Меню

Когда выяснили что свет волны



ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ТАЙНЫ ПРИРОДЫ

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

Интерференция — замечательное явление, имеющее множество применений. Оно прояв-Лж. ляется как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Особенно впечатляюща интерференция света, так как мы можем её наблюдать непосредственно, в то время как радиоволны невидимы глазом. Часто интерференцию света характеризуют такой «парадоксальной» фразой: свет плюс свет может давать темноту. Человеку, совершенно незнакомому с физической оптикой, это может показаться очень странным: как это так — если к свету прибавить ещё свет, то должно стать ещё светлее! Правда, все мы изучали физику в школе, и, наверное, всё-таки у каждого остались хотя бы какие-то смутные воспоминания о том, что такое интерференция («Да. что-то связанное со светом. не очень помню, но вроде бы это какое-то наложение световых волн. »). Уже хорошо! Давайте же начнём с того, что освежим эти полузабытые знания, которые позволят нам побеседовать о крайне удивительных и интересных явлениях, связанных с интерференцией света.

Возьмём более или менее «направленный» источник света, например карманный фонарик (с галогенной лампочкой, дающей яркий свет, а ещё лучше — со светодиодом), и направим его на белый экран. На экране возникнет пятно света. Теперь возьмём второй такой же фонарик и направим его свет на то же место экрана. «И что, мы получим темноту?» — иронически спросит читатель, прочитавший преды-дущий абзац, но настолько позабывший школьную физику, что слово «оптика» ассоциируется у него лишь с очками и лупами. Нет, конечно, никакой темноты мы не получим, световое пятно станет ещё ярче. «Ну и что в этом удивительного?» — заметит наш скептик. В этом — ничего. Но теперь сделаем следующее: возьмём лист плотного картона, проколем в нём иголкой две дырочки как можно ближе одну к другой (скажем, на расстоянии 0,5 миллиметра), поставим лист перед экраном (на расстоянии около 20—30 см) и осветим эти дырочки одним фонариком (см. рис. 1). Возможно, придётся немного порегулировать расстояние между фонариком и картоном, но мы обязательно найдём положение, при котором на экране светлое пятно будет пересекаться тёмными участками. Вот мы и получили темноту!

Почему же возникают эти тёмные участки? Почему их не было в случае двух фонариков, а появились они только при освещении отверстий в картоне одним фонариком?

Зададим такой «нелепый» вопрос. Сколько источников света было в этих двух случаях? Я назвал этот вопрос «нелепым» потому, что он может вызвать недоумение: как сколько? В первом случае мы включали оба фонарика, значит, было два источника света, а во втором светил только один фонарик, один источник света. Разве не так?

Нет, не так. Во втором случае было тоже два источника, которыми стали два отверстия в картоне (1 и 2, рис.1). То есть исходный источник был, конечно, один, но свет на экран шёл из этих двух дырочек, которые играли роль вторичных источников света. А вот то, что свет этих вторичных источников образовался от одного исходного, сыграло фундаментальную роль.

Используя картон с дырочками, изображённый на рис.1, мы воспроизвели (с некоторыми несущественными отличиями) знаменитый опыт Т. Юнга, впервые наблюдавшего интерференцию света от двух щелей в 1802 году.

Интерференция — это такое сложение волн, при котором происходит не просто суммирование интенсивностей этих волн, а их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от разности фаз волн в этих точках.

Но прежде чем рассматривать интерференцию, необходимо поговорить об одном фундаментальном понятии, играющем ключевую роль.

Почему в случае с двумя фонариками происходило только суммирование интенсивностей (яркостей), а в случае с картоном мы могли наблюдать интерференцию? Потому, что в первом случае световые волны от двух источников были некогерентны, а во втором — когерентны, так как порождены одним источником. Следовательно, необходимым условием образования интерференции является когерентность волн. Что это такое?

Читайте также:  Какие лампы ярче холодный или теплый свет

Слово «когерентность» — греческого происхождения и в наиболее общем смысле означает «согласованность». Простейший пример: когда по улице прогуливается толпа людей, она идёт некогерентно, а когда марширует рота солдат, то она идёт когерентно.

Когерентные волны — это волны одинаковой частоты, между которыми сохраняется постоянная разность фаз (то есть они согласованы по фазе). При сложении двух когерентных волн одинаковой поляризации (с одним и тем же направлением колебаний напряженности электрического поля) амплитуда суммарной волны зависит от разности фаз складываемых волн — это и есть интерференция.

При интерференции световых волн удобнее иметь дело не с амплитудами, а с интенсивностями. Это не меняет существа дела, так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды. Если в какую-либо точку приходят две волны с интенсивностями I1 и I2 и фазами φ1 и φ2 соответственно, то результирующая интенсивность в этой точке определяется выражением

где ∆φ = | φ 1 — φ 2 | — разность фаз, а множитель у отражает степень когерентности волн. Из этой формулы наглядно видна зависимость результирующей интенсивности от разности фаз ∆φ и от величины γ.

