Современное понимание интерференции следующее:
Интерференция – это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны в результате сложения когерентных волн. Когерентность световых волн означает равенство частот и постоянную разность начальных фаз. Необходимыми условием интерференции световых волн является их одинаковая поляризация, т.к. у световых поперечная поляризация. Для интерференции звуковых волн такого условия нет – они всегда поляризованы продольно.
Излучение обычных (не лазерных) источников света представляют собой наложение огромного числа несогласованных между собой цугов волн, т.е. беспорядочные некогерентные колебания, которые не могут интерферировать.
С т.з. математики, если уравнение, описывающее распространение света в пространстве и времени, описывается следующими уравнениями:
F = F₁(t, r) и F = F₂(t, r),
то и уравнение
F = F₁(t, r) + F₂(t, r),
тоже может описывать распространение света в пространстве и времени.Чаще всего в качестве функций F(t, r) в физике используются периодические тригонометрические функции - Asin(ω, t, r) и Bcos(ω, t, r). Они обладают тем свойством, что любую другую возможную функцию можно получить с их помощью путем сложения множества этих функций с разными амплитудами A и B и частотами ω.
Такое распространение света говорит о том, что свет не взаимодействует с самим собой и другими процессами, описывающими его распространение. И не только света, но любых других волновых процессов. Конечно, в некотором приближении. В квантовой механике, в которой изучаются законы жизни элементарных частиц, это уже не так. Кванты света могут взаимодействовать друг с другом и даже с сами собой. Но это происходит при очень больших энергиях этих квантов света.
В результате интерференции волн сила света (или звуков) от нескольких источников в конкретной области пространства и времени может совсем исчезнуть, а в других – значительно возрасти. См. следующее фото как пример интерференции волн от двух точечных источников:
Явление интерференции (или то, что является его прямым следствием) было известно человеку (или он сталкивался с этим) с тех времен, когда он что-то начал понимать. Может, это "знание" у него появилось 50 000 лет назад – во всяком случае, ученые, изучающие мозг человека, думают, что мозг человека мало изменился с этих времен. Пример – посмотрите то же фото выше.
Дифракция является непосредственным следствием интерференции волн. Современное понимание дифракции следующее:
Дифракция – огибание волнами краёв препятствий – присуща любому волновому движению Но наблюдать дифракцию света нелегко, так как волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.
Явление интерференции (или то, что является его прямым следствием) также известно человеку с незапамятных времен. Если со светом это не очевидно, то со звуком – да. Звук огибает препятствия – и делает это очень прекрасно и изящно. Если бы эт ого эффекта не было, мы бы не смогли определить направление, откуда идет звук, прислушиваясь к ней. Мы автоматически поворачиваем голову в сторону источника.
Странно, что Ньютон, по-видимому, совершенно игнорировал проявления дифракции. Она была открыта Гримальди (Франческо Мария, 02.04.1618, Болонья – 28.12.1663, Болонья – итальянский астроном и физик) в 16, который, вероятно, попытался выполнить «предельный эксперимент». Это очень хорошее поле деятельности для физика; много нового было открыто именно в попытках узнать, при каких предельных условиях обычные явления перестают иметь место.
В те времена довольно хорошее образование давали иезуитские школы, куда и пошел мальчик. Там он изучал риторику, философию и теологию, а совершенствовал свои знания в нескольких университетах.В 1647 году Гримальди начал преподавательскую деятельность в иезуитской коллегии родного города после того, как стал доктором философии. Он принял сан священника в 1651 году, но за неоднократные споры, которые разгорались между братьями по ордену, его отстранили от чтения философского курса. Поэтому в конце своей жизни ученый стал преподавать математику.
Астрономией Гримальди заинтересовался, когда познакомился с трудами Дж. Риччиолли, даже помогал ему в написании следующей книги. Потом ученый начал оптические эксперименты. Он хотел выяснить, откуда берется свет, пытался проводить опыты с поведением очень узких световых пучков. Эти исследования привели к открытию нового явления, которое физик назвал дифракцией.
Представления ученого о свете были неоднозначны, он не принимал свет как поток частиц, представляя его в виде непрерывной среды, похожей на жидкость, или просто ее свойства. Эти ошибочные мнения не помешали Гримальди описать процессы отражения, преломления и распространения света, разработать теорию цветов. Ему принадлежит описание солнечного спектра, полученного с помощью применения призмы. Все его опыты были сведены в единый труд «Физическая наука о свете, цветах и радуге», который вышел уже после смерти физика. Умер он в своем родном городе Болонье.
В данном случае проблема состоит в резкости тени; хорошо известно, что протяженный источник света, скажем Солнце, дает тени с размытыми краями (рис. 2, а) и что чем меньше источник, тем более резки тени (рис. 2, б). До какой степени можно довести резкость тени? Гримальди установил, что если использовать в качестве источника света маленькое освещенное булавочное отверстие, то тени снова размываются,
(извините за качество фото -- что было в книге Г.Липтона, то и есть)
более того, появляются «параллельные полосы, а по соседству с ними ряды цветных полос». Гримальди проводил свои наблюдения, используя солнечный свет, проникающий в затемненную комнату через маленькую дырочку; на рис. 2, в показана современная фотография этого явления, сделанная с помощью ртутной лампы с очень маленькой дугой. Этот эффект был переоткрыт Гуком в 1672 г. Видимо, пришло время – два открытия одного и того эффекта почти одновременно.
