У цій статті розглядається таке явище фізики, як інтерференція: що таке, коли виникає і як застосовується. Також докладно розповідається про суміжне поняття хвильової фізики – дифракції.

Види хвиль

Коли в книзі або в розмові виникає слово «хвиля», то, як правило, відразу представляється море: синій простір, безмежна даль, одна за одною набігають на берег солоні вали. Житель степів представить собі інший вигляд: безмежний простір трави, вона колишеться під лагідним вітерцем. Хто ще згадає хвилі, розглядаючи складки важкої портьєри або тріпотіння прапора в сонячний день. Математик подумає про синусоїді, любитель радіо – про електромагнітних коливаннях. Всі вони мають різну природу і відносяться до різних видів. Але незаперечно одне: хвиля – це стан відхилення від рівноваги, перетворення якогось «гладкого» закону в коливальний. Саме для них застосовано таке явище, як інтерференція. Що таке і як вона виникає, розглянемо трохи пізніше. Спочатку розберемося, якими бувають хвилі. Перерахуємо наступні види:

механічні;

хімічні;

електромагнітні;

гравітаційні;

спінові;

імовірнісні.

З точки зору фізики, хвилі переносять енергію. Але трапляється, що переміщується і маса. Відповідаючи на питання про те, що таке інтерференція у фізиці, слід зазначити, що вона характерна для хвиль абсолютно будь-якої природи.

Ознаки відмінності хвиль

Як не дивно, але єдиного визначення хвилі не існує. Їх види настільки різноманітні, що тільки типів класифікації більше десятка. За якими ж ознаками розрізняють хвилі?

За способом поширення в середовищі (біжать або стоячі).

За характером самої хвилі (коливальні та солітони відмінні саме за цією ознакою).

За типом розподілу в середовищі (поздовжні, поперечні).

За ступенем лінійності (лінійні або нелінійні).

За властивостями середовища, в якому вони розповсюджуються (дискретні, безперервні).

За формою (плоскі, сферичні, спіральні).

За особливостями фізичного середовища розповсюдження (механічні, електромагнітні, гравітаційні).

За напрямом коливання частинок середовища (хвилі стиснення або зсуву).

За часом, який потрібен на порушення середовища (одиночні, монохроматичні, хвильовий пакет).

І до будь-якого типу цих збурень середовища застосовна інтерференція. Що таке особливе міститься в цьому понятті і чому саме це явище робить наш світ таким, який він є, розповімо після приведення характеристик хвилі.

Характеристики хвилі

Незалежно від типу і виду хвиль, у них всіх є спільні характеристики. Ось список:

Гребінь – це свого роду максимум. Для хвиль стиснення це місце найбільшої щільності середовища. Являє собою найбільше позитивне відхилення коливання від стану рівноваги.

Улоговина (в деяких випадках долина) – це зворотне гребеню поняття. Мінімум, найбільше негативне відхилення від стану рівноваги.

Тимчасова періодичність, або частота – це час, за який хвиля пройде від одного максимуму до іншого.

Просторова періодичність, або довжина хвилі – це відстань між сусідніми вершинами.

Амплітуда – це висота піків. Саме це визначення знадобиться, щоб розібратися, що таке інтерференція хвиль.

Ми дуже детально розглянули хвилю, її характеристики та різні класифікації, бо поняття «інтерференція» неможливо пояснити без чіткого розуміння такого явища, як обурення середовища. Нагадуємо, що інтерференція має сенс тільки для хвиль.

Взаємодія хвиль

Тепер ми впритул підійшли до поняття «інтерференція»: що таке, коли виникає і як її визначити. Всі перераховані вище види, типи та характеристики хвиль ставилися до ідеального нагоди. Це були описи «сферичного коня у вакуумі», тобто якихось теоретичних конструкцій, неможливих в реальному світі. Але на практиці все простір навколо пронизане різними хвилями. Світло, звук, тепло, радіо, хімічні процеси – це періодичні коливання середовища. І всі ці хвилі взаємодіють. Треба відзначити одну особливість: щоб вони могли вплинути один на одного, у них повинні бути схожі характеристики. Хвилі звуку жодним чином не зможуть интерферировать зі світлом, а радіохвилі ніяк не взаємодіють з вітром. Звичайно, вплив все одно є, але воно настільки мало, що його дія просто не враховується. Іншими словами, при поясненні, що таке інтерференція світла, передбачається, що один фотон впливає на інший при зустрічі. Отже, докладніше.

Інтерференція

Для багатьох видів хвиль діє принцип суперпозиції: зустрічаючись в одній точці простору, вони взаємодіють. Обмін енергією відображається на зміні амплітуди. Закон взаємодії наступний: якщо зустрічаються в одній точці два максимуму, то в кінцевій хвилі інтенсивність максимуму збільшується вдвічі; якщо зустрічаються максимум і мінімум, то підсумкова амплітуда звертається в нуль. Це і є наочний відповідь на питання про те, що таке інтерференція світла та звуку. По суті, це явище накладання.

