التي كانت تعمل؟ فقط اثنان أو ثلاثة أو ...؟

فان دن بريمر (23:57): بادئ ذي بدء ، ما كان علينا فعله ، لم نتمكن من توليد أي موجة فقط. لذلك حاولنا التأكد من أنه في وسط هذه المنشأة ، في ما نسميه المقياس المركزي ، بشكل أساسي في منتصف نقطة عين الثور - في تلك المرحلة ، أردنا إعادة إنتاج السلسلة الزمنية للقياس من منصة Draupner التي تم تحجيمها إلى المختبر. لذلك كان لدينا في الواقع ، مثل التسجيل في عام 1995 ، في ذلك الموقع المركزي ، ما تم ملاحظته بالضبط ليس فقط في تلك الموجة ، ولكن بعض الموجات حولها. حتى بعض الوقت. وبعد ذلك كان لدينا بعض الحرية في المعلومات الاتجاهية ، لكننا أردنا أن تكون واقعية. ولكن بعد ذلك كان علينا وضع بعض الافتراضات. وكان هناك بعض الأدلة من الطقس في ذلك الوقت ، "توقعات" للطقس - لذا ، تنبؤات ما بعد الوقائع لما كان عليه الطقس - أن هناك بعض المعلومات عن وجود رياح وأنظمة من اتجاهات مختلفة.

(24:42) لذلك كانت لدينا بعض الحجج لنقول أن كل الطاقة الموجودة في ذلك الوقت ربما كانت تأتي من نظامين مختلفين. وهذان النظامان المختلفان ، أعطينا انتشارًا اتجاهيًا خاصًا بهما. لذلك إذا كنت ترغب في ذلك ، كان هناك نظامان لكل منهما بعض الانتشار الاتجاهي. لذلك كانا على زاويتين. وعندما كان لهذين النظامين زاوية مختلفة بينهما ، في تلك الزاوية بين النظامين ، كانت تلك هي الزاوية التي قمنا بتغييرها.

ستروغاتز (25:04): أعطني فكرة تقريبية. ماذا ، هل هناك نوع من تأثير الرنين؟ هل هناك أفضل زاوية؟

فان دن بريمر (25:09): وجدنا بشكل أساسي أنه إذا كان كل شيء في اتجاه واحد ، فسوف ينكسر ، أليس كذلك؟ سوف ينكسر. ومن ثم كان علينا فصل الأنظمة. ووجدنا أنه عند 60 درجة ، كنا نقترب. وكان علينا الصعود إلى 120 درجة. لكننا لم نفعل ذلك بدقة كبيرة. لذا ، من الصعب تحديد ما إذا كانت درجة الحرارة 100 درجة أم 140 درجة ، ولكن على الأقل أي شيء أكبر من 60 درجة يمنحك انتشارًا كافيًا للطاقة ، بما يكفي من العبور ، وكافيًا لزاوية العبور ، بحيث يمكننا الحصول على موجات طويلة بما فيه الكفاية. وإذا جعلنا زاوية العبور أكبر ، أعتقد أن هناك طرقًا أكبر ممكنة. لذا فقد أعطت إشارة إلى أن العبور كان ضروريًا. لكننا لم نجرؤ على تحديد مقدار العبور بالضبط.

ستروغاتز (25:47): حسنًا. وقد ذكرت بإيجاز فكرة التوسع. ولذا ربما يجب أن نؤكد ذلك لمدة دقيقة ، أنك لا تحاول الحصول على نفس الموجة التي شوهدت في المحيط.

فان دن بريمر (25:58): أو قد تتخيلها - الموجة الحقيقية هي عشرات الأمتار ، في المحيط ، أو 25 مترًا ، بينما هذه التجارب ، نتحدث عشرات السنتيمترات ، لذا فهي أصغر بكثير. إذن ، ما يتعين علينا القيام به هو ، كما أعتقد ، أن تفكر في الجزء الأكثر أهمية هو الانحدار ، أليس كذلك؟ لذا فإن الانحدار هو منحدر. إذن ، ليس الارتفاع ، بل الارتفاع مقسومًا على الطول الذي يحدث عليه التباين. ويمكننا ذلك. هذا جزء واحد. إذن لدينا الشكل الصحيح ، أليس كذلك؟ لقد حصلت على الشكل الصحيح ، الزوايا الصحيحة ، إذا أردت. ثم نعرف المعادلات الحاكمة التي تصف هذا النظام. وتسمح لنا هذه المعادلات الحاكمة ليس فقط بقياس الشكل ، ولكن بمجرد أن نقوم بقياس الشكل ، نقوم أيضًا بضبط المقاييس الزمنية. لأنه يتعين علينا أيضًا ضبط النطاقات الزمنية ، لأن موجاتنا في المختبر تكون أسرع بكثير وأقصر بكثير من موجاتنا في الحقل.

