Когерентность — физическое явление¶

Когерентность (от лат. cohaerens — связанный, слитный) — свойство волновых процессов, заключающееся в наличии устойчивой взаимной корреляции (детерминированной разности фаз) между колебаниями в двух или более точках пространства или двух и более волновых источниках. Волны называют когерентными, если их частоты одинаковы или отличаются незначительно, а разность фаз сохраняется постоянной или меняется закономерно во времени. Когерентность — центральное понятие волновой физики, физической оптики, квантовой механики и теории информации.

¶Основные понятия

Когерентность принято разделять на два аспекта:

• Временная (последовательная) когерентность — устойчивость разности фаз между колебаниями одной и той же волны в двух различных точках, отстоящих друг от друга вдоль направления распространения. Характеризуется длиной когерентности $l_c$ — расстоянием, на котором волна сохраняет предсказуемую фазу. Связь с шириной спектра $\Delta\nu$ источника: $l_c \approx c / \Delta\nu$.
• Пространственная (поперечная) когерентность — устойчивость разности фаз между колебаниями в двух точках, расположенных поперёк направления распространения волны. Характеризуется площадью (или угловым размером) когерентности.

Источник излучения тем когерентнее, чем уже его спектральная линия и чем меньше его угловой размер.

¶Когерентность и интерференция

Главное экспериментальное проявление когерентности — интерференция. Если две волны когерентны, их наложение даёт устойчивую интерференционную картину с чёткими максимумами и минимумами. Если волны некогерентны (разность фаз меняется хаотично и быстро), интерференционные полосы размываются: интенсивности складываются арифметически, а не с учётом амплитуд.

Классический пример — эксперимент Юнга (1801): свет от узкой щели, освещающей вторую пару щелей, даёт чёткую интерференционную картину, тогда как свет от extended-источника (например, лампы накаливания) такой картины не даёт. Коэффициент интерференционного контраста $\gamma$ служит количественной мерой когерентности: $\gamma = 1$ для идеально когерентных волн, $\gamma = 0$ — для полностью некогерентных.

¶Когерентность в оптике

До изобретения лазера (1960) получить высококогерентный оптический источник было крайне трудно. Монохроматоры и узкие спектральные линии в разрядах давали временную когерентность в сотни микрометров, но пространственная когерентность оставалась низкой.

Лазер принципиально изменил ситуацию: лазерный свет обладает когерентностью на многие километры (временной) и практически полной пространственной когерентностью в пучке. Это позволило реализовать:

• голографию (Д. Габор, 1947; развитие после появления лазеров);
• интерферометрию с большими базами (например, интерферометр ЛIGO с рукавами по 4 км);
• когерентную томографию в медицине;
• когерентное сложение сигналов в телекоммуникациях.

¶Квантовая когерентность

В квантовой механике когерентность описывает суперпозицию квантовых состояний. Квантовая система в когерентном состоянии — это суперпозиция собственных состояний с устойчивыми относительными фазами, что позволяет наблюдать интерференцию «самой с собой» (например, в опыте с двумя щелями, где один электрон проходит «оба» пути).

Потеря когерентности из-за взаимодействия с окружением называется декогерентностью и объясняет переход от квантового суперпозиционного поведения к классическому. Декогерентность — одна из ключевых проблем квантовых вычислений: когерентность кубитов необходимо поддерживать достаточно долго, чтобы выполнить вычисление.

¶Когерентность в других областях

• Акустика. Когерентность звуковых волн используется в ультразвуковой дефектоскопии и гидроакустике.
• Радиофизика. Когерентное позиционирование (например, в GPS-приёмниках) и синтезированная апертура основаны на сохранении фазы сигнала.
• Нейронауки. Когерентность осцилляций нейронных популяций (например, гамма-ритм 30–80 Гц) обсуждается как механизм связывания восприятия.
• Статистическая физика. Бозе-конденсат и сверхтекучесть — примеры макроскопической когерентности квантовых состояний атомов.

¶История

Термин «когерентность» ввёл в оптику Г. Гюйгенс, описывая связь между вторичными волновыми фронтами. Развитие теории интерференции и когерентности связано с работами Т. Юнга, О. Френеля, А. Майкельсона (интерферометр Майкельсона, 1881), а также с квантовой теорией Э. Шрёдингера и П. Дирака. Количественную теорию когерентности оптических полей разработали в XX веке Р. Глаттер, Л. Мандель и Э. Вольф.

¶См. также

• Интерференция волн
• Длина волны
• Лазер
• Декогерентность
• Интерферометр Майкельсона

¶Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука.
• Ландашев Л. А., Мандель Э. Когерентность и её проявления в статистической оптике.
• Фейнман Р. Лекции по физике. Т. 8. Квантовая механика.
• Грановский В. А. Оптика лазеров и когерентность света.
• Манько В. И., Додонов М. В. Когерентные состояния и проблема декогерентности.