Кохерентност във физиката: определение, електромагнитни и квантови вълни

Кохерентност във физиката: обзор на принципите и ролята ѝ при електромагнитни и квантови вълни, интерференция и приложения в модерната наука.

Кохерентността в напредналата физика е явление, свързано с електромагнитните вълни.

Във физиката два източника на вълни са напълно кохерентни, ако имат постоянна фазова разлика, еднаква честота и еднаква форма на вълната. В такъв случай вълните се изобразяват като идентични: върховете и спадовете им настъпват по едно и също време и имат еднаква амплитуда.

Кохерентността е идеално свойство на вълните. Тя води до стационарна (т.е. времево и пространствено постоянна) интерференция.

Идеята има няколко отделни концепции. Това са ограничаващи случаи, които никога не се случват в реалността. Те обаче позволяват да се разбере физиката на вълните и са се превърнали във важна концепция в квантовата физика.

По-общо казано, кохерентността описва всички свойства на корелацията между физическите величини на една вълна или между няколко вълни или вълнови пакети.

Определение и интуиция

Кохерентност означава способността на вълните да запазят стабилна взаимна фаза и/или амплитудни корелации във времето и пространството. В практиката рядко се среща абсолютна (перфектна) кохерентност — повечето реални източници са частично кохерентни. Степента на кохерентност определя доколко добре две вълни дават ясни и устойчиви интерференчни максимуми и минимуми.

Видове кохерентност

• Времева (темпорална) кохерентност — свързана е с корелацията на полето в различни моменти от времето. Характеризира се с кохерентно време τc и кохерентна дължина lc (lc ≈ c·τc за електромагнитни вълни). За светлина с широка спектрална лента τc е малко, докато за теснолентови източници (напр. стабилен лазер) τc е голямо. Приближително τc ≈ 1/Δν, където Δν е спектралната ширина.
• Пространствена кохерентност — описва колко еднакви са фазите на полето в различни точки в пространството (например по един срез на вълнов фронт). Пространствената кохерентност зависи от размера на източника и разстоянието; малки и далечни източници дават по-добра пространствена кохерентност (вж. Van Cittert–Zernike теорема).
• Първи и втори ред на кохерентност — в оптиката и квантовата оптика използваме корелационни функции G^(1) и G^(2). G^(1) описва фаза/поле (първи ред) и е свързана с интерференцията; G^(2) описва интензитетни корелации (втори ред) и дава информация за статистиката на фотоните (например бунчинг или антибунчинг).

Мерки и експериментални методи

Някои практични мерки за кохерентност:

• Кохерентно време τc и кохерентна дължина lc — колко дълго/дълго вълните остават корелирани.
• Видимост (visibility) на интерференчната картина: V = (Imax − Imin) / (Imax + Imin). Тази стойност е 1 за перфектна кохерентност и 0 за никаква.
• Корелационни функции G^(1)(τ) и G^(2)(τ) — измерват временни/пространствени корелации; експерименти като Michelson или Mach–Zehnder интерферометри и Hanbury Brown–Twiss измервания се използват за определяне на тези функции.

Кохерентност в електромагнитните вълни

За светлината и радиовълните кохерентността зависи от спектралната чистота и геометрията на източника. Лазерите са класически пример за високо кохерентни източници, защото имат тесен спектър и стабилна фаза. Обратно, източници като слънчевата светлина са частично кохерентни — те дават слаба видимост в интерферометри без допълнителна селекция (напр. филтриране по честота).

Практически приложения включват:

• Интерферометрия за прецизни измервания (напр. определяне на разстояния, детекция на гравитационни вълни).
• Холография — изисква добра пространствена и времева кохерентност за запис на фази.
• Оптични комуникации — кохерентните техники позволяват по-ефективно предаване и демодулация.

Квантова кохерентност и декохерентност

В квантовата физика кохерентността означава поддържане на квантови суперпозиции — фазовите отношения между различни базисни състояния. Когато система е в кохерентна суперпозиция, тя проявява интерференчни ефекти и други нетипични класични явления.

Декохерентност е процесът, при който взаимодействието със средата разрушава тези фази и превръща квантовата суперпозиция в класическа статистическа смес. Това е ключов проблем при реализиране на квантови компютри и други кохерентни технологии.

В квантовата оптика измервания като G^(2) разкриват статистиката на фотоните: например източници с антибунчинг (антибunching) показват явно квантово поведение, невъзможно за класическите вълни.

Частична кохерентност и практически забележки

Повечето реални източници са частично кохерентни — това означава, че корелациите спадат с времето и разстоянието. Частичната кохерентност е достатъчна за много приложения и често се увеличава чрез сензорни или оптични техники (филтриране, пространствена селекция и т.н.).

Обобщение

Кохерентността е фундаментален понятие за описване на корелациите между вълни — както класически електромагнитни, така и квантови вълни. Тя има множество форми (времева, пространствена, порядъци на корелация) и е в основата на интерференцията, холографията, интерферометричните измервания и квантовите технологии. Разбирането и контролирането на кохерентността е ключово за напредъка в много области на модерната физика и инженерство.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява кохерентността в напредналата физика?

В: Кога два източника на вълни са напълно кохерентни?

В: Какво се случва, когато два източника на вълни са напълно кохерентни?

В: Какво предизвиква кохерентността?

В: Кохерентността идеално свойство на вълните ли е?

В: Какво описва кохерентността?

Въпрос: Защо кохерентността се е превърнала във важно понятие в квантовата физика?

Търсене по буква