Цуг волн накатывает на берег
Цуги волн неумолимо накатывают на берег наших знаний, открывая новые горизонты понимания природы света. Давайте разберемся, какие секреты таят в себе эти волны.
Цуг волн: определение и свойства
Цуг волн - это определенная совокупность волн, обладающих разными частотами, ограниченная во времени и пространстве. Например, излучение отдельного атома является цугом волн.
Цуг волн можно представить как суперпозицию гармонических волн в некотором частотном диапазоне:
Цуг волн = ∑ A(ω)cos(ωt+φ(ω))
Для цуга волн вводятся такие характеристики как время когерентности Δt и длина когерентности Lког. Они определяют интервалы времени и пространства соответственно, на которых цуг волн может интерферировать.
Чтобы цуг волн мог участвовать в интерференции, должно выполняться условие:
φ(ω+Δω) - φ(ω) < π
То есть сдвиг фаз гармоник цуга не должен превышать π. Из этого условия и следует ограничение на время и длину когерентности.
Возникновение цуга волн при излучении атома
Как же возникает цуг волн? Рассмотрим процесс излучения света атомом. Атом может поглощать энергию извне и переходить при этом в возбужденное состояние. Энергия возбужденного атома выше, чем в основном состоянии.
Однако атом не может оставаться возбужденным вечно. Рано или поздно он испустит лишнюю энергию в виде цуга электромагнитных волн и вернется в основное состояние.
- Атом поглощает энергию извне, переходит в возбужденное состояние
- Через случайный промежуток времени атом спонтанно переходит обратно в основное состояние
- При этом испускается цуг волн, уносящий избыточную энергию атома
Таким образом, цуг волн возникает благодаря спонтанным квантовым переходам атомов между энергетическими уровнями. Из-за случайности моментов испускания разных атомов их излучение оказывается некогерентным.
Интерференция цугов волн
Итак, волны от разных атомов некогерентны. Но как же тогда наблюдать интерференцию света?
Оказывается, можно "обмануть" некогерентность, используя изображения одного и того же источника. Эти изображения будут когерентны!
Классический пример - опыт с зеркалами Френеля. Схема такова:
| Источник света S | ⇒ | Плоское зеркало 1 | ⇒ | Изображение источника S'1 |
| Плоское зеркало 2 | ⇒ | Изображение источника S'2 |
Лучи от зеркала 1 (как бы из S'1) и лучи от зеркала 2 (S'2) интерферируют, так как являются когерентными копиями излучения от одного реального источника S.
Анализ интерференционной картины в этом опыте проводится аналогично случаю интерференции от двух когерентных точечных источников. Можно вычислить период и ширину полос.
Похожий принцип используется и в других примерах интерференции цугов волн:
- тонкие пленки
- кольца Ньютона
Рассмотрим некоторые практические применения интерференции цугов волн.
Интерференционная окраска
Наблюдая переливающиеся цвета мыльных пузырей и радужные разводы на лужах бензина, мы видим примеры интерференции. Цвета объясняются тем, что для разных длин волн видимого света разность хода в пленке получается разной, из-за чего происходит то гашение, то усиление той или иной спектральной составляющей.
Просветляющие покрытия в оптике
Еще одно важное применение интерференции цугов волн - это просветляющие покрытия для уменьшения потерь на отражение в оптических системах. Суть в том, что на поверхность линзы наносится тонкая пленка такой толщины, чтобы происходило гашение отраженной волны за счет интерференции.
Перспективы применения явления
Интерференция цугов волн - мощный инструмент для исследования свойств вещества, регистрации малых перемещений, создания точных измерительных приборов.
Перспективно использование для передачи информации, в частности в волоконно-оптических линиях связи. При определенной модуляции лазерного излучения можно кодировать информацию в виде последовательности цугов волн.
Открытые вопросы о природе цугов волн
Понятие о цуге волн тесно связано с квантовой теорией излучения. Несмотря на огромный прогресс в этой области, остается еще много открытых фундаментальных вопросов.
Интерпретация волновой функции
До сих пор идут споры об интерпретации квантовой механики. Что на самом деле представляет собой волновая функция? Как понимать ее "коллапс" при измерении?
Направления будущих исследований
Необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные работы для проверки существующих гипотез и построения более полной теории. В частности, интерес представляет изучение цугов волн сверхвысокой частоты и сверхкороткой длительности.
Что можно считать "реальностью" в микромире? Являются ли цуги волн лишь математической абстракцией или они соответствуют некоторым объективно существующим процессам?