В тех местах, куда волны приходят в одинаковой фазе, то есть «гребни» и «впадины» одной волны совпадают с «гребнями» и «впадинами» другой (∆φ =0 , cos ∆φ = 1), волны усиливают одна другую и наблюдается максимальная интенсивность (I max). В тех местах, куда волны приходят в противофазе, «гребни» одной волны совпадают со «впадинами» другой ( ∆φ = 180 о , cos ∆φ = —1), волны гасят одна другую и результирующая интенсивность становится минимальной (Imin ). Таким образом, образуется интерференционная картина, состоящая из чередующихся светлых и тёмных участков.

Когерентность волн определяет их способность к интерференции. Практическим критерием степени постоянства разности фаз, то есть мерой степени когерентности у, является контраст (видность, резкость, чёткость) интерференционных полос — важнейший параметр интерференционной картины. Если условие ∆φ = const не соблюдается, то, как видно из вышеприведённой формулы, изменяется и результирующая интенсивность Iрез, что приводит к «размытию» интерференционных полос — уменьшению контраста К. В общем случае контраст определяется выражением

При этом 0 2 . Термин «волновая функция» впоследствии заменили термином «амплитуда вероятности», чтобы подчеркнуть вероятностный характер описания микробъекта. Итак, для нашего случая имеем: Р1 = | ψ 1 | 2 , Р2 = | ψ 2| 2 . А далее надо учесть принципиальное обстоятельство, связанное с различимостью взаимоисключающих событий. Что под этим понимается?

У микрообъекта — скажем, у электрона — имеется возможность альтернативной реализации двух вариантов (событий): пройти либо через отверстие 1, либо через отверстие 2. Когда подсветка выключена, то есть мы не наблюдаем за электроном, то эти события являются неразличимыми. Как только мы включаем свет, они становятся различимыми. Ничего подобного нет в классической физике (там все события всегда различимы), такая ситуация возможна только в микромире. Так вот, в квантовой механике справедливо такое правило: если события различимы, складываются соответствующие им вероятности; если же события неразличимы, складываются амплитуды вероятностей. В первом случае (с подсветкой) мы имеем Р = Р1+ Р 2 = | ψ 1 | 2 + | ψ 2 | 2 , интерференция отсутствует. Во втором случае (без подсветки) получаем: ψ = ψ 1 + ψ 2 и P = | ψ 1 + ψ 2| 2 . Возникает интерференция.

Источник

Свет как волна

Электричество и теплоту мы не можем наблюдать непосредственно — все это воспринимается через их влияние. Однако свет мы видеть можем. К началу XIX века четко сформировались две теории света, и ставить вопрос, какая из них верна, значит, смотреть на природу света односторонне.

Читайте также:  Где как встречают конец света

За прошедший XVIII век умы исследователей природы света заволокло туманом национальных разногласий. В 1678 году голландец Христиан Гюйгенс предположил, что свет — это волна, а тридцать лет спустя англичанин Исаак Ньютон опроверг это, выдвинув на первый план «корпускулярную» теорию. Свет он представлял как поток частиц. Ньютону нравилось, что это позволяло ему рассматривать движение света, как и любого другого вещества. Действительно, крошечные корпускулы отскакивают от любой поверхности по всем законам движения.

К тому времени, когда Ньютон опубликовал свою теорию, его голос уже был самым громким в мировой науке. Разумеется, голосов в свое опровержение со стороны европейских ученых он почти не услышал, как и не появилось научных работ, предлагавших другие точки зрения. Власть научного авторитета Ньютона сохраняла силу и после его смерти, а это значило, что все англоязычные ученые были обречены следовать взглядам Ньютона.

Распространение волн

В континентальной Европе взгляды на природу света были иными. Хотя первенство оставалось за Гюйгенсом, набирал популярность эфирный подход Рене Декарта. По теории Гюйгенса получалось, что свет — это периодические колебания, распространяющиеся с определенной конечной скоростью во всех направлениях от источника света.

Голландский физик разработал геометрию, которая показывала, как световые волны ведут себя при встрече с препятствием. Он описал фронт волны как геометрическое место точек, каждая из которых в свою очередь становится источником световых колебаний и посылает новые волновые возмущения во всех направлениях. Эту теорию можно использовать для объяснения многих наблюдаемых световых эффектов, некоторые из которых теория Ньютона объяснить не может. Самой уязвимой точкой теории Ньютона было то, что она не могла объяснить интерференцию — взаимодействие двух пучков света друг с другом.

Молодой английский врач Томас Юнг в свои двадцать с небольшим лет оказался достаточно смелым, чтобы выступить против взглядов Ньютона. (Бенджамин Франклин также придерживался волновой теории света.) Как бы то ни было, но хор несогласных с волновой теорией Юнга вскоре затих, поскольку к 1804 году он провел две публичные демонстрации, доказавшие правоту Гюйгенса.

Вода вместо света

Первый эксперимент предполагал наблюдение за поведением волн на воде в волновом бассейне. Юнг делал так, чтобы два волновых фронта сталкивались, или интерферировали, и показывал, что наложение волн в одних точках приводило к увеличению амплитуды, а в других — к существенному ее уменьшению, даже полному исчезновению. Также Юнг посылал плоскую волну на препятствие с небольшой щелью. Все увидели то, что предсказывал Гюйгенс для света, а именно сразу за пределами препятствия небольшая часть волнового фронта, проходящая через щель, распространялась во всех направлениях.

