Метаморфозы каустик, движущихся в трехмерном пространстве, получаются сечениями больших (трехмерных) каустик в четырехмерном пространстве-времени трехмерными изохронами, Эти метаморфозы изображены на рис. 44 и 45.
Рис. 44. Типичные переустройки каустик в трехмерном пространстве: серия А
Одна из этих метаморфоз (1) описывает рождение новой каустики "из воздуха". Мы видим, что вновь родившаяся каустика имеет вид блюдца с заостренными краями. Через время t после рождения длина и ширина блюдца порядка √t, глубина порядка t, а толщина порядка t √t.
Рис. 45. Типичные перестройки каустик в трехмерном пространстве: серия D
Каустика может сделаться видимой, если на пути светового пучка имеется рассеивающая среда (пыль, туман). В. М, Закалюкин предположил, что каустики этого вида наблюдатели описывают как летающие блюдца.
Ребра возврата движущихся в трехмерном пространстве каустик заметают поверхность бикаустики. Особенности бикаустик общего положения, соответствующих различным метаморфозам рис. 44 и 45, изображены на рис. 46.
Рис. 46. Типичные особенности бикаустик
Как известно, лучи описывают распространение волн (скажем, световых) лишь в первом приближении; при более точном волновом описании появляется новый существенный параметр — длина волны (лучевое описание пригодно лишь в случае, когда эта длина мала по сравнению с характерным геометрическим размером системы).
Интенсивность света вблизи каустики больше, а вблизи ее особенностей еще больше. Коэффициент усиления оказывается пропорциональным l-α, где l — длина волны, а показатель α — рациональное число, зависящее от характера особенности. Для простейших особенностей значения α таковы:
Таким образом, ярче всего светятся точечные особенности тина пирамиды и кошелька. В случае движущейся каустики в отдельные моменты времени могут возникать более яркие особенности[4] А5, D5 (см. рис. 44, 45, α = 1/3 для А5, 3/8 для D5).
Если свет настолько интенсивен, что способен разрушать среду, то разрушение начнется в точках наибольшей яркости, поэтому показатель α определяет зависимость интенсивности разрушающего среду света от частоты.
Аналогичная описанной выше классификация особенностей каустик и волновых фронтов проведена в многомерных пространствах до размерности 10 (В. М, Закалюкин)
Предсказания теорией особенностей геометрии каустик, фронтов и их перестроек получили полное подтверждение в экспериментах, и сейчас даже кажется странным, почему эта теория не была построена лет двести назад. Дело, однако, в том, что соответствующий математический аппарат не тривиален[5] и связан с такими разделами математики, как классификации простых алгебр Ли и кристаллографических групп Кокстера, с теорией кос, теорией ветвления интегралов, зависящих от параметров, и т. д — он даже связан (довольно таинственным образом) с классификацией правильных многогранников в трехмерном евклидовом пространстве.
Катастрофисты пытаются избежать серьезной математики. Например, в составленной К. Знманом в 1980 г. обширной библиографии по теории катастроф опущены ссылки на математические работы, вышедшие после 1976 г. Таким образом, катастрофисты продолжают попытки экспериментально нащупать ответы в задачах, давно решенных математиками. Например, в работе 1980 г. о ветровых полях и движении льда можно найти полуудачные попытки угадать список метаморфоз каустик в трехмерном пространстве (см. рис. 44, 45), опубликованный математиками еще в 1976 г.
9. Крупномасштабное распределение вещества во вселенной
В настоящее время распределение вещества во Вселенной крайне неоднородно (существуют планеты. Солнце, звезды, галактики, скопления галактик и т. д.). Современная астрофизика считает, что на ранних этапах развития Вселенной таких неоднородностей не было. Как же они образовались? Я. Б. Зельдович в 1970 г. предложил объяснение образования скоплений пылевидной материи, математически эквивалентное анализу возникновения особенностей каустик, начатому в 1963 г. Е. М. Лифшицем, Халатниковым и Судаковым.
Рассмотрим бесстолкновительную среду, т. е. среду настолько разреженную, что ее частицы проходят друг "сквозь" друга, не сталкиваясь. Предположим, для простоты, что частицы не взаимодействуют и движутся по инерции: через время t частица, находившаяся в точке х, перейдет в точку х + vt.
Предположим, что в начальный момент скорость частицы, находящейся в точке х, была v0 (х); векторное поле v0 называется начальным полем скоростей среды. С течением времени частицы будут двигаться и поле скоростей будет меняться (хотя скорость каждой частицы и не меняется, в следующий момент времени эта частица находится на новом месте).
На рис. 47 изображено начальное поле скоростей одномерной среды v0 и получающиеся аз него через время t = 1, 2 и 3 ноля v1, v2, v3. Мы видим, что, начиная с некоторого момента, более быстрые частицы начинают обгонять более медленные; в результате поле скоростей становится трехзначным: через одну точку пространства проходят с разными скоростями три потока частиц.
Рис. 47. Эволюция поля скоростей бесстолкновительной среды
Движение нашей среды можно описать как однопараметрическое семейство отображений прямой на прямую. Именно для каждого t определено отображение gt, переводящее начальное положение частицы (х) в конечное: gt = х + v0 (х)t.
Отображение g0 есть тождественное преобразование, оставляющее каждую точку на месте. Отображения, соответствующие моментам t, близким к 0, взаимно однозначны и не имеют особенностей. После момента первого обгона отображение gt имеет две складки.
Рис. 48. Особенности плотности после обгона
Пусть в начальный момент плотность среды в точке х была ρ0(х), С течением времени плотность будет меняться. Нетрудно сообразить, что после обгона график плотности будет иметь вид, изображенный па рис. 48 (на расстоянии 8 от точки складки плотность оказывается порядка 1/√ε).
Таким образом, небольшие отличия начального ноля скоростей от постоянного приводят через достаточно большое время к образованию скоплений частиц (в местах бесконечно большой плотности).
[4] Все перечисленные особенности классифицируются по типам Ak, Dk, о которых подробнее рассказано выше.
[5] Первоначальное доказательство теоремы Уитни, о которой мы начали, занимало около 40 страниц; хотя окончательные геометрические результаты теории особенностей легко могут быть понятны и использованы, доказательства продолжают оставаться сложными.