Interferencija

Interferencija je u fizici, pojava uzajamnog uticaja talasa, čiji rezultat može biti njihovo slabljenje, pojačavanje ili poništavanje. Interferencija je veoma složen fizički proces. Interferencija se obično dešava pri interakciji talasa koji su u korelaciji ili koherentni, bilo zato što dolaze iz istog izvora, ili zato što imaju istu ili skoro istu frekvenciju. Efekti interferencije se javljaju kod svih vrsta talasa, na primer, svetlosni, radio, akustični i talasi vodene površine. U komunikaciji, pojam označava izmene i smetnje u poruci koja putuje između pošiljaoca i primaoca.

Interferencija dva kružna talasa.

Interferencija talasa je međudelovanje dva ili više talasa (redovno jednake talasne dužine) koji istodobno prolaze kroz isti prostor. Zbiva se kod svih talasa (mehaničkih, elektromagnetnih, talasa na vodi) i generalno kod svih periodičnih kretanja. Amplituda rezultantnog talasa može biti veća ili manja od amplituda pojedinih izvornih talasa, što zavisi od odnosa među njihovim fazama. Na primer dva interferirajuća talasa jednake talasne dužine, amplitude i faze pojačavaju se, a ako su jedan prema drugom u fazi pomaknuti za polovinu talasne dužine, njihovo se delovanje poništava. Interferencija se može zapaziti samo ako u svakoj tački prostora u kojem se šire interferirajući talasi postoji stalna razlika u fazi među tim talasima (uslov koherentnosti), jer se time osigurava stalni prostorni raspored minimuma i maksimuma rezultantnoga talasa (interferencijska slika). Njutnovi prstenovi i pruge interferencije primeri su interferencijskih slika nastalih slaganjem koherentnih snopova svetlosti. Budući da razmaci među minimumima i maksimumima interferencijske slike zavise od talasne dužine interferirajućih talasa, moguće je, mereći te razmake, odrediti talasnu dužinu; obrnuto, kada se poznaje talasna dužina, mogu se odrediti i razmaci.

Posmatranjem talasa na moru vidi se često kako se jedan talas preliva preko drugoga. Na jednom mestu sastaju se dakle 2 različita talasa, te čestice sredstva primaju energiju oscilovanja od 2 različita izvora. U tom slučaju dolazi do zbrajanja ili superpozicije oscilacija na tom mestu. Ta se superpozicija oscilovanja zove ukrštavanje ili interferencija talasa. Tipični slučajevi su:

• interferencija 2 linearna talasa iste talasne duljine, iste frekvencije, iste amplitude i iste faze daje rezultirajući talas koji se dobije tako da im se amplitude algebarski saberu. Talasi se u tom slučaju pojačavaju;
• interferencija 2 linearna talasa iste talasne dužine, iste frekvencije, a različite amplitude s pomakom faze od polovine talasne dužine poništava talase;
• interferencija 2 linearna talasa iste talasne dužine, iste frekvencije, te iste amplitude s pomakom faze od polovine talasne dužine, daje oslabljeni talas tako da im se amplitude odbijaju;
• interferencija 2 linearna talasa iste talasne dužine, iste frekvencije, a različite amplitude s bilo kojim pomakom faze daje rezultirajući talas tako da im se amplitude algebarski zbroje.

Prema tome, interferencijom talasa koji se šire, na primer po površini vode nastaju talasi različitog oblika. Na onim mestima gde se sastaju talasi u fazi, to jest breg s bregom, a dol s dolom, nastaje pojačanje, a na onim mestima gde se sastaju talasi u protivfazi, to jest breg s dolom, talasi slabe ili se ukidaju. Interferencijom talasa različitih amplituda i frekvencija nastaju talasi različitih talasnih duina i zamršenih oblika.

Mehanizam

Interferencija talasa iz dva tačkasta izvora.

Princip superpozicije talasa nalaže da kada dva ili više talasa incidiraju u istoj tački, ukupni otklon je jednak vektorskoj sumi otklona individualnih talasa. Ako vrh talasa susreće vrh drugog talasa iste frekvencije u istoj tački, onda veličina otklona je jednaka sumi individualnih otklona – konstruktivna interferencija. Ako vrh jednog talasa sreće dolju drugog talasa onda je veličina otklona jednaka razlici individualnih veličina – destruktivna interferencija.

kombinovani talas
talas 1
talas 2
	Konstruktivna interferencija	Destruktivna interferencija

Interferencija levog (zeleni) i desnog (plavi) talasa, te rezultirajući talas (crveni).

Njutnovi prstenovi

Interferencija svetlosti između 2 izvora za različite talasne duljine i udaljenosti između njih.

Veoma veliki niz, puno malih radio teleskopa se povezuje radio interferometrijom u veliki radio teleskop.

Turmalini.

Turmalinska pločica se može zamisliti kao neku mehaničku mreža koja od svih oscilacija propušta samo onu komponentu koja leži u izvesnoj ravni. Takva se svetlost kod koje se oscilovanje zbiva samo u jednoj ravni zove se polarizovana svetlost.