Затем Юнг провел то, что стало впоследствии именоваться «опытом Юнга». Он направлял пучки света через систему щелей. Световой узор, появляющийся с другой стороны на экране, доказывал, что свет ведет себя как волны в волновом бассейне.

Опыт юнга по интерференции света

Также известный как «эксперимент с двумя щелями», этот опыт стал классическим и демонстрируется на уроках физики по всему миру. Первая щель используется для создания точечного источника света с единым волновым фронтом. Затем ставятся еще две щели, которые формируют уже два точечных источника. От этих источников свет распространяется во всех направлениях (за исключением направления назад).

Распространяющиеся волны сталкиваются и интерферируют. Волна имеет пики и впадины, и при столкновении волны накладываются в каждой точке экрана. Пик с пиком создает еще большую амплитуду волны (и яркость света). При наложении друг на друга впадин происходит то же. Но если пик встречается с впадиной, амплитуды уничтожают друг друга, и волна в этой точке исчезает — получается темная точка. На схеме ниже красные линии представляют пики, а желтые — впадины. Как вы видите, свет создает узор из темных и светлых линий, доказывая свою волновую природу.

Читайте также:  Что может быть включаешь свет включаются дворники

Источник

Физики узнали, почему гребни прибрежных волн светятся ночью

ТАСС, 6 июля. Британские физики выяснили, почему гребни волн ночью светятся синим. В этом оказались замешаны водоросли-динофлагелляты, которые обитают в прибрежных водах, и волны, которые растягивают их мембраны. Результаты исследования опубликовал научный журнал Physical Review Letters.

«Несмотря на десятилетия исследований физический механизм этого свечения оставался загадкой. Мы выяснили, как именно потоки воды заставляют водоросли вырабатывать свечение, и показали, как сам микроорганизм элегантно управляет тем, будет ли он светиться», – рассказал один из авторов работы, профессор Кембриджского университета Реймонд Голдстин.

У берегов Тихого океана и других крупных водоемов Земли ночью часто можно заметить синее сияние на гребнях волн. Как правило, оно появляется весной и летом на протяжении нескольких дней или даже недель.

Это явление ученые заметили еще в начале прошлого столетия. Как считают океанологи, его источник – микроскопические водоросли-динофлагелляты, которые активно размножаются в прибрежных водах в теплое время года. Ученые пока не пришли к однозначному мнению о том, как это свечение появляется, а также для чего оно нужно.

Голдстин и его коллеги заполнили этот пробел. С помощью набора высокоскоростных камер и системы наблюдения за жизнедеятельностью отдельных клеток динофлагеллятов они проследили за рождением отдельных вспышек света.

Ночное сияние океана

Работу этой установки ученые проверили на водорослях вида Pyrocystis lunula, которые населяют прибрежные воды всех океанов мира и считаются одним из главных источников этого свечения. Во время опытов ученые захватывали одиночные клетки водорослей с помощью микропипеток и помещали их в устройство, которое генерировало некое подобие океанических волн.

Меняя силу, направление и другие физические характеристики волн, физики наблюдали за тем, как появлялись вспышки света, а также отслеживали, как менялись жизнедеятельность и облик водорослей. Благодаря этому ученые смогли объяснить, почему Pyrocystis lunula светятся, зачем они это делают и как водоросли управляют этим свечением.

Первые же замеры показали, что свечение вырабатывалось только в том случае, если волны достаточно сильно и при этом быстро растягивали или сжимали мембрану, которая окружает клетки Pyrocystis lunula. Чем сильнее и быстрее возникали эти искажения, тем ярче было свечение клеток.

Подобные деформации в структуре клеточной оболочки, как предполагают ученые, заставляют открываться ионные каналы внутри клетки. Из-за этого ионы кальция могут проникать в те области Pyrocystis lunula, в которых содержатся ферменты, которые отвечают за выработку света. В результате молекулы этих ферментов активизируются. Чем сильнее открываются каналы, тем больше «топлива» для этих белков вырабатывает клетка и тем дольше и ярче она светится.

Где они находятся и как много подобных структур присутствует в клетках водорослей, ученые пока не знают. Они предполагают, что благодаря таким структурам Pyrocystis lunula отпугивают растительноядных обитателей моря, которые проплывают в опасной близости от колоний водорослей, не расходуя при этом энергию на свечение, если вокруг них не движутся быстрые объекты, которые становятся источником мощных колебаний и возмущений.

В ближайшее время, как отмечает Голдстин, его команда проверит эту теорию на практике. Исследователи собираются изучить, как распределяются силы, которые действуют на клетку внутри подобных волн, а также то, как водоросли реагируют на изменения в их конфигурации. Это поможет уточнить роль свечения в жизни Pyrocystis lunula и других динофлагеллят, а также понять, как можно приспособить этот механизм для решения практических и научных задач.

Источник