(26:47) والفيزياء التي تقود هذه الموجات تسمح لنا بقياس هذا بناءً على شيء يسمى رقم Froude ، وهو رقم مميز يصف النظام. وقد كان هذا التوسع ناجحًا. وكان هذا التوسع هو السبب في أن الكثير من علوم أمواج المحيط قد تم إجراؤها في المختبرات لأنها تعمل بشكل جيد للغاية. ويمكنك إلغاء اختبار الرقائق - اختبار ظروف الموجة في بيئة المختبر - دون فقدان جميع العمليات الرئيسية. في الواقع ، فإن الاحتفاظ بالعديد من العمليات الرئيسية المطلوبة لتصحيح الأمور.

ستروغاتز (27:16): حسنًا ، دعونا نحول التروس قليلاً لنتحدث عن إحصائيات الموجات المارقة. أعتقد أن إحدى الدراسات التي شاركت فيها نظرت في الرسوم البيانية للإحصاءات وطرح أسئلة حول ما يمكن أن يحدث إذا أزلت القليل من - لنقل ، 1٪ من الطاقة من الذيل عالي التردد لتلك الرسوم البيانية. هل تريد أن تخبرنا عن تلك الدراسة؟

فان دن بريمر (27:36): إذن هذا كله ، مرة أخرى ، عن محاولة صنع الأشياء في المختبر. وإذا فكرت في - لا بد لي من تقديم مفهوم هنا يسمى طيف الموجة. لذا إذا كنت تريد أن تفهم مناخ الموجة - إذن هذا هو شكل الموجات في تلك النقطة الزمنية - فأنت ترسم شيئًا يسمى طيف الموجة. إذن فهو يعطيك مؤشرا على توزيع الطاقات على جميع الترددات المختلفة ، أليس كذلك؟ لديك عادة - هذا الطيف الموجي له ذروة معينة ، وهذا هو المكان المهيمن ، كما تعلمون ، من المحتمل أن تكون هذه هي الفترة التي ستلاحظها عندما تكون جالسًا هناك على الشاطئ. ولكن هناك أيضا ذيل. والذيل على يمين الرسم البياني. لذلك عند الترددات العالية ، هناك ذيل ، وهذا الذيل به طاقة. لكن من الصعب للغاية صنع هذا الذيل في المختبر. لأن ما عليك القيام به ، على سبيل المثال ، إذا كان لديك موجة 1 هرتز ، للوصول إلى الذيل ، فقد تحتاج إلى الوصول إلى 5 ، 6 هرتز. وهذا الذيل الموجود هناك في المحيط. لكن من الصعب الحصول على هذا الذيل في المختبر. وهذا هو المكان الذي ينهار فيه نوع من التحجيم.

(28:33) وقد أظهرنا أنه إذا أخطأت في هذا الذيل - عادةً لأن صانع الموجات الخاص بك ، فإن المجاذيف الخاصة بك ببساطة لا يمكنها توليد هذه الترددات العالية - هذه الترددات تصبح عالية جدًا ، بسبب القياس أعلى بكثير من المحيط الحقيقي - ترتفع لدرجة أن مجدافك لا يهتز بالسرعة الكافية ، أليس كذلك؟ وهو يتوقف عن العمل فقط. وبالتالي من الصعب جدًا صنع هذا الذيل. وبالتالي يقطعها الناس عادة. يقولون ، "حسنًا ، فوق 2 هرتز ، عادةً لن نجعلها لأننا لا نثق في جيل الموجات لدينا."

