Interferencia
Otázka, ako skladať svetlo, vyzerá vcelku jasne. Ak máme svetla málo, tak zasvietime ďalšiu lampu. Svetlo, ktoré sme mali, sa jednoducho sčíta so svetlom z lampy. Výsledkom je, že máme svetla viac. Mohlo by to byť aj inak? Nielen mohlo, ono to aj inak je. A súvisí to s fyzikálnou podstatou svetla.
Čo je svetlo?
Svojho času v 17. storočí bola povaha svetla predmetom sporu. Christiaan Huygens svetlo opisoval ako vlnenie v rozpore s presvedčením najvplyvnejšieho fyzika svojej doby – Isaaca Newtona, ktorý presadzoval teóriu, že svetlo sa skladá z častíc. Ako tento rozpor vyriešiť? Skladaním svetla. Podľa Newtona sa pri skladaní jednoducho svetlo sčíta. Viac zdrojov svetla znamená viac častíc svetla. Podľa Huygensa však nie je správne jednoducho iba sčítať energie, ktoré svetlo so sebou prináša. Sčitovanie je správny akt skladania, ale aplikovaný na nesprávnom objekte. Sčitovať treba vlnenia a nie prenášané energie. Výsledok skladania vlnení nazývame ich interferenciou.
Interferenciu vĺn si môžeme predstaviť ako pravidelné kmitanie nejakého fyzikálneho parametra, ktoré závisí od času a polohy. Hovoríme o amplitúde výchyľky tohoto parametra od akejsi „nulovej“ hodnoty. Každá vlna má tak svoje pravidelne sa opakujúce minimá (najnižšie položené body) a maximá (najvyššie položené body). Vzdialenosť medzi dvoma maximami alebo minimami sa nazýva vlnová dĺžka.
Uvažujme pre jednoduchosť vlnenia popísané funkciou sínus, pre ktorú majú minimá a maximá symetrické hodnoty. V prípade, že sa stretnú dve rovnaké vlnenia, ktorých maximá a minimá sa navzájom prekrývajú, hovoríme, že kmitajú vo fáze. Po sčítaní sa maximá, aj minimá zdvojnásobia a hovoríme o konštruktívnej interferencii. Ak sa však stretnú vlnenia posunuté o polovicu vlnovej dĺžky, tak sa maximum jednej vlny stretne s minimom druhej vlny a navzájom sa vyrušia. Hovoríme, že vlnenia kmitajú v protifáze a výsledkom bude deštruktívna interferencia – vlnenie úplne zanikne.
Konštruktívna interferencia
Deštruktívna interferencia
Dvojštrbinový experiment
Rozhodnúť tento spor raz a navždy sa podujal anglický fyzik Thomas Young. V roku 1801 zrealizoval tzv. dvojštrbinový experiment. V tomto experimente svetlo (nech už je to čokoľvek) prechádza cez dva úzke otvory (štrbiny) umiestnené relatívne blízko pri sebe. Po prechode týmito štrbinami sa vytvorené svetelné vlny z každej zo štrbín sčítajú a vytvoria na tienidle umiestnenom za štrbinami obrazec zo striedajúcich sa svetlých (konštruktívna interferencia) a tmavých (deštruktívna interferencia) pruhov, tzv. interferenčný obrazec.
V každom bode na tienidle sa stretnú vlnenia, ktoré sú v čase aj priestore rovnaké (pochádzajú z jedného zdroja), avšak prešli rôzne dlhú vzdialenosť od štrbín k tomuto bodu. Rozdiel vo vzdialenosti súvisí s relatívnym posunom medzi vlneniami a tým, či sa vlnenia navzájom posilnia, alebo vyrušia. Ako dopadol experiment? Svetlo je vlnenie.
Čo na to fotóny?
