Інтерференційні таємниці природи, наука і життя

Інтерференційної ТАЄМНИЦІ ПРИРОДИ

Доктор технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

Протягом декількох сотень років фізики намагалися зрозуміти, що ж таке світло - хвилі або потік частинок, названих пізніше фотонами, і врешті-решт з'ясували, що слово «або» вживати не можна. В одних випадках світло поводиться як хвиля, в інших - як потік фотонів, виявляючи квантовий, тобто дискретний характер випромінювання. Іншими словами, світло має двоїсту природу. Науковою мовою це називається «корпускулярно-хвильовий дуалізм» (слово «корпускула» означає «частка»). Інтерференція вважається одним з наочних проявів хвильових властивостей: адже интерферировать можуть тільки хвилі. Здавалося б, і сперечатися нема про що. Однак все не так просто. Недарма існує досить виразне вислів: «Світло - саме темне місце у фізиці».

Інтерференція - чудове явище, що має безліч застосувань. Воно прояв-Лж. ляется як в оптичному, так і в радіодіапазоні. Особливо вражаюча інтерференція світла, так як ми можемо її спостерігати безпосередньо, в той час як радіохвилі невидимі оком. Часто інтерференцію світла характеризують такий «парадоксальною» фразою: світло плюс світло може давати темряву. Людині, зовсім незнайомій з фізичною оптикою, це може здатися дуже дивним: як це так - якщо до світла додати ще світло, то має стати ще світліше! Правда, всі ми вивчали фізику в школі, і, напевно, все-таки у кожного залишилися хоча б якісь невиразні спогади про те, що таке інтерференція ( «Так. Щось пов'язане зі світлом. Не надто пам'ятаю, але начебто це якесь накладення світлових хвиль. »). Вже добре! Давайте ж почнемо з того, що освіжимо ці напівзабуті знання, які дозволять нам поговорити про вкрай дивних і цікавих явищах, пов'язаних з інтерференцією світла.

Візьмемо більш-менш «спрямований» джерело світла, наприклад кишеньковий ліхтарик (з галогенною лампою, що дає яскраве світло, а ще краще - з світлодіодом), і направимо його на білий екран. На екрані виникне пляма світла. Тепер візьмемо другий такий же ліхтарик і направимо його світло на те ж місце екрану. «І що, ми отримаємо темряву?» - іронічно запитає Новомосковсктель, який прочитав перед-дущий абзац, але настільки забули шкільну фізику, що слово «оптика» асоціюється у нього лише з окулярами і лупами. Ні, звичайно, ніякої темряви ми не отримаємо, світлове пляма стане ще яскравіше. «Ну і що в цьому дивного?» - помітить наш скептик. У цьому - нічого. Але тепер зробимо наступне: візьмемо лист щільного картону, проколів в ньому голкою дві дірочки якомога ближче одна до одної (скажімо, на відстані 0,5 міліметра), поставимо лист перед екраном (на відстані близько 20-30 см) і висвітлимо ці дірочки одним ліхтариком (див. рис. 1). Можливо, доведеться трохи порегуліровать відстань між ліхтариком і картоном, але ми обов'язково знайдемо положення, при якому на екрані світла пляма буде перетинатися темними ділянками. Ось ми і отримали темряву!

Чому ж виникають ці темні ділянки? Чому їх не було в разі двох ліхтариків, а з'явилися вони тільки при висвітленні отворів в картоні одним ліхтариком?

Поставимо таке «безглуздий» питання. Скільки джерел світла було в цих двох випадках? Я назвав це питання «безглуздим» тому, що він може викликати подив: як скільки? У першому випадку ми включали обидва ліхтарика, значить, було два джерела світла, а в другому світил тільки один ліхтарик, одне джерело світла. Хіба не так?

Ні, не так. У другому випадку було теж два джерела, якими стали два отвори в картоні (1 і 2, рис.1). Тобто вихідний джерело був, звичайно, один, але світло на екран йшов з цих двох дірочок, які грали роль вторинних джерел світла. А ось те, що світло цих вторинних джерел утворився від одного вихідного, зіграло фундаментальну роль.

Використовуючи картон з дірочками, зображений на рис.1, ми відтворили (з деякими несуттєвими відмінностями) знаменитий досвід Т. Юнга, вперше спостерігав інтерференцію світла від двох щілин в 1802 році.

Інтерференція - це таке складання хвиль, при якому відбувається не просто підсумовування інтенсивностей цих хвиль, а їх взаємне посилення в одних точках простору і ослаблення в інших, в залежності від різниці фаз хвиль в цих точках.