Postave li se obe pločice turmalina jedna prema drugoj, prozirnost će zavisiti od njihovog međusobnog položaja.

Ako je svetlost kružno polarizovana, dobivaja se uvek ista jačina svetlosti, kako god se vrtela Nikolova prizma.

„Normalno polarizovani” elektromagnetni talas talasne duine λ ima svoj vektor električnog polja E (crveno) koji oscilira u normalnom smeru. Magnetsko polje B (ili H) uvek je pod pravim uglom (plavo), a oba su normalna na smer širenja (z).

Konstruktivna interferencija se javlja kada je fazna razlika između talasa proizvod 2π, dok se destruktivna interferencija javlja kada je razlika π, 3π, 5π, itd. Ako je razlika između faza između ta dva ekstrema, onda je veličina otklona sumiranih talasa između minimalne i maksimalne veličine.

Uzmimo, na primer, šta se dešava kada se dva identična kamena ispuste u miran bazen sa vodom na različitim mestima. Svaki kamen generiše cirkularni talas koji se kreće od tačke gde je kamen ispušten. Kada se dva talasa preklope, konačni otklon u određenoj tački je suma otklona individualnih talasa. U nekim tačkama, oni će biti u fazi i davaće maksimalni otklon. U drugim tačkama, talasi će biti u antifazi i neće biti konačnog otklona. Stoga, delovi površine će biti stacionarni — oni se vide na gornjoj slici i desno kao stacionarne plavo-zelene linije koje se radijalno šire od centra.

Interferometar

Glavni članak: Interferometar

Interferometar je merni instrument koji elektromagnetne ili mehaničke talase izvora prima pomoću dva ili više objektiva (detektora) te se pomoću pruga interferencije talasa sprovode precizna merenja. Prvi interferometar primenio je Tomas Jang u eksperimentu (1805) kojim je istraživao prirodu svetlosti. Značajan doprinos razvoju interferometara dao je Albert Abraham Majkelson: on je pomoću interferometra (1877) pokušao da izmeriti brzinu svetlosti, s Edvardom Vilijamsom Morlijem je (1887) dokazao nepostojanje etera. Svojim radom on je unapredio i optičke astronomske interferometre kojima je merio prečnike zvezda. Polovinom 20. veka, po načelima optičke interferometrije, konstruisani su radiointerferometri sastavljeni od dva i više radio teleskopa kojima je izbegnuta gradnja velikih antena i znatno povećano ugaono razlučivanje (dugobazična interferometrija). Danas se optički interferometri širko koriste za brojne namene u spektroskopiji, astronomiji, fizici, geodeziji i drugim naukama, industriji i drugo. Ultrazvučni interferometri omogućavaju precizno određivanje brzina ultrazvuka u tečnostima.

Dugobazična interferometrija

Glavni članak: Dugobazična interferometrija

Dugobazična interferometrija ili VLBI (akronim od engl. Very Long Baseline Interferometry: interferometar s vrlo dugačkom bazom) je vrsta astronomske interferometrije, koja se koristi u radio astronomiji, a prestavlja upotrebu međusobno povezanih i pažljivo koordinisanih radio teleskopa razmeštenih širom sveta, tako da deluju kao jedan. Ona omogućuje istovremeno posmatranje s više radio teleskopa, tako da se obradom podataka dobija posmatranje kao da je vršeno jednim radio teleskopom, veličine proporcionalne razmaku između njih.

Utvrđivanje postojanja radioizvora, najčešće izvora čiji su signali vrlo slabi i postizanje što veće rezolucije kod radio teleskopa je ograničeno. Zbog povećanja ugaonog razlučivanja (rezolucije) i određivanja strukture vrlo slabih izvangalaktičkih radioizvora, astronomi su sredinom 1960-tih, po načelima optičke interferometrije, konstruirali radio interferometre.

Konstrukcijom radiointerferometara, sistema od dva ili više radio teleskopa, dužina baze (udaljenost između antena) jednaka je efektivnom prečniku radio teleskopa. Na taj je način izbegnuta gradnja velikih antena, a znatno je povećano ugaono razlučivanje (rezolucija). U prvim su interferometrijskim merenjima (engl. Short Baseline Interferometry – SBI), radiosignali primani prijamnicima s oscilatorom i preko kabla prenošeni u središnju korelacijsku stanicu. Udruživanje teleskopa pri promatranju na primer kvazara ili praćenju svemirske letelice Kasini—Hajgens prilikom pada u atmosferu Titana, omogućava znatno povećanje razlučivanja.

