Опыт Юнга. Когерентность волн

При наблюдении интерференционной картины возникают некоторые не вполне очевидные трудности. Представим себе, что в качестве источников цилиндрических волн мы попытались использовать нити двух электрических лампочек. Излучение раскаленных нитей осущест-вляется ускоренным движением электронов в нитях, никак друг с другом не связанных. Такие волны, естественно, не будут иметь одинаковые начальные фазы, которые при записи соответствующих вы-ражений мы просто считали нулевыми. И эти начальные фазы не толь-ко различны у рассматриваемых двух волн, но и непостоянны во вре-мени, изменяются случайным образом. Такие волны называют некоге-рентными.

В принципе нам не обязательно нужно, чтобы начальные фазы колебаний от двух источников были равны. Нам надо, чтобы постоян-ной во времени была разность фаз этих колебаний. Если это требо-вание выполняется, то волны (или источники) называют когерентны-ми. Это определение когерентности волн (источников волн).

Таким образом, возникает проблема: как добиться того, чтобы источники были когерентными?

Представим себе, что источником (приблизительно) цилиндриче-ских волн является вертикально расположенная раскаленная полоска металла. Понятно, что она будет излучать свет по разным направле-ниям как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Мы связали направление излучения с производной фазы колеба-ний по координате. Из огромного числа колеблющихся электронов найдутся и такие, которые в данный момент колеблются с (примерно) одинаковой фазой. Их излучение будет направлено по нормали к по-лоске. Но найдутся и электроны, которые колеблются так, что для них производная фазы по направлению вдоль некоторой прямой, “на-рисовано” на поверхности полоски, имеет отличное от нуля значе-ние. Их излучение будет направлено под некоторым углом к излучаю-щей поверхности.

Но пусть какая-то группа электронов излучает волну примерно по нормали и она попадает затем на экран. Однако, в следующий промежуток времени это будут уже другие электроны, начальная фаза падающей на экран волны будет другой. Но, разумеется, в течение некоторого времени она все же будет иметь какое-то значение, бу-дет (примерно) постоянной. Такое постоянство фазы определяет вре-менную (с ударением на ‘у’) когерентность.

При этом волна не будет направлена строго по одному направ-лению, она обязательно будет распространяться в некотором телес-ном угле. Значит в точках на некоторых расстояниях в поперечном направлении фаза колебаний будет одинаковой. И чем дальше от ис-точника, тем эти расстояния, естественно, будут больше. В таком случае говорят о пространственной когерентности.

Поэтому можно, например, осветить пару щелей достаточно уда-ленным источником электромагнитных колебаний. Например, весьма велика пространственная когерентность у света, который приходит от звезд. Вот только сила света при этом оказывается очень малой.

Проще (при меньшем удалении от источников и с большей силой све-та) осветить когерентным светом одну узкую щель. Выделив на ней поперечную полоску, мы можем надеяться, что в ее пределах колебания будут когерентными. Такая полоска может рассматриваться как система непрерывно расположенных точечных источников, зависи-мость амплитуды волны от угла.

Чем уже щель, тем больше угол, в пределах которого происходит излучения. И в пределах этого угла излучение будет когерентным.

Эта идея реализована в классическом опыте Юнга. На экране наблюдается интерференция когерентных волн от двух щелей, которые, в свою очередь, освещаются цилиндрической волной от одиночной щели.