Інтерференція хвиль з різними характеристиками

Описане вище подія являє зустріч двох однакових хвиль у лінійному просторі. Однак дві зустрічні хвилі можуть мати різні частоти, амплітуди, довжини. Як представити підсумкову картину в такому випадку? Відповідь криється в тому, що результат буде не зовсім схожий на хвилю. Тобто строгий порядок чергування максимумів і мінімумів буде порушено: у якийсь момент амплітуда буде максимальною, наступного – вже менше, потім зустрінуться максимум і мінімум і результат звернеться в нуль. Однак, якими б сильними не були відмінності двох хвиль, амплітуда все одно рано чи пізно повториться. В математиці прийнято говорити про нескінченності, але в реальності сили тертя і інерція можуть зупинити саме існування результуючої хвилі до того, як картина піків, долин і рівнин повториться.

Інтерференція хвиль, що зустрічаються під кутом

Але, крім власних характеристик, у реальних хвиль може відрізнятися положення в просторі. Наприклад, при розгляді питання про те, що таке інтерференція звуку, це необхідно враховувати. Уявіть собі: йде хлопчик і дме в свистульку. Він посилає звукову хвилю попереду себе. А повз нього проїжджає інший хлопчик на велосипеді і дзвенить у дзвоник, щоб пішохід посторонився. У місці зустрічі цих двох звукових хвиль вони перетинаються під деяким кутом. Як розрахувати амплітуду та форму кінцевого коливання повітря, який долетить, наприклад, до найближчої торгівлі насінням бабушки Маші? Тут в силу вступає векторна складова звукової хвилі. І додавати або віднімати в даному випадку треба не тільки величини амплітуди, але і вектори поширення цих коливань. Сподіваємося, що бабуся Маша при цьому не буде сильно кричати на шумливих хлопців.

Інтерференція світла з різною поляризацією

Буває і так, що в одній точці зустрічаються фотони різної поляризації. У цьому випадку теж слід враховувати векторну складову електромагнітних коливань. Якщо вони не взаємно перпендикулярні або один з пучків світла має кругову або еліптичну поляризацію, то взаємодія цілком можливо. На цьому принципі будується декілька способів визначення оптичної чистоти кристалів: перпендикулярно пучках поляризованих не повинно бути ніякої взаємодії. Якщо картина спотворюється, то кристал ідеальний, він змінює поляризацію пучків, а значить, вирощений неправильно.

Інтерференція і дифракція

Взаємодія двох пучків світла призводить до їх інтерференції, в результаті спостерігач бачить низку світлих (максимумів) і темних (мінімумів) смуг або кілець. А ось взаємодія світла і речовини супроводжується іншим явищем – дифракцією. Воно засноване на тому, що світло різної довжини хвилі інакше переломлюється середовищем. Наприклад, якщо довжина хвилі 300 нанометрів, то кут відхилення становить 10 градусів, а якщо 500 нанометрів – вже 12. Таким чином, коли на призму з кварцу падає світло від сонячного променя, червоний переломлюється не так, як фіолетовий (їх довжини хвиль розрізняються), і спостерігач бачить веселку. Це відповідь на питання про те, що таке інтерференція і дифракція світла і чим вони відрізняються. Якщо спрямувати на ту ж призму монохроматичне випромінювання від лазера, ніякої веселки не буде, так як немає фотонів різної довжини хвилі. Просто промінь відхилиться від початкового напрямку поширення на деякий кут, і все.

Застосування явища інтерференції на практиці

Можливостей отримати практичну користь з цього суто теоретичного явища дуже багато. Тут будуть перераховані лише основні з них:

Дослідження якості кристалів. Трохи вище ми розповідали про це.

Виявлення похибок лінз. Часто вони повинні бути відшліфовані ідеальної сферичної форми. Наявність яких-небудь дефектів виявляють саме з допомогою явища інтерференції.

Визначення товщини плівок. У деяких видах виробництва дуже багато значить постійна товщина плівки, наприклад пластикової. Визначити її якість дозволяє саме явище інтерференції разом з дифракцією.

Просвітлення оптики. Окуляри, лінзи фотоапаратів і мікроскопів покривають тонкою плівкою. Таким чином, електромагнітні хвилі певної довжини просто відбиваються і накладаються самі на себе, зменшуючи перешкоди. Найчастіше просвітлення робиться в зеленій частині оптичного спектру, так як саме цю область людське око сприймає найкраще.

Вивчення космосу. Знаючи закони інтерференції, астрономи здатні розділити спектри двох близько розташованих зірок і визначити їх склади і відстань до Землі.

Теоретичні дослідження. Колись саме з допомогою явища інтерференції вдалося довести хвильову природу елементарних частинок, таких як електрони і протони. Цим була підтверджена гіпотеза корпускулярно-хвильового дуалізму мікросвіту і покладено початок квантової ері.

Сподіваємося, що з цією статтею ваші пізнання про накладення когерентних (випускаються джерелами, що мають постійну різницю фаз і однакову частоту) хвиль значно розширилися. Це явище називається інтерференцією.