(29:00) ولكن هناك عمليات غير خطية في فيزياء الموجات تخلق هذا الذيل ، لأن الذيل يجب أن يكون موجودًا لكي يكون الطيف في حالة توازن مع المعادلات غير الخطية التي تصف هذه ، على سبيل المثال ، معادلة شرودنغر غير الخطية. وإذا قمت بإخراج الذيل ، فقد يعود للتو. وفي العودة ، يخلق موجات أكبر.

(29:19) لذا فإن نوع الورقة التي تمت دراستها هو أنه يجب أن تكون حذرًا للغاية في المختبر ، إذا كنت مهتمًا بالموجات المارقة ، خاصة عندما تكون ، عندما تكون أحادية الاتجاه (في اتجاه واحد) ، إذا أنت تأخذ شيئًا ما عن طريق الخطأ ، بدون إجابة ، لا يحدث الكثير في ذلك الذيل ، هناك القليل جدًا من الطاقة. عندما يتعلق الأمر بالموجات المارقة ، فقد تقوم عن طريق الخطأ بإزالة شيء ما أعادت الفيزياء اللاخطية إليه ، ولكن أكثر مما تريد عندما تحصل على المزيد من الموجات. وهذا ليس تمثيليًا حقًا. لذلك عليك أن تكون حذرا ، كما أوضحنا ، بشأن هذا الذيل. إنه أمر مهم للغاية ، ومن الصعب توسيع نطاقه والوصول إليه في المختبر.

ستروغاتز (29:51): إذن هل يجب أن نفكر في الأمر كنقطة فنية حول صعوبة إجراء هذه الأنواع من التجارب بأمانة؟

فان دن بريمر (30:00): أعتقد أنك تستطيع ذلك. وأعتقد أنه سيكون دائمًا قيدًا ، لأننا على الأرجح لن نكون قادرين على صنع هذه ، حقًا ، يهتز مجدافًا ثقيلًا حقًا ، حقًا بسرعة على نطاق من الترددات. هذا صعب دائما. إذا كان لديك آلة موسيقية ، فيمكنك عمل بعض الترددات بشكل جيد جدًا والبعض الآخر ليس جيدًا. وهذا مدفوع فقط بحجم الآلة ، في هذه الحالة ، حجم المجاذيف.

(30:18) لذلك أعتقد أنها في الأساس قصة تحذيرية حول بعض التجارب. وهناك الكثير من الأشياء التي يتم تصميمها بناءً على تجارب خزان الموجة ، حيث فكرنا سابقًا في الذيل على أنه افتراض تقني: "نحن فقط نفترض افتراضًا عمليًا ، وضعنا الحد عند 2 هرتز. وهذا ليس مهما. دعونا نتجاهلها ". ونبين أنه في الواقع أهم بكثير مما كنا نظن. ويجب أن نكون حذرين للغاية حيال ذلك.

ستروغاتز (30:41): لنعد قليلاً إلى نظرة أوسع لهذا. لقد ذكرت مجالات أخرى - حيث تظهر معادلة شرودنغر غير الخطية على سبيل المثال. في البصريات ربما يمكننا التفكير في ... قد يدرك الناس أنه في الوقت الحاضر ، مع الإنترنت عالي السرعة ، قد تحدث بعض الاتصالات عبر الألياف الضوئية. إذن ، هل هناك مجالات أخرى تلعب فيها الموجات؟ وهناك نظائر من الموجات المارقة يمكننا تطبيق هذه المعرفة عليها؟

فان دن بريمر (31:07): هذا صحيح. حسنًا ، يجب أن أتأهل على الفور ، فهذه ليست مجال عملي. لذلك أنا حقًا ، كما تعلم ، أخرج من أحد الأطراف. لكنني سأحاول أن أقول ذلك ، في الواقع ، في تلك المجالات التي وصفتها ، حيث لديك أيضًا ، بشكل أساسي ، البصريات التي نتعامل معها أيضًا مع الموجات ، أليس كذلك؟ المعادلات التي تصف هذا متشابهة في صورتها المختصرة.

