Когерентность — свойство волн и информации¶
Когерентность (от лат. cohaerens — связанный, сцепленный) — свойство волновых процессов или информационных объектов, заключающееся в наличии устойчивой взаимной связи (корреляции) между фазами или содержанием отдельных элементов системы. Термин применяется в физике (оптика, квантовая механика, радиотехника), математике, лингвистике и теории информации, причём в каждой области под ним понимается конкретное, строго определённое свойство.
¶Оптика и волновая физика
В классической волновой физике когерентностью называют свойство двух или более волн сохранять постоянную разность фаз во времени и пространстве. Источник излучения считается когерентным, если испускаемые им волны имеют одинаковую частоту и постоянную фазовую разность. Когерентность бывает временной (поперечной) и пространственной (продольной).
Временная когерентность характеризует связь между колебаниями в одной точке пространства в разные моменты времени. Её мерой служит время когерентности τ — интервал, в течение которого фаза волны остаётся предсказуемой. Связанная с ним величина — длина волны когерентности l = c·τ (где c — скорость света) — определяет предельно допустимую разность оптических путей в интерферометре. У лазеров время когерентности может достигать 10⁻⁸–10⁻⁹ с, у обычных ламп — порядка 10⁻¹² с.
Пространственная когерентность описывает связь между колебаниями в разных точках поперёк распространения волны. Она определяет, может ли источник давать наблюдаемую интерференцию на экране, удалённом от двух щелей. Классический пример — опыт Юнга: если размер источника превышает когерентную площадь, интерференционная картина размывается.
Когерентность лазерного излучения обусловлена доминированием вынужденного излучения и одинаковостью частот, направления и фазы фотонов. Именно когерентность лазеров позволяет фокусировать луч в пятно размером с длину волны, передавать информацию с высокой плотностью и создавать голографические изображения.
¶Квантовая механика
В квантовой теории когерентность описывает суперпозицию квантовых состояний. Квантовая система находится в когерентном суперпозиционном состоянии, если её волновая функция представляет собой линейную комбинацию собственных состояний с чётко определёнными относительными фазами. Пример — когерентное состояние гармонического осциллятора, впервые введённое Р. Глаубером (Нобелевская премия по физике, 2005), близкое по свойствам к классическому состоянию.
Потеря когерентности (декогерентность) происходит при взаимодействии квантовой системы с окружающей средой: относительные фазы компонент суперпозиции становятся случайными, и квантовые интерференционные эффекты исчезают. Декогерентность считается одним из ключевых механизмов перехода от квантового к классическому описанию и обсуждается в контексте проблемы измерения в квантовой механике. Работы по декогерентности ведутся в российских научных центрах, в частности в МФТИ и Институте квантовых технологий.
¶Радиотехника и обработка сигналов
В радиотехнике когерентность сигналов означает наличие известной и стабильной фазовой связи между ними. Когерентный приём — метод, при котором принимаемый сигнал преобразуется с использованием опорного генератора, когерентного по частоте и фазе с передатчиком. Такой приём обеспечивает выигрыш в чувствительности и позволяет извлекать информацию, закодированную в фазе сигнала (например, в системах QAM-модуляции).
Когерентное накопление — сложение нескольких реализаций слабого сигнала с сохранением фазовых отношений — повышает отношение сигнал/шум. Этот принцип лежит в основе радаров с синтезированной апертурой, радиотелескопов с апертурным синтезом (проект «Спектр-РГ», радиointерферометр РАТАН-600) и систем GPS/ГЛОНАСС.
¶Математика и теория информации
В теории информации когерентность текста или сообщения — свойство его частей образовывать смысловое единство: отдельные предложения и абзацы логически связаны, тема раскрывается последовательно, без противоречий и немотивированных скачков. Выделяют когерентность лексическую (повторение и перекличка слов, синонимические связи), логико-смысловую (причинно-следственные связи, аргументация) и структурную (соблюдение схемы «тема — развитие — вывод»).
Понятие когерентности текста разрабатывалось в трудах М. Халлиде и Р. Хасан, а также в отечественной лингвистике — в работах по текстологии и дискурс-анализу. Когерентность противопоставляется связности (когезии): когезия обеспечивает формальные языковые средства связи (местоимения, союзы, повторы), тогда как когерентность — смысловую целостность.
¶Применение
Когерентность лазерного излучения используется в голографии, когерентной оптической связи, лазерной микроскопии и интерферометрии. Когерентность радиосигналов — в радиолокации, радионавигации и радиоастрономии. Когерентность квантовых состояний — в квантовых вычислениях и квантовой криптографии, где сохранение когерентности кубитов является главной инженерной задачей. Когерентность текста — предмет оценки в системах автоматической проверки качества письменных работ и в обучении академическому письму.