Máme dôkaz, že svetlo je vlnením, a predsa dnes hovoríme o časticiach svetla – fotónoch. Podobne ako hmotu, ani svetlo nedokážeme deliť do nekonečna. Znižovaním intenzity svetla prídeme k momentu, kedy zistíme, že znižovanie sa deje skokovo – po malých kúskoch energie. Ako bude vyzerať interferenčný experiment s jednofotónovým svetlom, t.j. ak na štrbiny dopadajú jednotlivé fotóny jeden po druhom? Fotón prejde cez štrbiny a na tienidle zanechá stopu vo forme jednej bodky. Ak si počkáme, tak zistíme, že jednotlivé fotóny vykreslia interferenčný obrazec a nespráva sa spôsobom aký očakávame od častíc. Odpoveďou je kvantová fyzika, ktorá správanie sa fotónov popisuje. Každý fotón sa správa, akoby prešiel ako vlna oboma otvormi naraz a interferoval „sám so sebou“.
Interferencie okolo nás
Hoci si to častokrát ani neuvedomujeme, interferenciu využívame aj v bežnom živote. Pri antireflexných vrstvách na okuliaroch alebo fotoaparátoch sa vďaka nej potláčajú odlesky, takže prechádza viac svetla a obraz je jasnejší. Naopak, pri niektorých materiáloch sa vrstvy navrhujú tak, aby odraz zosilnili. Tento jav sa využíva napríklad pri ochrane bankoviek a dokladov, kde sa na povrchy nanášajú špeciálne tenké vrstvy alebo fólie, ktoré vytvárajú dúhové odlesky. Tie sa pri zmene uhla pohľadu menia, čo je veľmi ťažké napodobniť, a preto sa využívajú ako ochrana proti falšovaniu.
Michelsonov interferometer
Michelsonov interferometer je optický experiment, v ktorom sa na polopriepustnom zrkadle, tzv. zväzkodeliči (angl. beam splitter), svetelný lúč rozdelí na dve časti, každá časť smeruje k zrkadlu, od ktorého sa odrazí naspäť smerom na zväzkodelič. Obe časti lúča sa na zväzkodeliči opäť stretnú. Časť sa vráti smerom k zdroju a druhá časť pokračuje na detektor, alebo tienidlo. Jedno zo zrkadiel je zafixované a jedno je pohyblivé. Jeho pohybom sa dá meniť prekrytie vlnení a nastaviť tak mieru interferencie. Na tienidle sa objaví interferenčný obrazec. Michelsonov experiment hral dôležitú úlohu pri zamietnutí existencie éteru – esencie, ktorej vlnením je svetlo. Vďaka interferometru LIGO sa nám nedávno vďaka interferencii podarilo zmerať gravitačné vlny.
Hologram
Hologramy fungujú tiež na princípe interferencie. Lúč lasera sa pomocou zväzkodeliča rozdelí na dva lúče – referenčný a osvetľujúci. Osvetľujúci lúč dopadne na predmet a odrazí sa od neho, zatiaľ čo referenčný lúč smeruje priamo na záznamovú fóliu. Na tejto fólii sa oba lúče stretnú a vytvoria jemný interferenčný obrazec, ktorý sa doslova „zapíše“ do materiálu ako štruktúra. Keď sa hotový hologram neskôr nasvieti laserom, táto štruktúra usmerní lúče tak, že vznikne priestorový 3D obraz predmetu.
Fun fact zo zvieracej ríše
Aj v živočíšnej ríši môžeme pozorovať interferenciu. Typickým príkladom je pavúk páví (lat. Maratus). Na brušku má mikroskopické šupinky, ktoré sú poskladané z vrstiev chitínu a vzduchových medzier. Keď na ne dopadne svetlo, lúč sa odráža od rôznych vrstiev – podobne ako pri mydlovej bubline. Odrazené lúče prejdú rôzne dlhú cestu a následne sa interferenčne zosilnia alebo potlačia. Preto sa určité vlnové dĺžky (farby) zvýraznia a iné zaniknú. Výsledkom je, že bruško pavúka svieti intenzívnymi dúhovými farbami, ktoré sa menia podľa uhla pohľadu, hoci samo osebe nie je takto živo sfarbené. Samček tento efekt nazývaný iridescencia, predvádza pri tanci pred samičkou, čím ju láka. Podobné odlesky možno pozorovať aj u niektorých motýľov, vtákov či hmyzu, napr. modré odlesky krídel motýľa Morpho, žiarivé pávie perá alebo kovový lesk niektorých chrobákov a rýb.
Samček pavúka pávieho, lat. Maratus.
Zdroj: wikipedia
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie