Интерференция очень кратко

Свет не сгибается в линзе, не отскакивает от поверхности стекла, и не расходится волнами после прохождения через небольшое отверстие. Он даже не движется по прямой. Самый счастливый день моей научной жизни настал, когда я прочёл «КЭД» Фейнмана и узнал, что преломление, отражение и дифракция – вещи, которые я знал с пятого класса – были ложью. Точнее, они были иллюзиями. Выглядит так, что свет изгибается, отскакивает и расходится. Иллюзия настолько хороша, что на ней можно основывать достоверные математические предсказания происходящего, но тщательное осмысление и дальнейшие эксперименты показывают, что тут творится нечто более сложное.

Итак, откуда берутся все те эффекты, которые мы видим – отражения, преломление, цвета в мыльных пузырях? Они происходят из того факта, что фотоны взаимодействуют друг с другом странным образом. Это взаимодействие часто понимают в терминах интерференции волн, поскольку математически его можно описать так же, как интерференцию волн воды, но в реальности оно изрядно страннее. Странности обсуждается более подробно в последней главе, но намек на них можно увидеть хотя бы в том факте, что фотоны интерферируют друг с другом, даже если они испускаются по одному за раз, что волны воды, очевидно, не делают. Но для этой и следующей главы, всё же лучше всего рассматривать рассеянные фотоны как расходящиеся сферические электромагнитные волны, обладающие амплитудой (напряженностью поля) и фазой (положением волны в своем цикле изменения электрического поля), и исходящие из каждой небольшой частицы материала, через которую проходит свет (см. КЭД для изящного объяснения всего этого на языке фотонов).

Прежде чем мы начнем, я хочу пояснить, что моё представление является в упрощенной формой. Пунктирование i и конверсия t включают комплексный анализ. В этом случае «комплексный» относится к комплексным числам, хотя анализ может быть и сложным в обычном смысле. Моя цель здесь – продемонстрировать основные идеи, чтобы вы могли увидеть лежащее в основе широкого спектра явлений единство, и ещё больше оценить некоторые трюки, которые животные делают со светом.

До этой главы (и для большинства последующих глав) мы складывали свет, как мы складываем большинство вещей - 1 + 1 = 2. Более конкретно, если облучённость каждого из двух монохроматических лучей, падающих на одну и ту же точку, равнялась A, то суммарная облучённость точки составляла 2A. Однако у волны внутри каждого луча есть фаза. Если учитывать фазы, общее мгновенное электрическое поле в месте, где встречаются волны:

где a - амплитуда каждой волны (максимальная для электрического поля), t - время, φ - разность фаз между двумя волнами. Для ясности я установил частоту обеих волн на единицу и установил время так, чтобы фаза первой волны была равна нулю при нулевом времени. Я также предположил, что электрическое поле является скалярным вместо векторного. Все это влияет на детали расчетов, но не на общие приводимые мной аргументы.

Никакой глаз или реальное устройство не может измерить мгновенное электрическое поле на частотах видимого света. Вместо этого видимая/обнаруживаемая нами облучённость пропорциональна среднему значению квадрата полного электрического поля на протяжении многих циклов. Я обещал избегать большого количества математики, поэтому собираюсь пропустить запутанный интеграл, который даст вам усредненное значение освещенности в этом случае. Вместо этого я хотел бы, чтобы вы отметили, что происходит с мгновенным электрическим полем при определенных значениях относительной разности фаз φ. Если разность фаз равна 0, 360°, или любой, кратной 360°, тогда интенсивность суммы двух электрических полей всегда вдвое превышает интенсивность каждого отдельного электрического поля. В частности, это означает, что суммарная амплитуда (максимальная для электрического поля за один цикл) также вдвое больше, чем у каждой волны. Поскольку измеряемая облучённость пропорциональна квадрату этой амплитуды, комбинация повышает облучённость в четыре раза. Другими словами, 1 + 1 = 4. Это называется «конструктивной интерференцией». Если разность фаз составляет 180°, или на 180° больше любого кратного 360° числа (например, 540°, 900°), тогда значение электрического поля одной волны всегда является абсолютно противоположным значению поля другой волны и, следовательно, их сумма всегда равна нулю. Таким образом, вы не обнаружите никакого света вообще и 1 + 1 = 0. Это называется «деструктивная интерференция».

Примечание переводчика

Как насчет других возможных разностей фаз? Когда вы переходите в разностях фаз от 0° до 180° (как с умножением на 360°, так и без такового), измеренная облучённость плавно уменьшается от четырёхкратной облучённости любого луча до 0. От 180° до 360° измеренная облучённость снова возвращается к четырёхкратной облучённости. Если два луча начинаются с одной и той же фазы (например, один лазерный луч, разделённый на два с помощью светоделителя), то когда они встречаются снова (если встречаются) их относительные фазы зависят от того, насколько большим было пройденное лучами расстояние. Фазы также будут зависеть от того, через что проходили два луча, поскольку, как мы обсуждали в главе 2, длина волны луча света зависит от показателя преломления среды, в которой она движется. Это волновая интерференция в двух словах. Обратите внимание, что ни конструктивная, ни деструктивная интерференция не создает или не разрушает свет, что было бы нарушением закона сохранения энергии. Вместо этого вы можете думать об интерференции как об изменении места обнаружения света. Общее количество света остается неизменным.

Вы скорее всего видели интерференционные полосы в кабинете физики средней школы, обычно демонстрируемые с помощью лазерного луча, проходящего через небольшую вертикальную щель. Вам, возможно, также сказали, что видимые вами цвета нефтяных пятен, мыльных пузырей, радужных перьев и крыльев бабочек вызваны интерференцией. Это правда, но у большинства людей остаётся впечатление, что интерференция является ограниченным явлением, которое обнаруживается только тогда, когда монохроматический свет взаимодействует со специальными структурами. Однако интерференция лежит в основе многих важных явлений. Без неё линзы не будут фокусироваться, оконное стекло и тихие пруды не будут отражать свет, а океан и внутренность нашего глаза будут такими же непрозрачными, как молоко.

← Предыдущая страница ❋ Следующая страница →