(31:24) الكثير من هذه الأنظمة. جمعت في الأساس شيئين. هناك تشتت ، وهي الآلية التي وصفتها من قبل: موجات مختلفة من السلوكيات المشتتة المختلفة. عندما نتحدث أنا وأنت ، ليس لدينا الكثير من التشتت. ولكن عندما يكون لدينا موجات ضوئية ، فقد يكون لدينا تشتت. عندما يكون لدينا - بالفعل موجات مائية ، لدينا تشتت ، هذا هو التأثير الوحيد. ثم التأثير الآخر هو تأثير اللاخطية. في الأساس ، واحد وواحد لا يضيفان ما يصل إلى [اثنين]. وهذان التأثيران الأساسيان يحدثان ، بشكل أساسي عبر العديد من الظواهر الموجية.

(31:54) وإذا جمعتهم معًا ، وحاولت كتابة أبسط معادلة ممكنة لكليهما ، فلديك معادلة شرودنغر غير الخطية. وهذه المعادلة قوية لأنها تحدث في كل هذه المجالات المختلفة لأنها ببساطة أبسط طريقة للحصول على التشتت واللاخطية. أخذ ذلك معًا. الشكل الذي تتخذه معادلة شرودنغر غير الخطية - الوزن المعطى للتشتت من ناحية ، واللاخطية من ناحية أخرى - مختلف. يعتمد ذلك على المجال ، ويعتمد على خصائص مادتك ، على سبيل المثال ، إذا تحدثت عن كابل بصري ، مقابل حوض بطول 25 مترًا في متر واحد مليء بالماء ، وبالتالي فإن المعاملات مختلفة. لكن النظام ، المعادلة هي نفسها.

ستروغاتز (32:35): سامحني على وخزك ، لأنك تقول إنها ليست منطقتك حقًا. لكن هل هناك أي شيء ، كما تعلم ، من أصدقائك الذين يعملون في البصريات ، هل يرون أي شيء مثل الموجات المارقة التي يحتاجون إلى الاهتمام بها؟

فان دن بريمر (32:46): تحتوي معادلة شرودنغر غير الخطية ومتغيراتها على كل أنواع الحلول الجميلة. وبعض هذه الحلول الجميلة هي أمثلة لما يمكن أن يكون موجات مارقة. وهذه الحلول الجميلة لها أشكال رياضية معينة. وبعض هذه - يمكننا أن نسميها تقريبًا "مخلوقات" - أنواع من الحلول ، مثل الموجة الانفرادية التي وصفتها ، ولكن أيضًا أشياء تسمى "التنفس". هذه موجات تتنفسها. لذلك أصبحوا أكبر ، ثم ذهبوا مرة أخرى. ويمكن أن تتنفس في الفضاء - يمكن أن تحدث مرة واحدة في الفضاء - أو يمكن أن تحدث في الوقت المناسب ، فإنها تحدث مرة واحدة في الوقت المناسب. وهذه الهياكل الخاصة بالتربية ، كما تعلمون ، يمكننا صنعها في المختبر بسهولة حقًا في مختبر السوائل لدينا ، صحيح ، قناة المياه الكبيرة لدينا.

(33:25) ولكن بالمثل ، هؤلاء التنفس - وهناك الكثير منهم - لوحظوا في البصريات وفي وسائل الإعلام المختلفة. وبالفعل ، أعتقد أن هذا هو المكان الذي تلتقي فيه الحقول ، وأحب أن أسميها ، أو أنفاسها ، وقد تمت ملاحظتها في عدد من الوسائط المختلفة ، وعدد من الأنواع المختلفة من المادة بما في ذلك ، في حالتي ، فقط شيء بسيط حقًا يسمى الماء.

ستروغاتز (33:48): بلطف جدا. ماذا عن الرياضيات وأجهزة الكمبيوتر؟ لم نتحدث عنها كثيرا. أعني ، أنا أعرف من كوني شخصًا - أنا نفسي ، أحب العمل على أنظمة غير خطية من أنواع مختلفة - أن تحليلها رياضيًا يمثل تحديًا كبيرًا. وأنا متأكد أكثر من ذلك بالنسبة لك حيث لديك هذا الجانب المكاني وبعض الأبعاد المتعددة تحتاج إلى أن تلعب دورًا. لابد أن تكون الحسابات صعبة ، والرياضيات يجب أن تكون أصعب. هل لديك بعض الكلمات لنا حول كل ذلك؟ هل هو موضوع تجريبي وإحصائي بحت؟