Але перш ніж розглядати інтерференцію, необхідно поговорити про одне фундаментальному понятті, що грає ключову роль.

Чому у випадку з двома ліхтариками відбувалося тільки підсумовування інтенсивностей (яркостей), а у випадку з картоном ми могли спостерігати інтерференцію? Тому, що в першому випадку світлові хвилі від двох джерел були некогерентного, а в другому - когерентні, так як породжені одним джерелом. Отже, необхідною умовою освіти інтерференції є когерентність хвиль. Що це таке?

Слово «когерентність» - грецького походження і в найбільш загальному сенсі означає «узгодженість». Найпростіший приклад: коли по вулиці ходить натовп людей, вона йде некогерентно, а коли марширує рота солдатів, то вона йде когерентно.

Когерентні хвилі - це хвилі однакової частоти, між якими зберігається постійна різниця фаз (тобто вони узгоджені по фазі). При складанні двох когерентних хвиль однакової поляризації (з одним і тим же напрямом коливань напруженості електричного поля) амплітуда сумарної хвилі залежить від різниці фаз хвиль, що складаються - це і є інтерференція.

При інтерференції світлових хвиль зручніше мати справу не з амплітудами, а з інтенсивностями. Це не змінює суті справи, так як інтенсивність пропорційна квадрату амплітуди. Якщо в будь-яку точку приходять дві хвилі з інтенсивностями I1 і I2 і фазами # 966; 1 і # 966; 2 відповідно, то результуюча інтенсивність в цій точці визначається виразом

де # 8710; # 966; = | # 966; 1 - # 966; 2 | - різниця фаз, а множник у відображає ступінь когерентності хвиль. З цієї формули наочно видно залежність результуючої інтенсивності від різниці фаз # 8710; # 966; і від величини # 947 ;.

У тих місцях, куди хвилі приходять в однаковій фазі, тобто «гребені» і «западини» однієї хвилі збігаються з «гребенями» і «западинами» інший (# 8710; # 966; = 0. Cos # 8710; # 966; = 1), хвилі підсилюють одна одну і спостерігається максимальна інтенсивність (I max). У тих місцях, куди хвилі приходять в протифазі, «гребені» однієї хвилі збігаються з «западинами» інший ( # 8710; # 966; = 180 о. cos # 8710; # 966; = -1), хвилі гасять одна одну і результуюча інтенсивність стає мінімальною (Imin). Таким чином, утворюється інтерференційна картина, що складається з чергуються світлих і темних ділянок.

Когерентність хвиль визначає їх здатність до інтерференції. Практичним критерієм ступеня сталості різниці фаз, тобто мірою ступеня когерентності у, є контраст (видность, різкість, чіткість) інтерференційних смуг - найважливіший параметр інтерференційної картини. якщо умова # 8710; # 966; = Const не дотримується, то, як видно з вищенаведеної формули, змінюється і результуюча інтенсивність Iрез. що призводить до «розмиття» інтерференційних смуг - зменшення контрасту К. У загальному випадку контраст визначається виразом

При цьому 0 2. Термін «хвильова функція» згодом замінили терміном «амплітуда ймовірності», щоб підкреслити імовірнісний характер опису мікроб'екта. Отже, для нашого випадку маємо: Р1 = | # 968; 1 | 2. Р2 = | # 968; 2 | 2. А далі треба врахувати принципове обставина, пов'язане з помітним взаємовиключних подій. Що під цим розуміється?

У мікрооб'єкту - скажімо, у електрона - є можливість альтернативної реалізації двох варіантів (подій): пройти або через отвір 1, або через отвір 2. Коли підсвічування вимкнене, тобто ми не спостерігаємо за електроном, то ці події є невиразними. Як тільки ми включаємо світло, вони стають помітними. Нічого подібного немає в класичній фізиці (там всі події завжди помітні), така ситуація можлива тільки в мікросвіті. Так ось, в квантовій механіці справедливо таке правило: якщо події помітні, складаються відповідні їм ймовірності; якщо ж події невиразні, складаються амплітуди ймовірностей. У першому випадку (з підсвічуванням) ми маємо Р = Р1 + Р2 = | # 968; 1 | 2 + | # 968; 2 | 2. інтерференція відсутня. У другому випадку (без підсвічування) отримуємо: # 968; = # 968; 1 + # 968; 2 і P = | # 968; 1 + # 968; 2 | 2. Виникає інтерференція.