Интерференция
Интерференция — это физическое явление наложения двух или более когерентных волн (световых, звуковых, водных), приводящее к перераспределению интенсивности: усилению волн в одних местах и ослаблению в других.
Когерентные волны — это «согласованные» волны, которые имеют одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.
Говоря простыми словами, это два источника, которые вибрируют в унисон: когда у одной волны горб, у другой тоже горб, и они никогда не «сбиваются с ритма». Благодаря этому они создают стабильную картинку при наложении, что и называется интерференцией. Если две волны встречаются «гребнями» — они усиливаются. Если «гребень» одной попадает на «впадину» другой — они гасят друг друга.
Например, свет от лампочки – некогерентный, свет распространяется хаотично, освещая пространство вокруг, а вот лазерный луч – это уже когерентный свет, он направлен в одну точку.
В повседневной жизни каждый человек так или иначе сталкивался с интерференцией. Вспомните, например, радужные лужи: бензин на воде переливаются цветами радуги, потому что свет отражается от внешней и внутренней границы пленки и накладывается сам на себя. То же самое происходит с мыльными пузырями. Или, когда вы бросаете в воду два камня, круги от них пересекаются, и в местах пересечения вода то бурлит сильнее, то успокаивается.
Интерференция нашла применение во многих областях жизни, но я хочу рассказать о точных измерениях, которые стали возможны благодаря этому явлению.
Высокоточный измерительный прибор, в основе работы которого лежит интерференция, называется интерферометром. Данный прибор позволяет измерить линейные перемещения и длины размером до нанометров (1 нм = 0,000001 мм)!
Внутри прибора берется один луч лазера (вообще волны могут быть любые: свет, радиоволны и т. д., но для примера остановимся на варианте с лазером) и с помощью полупрозрачного зеркала (светоделителя) разрезается на два абсолютно одинаковых луча:
• Один луч идет направо (эталонный путь).
• Второй луч идет прямо (измерительный путь).
Два луча проходят свои дистанции, отражаются от зеркал и возвращаются обратно в одну точку, где встречаются. Тут возможно два исхода:
1) Если оба пути были строго одинаковыми (например, оба прошли ровно по 10 сантиметров), они встречаются как друзья. Гребень волны одного луча совпадает с гребнем другого. Свет усиливается — мы видим яркое пятно.
2) Если один путь стал длиннее хотя бы на половину длины волны (это тоньше паутины), гребень одного луча встречается со впадиной другого. Они гасят друг друга.
В результате мы видим не просто свет, а чередование ярких и черных полос — интерференционную картину (как рябь на воде от двух брошенных камней, приведённых в качестве примера в начале). Суть в том, что интерференционная картина меняется от малейшего движения: если вы дышите на стол, где стоит прибор, от тепла вашего дыхания стол удлинится на долю микрона. Лучу придется бежать чуть дольше, полосы на экране поплывут. В итоге, глядя на получившуюся интерференционную картину, можно определить, например, насколько нагрелась деталь (с точностью до 0,017°), насколько ровная поверхность зеркала в телескопе или узнать, прошла ли через прибор гравитационная волна* (как в обсерватории LIGO).
Остановимся на последнем примере подробнее. Гравитационные волны обнаруживают с помощью лазерных интерферометров, в частности интерферометра Майкельсона. Принцип работы у него тот же, что описывался выше.
При прохождении гравитационной волны происходит следующее:
Гравитационная волна деформирует пространство, что приводит к изменению длины плеч интерферометра. Волна, проходящая через плоскость интерферометра, вызывает изменение длины: когда одно плечо (L-образного детектора) сжимается, другое растягивается, и наоборот. Это приводит к сдвигу интерференционной картины, который можно зарегистрировать.
Чувствительность интерферометра зависит от длины плеч: чем они длиннее, тем заметнее изменение интерференционной картины при прохождении гравитационной волны. Поэтому в современных детекторах (в том же LIGO или Virgo) длина плеч может достигать нескольких километров.
* Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые распространяются со скоростью света и разбегаются по Вселенной подобно ряби на воде. Про них бы хотелось написать поподробнее, но это уж как-нибудь в другой раз.