فان دن بريمر (34:21): لا ، إنه - أعتقد ، في الأصل ، أعتقد - أعني ، من حيث الموجات المارقة ، تم دراسة الموجات المارقة رياضيًا ، ربما قبل دراستها كثيرًا في هذا المجال ، لأننا لم نأخذ العديد من القياسات. ودراسة هذه الموجات في المختبر بدأت بالفعل ... أعتقد أنه كان هناك مجتمع رياضي بدأ موجات الماء ، ربما لأنها معادلات بسيطة نسبيًا. قد تعتقد أنها صعبة لأن هناك تطورًا في المكان والزمان ، ولكن على الأقل الماء هو الماء ، أليس كذلك؟ لذلك لا تتغير خصائصه. وهو صعب لأن هناك سطحًا حرًا ، أليس كذلك؟ يوجد هواء بشكل أساسي ، وفي وقت ما يوجد ماء. حيث يجب تحديد الخط الفاصل بين الاثنين. هذا يجعل الأمر صعبًا ولكن هذا مجال غني بشكل لا يصدق. ونحن محظوظون ، على ما أعتقد ، لأن المعادلات الحاكمة بسيطة ، وشروط الحدود صعبة. وهذا يجعل شيئًا ما حيث يمكنك إحراز تقدم ويمكنك تطبيق مجموعة غنية من الأدوات الرياضية.

(35:14) ولكن إذا فكرت في الحدود في هذا المجال ، فمن المحتمل أن تكون الحدود عبارة عن كسر للموجة. وهذا بالضبط هو الوقت الذي تتوقف فيه هذه المعادلات عن أن تكون بهذه البساطة. لذلك عندما تتيح لنا أدواتنا الرياضية الجميلة أن نفهم بالضبط كيف تنتشر الموجات ، فإنها تتوقف عن العمل. وهناك ، علينا أن نلجأ حقًا إلى أجهزة الكمبيوتر الكبيرة ونقوم بمحاكاة عددية للقوة الغاشمة.

(35:35) تخيل موجة تكسر. وكنت قد رأيت واحدًا من هؤلاء على الشاطئ ، وسترى كل الرؤوس البيضاء واحتباس الهواء. ويصبح ذلك صعبًا للغاية. وهذا ، على ما أعتقد ، هو المكان الذي تقع فيه الحدود في هذا المجال. وهذا أيضًا هو المكان الذي نبحث فيه أنا وزملائي عن البدائل. على سبيل المثال ، تقنيات نوع التعلم الآلي ، حيث نجعل هذا المزيج ، من ناحية ، معادلة رياضية لطيفة للموجات غير المنقسمة ، كانت المعادلة موجودة منذ عقود. ونجمع ذلك مع التجارب المعملية حيث نقيس الكثير من موجات الانكسار والكثير من المواقع المختلفة. ونجمع أجزاء المعلومات هذه جنبًا إلى جنب مع تقنيات نوع التعلم الآلي التي تعتمد على البيانات. لذلك لا يزال بإمكاننا امتلاك قوة معادلاتنا البسيطة (أو أقول "البسيطة") غير الخطية من نوع شرودنغر التي لها هذا اللاخطية والتشتت ، ومن ثم لدينا هذه الأساليب الحسابية الجديدة ، أو الجديدة نسبيًا ، وأساليب التعلم الآلي لفهمها ما أعتقده هو الحد الأخير ، كسر الموجة ، لتكون قادرًا على التنبؤ بتطور الموجة ، حتى تلك الموجات الكبيرة التي تبدأ في الانهيار.

ستروغاتز (36:35): حسنًا ، هذا ملخص جميل. ومن الملهم للغاية التفكير في الدور الذي يمكن أن يلعبه التعلم الآلي ، لأنه يبدو وكأنه منطقة ساخنة في كل فرع من فروع العلم تقريبًا ، وحتى خارج العلم. لذلك أعتقد أنني لست مندهشًا تمامًا لسماعك تقول ذلك. لكن لا يزال الأمر مثيرًا للغاية. وقد تطرقت إلى مسألة التنبؤ هذه. كان هذا هو السؤال الأخير الذي أردت طرحه عليك. هل تعتقد أننا سنكون قادرين على التنبؤ بالموجات المارقة بنفس الطريقة التي يطمح بها الناس للتنبؤ بالأعاصير أو الزلازل؟ أعني ، في كل مجال ، هذا عمل صعب.