Ньютон заинтересовался этими явлениями и сам повторил опыт. Он получил более обширные результаты, используя различные отверстия разного размера. На рис. 3 показано, какие эффекты он наблюдал с помощью суживающейся щели; ясно видно уширение тени возле узкого конца щели.
И тут Ньютон подводит нас. Выполнив большое число опытов и измерив, «как лучи света загибаются при прохождении около тел», он замечает вдруг: «но потом мне помешали, и теперь я не могу думать о дальнейшем рассмотрении этих вещей». И он оставляет изучение этого явления незаконченным.
Это в высшей степени странно. Ньютон использовал факт прямолинейного распространения света как аргумент против его волновой природы, так как волны загибаются за препятствиями; а здесь тем не менее он допускает, что и лучи света огибают препятствия. Корпускулярные представления Ньютона задержали прогресс оптики более чем на 100 лет. Мы должны быть осторожны, чтобы не создавать культа даже величайших людей.
К концу XVIII века начали появляться сомнения в справедливости корпускулярной теории, и несколько ученых увидели возможность объяснить наблюдения Гримальди с помощью волновой теории. Крупнейшим из них был Френель. Он прожил короткую жизнь, осложненную к тому же политическими невзгодами наполеоновского режима. Имя Френеля навсегда вошло в физику в связи с общим классом явлений дифракции, открытых Гримальди. Френель разработал полную теорию этих явлений.
Френель нашел горячего сторонника в лице Араго. Вместе они проделали множество опытов — одни оказались весьма тривиальными, зато другие приобрели выдающееся значение, поскольку убедили даже противников волновой теории в ее правоте. Эти опыты были поставлены под влиянием Пуассона, одного из наиболее крупных французских ученых начала XIX века.
Пуассон заметил, что если на пути пучка света, испускаемого точечным источником, поместить круглый экран перпендикулярно оси пучка, то волны — если свет есть волновое движение — должны достигать краев экрана в одной фазе; но тогда в центре тени они должны складываться и давать яркое пятно. Этот вывод казался ему совершенно абсурдным. Но Френель и Араго произвели такой опыт и обнаружили, что действительно наблюдается яркое пятно (рис. 4). Таким образом, был переубежден один из главных противников волновой теории, а сама теория с того времени стала общепринятой.
Мораль этой истории такова: не следует полагаться только на теорию. Сколь очевидными ни казались бы предсказания теории, прежде чем быть принятыми, они всегда должны проверяться экспериментально. Если проверка теории прошла удовлетворительно, теория может быть принята, и можно ставить новые эксперименты; проверка может привести либо к модификации теории, либо к полному отказу от нее. В истории физики реализуются обе эти возможности.
Можно проверить волновую теорию света иначе, использовав другое явление — интерференцию. Определить явления дифракции и интерференции можно как производимые соответственно одним и несколькими пучками света.
Самый знаменитый опыт по интерференции, он же и самый простой, — это опыт Юнга по интерференции света от двух щелей. Юнг понял, что нельзя ожидать интерференционных эффектов от двух независимых пучков света, и поэтому в 1807 г. он поставил следующий опыт (см. рис. 5). Он пропустил солнечный свет в темную комнату через отверстие, сделанное острой иглой, получив таким образом расходящийся пучок света.
В середину пучка он поместил полоску бумаги шириной около миллиметра, которая разделила пучок на две части. Затем Юнг поместил на пути света экран и обнаружил на нем равноотстоящие полосы — в центре белую, а по краям окрашенные, — наложенные на френелеву дифракционную картину. Когда он сдвигал полоску бумаги к краю первичного пучка, полосы исчезали. Юнг проделал и другие опыты, чтобы убедиться в том, что эффект возникает действительно вследствие расщепления первичного пучка. В настоящее время мы можем сделать этот опыт еще проще: прорежем безопасной бритвой две узкие щели на расстоянии 1/2 мм одна от другой и, держа их вблизи глаза, посмотрим на удаленный источник света. Мы увидим совершенно отчетливые интерференционные полосы.
Простота и убедительность опыта Юнга сыграли огромную роль в поддержке работ Френеля по волновой теории. Простые эксперименты всегда более убедительны, чем сложные, поскольку чем больше аппаратуры, тем больше возможностей для возникновения ложных эффектов. Простая установка с ясным принципом действия много предпочтительнее.
Другим большим преимуществом опыта Юнга явилось то, что его без всяких затруднений можно сделать количественным. Френелеву дифракцию тоже можно рассчитывать количественно, но только с помощью сложной математики; полосы же Юнга описываются очень простой теорией. Их можно использовать для измерения длин волн света, получая результаты с точностью примерно до 1 %.
(По источнику: Г.Липтон. Великие эксперименты в физике. М., Мир, 1972,
а также другим открытым источникам из интернета)
Мои странички на Дзен: ВАЛЕРИЙ ТИМИН.
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк", комментируйте и подпишитесь на канал! Если не понравилась – комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!