2.3. Распространение волн в искривленных геометриях

Волновые явления в структурах геометрической волновой инженерии (ГВИ) описываются фундаментальными уравнениями волновой физики – такими как уравнения Максвелла (для электромагнитных волн), уравнение Гельмгольца (для стационарных проблем), а также уравнения акустики и уравнения упругости (для механических и звуковых волн). В контексте ГВИ особенностью этих уравнений является то, что они решаются в пространстве со встроенной метрикой, отражающей искривлённую геометрию поверхностей, по которым распространяется волна.

Геометрия входит в волновое описание через два ключевых механизма:

Граничные условия.

Типы и свойства границ структур – будь то идеальный проводник, диэлектрическая или импедансная поверхность, акустическая стенка или комбинации этих условий – определяют характер отражения, поглощения и дисперсии волны. На искривлённых псевдоповерхностях граничные условия действуют не только в локальном, но и в глобальном смысле: ориентация нормали, изменение кривизны на границе, переход между областями с различной метрикой могут существенно влиять на фазовые и амплитудные характеристики волны. Кроме того, граничные условия на искривлённых поверхностях могут вызывать образование замкнутых резонансных траекторий, аналогичных модам Фабри-Перо, но сформированных исключительно за счёт геометрических параметров.

Метрика пространства.

В случае объемных метаматериалов, а также в рамках трансформационной оптики и акустики, пространственная кривизна может быть описана в тензорной форме через пространственно-зависимые параметры – диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость. Эти тензоры изменяют саму структуру волнового пространства, создавая искусственные метрики, эквивалентные искривлённому пространству из общей теории относительности. Таким образом, можно организовать "геометрическое преломление", при котором лучи распространяются не прямолинейно, а по геодезическим, определяемым распределением метрики. Такой подход особенно актуален для создания линз без рефракции (grin-оптика) и геометрических резонаторов.

Поведение волн в искривлённых геометриях определяется их взаимодействием с геодезическими траекториями (в рамках приближения геометрической оптики) и с выраженными волновыми эффектами, важность которых возрастает при уменьшении длины волны или увеличении кривизны поверхности.

Основные волновые эффекты включают:

– Дифракция.

Особенно существенна в областях, где размеры геометрических элементов поверхности – неровности, выступы, изгибы – соизмеримы с длиной волны L. В условиях резких перепадов кривизны возникают дифракционные каустики, разделённые области усиления и ослабления поля, а также длинно живущие боковые лепестки излучения. Дифракция на геометрических неоднородностях может быть аналогом Bragg-рассеяния на фотонных кристаллах, но без периодичности – только за счёт формы.

– Интерференция.

На псевдоповерхностях с замкнутыми геодезическими или повторяющимися траекториями возникают стоячие волны, интерференционные узлы и геометрически обусловленные собственные моды поля. Даже при однородной плотности материала наблюдаются пространственно неоднородные модовые распределения из-за метрики. Спектральные свойства таких резонаторов – резонансные частоты, добротность, модовая плотность – определяются в первую очередь кривизной и глобальной формой поверхности.

– Фокусировка и каустики.

В случае систем с градиентной или переменно распределённой кривизной, волновые фронты начинают «само фокусироваться» в определённых геометрических узлах, формируя каустические области – линии или пятна локального усиления поля. Эти геометрически индуцированные фокусы отличаются от традиционных линзовых тем, что могут иметь распределённую природу: например, окружности фокализации, фокус-линии или эллипсоидальные области, зависящие от начальных условий возбуждения и характера метрики.

– Модовая эргодичность. На поверхности с K < 0 волна, распространяясь, может покрывать всю доступную поверхность множеством петель через сложные, квазихаотические траектории. Это может приводить к образованию устойчивых собственных волновых состояний, равномерно распределённых по всей геометрии, с уникальными свойствами устойчивости и нечувствительности к локальным дефектам. Подобные «эргодические моды» особенно интересны для задач акустической и фотонной локализации, а также квантово-оптической когерентной фильтрации.

– Замедление и задержка волны. Искривлённая геометрия может индуцировать эффективное замедление скорости группового распространения волны. Это позволяет создавать геометрически управляемые зоны временного хранения информации – геометрические ловушки, оптические замедлители и резонансные буферы (например, геометрические аналоги резонаторов Вигнера или ловушки для ТГц-импульсов).

Приближение геометрической оптики обеспечивает надёжное описание траекторий волн при условии L – 0, когда длина волны значительно меньше радиуса кривизны поверхности. В этом случае волны распространяются по геодезическим линиям, и распространение может быть описано уравнениями Гамильтона и принципом Ферма. Однако на реальных масштабах – особенно в терагерцовом, оптическом или акустическом нано диапазоне – становится критически важным учитывать волновые явления:

– пространственную фазу и интерференцию;

– эффекты дифракционного уширения;

– затухание поля при множественных отражениях.

Это требует интеграции геометрической оптики с волновыми методами (метод пароксизмальных лучей, WKB-аппроксимация, численное решение обобщённого уравнения Гельмгольца в искривлённой метрике). В граничных случаях используется т.н. «гео-волновой» подход – комбинация дифференциальной геометрии с теорией поля.

Таким образом, распространение волн в геометрически искривлённых структурах – это не просто их движение по изгибающимся траекториям, а глубинное перераспределение энергии, фазы и модовой плотности, обусловленное внутренними свойствами поверхности. Геометрия в ГВИ играет ту же ключевую роль, что и материал в классической физике, задавая не просто форму – а всю физическую динамику взаимодействия волны и среды. Это открывает новую сферу дизайна волновых устройств, в которых задаётся не только «что» и «из чего сделано», но «как искривлено» пространство, где развивается волна.

