ГЛАВА III. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

§ 16. Принцип суперпозиции. Когерентность

Для световых волн, так же как и для всяких волн, справедлив принцип суперпозиции (т. I, § 64, 1959 г.; в пред. изд. § 74). Характерно, что М. В. Ломоносов считал справедливость принципа суперпозиции в области световых явлений одним из основных аргументов в пользу волновой теории света. Он писал: «Поставим алмаз между двумя свечами. Лучи с обеих сторон пройдут сквозь алмаз равною силою, и одна свеча с одной стороны в то же время сквозь алмаз таково явственно, как с другой стороны другая, видна будет», и далее указывал, что этот результат объясним только с волновой точки зрения. На языкеэлектромагнитной теории принцип суперпозиции означает, что результирующее электрическое поле двух световых волн, проходящих через одну точку, равно векторной сумме электрических полей каждой из волн в отдельности. В частности, если эти поля имеют одинаковые величины, но противоположно направлены, результирующее электрическое поле окажется равным нулю (свет плюс свет дает темноту); наоборот, при одинаковом направлении складываемых полей результирующее поле достигнет максимальной величины. Сложение световых волн приводит к таким же интерференционным явлениям, как и сложение звуковых волн (т. I, § 66, 1959 г., в пред. изд. § 76). Противоположные направления складываемых электрических полей соответствуют разности фаз складываемых колебаний, равной нечетному числу параллельным полям соответствует разность фаз, равная либо нулю, либо четному числу .

Электромагнитное ноле световой волны чрезвычайно быстро меняется со временем. Примерно раз в секунду напряженность электрического поля проходит через нуль, меняя свое направление, и столько же раз достигает своего максимального значения.

Зрительное впечатление обусловливается средним значением квадрата электрического вектора волны за сравнительно большой промежуток времени, а не значением его в каждый момент. Когда мы говорим о большом промежутке времени, то это, конечно, надо понимать как большой по сравнению с периодам светового колебания, примерно равным сек. Ясно, что глаз увидит усиление или гашение света лишь при условии, что этот эффект будет продолжаться

в течение многих колебаний, когда разность фаз между интерферирующими колебаниями будет оставаться постоянной. Таким образом, для получения интерференции световых волн в какой-либо точке пространства необходимо постоянство разности фаз между световыми колебаниями, приходящими в эту точку; такие колебания называют когерентными.

Всякое светящееся тело состоит из весьма многих источников колебаний: световые волны порождаются отдельными атомами вещества; мы наблюдаем всегда суммарное действие многих атомов. Для получения интерференции от двух источников света необходимо, чтобы в месте наблюдения волны, излучаемые всеми атомами одного источника, отличались по фазе на одну и ту же величину от волн другого источника. Такое совпадение является невероятным, поэтому между лучами двух различных источников света нельзя получить явления интерференции. Интерференция наблюдается только в том случае, если световые лучи одного источника каким-нибудь образом (отражением, преломлением) были «раздвоены» и затем снова сведены. Однако даже в этом случае могут быть получены некогерентные колебания.

Дело в том, что каждый атом излучает непрерывно только некоторый конечный промежуток времени и затем потухает. За это время он испускает непрерывный волн. Через некоторое время тот же атом может опять начать светиться, но эти новые колебания уже никак не будут связаны с фазами предыдущего колебания. Среднее время непрерывного свечения атома обычно порядка За это время атом испустит около колебаний, или волн Поэтому два колебания, вышедшие из одной точки источника света, но запаздывающие друг относительно друга более чем на длин волн, уже будут некогерентны между собой. Эти колебания будут испущены при двух независимых между собой «вспышках» атома. Длина волны видимого света около следовательно, при разности хода, большей, чем интерференция должна исчезать. Разные атомы обладают различными временами излучений, называемыми продолжительностью жизни светящегося атома. По исчезновению интерференции мы можем судить о продолжительности жизни светящегося атома. Чем больше продолжительность жизни, тем при больших разностях хода еще будет наблюдаться интерференция.