Παρεμβολές, διάχυση & αρχή της υπερκάλυψης

Η παρεμβολή λαμβάνει χώρα όταν τα κύματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ενώ η περίθλαση λαμβάνει χώρα όταν ένα κύμα διέρχεται από ένα άνοιγμα. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις διέπονται από την αρχή της υπέρθεσης. Οι παρεμβολές, η περίθλαση και η αρχή της υπέρθεσης είναι σημαντικές έννοιες για την κατανόηση πολλών εφαρμογών των κυμάτων.

Όταν δύο κύματα αλληλεπιδρούν, η αρχή της υπέρθεσης λέει ότι το προκύπτον κύματος είναι το άθροισμα των δύο επιμέρους κυματικών λειτουργιών. Αυτό το φαινόμενο γενικά περιγράφεται ως παρέμβαση.

Εξετάστε μια περίπτωση όπου το νερό στάζει σε μια δεξαμενή νερού. Εάν υπάρχει μια μοναδική σταγόνα που χτυπά το νερό, θα δημιουργήσει κυκλικό κύμα κυματισμών στο νερό. Εάν, ωστόσο, θα αρχίσετε να στάζει νερό σε άλλο σημείο, θα ήταν επίσης αρχίστε να κάνετε παρόμοια κύματα. Στα σημεία όπου τα κύματα αυτά επικαλύπτονται, το κύμα που προκύπτει θα είναι το άθροισμα των δύο προηγούμενων κυμάτων.

Αυτό ισχύει μόνο για καταστάσεις όπου η λειτουργία κύματος είναι γραμμική, από όπου εξαρτάται

Μπορεί να είναι προφανές, αλλά είναι ίσως καλό να είναι επίσης σαφές ότι η αρχή αυτή περιλαμβάνει κύματα παρόμοιου τύπου. Προφανώς, τα κύματα νερού δεν θα επηρεάσουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ακόμη και μεταξύ παρόμοιων τύπων κυμάτων, η επίδραση γενικά περιορίζεται στα κύματα ουσιαστικά (ή ακριβώς) του ίδιου μήκους κύματος. Τα περισσότερα πειράματα που αφορούν την παρεμβολή εξασφαλίζουν ότι τα κύματα είναι πανομοιότυπα από την άποψη αυτή.

Η εικόνα προς τα δεξιά δείχνει δύο κύματα και, κάτω από αυτά, πώς αυτά τα δύο κύματα συνδυάζονται για να δείξουν παρεμβολές.

Όταν οι κορυφές αλληλεπικαλύπτονται, το κύμα υπέρθεσης φτάνει σε ένα μέγιστο ύψος. Αυτό το ύψος είναι το άθροισμα των μεγεθών τους (ή το διπλάσιο του εύρους τους, στην περίπτωση που τα αρχικά κύματα έχουν ίσο εύρος). Το ίδιο συμβαίνει όταν οι γούρνες αλληλοεπικαλύπτονται, δημιουργώντας ένα αποτέλεσμα που είναι το άθροισμα των αρνητικών μεγεθών. Αυτό το είδος παρεμβολής ονομάζεται εποικοδομητική παρέμβαση επειδή αυξάνει το συνολικό εύρος. Ένα άλλο μη κινούμενο παράδειγμα μπορεί να δει κάνοντας κλικ στην εικόνα και προωθώντας τη δεύτερη εικόνα.

Εναλλακτικά, όταν η κορυφή ενός κύματος επικαλύπτεται με την κοιλότητα ενός άλλου κύματος, τα κύματα αλληλοεπικαλύπτονται σε κάποιο βαθμό. Αν τα κύματα είναι συμμετρικά (δηλ. Η ίδια λειτουργία κύματος, αλλά μετατοπίζονται με μήκος φάσης ή μισού κύματος), θα ακυρωθούν πλήρως. Αυτό το είδος παρεμβολής ονομάζεται καταστροφικές παρεμβολές και μπορεί να προβληθεί στο γραφικό προς τα δεξιά ή κάνοντας κλικ σε εκείνη την εικόνα και προωθώντας σε άλλη παράσταση.

Στην προηγούμενη περίπτωση των κυματισμών σε μια μπανιέρα νερού, θα δείτε, επομένως, κάποια σημεία όπου το τα κύματα παρεμβολής είναι μεγαλύτερα από κάθε ένα από τα μεμονωμένα κύματα και κάποια σημεία όπου τα κύματα ακυρώνουν το καθένα άλλα έξω.

Μια ειδική περίπτωση παρεμβολής είναι γνωστή ως περίθλαση και λαμβάνει χώρα όταν ένα κύμα χτυπά το φράγμα ενός ανοίγματος ή άκρης. Στην άκρη του εμποδίου, κόβεται ένα κύμα και δημιουργεί παρεμβολές με το υπόλοιπο τμήμα των κυματομορφών. Δεδομένου ότι σχεδόν όλα τα οπτικά φαινόμενα περιλαμβάνουν το φως που διέρχεται από ένα διάφραγμα κάποιου είδους - είτε είναι ένα μάτι, ένας αισθητήρας, α τηλεσκόπιο ή οτιδήποτε άλλο - η περίθλαση λαμβάνει χώρα σχεδόν σε όλες, αν και στις περισσότερες περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι αμελητέος. Η διάθλαση τυπικά δημιουργεί μια "ασαφή" άκρη, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις (όπως το πείραμα διπλής σχισμής του Young, που περιγράφεται παρακάτω) η περίθλαση μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα ενδιαφέροντος από μόνα τους.

Οι παρεμβολές είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα και έχουν κάποιες συνέπειες που αξίζει να σημειώσουμε, ειδικά στην περιοχή του φωτός όπου μια τέτοια παρέμβαση είναι σχετικά εύκολο να παρατηρηθεί.

Σε Το πείραμα του Thomas Young με διπλό σχίσιμο, για παράδειγμα, τα μοτίβα παρεμβολής που προκύπτουν από τη διάθλαση του φωτός "κύματος" το κάνουν να μπορείτε να λάμψετε ένα ομοιόμορφο φως και να το σπάσει σε μια σειρά ελαφριών και σκοτεινών ζωνών απλά με την αποστολή μέσα από δύο σχισμές, κάτι που σίγουρα δεν είναι αυτό που θα περίμενε κανείς. Ακόμα πιο περίεργο είναι ότι η εκτέλεση αυτού του πειράματος με σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, έχει ως αποτέλεσμα παρόμοιες κυματικές ιδιότητες. Οποιοδήποτε είδος κύματος εμφανίζει αυτή τη συμπεριφορά, με τη σωστή ρύθμιση.

Ίσως η πιο συναρπαστική εφαρμογή των παρεμβολών είναι η δημιουργία ολογράμματα. Αυτό γίνεται με την απεικόνιση μιας συνεκτικής πηγής φωτός, όπως λέιζερ, μακριά από ένα αντικείμενο πάνω σε μια ειδική μεμβράνη. Τα πρότυπα παρεμβολής που δημιουργούνται από το ανακλώμενο φως είναι αυτά που έχουν ως αποτέλεσμα την ολογραφική εικόνα, η οποία μπορεί να προβληθεί όταν τοποθετηθεί και πάλι στο σωστό είδος φωτισμού.