Koherentsus: lainefaas, interferents ja tähendus füüsikas

Koherentsus, lainefaas ja interferents: sügav ülevaade elektromagnetlainete faasierinevustest, statsionaarsetest interferentsimustritest ning rollist kvantfüüsikas ja optikas.

Koherentsus on füüsikas oluline omadus, mis kirjeldab, kui hästi lainefaasid ja amplituudid on aja- ja ruumiliselt korrelatsioonis. Mõiste on eriti tähtis füüsikas ja elektromagnetiliste lainete uurimisel, kuid kehtib sama hästi helilainete, kvantlainete ja lainete pakettide kohta üldisemalt.

Kahe laineallika puhul öeldakse, et need on täiesti koherentsed, kui neil on konstantne faasierinevus, sama sagedus ja sama lainekuju. Sellisel juhul langevad laineharjad ja -põhud kokku; nende tipud ja mõõnad esinevad samal ajal ning neil on sama amplituud. Ideaalne koherentsus on teoreetiline piir, mis loob statsionaarse (st ajaliselt ja ruumiliselt konstantse) interferentsi.

Ajutine (temporaalne) ja ruumiline koherentsus

Ajutine koherentsus kirjeldab, kui kaua laine säilitab stabiilse faasi. Sellele vastav suurus on koherentsusaeg τc; sellest arvutatakse ka koherentsuspikkus lc ≈ c·τc (kus c on laine levikiirus). Näiteks laseritel on pikk koherentsuspikkus, mis võimaldab tähelepanuväärset interferentsi kaugematel vahemaadel, samas kui hõõglambi valgusel on väga lühike koherentsuspikkus ja interferents nähtav ainult väga lühikestel teekondadel.

Ruumiline koherentsus kirjeldab, kui hästi on lainefaas korrelatsioonis erinevates ruumipunktides. See on oluline näiteks Youngi topeltrea katse puhul: kui valgusallikas on peen ja punktiallikas-laadne, on suurem ruumiline koherentsus ning selge interferentsmuster; laia ja mitmetahulise allika korral interferents hajub.

Osaline koherentsus ja interferentsi kontrast

Reaalses maailmas on enamik allikaid osaliselt koherentsed. Osaline koherentsus tähendab, et faas pole täiesti juhuslik, kuid ei ole ka täiuslikult fikseeritud. Selle praktiliseks mõõduks on interferentsivõreste kontrast ehk nähtavus V = (Imax − Imin) / (Imax + Imin), kus Imax ja Imin on maksimaalsed ja minimaalsed intensiivsused fringes.

Koherentsuse kvantitatiivne kirjeldus toimub korrelatsioonifunktsioonide kaudu. Esimese järku korrelatsioonifunktsioon (kompleksne koherentsusefaktor) g⁽¹⁾(τ) on tihti määravaks, sest selle absoluutväärtus näitab, kui tugev on seos välja kahe ajahetke vahel ja seega kui selge interferents on võimalik.

Koherentsus kvantfüüsikas

Koherentsusel on tähtis roll ka kvantfüüsikas. Kvantkaose või kvantsuperpositsiooni korral viitab koherentsus süsteemi võimele säilitada off-diagonaalsed komponendid tiheduseoperaatori (density matrix) kujul — need komponendid tähistavad erinevate olekutevahelist faasikohalikku seost. Kui süsteem kaotab need komponendid keskkonnamõjude tõttu, räägitakse dekoherentsusest, mis on oluline teema kvantarvutite ja kvantkommunikatsiooni kontekstis.

Rakendused ja tähendus

• Interferomeetria ja mõõtmistehnikad: täpseid pikkus- ja faasierinevuste mõõtmisi võimaldavad seadmed nõuavad kõrget koherentsust.
• Holograafia: nõuab koherentset valgust, et salvestada ja rekonstrueerida lainefaasiinformatsiooni.
• Laster tehnoloogia: laserite pikk koherentsuspikkus võimaldab täpseid lõike- ja töötlemistehnikaid ning side- ja spektroskoopilisi rakendusi.
• Kvanttehnoloogiad: kvantkoherentsuse säilitamine on määrav kvantbitide töökindluse ja kvantarvutuse jaoks.

Kokkuvõte

Koherentsus ei ole ainult teoreetiline ideaal, vaid praktiline omadus, mis määrab, kas ja kui selge on interferents ning kui palju informatsiooni laine kannab faasi kujul. Erinevad koherentsuse mõisted — ajutine, ruumiline, täielik ja osaline — aitavad kirjeldada ja kujundada optilisi ja kvantfüüsika eksperimente ning tehnoloogiaid. Üldiselt kirjeldab koherentsus kõiki ühe laine või mitme laine või lainepaketi füüsikaliste suuruste vahelisi korrelatsiooni omadusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on koherentsus arenenud füüsikas?

K: Millal on kaks laineallikat täiesti koherentsed?

K: Mis juhtub, kui kaks laineallikat on täiesti koherentsed?

K: Mida tekitab koherentsus?

K: Kas koherentsus on lainete ideaalne omadus?

K: Mida kirjeldab koherentsus?

K: Miks on koherentsusest saanud kvantfüüsikas oluline mõiste?

Otsing