3. Псевдоповерхности 2-го порядка

3.1. Обзор известных псевдоповерхностей с отрицательной кривизной и их междисциплинарное значение

Представьте себе математиков XIX века, таких как Лобачевский и Бойяи, которые смело вышли за рамки привычной евклидовой геометрии, создавая целые новые миры в своем воображении, где параллельные прямые могли расходиться. Их работы по неевклидовой геометрии поначалу казались чистой абстракцией, игрой разума. Однако появление псевдосферы Бельтрами стало своего рода триумфом этих идей, продемонстрировав, что такие "странные" геометрии могут существовать и в нашем, пусть и искривленном, трехмерном мире. Псевдосфера стала первым конкретным примером поверхности, обладающей свойствами неевклидовой плоскости, связав абстрактную математику с потенциальной физической реальностью.

Понятие кривизны поверхности является фундаментальным в дифференциальной геометрии, описывая степень отклонения поверхности от плоскости. Кривизна может быть положительной, как у сферы, нулевой, как у плоскости или цилиндра, или отрицательной, как у седла. Поверхности с постоянной отрицательной кривизной сыграли ключевую роль в развитии неевклидовой геометрии. В частности, работы Николая Лобачевского, Яноша Бойяи и Карла Фридриха Гаусса заложили основы для понимания пространств, отличных от евклидова. Эудженио Бельтрами первым доказал непротиворечивость неевклидовой геометрии, смоделировав ее на псевдосфере. Гаусс также изучал поверхность вращения трактрисы, отмечая ее постоянную отрицательную гауссову кривизну в неопубликованных заметках.

Псевдосфера Бельтрами (2-го порядка)

Псевдосфера Бельтрами стала отправной точкой для последующих исследований, направленных на создание новых классов псевдоповерхностей, но уже с переменной отрицательной кривизной. Таких как псевдопараболоид, псевдогиперболоид и псевдоэллипсоид.

Фундаментальная псевдосфера Бельтрами с постоянной отрицательной кривизной

Псевдосфера определяется как поверхность с постоянной отрицательной гауссовой кривизной, что противоположно сфере, имеющей положительную кривизну. Величина постоянной отрицательной гауссовой кривизны составляет K = -1/R2,

где R – псевдорадиус поверхности.

Псевдосфера образуется вращением трактрисы, также известной как трактоида или эквитангенциальная кривая. Трактриса представляет собой путь объекта, который тянут за нить постоянной длины по прямой горизонтальной линии, причем нить всегда остается касательной к траектории.

Существует несколько параметрических уравнений трактрисы, в зависимости от выбранной параметризации:

– с использованием параметра t: x(t) = a (t – tanht), y(t) = a secht.

– с использованием угла Q: x = a(ln[tan(Q/2)] + cosQ), y = a sinQ.

– с использованием обратной функции Гудермана gd-1Q: x = a gd-1Q – sinQ, y = a cosQ.

другие формы, включающие гиперболические функции и логарифмы.

Дифференциальное уравнение трактрисы имеет вид: dydx = − Sqrt (a2−x2)/x. Геометрия псевдосферы представляет собой поверхность вращения трактрисы вокруг ее асимптоты, причем асимптота становится осью вращения.

Первая фундаментальная форма (метрический тензор) псевдосферы может быть записана как ds2 = du2 + dv2/v2 в подходящей параметризации, или ds2 = a2 sech2(v) dv2 + a2 sech4(v) du2.

Полная кривизна (гауссова кривизна) K = -1/R2 постоянна, что определяет внутреннюю геометрию поверхности, где в каждой точке псевдосфера обладает отрицательно искривленной геометрией седла.

Важно отметить, что псевдосфера локально изометрична плоскости Лобачевского (гиперболической плоскости), что означает, что локально расстояния и углы на псевдосфере такие же, как и на гиперболической плоскости.

Визуальные представления и 3D-модели.

Характерная форма псевдосферы – это форма рога, часто изображаемая как поверхность с заострением и сингулярностью на экваторе. Существуют визуализации, демонстрирующие геодезические линии на псевдосфере, которые при отображении на модель Пуанкаре верхней полуплоскости соответствуют прямым линиям или дугам окружностей, перпендикулярным вещественной оси. Встречаются 3D-модели и скульптуры, вдохновленные псевдосферой, например, мемориал Бойяи и модели из бумаги или других материалов. Следует также отметить существование «дышащих псевдосфер» и других связанных псевдосферических поверхностей, получаемых из решений уравнения синус-Гордона, которые могут иметь более сложную и «дышащую» форму.

Рис. № 1. 3D-модель псевдосферы Бельтрами с постоянной отрицательной кривизной.

В псевдосфере (сферической полости) энергия концентрируется в геометрическом центре. Физически это происходит потому, что:

Механизм концентрации:

Все лучи, исходящие из центра, отражаются от стенок и возвращаются обратно в центр.

После многократных отражений возникает стоячая волна с максимумом энергии в центре.

Аналогично звуковым волнам в сферическом помещении.

Математическое обоснование:

В сферических координатах решение волнового уравнения дает максимум амплитуды при r=0.

Условие резонанса: диаметр сферы = n·L/2,

где n – целое число.

Применение в электромагнитных и акустических резонаторах

Псевдосфера обладает потенциалом для моделирования замкнутых резонаторов для электромагнитных и акустических волн, особенно благодаря своей способности удерживать энергию за счет своей геометрии. Исследования показывают поведение электромагнитных волн и частиц (например, электронов в графене) на псевдосфере Бельтрами, изучаются такие явления, как релятивистские уровни Ландау и квантовый эффект Холла в присутствии магнитных и электрических полей.