فان دن بريمر (37:10): أعتقد أن هناك مستويين من التنبؤ هنا ، أليس كذلك؟ الأول هو التنبؤ بالبيئات التي يزداد فيها الاحتمال. لذلك أعتقد أننا سنكون قادرين على القيام بذلك. على سبيل المثال ، إذا كان لدينا بحرًا معينًا ، أو طريق شحن معين ، ونقول ، "في ظل هذه الظروف ، من المرجح جدًا ظهورها". وربما يكون هذا هو المستوى الذي نحتاجه لأن موجة شريرة - تحدث ، عليك انتظار موجتين. وإذا كنت فقط - إذا أصبح التردد غير مقبول ، أليس كذلك؟ لذلك تقول ، "تحدث مرة كل نصف يوم في المتوسط. لذا ، مرة كل بضعة آلاف من الموجات ". ثم يصبح من غير المقبول استخدام هذا للتنقل. ربما يمكننا الوصول إلى هذا المستوى. ونحن نحقق بعض التقدم ، ربما بناءً على فهمنا للبيانات الميدانية.

(37:51) النوع الآخر من التنبؤ ، حيث نحن في مكان واحد ، لدينا نوعًا ما تنبؤ مباشر - "في ثانية واحدة أو ثانيتين ، سنصطدم بموجة؟" أو في الواقع ... وهذا صعب للغاية. وأعتقد أن هناك تطبيقات حيث يكون ذلك ضروريًا. على سبيل المثال ، هبوط طائرة هليكوبتر على متن سفينة. هذا النوع من التنبؤ المباشر ضروري ، عليك أن تقول بعد تأخير بضع ثوان ، "حسنًا ، سيكون هذا هو نظام الموجة. سيكون هذا ما ستكون عليه الأمواج. سيكون هذا ما ستكون عليه حركة سفينتك ". وهذا صعب للغاية عندما يتعلق الأمر بالموجات المارقة لأنها ببساطة هذه القيم الشاذة الإحصائية. لذلك إما أنك تحتاج إلى كميات هائلة من البيانات للتنبؤ بهذا. في الأساس ، أنت بحاجة إلى كميات هائلة من البيانات لتتمكن من التنبؤ بهذه الأشياء لأنها نادرة جدًا.

ستروغاتز (38:31): لقد كان هذا من دواعي سروري العظيم. شكراً جزيلاً. كنا نتحدث مع خبير الموجات تون فان دن بريمر. شكرا مرة أخرى لانضمامك إلينا اليوم.

فان دن بريمر (38:37): شكرا. كان من دواعي سروري.

مذيع (38:43): السفر في الفضاء يعتمد على الرياضيات الذكية. ابحث عن أنظمة شمسية غير مستكشفة في مجلة كوانتالعبة الرياضيات اليومية الجديدة ، Hyperjumps. تتحداك Hyperjumps في العثور على مجموعات أرقام بسيطة لنقل صاروخك من كوكب خارجي إلى آخر. تنبيه المفسد: هناك دائمًا أكثر من طريقة للفوز. اختبر حساب النجوم في Hyperjumps.quantamagazine.org.

ستروغاتز (39: 14): فرحة لماذا هو بودكاست من مجلة كوانتا، نشرة تحريرية مستقلة تدعمها مؤسسة سيمونز. لا تؤثر قرارات التمويل الصادرة عن مؤسسة Simons على اختيار الموضوعات أو الضيوف أو القرارات التحريرية الأخرى في هذا البودكاست أو في مجلة كوانتا. فرحة لماذا من إنتاج سوزان فالوت وبولي سترايكر. محررونا هم جون ريني وتوماس لين ، بدعم من مات كارلستروم وآني ميلشر وزاك سافيتسكي [ونونا ماكينا]. تم تأليف الموسيقى الخاصة بنا بواسطة ريتشي جونسون. جاء جوليان لين باسم البودكاست. رسم الحلقة بيتر غرينوود وشعارنا من تصميم جاكي كينج. شكر خاص لبيرت أودوم ريد في استديوهات كورنيل برودكاست. أنا مضيفك ، ستيف ستروغاتز. إذا كان لديك أي أسئلة أو تعليقات لنا ، يرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني على [البريد الإلكتروني محمي] شكرا لإصغائكم.