Интерференция волн и её проявления¶

Интерференция — явление наложения двух или нескольких волн, при котором в пространстве возникает устойчивое во времени распределение амплитуд колебаний: в одних точках наблюдается усиление (максимумы), в других — ослабление или полное гашение (минимумы). Явление универсально для волн любой природы — механических, звуковых, электромагнитных, световых, а также для волн вероятности в квантовой механике. Интерференция возможна только при условии когерентности складывающихся волн, то есть постоянства во времени разности их фаз.

¶Условия возникновения

Для устойчивой картины интерференции необходимо, чтобы источники волн были когерентными. Когерентность означает, что разность фаз колебаний в каждой точке пространства остаётся постоянной во времени. Реальные независимые источники (например, две лампы накаливания) некогерентны: их излучение состоит из множества коротких случайных цугов, и картина непрерывно «перерисовывается», усредняясь до равномерной освещённости.

Различают временную когерентность, связанную с немонохроматичностью волны (конечной длиной цуга), и пространственную, связанную с конечными размерами источника. Чем выше степень монохроматичности и чем меньше источник, тем контрастнее интерференционная картина.

Второе условие — перекрытие волн в данной области пространства и сопоставимость их амплитуд. При сложении волн равной амплитуды минимумы получаются нулевыми, при разных амплитудах — лишь частичное ослабление.

¶Физическая суть

При наложении волн складываются их мгновенные значения (принцип суперпозиции). Если в точку приходят колебания с разностью фаз Δφ, результирующая амплитуда зависит от этой разности:

при Δφ = 0, 2π, 4π… колебания синфазны — амплитуды складываются (максимум);
при Δφ = π, 3π, 5π… колебания противофазны — амплитуды вычитаются (минимум).

Для волн, пришедших от двух источников, разность фаз определяется геометрической разностью хода Δ = d₂ − d₁:

максимум: Δ = mλ (m = 0, ±1, ±2…);
минимум: Δ = (m + ½)λ,

где λ — длина волны. Именно длина волны задаёт масштаб интерференционной картины: чем она меньше, тем мельче и плотнее расположены полосы.

Важно, что интерференция не создаёт и не уничтожает энергию: перераспределение интенсивности происходит так, что суммарная энергия в среднем сохраняется — в минимумах её «недостаёт» ровно настолько, насколько её «избыток» в максимумах.

¶История изучения

Первым интерференцию света наблюдал и описал английский учёный Томас Юнг в 1801 году в опыте с двумя щелями. Пропуская свет через две близкие щели, он получил на экране чередующиеся светлые и тёмные полосы, что подтверждало волновую природу света и противоречило господствовавшей тогда корпускулярной теории Ньютона.

Огюстен Жан Френель развил волновую теорию и совместно с Домиником Араго поставил в 1816 году опыты, доказавшие интерференцию поляризованного света. В 1881 году Альберт Майкельсон использовал интерференцию для проверки существования эфира; отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли стал одной из экспериментальных основ специальной теории относительности.

В 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер, а также независимо Джордж Томсон обнаружили дифракцию и интерференцию электронов, подтвердив гипотезу де Бройля о волновых свойствах частиц.

¶Виды и схемы наблюдения

Классические способы получения интерференции делят на две группы.

Метод деления волнового фронта:

Метод деления амплитуды:

интерферометр Майкельсона;
интерферометр Маха — Цендера;
тонкие плёнки и кольца Ньютона;
просветляющие покрытия оптики.

Отдельно выделяют многолучевую интерференцию (интерферометр Фабри — Перо), дающую очень узкие и резкие максимумы, что используется в спектроскопии высокой разрешающей способности.

¶Проявления в природе и технике

Тонкие плёнки. Радужные разводы на поверхности мыльного пузыря, бензиновой плёнки на воде или на крыльях некоторых насекомых — результат интерференции света, отражённого от верхней и нижней границ плёнки. Цвет зависит от толщины плёнки и угла наблюдения.

Просветление оптики. Нанесение на линзы плёнки толщиной в четверть длины волны приводит к гашению отражённого света за счёт интерференции, что повышает светопропускание объективов.

Интерферометрия. Интерферометры измеряют длины и перемещения с точностью до долей длины волны, применяются в метрологии, астрономии (интерферометры телескопов), гравитационных антеннах (LIGO, Virgo), впервые зарегистрировавших гравитационные волны в 2015 году.

Голография. Запись и восстановление волнового фронта основаны на интерференции опорной и предметной волн.

Акустика. Интерференция звуковых волн объясняет зоны громкости и тишины в помещениях, используется в системах активного шумоподавления.

Радиотехника. Направленные антенные решётки формируют диаграмму направленности за счёт интерференции излучения отдельных элементов.

¶Интерференция в квантовой механике

Для микрочастиц интерференция описывается волновой функцией: вероятность обнаружить частицу пропорциональна квадрату модуля амплитуды, а амплитуды от разных путей складываются с учётом фаз. Двухщелевой опыт с одиночными электронами показывает, что даже отдельная частица «интерферирует сама с собой». При попытке определить, через какую щель прошла частица, интерференционная картина исчезает — это проявление принципа дополнительности Нильса Бора.

¶Значение

Интерференция — одно из фундаментальных волновых явлений. Она служит основным инструментом измерения длин волн и расстояний, лежит в основе спектрального анализа, голографии, лазерной техники, квантовой оптики и прецизионных физических экспериментов. Изучение интерференции сыграло ключевую роль в утверждении волновой теории света и в становлении квантовой механики.

Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин), курсы оптики (Г. С. Ландсберг), материалы по истории физики, энциклопедические издания по естественным наукам.