Polarizacija i interferencija svetlosti

Glavni članak: Polarizovana svetlost

Kod longitudinalnih talasa, na primer zvuka, titranja se zbivaju u smeru širenja talasa, pa su i sve ravni koje prolaze kroz zrak talasa jednake. Isak Njutn je otkrio polarizaciju svetlosti 1717. godine. Budući da je kao moguću pretpostavku uzimao samo longitudinalne talase, zanemario je celokupnu teoriju svetlosti. Njutnov je zaključak bio utoliko pogrešan što nije mislio na transverzalne talase. Polarizacija je moguća kod transverzalnih talasa gde se oscilovanje vrši normalno na smer širenja. Tu je na primer ravan u kojoj osciluje električno polje istaknuta pred drugom. Transverzalnost talasa svetlosti vidi se najbolje kad se polarizovani talas pušta kroz osobeni talas, na primer Nikolovu prizmu. Već prema tome kako se vrti kristal oko njegove osi, koja se podudara sa zrakom svetlosti, menja se jačina (intenzitet) svetlosti. Kod određene orijentacije (smera) kristala svetlost je najjača, a normalno na to sasvim se ugasi. Nikolova prizma propušta električne oscilacije samo jednog smera; ako komponenta električnog polja u tom smeru iščezava, kristal je za svetlost nepropustan.

Ako vektor električnog polja titra stalno u jednom pravcu, tada se kaže za talas, da je linearno polarizovan. Generalniji je slučaj ako električno polje osciluje u ravni normalnoj na zrak talasa. U ravni x, y, koja stoji normalno na smer širenja talasa, može se generalno oscilovanje električnog vektora sastaviti od dva linearna oscilovanja u smeru y i z:

$E_{y}=a_{1}\cdot \cos(2\cdot \pi \cdot f\cdot t+\alpha _{1})$

$E_{z}=a_{2}\cdot \cos(2\cdot \pi \cdot f\cdot t+\alpha _{2})$

E_y ide od - a₁ do + a₁, a E_z od - a₂ do + a₂. Vrh vektora opisuje elipsu. Ova elipsa se pretvara u ravnu crtu ako je α₁ = α₂. Eliptično oscilovanje sadrži, dakle, kao specijalan slučaj linearno oscilovanje.

Drugi važan slučaj je kružno ili cirkularno oscilovanje. Ako se stavi da su amplitude u y i z smeru jednake, a osim toga da između njih postoji fazna razlika od π/2 (90°), tada elipsa prelazi u kružnicu. Dva su moguća kružna oscilovanja. Prvo:

$E_{y}=a\cdot \cos(2\cdot \pi \cdot f\cdot t)$

$E_{z}=a\cdot \sin(2\cdot \pi \cdot f\cdot t)$

i zove se levo kružno oscilovanje, a drugo:

$E_{y}=a\cdot \cos(2\cdot \pi \cdot f\cdot t)$

$E_{z}=-\,a\cdot \sin(2\cdot \pi \cdot f\cdot t)$

desno kružno oscilovanje. Smisao vrtnje „levo” i „desno” ne uzima se prema smeru širenja talasa, nego prema smeru pogleda, dakle upravo obrnuto.

Već prema tome kako su pobuđeni, atomi emituju eliptično polarizovanu, linearno polarizovanu i kružno (cirkularno) polarizovanu svetlost. Sve 3 vrste polarizacije mogu se jednostavno eksperimentima ustanoviti. Ako je svetlost kružno polarizovana, dobija se uvek ista jačina (intenzitet) svetlosti, kako god se vrtela Nikolova prizma.

Šta se dešava kod linearno polarizovane svetlosti, rečeno je ranije. Već prema tome kako se vrti kristal oko njegove ose, koja se podudara sa zrakom svetlosti, menja se jačina (intenzitet) svetlosti. Kod određene orijentacije kristala svetlost je najjača, a normalno na to sasvim se ugasi. Nikolova prizma propušta električna oscilovanja samo jednog smera; ako komponenta električnog polja u tom smeru iščezava, kristal je za svetlost nepropustan.

Eliptično polarizirano svetlo prestavlja opšti slučaj, koji se ne da svesti ni na jedan od pređašnjih.

Svetlost koja dopire do nas od neke svetiljke sastavljena je od golemog broja talasa koje emituju pojedini atomi. Svaki atom, poput bljeska, izrači jedan osnovni niz talasa. Svaki osnovni niz talasa ima određenu talasnu dužinu. Eksperimentima se može ustanoviti da oscilovanje atoma u toku emisije traje oko 10^-8 sekundi. Za to vreme širi se od atoma talas brzinom od 3∙10⁸ m/s, te prevali dužinu od 10^-8 s∙3∙10⁸ m/s. Osnovni niz talasa, emitovan od atoma, dug je dakle oko 3 metra. Taj niz talasa zove se još koherentnim, što latinski znači zglobljen, očvrsnut, to jest takav niz talasa drži se sam sobom kao celina.

Literatura

• Ovaj članak ili njegov deo izvorno je preuzet iz Rečnika socijalnog rada Ivana Vidanovića uz odobrenje autora.

Spoljašnje veze

• Easy JavaScript Simulation Model of One Dimensional Wave Interference
• Expressions of position and fringe spacing Arhivirano na sajtu Wayback Machine (8. novembar 2009)
• Java simulation of interference of water waves 1
• Java simulation of interference of water waves 2
• Flash animations demonstrating interference Arhivirano na sajtu Wayback Machine (24. jun 2009)