Koherence fizikā: definīcija, viļņu interferences un kvantu nozīme

Koherence fizikā: skaidrojums par viļņu interferenci, fāžu sakritību un kvantu lomu — viegli saprotami piemēri un pielietojumi studentiem un pētniekiem.

Koherence modernajā fizikā ir elektromagnētisko viļņu parādība.

Fizikā divi viļņu avoti ir pilnīgi koherenti, ja to fāžu starpība ir nemainīga, frekvence un viļņu forma ir vienāda. Šādā gadījumā viļņi ir identiski: to maksimumi un kritumi ir vienlaicīgi, un to amplitūda ir vienāda.

Koherence ir ideāla viļņu īpašība. Tā rada stacionāru (t. i., laikā un telpā nemainīgu) interferenci.

Šai idejai ir vairāki atšķirīgi jēdzieni. Tie ir ierobežojoši gadījumi, kas realitātē nekad nenotiek. Tomēr tie ļauj izprast viļņu fiziku un ir kļuvuši par svarīgu jēdzienu kvantu fizikā.

Vispārīgāk koherence apraksta visas īpašības, kas raksturo korelāciju starp viena viļņa vai vairāku viļņu vai viļņu pakešu fizikālajiem lielumiem.

Koherence — plašāks skats

Lai gan sākotnējā definīcija bieži attiecas uz elektromagnētiskajiem viļņiem, koherence ir vispārīgs viļņu jēdziens, kas attiecas uz jebkuru viļņu sistēmu — skaņu, ūdens viļņiem, kvantu viļņu funkcijām u. c. Praktiskā nozīmē pilnīga koherence reti tiek novērota; reālās situācijās runā par daļēju koherenci, ko raksturo laika, frekvenču un telpisko korelāciju pakāpe.

Laika (temporālā) un telpiskā koherence

• Temporālā koherence nosaka, cik ilgi viļņa fāzes attiecības saglabā stabilas laika ziņā. To saista ar signāla frekvenču spektra platumu: cieši monohromātiskam signālam ir liela temporālā koherence. Praktiskā mērā to raksturo koherences laiks τc un koherences garums lc. Aptuvenais sakars: τc ≈ 1/Δν, kur Δν ir frekvenču joslas platums, un lc ≈ c·τc (gaismas ātruma apstākļos).
• Telpiskā koherence apraksta korelāciju starp laukuma punktiem telpā. Avota izmērs un novietojums ietekmē, cik plašā apjomā signālam ir vienota fāze. Liela, plaši izstarojoša avota gaisma parasti ir telpiski nekohērenta, savukārt lāzera stars — labi telpiski koherents.

Interference un praktiski piemēri

Interference ir tiešs koherences izpausmes rezultāts. Ja divi vai vairāki viļņi ir koherenti, to kombinācija var radīt pastiprināšanās (constructive interference) vai vājināšanās (destructive interference) raksturu atkarībā no fāžu attiecībām. Bieži lietoti eksperimenti un ierīces:

• Junga dubultspraugi (Young's double-slit) — klasisks piemērs, kur redzama interferenču raksts, ja avots nodrošina pietiekamu temporālo un telpisko koherenci.
• Michelsona interferometrs — mērījumiem un laika/attāluma izmaiņu noteikšanai; tam nepieciešama augsta temperatūrālā stabilitāte un laba koherence avotiem.
• Lāzeri — avoti ar augstu koherenci (gan temporālu, gan telpisku), plaši izmanto interferometrijā, hologrāfijā un datu pārraidē.
• Inkandescence un LED — parasti zemas temporālās koherences avoti; tie nerada ilgstošu stacionāru interferenci bez papildu filtriem vai gaismas izolācijas.

Koherence kvantu fizikā

Kvantumfizikā koherence nozīmē, ka kvantstāvokļi var eksistēt superpozīcijā ar noteiktiem relatīvajiem fāzes sakariem. Šie sakari nosaka, vai iespējamas kvantu interferenču parādības. Svarīgi aspekti:

• Matemātiski kvantu koherenci bieži raksturo blīvuma matrica ρ; tās ārējie (off-diagonal) elementi atspoguļo kvantu superpozīciju fāzes korelācijas. Ja šie elementi izzūd, sistēma pāriet uz klasisku statistisku ierakstu — notiek dekoherencija.
• Dekoherencija ir process, kurā kvantu sistēmas koherences sakari tiek iznīcināti, mijiedarbojoties ar vidi. Tas ir centrālais izaicinājums kvantumkompjutēšanā un kvantu informācijas saglabāšanā.
• Entanglement (saistība) un koherence ir saistīti, taču atšķirīgi jēdzieni: entanglements iezīmē kvantu korelācijas starp daudziem daļiņām, kamēr koherence attiecas uz superpozīciju atsevišķā sistēmā vai komponentēs.

Mērīšana un koherences kvantifikācija

Optikā un kvantu optikā izmanto korelācijas funkcijas, lai kvantificētu koherenci:

• Pirmās kārtas koherences funkcija g(1)(τ) raksturo amplitūdas korelāciju laika aiztures τ. Ja |g(1)(τ)| = 1, signāls ir pilnīgi temporāli koherents attiecīgajā τ.
• Otrās kārtas koherences funkcija g(2)(τ) raksturo intensitātes korelāciju (piem., Hanbury Brown–Twiss eksperiments). Šī funkcija ļauj atšķirt klasiskas un kvantu gaismas īpašības: g(2)(0) > 1 rāda "bunching" (klasiskiem avotiem), g(2)(0) = 1 — koherentu avotu (piem., ideāls lāzers), g(2)(0) < 1 — antibunching (viena fotona avoti).

Pielietojumi un praktiskā nozīme

Koherences izpratne un kontrolēšana ir pamats daudzām tehnoloģijām:

• Interferometrija un precīzi mērījumi (piem., gravitācijas viļņu detektori, spektrālā analīze).
• Hologrāfija un attēlveidošana ar augstu telpisko precizitāti.
• Optiskā sakaru tehnoloģija, kur koherenci izmanto modulācijai un signāla atjaunošanai.
• Optiskā koherences tomogrāfija (OCT) medicīnā — izmanto gaismas koherenci, lai veidotu audu šķērsgriezuma attēlus.
• Kvantuminformācijas tehnoloģijas — kvantu datoru, kvantu kriptogrāfijas un kvantu sensoru darbībā koherence ir būtisks resurss.

Kopsavilkums

Koherence ir centrāls jēdziens viļņu fizikā un kvantu mehānikā, kas apraksta fāžu un amplitūdu korelāciju laika un telpas dimensijās. Tā nosaka, vai un kā rodas interferenču parādības, un tai ir plašs praktisku pielietojumu klāsts — no lāzeriem un interferometriem līdz kvantu tehnoloģijām. Reālajā pasaulē biežāk sastopama daļēja koherence, kuru var kvantificēt ar korelācijas funkcijām un kontrolēt, izvēloties avotus un eksperimentālos nosacījumus.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir koherence progresīvajā fizikā?

J: Kad divi viļņu avoti ir pilnīgi koherenti?

J: Kas notiek, ja divi viļņu avoti ir perfekti koherentie?

J: Ko rada koherence?

Vai koherence ir ideāla viļņu īpašība?

J: Ko apraksta koherence?

J: Kāpēc koherence ir kļuvusi par svarīgu jēdzienu kvantu fizikā?

Meklēt pēc burta