Motnja, difrakcija in načelo superpozicije

Interferenca poteka, kadar valovi medsebojno delujejo, medtem ko pride do difrakcije, ko val prehaja skozi odprtino. Te interakcije ureja načelo superpozicije. Motnja, difrakcija in načelo superpozicije so pomembni pojmi za razumevanje več aplikacij valov.

Kadar dva vala delujeta, načelo superpozicije pravi, da nastali valovna funkcija je vsota dveh posameznih valovnih funkcij. Ta pojav je na splošno opisan kot interferenca.

Razmislite o primeru, ko voda kaplja v kad z vodo. Če ena kapljica zadene vodo, bo to ustvarilo krožni val valovanja po vodi. Če pa bi začeli kapljati vodo na drugem mestu, bi šlo tudi začnite ustvarjati podobne valove. Na mestih, kjer se ti valovi prekrivajo, bi bil dobljeni val vsota dveh prejšnjih valov.

To velja samo za primere, ko je funkcija valovanja linearna, od tam odvisna x in t samo prvi moč. Nekatere situacije, na primer nelinearno elastično vedenje, ki ne upoštevajo Hookeov zakon, tej situaciji ne bi ustrezala, ker ima nelinearno valovno enačbo. Toda za skoraj vse valove, ki jih obravnava fizika, ta situacija drži.

Mogoče je očitno, vendar je verjetno dobro, da se tudi po tem načelu jasno pojavijo valovi podobnega tipa. Očitno valovi vode ne bodo motili elektromagnetnih valov. Tudi med podobnimi vrstami valov je učinek na splošno omejen na valove skoraj (ali točno) iste valovne dolžine. Večina poskusov vpletanja motenj zagotavlja, da so valovi v tem pogledu identični.

Slika desno prikazuje dva vala in pod njimi, kako se ta dva vala združita, da se prikažejo motnje.

Ko se grebeni prekrivajo, superpozicijski val doseže največjo višino. Ta višina je vsota njihovih amplitud (ali dvakratna njihova amplituda, če imajo začetni valovi enake amplitude). Enako se zgodi, ko se korita prekrivajo, tako da nastane korito, ki je vsota negativnih amplitud. Tovrstne motnje se imenujejo konstruktivno vmešavanje ker povečuje skupno amplitudo. Drug neanimirani primer si lahko ogledate s klikom na sliko in premikanjem do druge slike.

Ko se greben vala prekriva s koritom drugega vala, se valovi do neke mere odpovejo. Če so valovi simetrični (to je enaka valovna funkcija, vendar jih premakne fazna ali polovična valovna dolžina), se medsebojno popolnoma prekličejo. Tovrstne motnje se imenujejo destruktivne motnje in si jih lahko ogledate na sliki desno ali s klikom na to sliko in napredovanjem do druge predstavitve.

V prejšnjem primeru valovanja v kadi z vodo bi zato videli nekaj točk interferenčni valovi so večji od vsakega od posameznih valov in nekatere točke, kjer valovi odpovedo vsakega drugi ven.

Poseben primer motenja je znan kot difrakcija in se zgodi, ko val udari skozi zaporo odprtine ali roba. Na robu ovire je odrezan val, ki ustvarja moteče učinke s preostalim delom valovnih plošč. Ker skoraj vsi optični pojavi vključujejo svetlobo, ki poteka skozi nekakšno odprtino - naj bo to oko, senzor, a teleskop, ali karkoli že - v skoraj vseh njih poteka difrakcija, čeprav je v večini primerov učinek tak zanemarljiv. Difrakcija običajno ustvari "mehek" rob, čeprav lahko v nekaterih primerih (na primer Young-ov poskus z dvojno režo, opisan spodaj) difrakcija povzroči zanimanje zase.

Vmešavanje je zanimiv koncept in ima nekatere posledice, ki jih je vredno opozoriti, zlasti na področju svetlobe, kjer je takšne posege razmeroma enostavno opaziti.

V Poizkus z dvojnim režom Thomasa Youngana primer vzorci motenj, ki nastanejo pri difrakciji svetlobnega "vala", omogočajo, da lahko zasijete enakomerno svetlobo in ga razdeli na niz svetlih in temnih pasov le tako, da ga pošlješ skozi dve reži, kar zagotovo ni tisto, kar bi človek pričakoval. Še bolj presenetljivo je, da izvajanje tega poskusa z delci, kot so elektroni, ima podobne valovite lastnosti. Kakršen koli val kaže takšno vedenje ob pravilni nastavitvi.

Morda je najbolj fascinantna uporaba motenj ustvarjanje hologrami. To dosežemo tako, da odsevamo skladen vir svetlobe, na primer laser, s posebnega filma. Interferenčni vzorci, ki jih ustvarja odsevna svetloba, so rezultat holografske slike, ki jo je mogoče videti, ko je spet postavljena v pravilno osvetlitev.