Koherentiškumas fizikoje: koherencija, interferencija ir reikšmė

Koherencija pažangiojoje fizikoje yra elektromagnetinių bangų reiškinys. Ji nusako, kiek ir kaip pastovūs yra bangų faziniai, laikiniai ir erdviniai santykiai tarpusavyje: praktiškai — ar bangos „suderinamos“ taip, kad jas sujungus atsirastų aiškūs interferenciniai reiškiniai. Koherenciją paprastai vertina pagal tai, ar bangų fazių skirtumas yra stabilus, ar dažnis vienodas ir ar bangos forma yra panaši. Tokiu atveju bangos elgiasi kaip identiškos: jų viršūnės ir įdubos sutampa ir susidaro stabili, t. y. laike ir erdvėje pastovi, interferenciją.

Kas yra koherencija ir kodėl ji svarbi

Koherenciškumas nėra vien tik idealus teorinis apibrėžimas — tai platesnė sąvoka, apimanti visų vienos bangos arba kelių bangų ar bangų paketų fizinių dydžių koreliacijos savybes. Realiose situacijose bangos dažniausiai būna iš dalies koherentiškos: jų fazės ir amplitudės kinta laike arba erdvėje, todėl interferenciniai vaizdai nebūna idealūs, bet vis tiek gali būti ryškūs tam tikrose skalėse. Koherencijos laipsnis lemia, ar galima gauti ryškias interferencines juostas, ar — pavyzdžiui — sukurti hologramą, ar patikimai perduoti signalą optiniuose ryšiuose.

Laikinė (temporal) ir erdvinė (spatial) koherencija

Koherencija skirstoma į dvi pagrindines rūšis:

• Laikinė koherencija (temporal coherence) – susijusi su bangos fazės stabilumu laike. Ji nustatoma dažnio stabilumu ir spektrine linija: kuo siauresnis spektro plotis, tuo ilgesnis koherencijos laikas τc ir didesnė koherencijos ilgis Lc ≈ c·τc ≈ c/Δν, kur Δν yra spektrinis ploštis. Pavyzdžiui, lazerio šviesa dažnai turi labai didelį laikinį koherentiškumą, o šviesa iš šiltos lempos — labai trumpą.
• Erdvinė koherencija (spatial coherence) – apibūdina fazės koreliaciją skirtingose erdvės taškų vietose, t. y. kiek vienu metu skirtingose vietose matoma banga yra „vienoda“. Taip vertinamas, ar, pavyzdžiui, iš skirtingų šaltinio taškų sklindančios bangos sukuria ryškią interferenciją atitinkamu atstumu.

Koherencijos laipsniai ir matematika (sutrumpintai)

Fizikoje naudojamos sąvokos kaip mutual coherence function ir degree of coherence (pirmojo bei aukštesnio laipsnio koreliacijos funkcijos). Pirmojo laipsnio koherencija susijusi su lauko vidurkiu bei fazės santykiu (naudojama klasikinėje optikoje), o antrojo laipsnio — su intensyvumo koreliacijomis (naudinga, pavyzdžiui, Hanbury Brown ir Twiss eksperimentams). Šios funkcijos leidžia kiekybiškai įvertinti, kiek du taškai laike ir erdvėje yra koreliuoti, o tai tiesiogiai susiję su interferencijos juostų ryškumu (visibility).

Kaip matuoti koherenciją

Dažniausi eksperimentiniai metodai:

• Michelsono interferometras – matuoja laikinę koherenciją / koherencijos ilgį, nustatant maksimalų optinio kelio skirtumą, kuriame dar matoma interferencija.
• Jauno dvigubo plyšio eksperimentas – parodo erdvinę koherenciją; ryškios dvigubo plyšio juostos rodo aukštą erdvinę koherenciją.
• Hanbury Brown–Twiss tipo sąranka – leidžia tirti intensyvumo koreliacijas ir antrojo laipsnio koherenciją, svarbi kvantinei optikai ir fotonų statistikoms.

Praktinė reikšmė ir panaudojimai

Koherencija yra esminė daugelyje technologijų ir mokslo sričių:

• Lasers: aukštas koherentiškumas leidžia fokusavimą, interferometriją ir tikslų optinį matavimą.
• Interferometrija ir metrologija: matavimai su labai dideliu tikslumu (pvz., gravimetriniai ir atstumo matavimai).
• Holografija: reikalauja pakankamai ilgo laikinio ir gero erdvinio koherentiškumo.
• Optinė komunikacija: koherentiniai spausdinimo ir imties metodai padidina kanalų pajėgumą ir jautrumą.
• Medicininė vaizdavimo technika (pvz., optinė koherentinė tomografija, OCT) naudoja ribotą koherenciją, kad sukurtų atvaizdus sluoksniais.

Koherencija kvantinėje fizikoje

Koherencija tapo svarbia kvantinės fizikos sąvoka: kvantinės bangų funkcijos koherentiškumas leidžia egzistuoti kvantiniams superpozicijos būsenoms. Tačiau tokios būsenos yra pažeidžiamos dvejopai — dekoherencijai, kai sąveika su aplinka naikina superpoziciją, ir matavimų poveikiui. Kvantinė koherencija yra ir išteklius kvantinėse informacijos technologijose (pvz., kvantinėje kompiuterijoje), bet reikalauja specialių priemonių dekoherencijai mažinti.

Praktiški pavyzdžiai ir palyginimai

• Lasero spindulys: labai ilgas koherencijos ilgis, ryški interferencija net dideliuose atstumuose.
• LED arba kaitrinė lemputė: trumpas koherencijos laikas ir ilgis, interferencijos juostos greitai išnyksta arba yra labai išplautos.
• Saulės šviesa: platų spektrą turinti šviesa turi labai trumpą laikinį koherentiškumą, todėl tradiciniame dvigubo plyšio eksperimente saulės šviesa duotų silpną interferenciją be filtro ar spektrinio siaurinimo.

Apibendrinant: koherenciškumas yra fundamentali bangų savybė, leidžianti paaiškinti ir panaudoti interferenciją, matyti smulkias struktūras ir kurti tiksliausius matavimo prietaisus. Nors ideali koherencija yra ribinis atvejis, supratimas apie laikinę ir erdvinę koherenciją, jų matavimą ir kontrolę yra gyvybiškai svarbus tiek klasikinei, tiek kvantinei fizikai.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra koherentiškumas pažangiojoje fizikoje?

Klausimas: Kada du bangų šaltiniai yra visiškai koherentiniai?

K: Kas atsitinka, kai du bangų šaltiniai yra tobulai koherentiniai?

K: Ką sukuria koherentiškumas?

K: Ar koherentiškumas yra ideali bangų savybė?

K: Ką apibūdina koherentiškumas?

K: Kodėl koherentiškumas tapo svarbia kvantinės fizikos sąvoka?

Paieška pagal raidę