Koherens i fysik: definition, vågor, interferens och kvantfenomen

Koherens i fysik: förstå vågors interferens, fasrelationer och kvantfenomen — tydlig guide till vågor och kvantkorrelationer.

Koherens i avancerad fysik är ett fenomen för elektromagnetiska vågor.

Inom fysiken är två vågkällor fullständigt koherenta om de har en konstant fasskillnad, samma frekvens och samma vågform. I ett sådant fall är vågorna identiska: deras toppar och dalar inträffar vid samma tidpunkt och de har samma amplitud.

Sammanhållning är en idealisk egenskap hos vågor. Den ger stationär (dvs. tidsmässigt och rumsligt konstant) interferens.

Idén har flera olika koncept. Dessa är begränsande fall som aldrig riktigt inträffar i verkligheten. De gör det dock möjligt att förstå vågornas fysik och har blivit ett viktigt begrepp inom kvantfysiken.

Mer allmänt beskriver koherens alla egenskaper hos korrelationen mellan fysiska storheter i en enda våg eller mellan flera vågor eller vågpaket.

Temporär och rumslig koherens

Det är hjälpsamt att skilja på temporär (tidsmässig) koherens och rumslig koherens. Temporär koherens beskriver hur länge en våg behåller ett välbestämt fasförhållande över tid. Rumslig koherens beskriver hur lika faserna är i olika punkter i rummet vid samma tidpunkt.

Två viktiga kvantiteter är koherenstiden τc och koherenslängden Lc. Dessa kan uppskattas med samband kopplade till vågens spektrala bredd Δν:

• Koherenstid: τc ≈ 1 / Δν
• Koherenslängd: Lc ≈ c · τc ≈ c / Δν (där c är ljusets hastighet i det medium som används)

En smalbandig källa (liten Δν) har lång koherenstid och lång koherenslängd, medan en bredbandskälla (stor Δν), som en glödlampa eller solen, har korta motsvarande värden.

Mätning och grad av koherens

Koherens kvantifieras ofta med korrelationsfunktioner. För elektriska fält används t.ex. den komplexa första ordningens koherensfunktion g1(τ):

g1(τ) = <E*(t) E(t+τ)> / sqrt(<|E(t)|^2> <|E(t+τ)|^2>)

Där vinkelparen <> betecknar tidsgenomsnitt eller ensemblemedelvärde. |g1(τ)| = 1 indikerar perfekt första ordningens koherens, medan |g1(τ)| = 0 betyder ingen koherens.

För intensitetsberoende fenomen används ibland andra ordningens koherens g2(τ). Ett praktiskt mått som ofta syns i interferensexperiment är kontrast eller visibility V:

V = (Imax − Imin) / (Imax + Imin)

Visibility varierar mellan 0 och 1 och speglar hur tydlig interferensmönstret är — hög visibility indikerar hög koherens.

Interferens och praktiska exempel

Koherens är grundläggande för alla interferensfenomen. Några vanliga experiment och tillämpningar:

• Youngs dubbelspalt — visar rumslig koherens genom framträdande ljus- och mörkområden på en skärm.
• Michelsoninterferometer — mäter tidsmässig koherens och används för att bestämma koherenslängd samt för precisa avstånds- och våglängdsmätningar.
• Holografi — kräver hög koherens hos referens- och objektstrålar för att rekonstruera ett tredimensionellt vågfrontsmönster.
• Optisk kohärenstomografi (OCT) — utnyttjar lågkoherent interferometri för att skapa tvärsnittsbilder i medicinsk diagnostik.

Koherens i kvantfysiken och dekoherens

I kvantmekanik har koherens en nära koppling till superposition. En kvanttillstånds koherens innebär att relativa faser mellan baskomponenter är väldefinierade, vilket möjliggör interferenseffekter på amplitudnivå. Exempel:

• Koherenta tillstånd i kvantoptik (t.ex. laserljus) är kvanttillstånd som förefaller mest klassiska vad gäller fältamplitud och fas.
• Entanglement (sammanflätning) beskriver korrelationer som går bortom klassisk koherens men är fortfarande beroende av fasrelationer mellan delsystem.

Dekoherens är processen där ett kvantsystem förlorar sin fasrelation med omgivningen genom växelverkan (t.ex. kollisioner eller värme), vilket snabbt försvagar eller förintas observerbar kvantinterferens. Dekoherens förklarar hur klassiskt beteende kan framträda ur kvantmekaniska system.

Teoretiska verktyg och viktiga begrepp

Några teoretiska begrepp som ofta används när man studerar koherens:

• Ömsesidig koherensfunktion (mutual coherence function) – beskriver korrelationen mellan fält i olika punkter och tider.
• van Cittert–Zernike-teoremet – relaterar en förlaga av rumslig koherens i en fjärrfältsfördelning till den rumsliga fördelningen av en (termisk) källa; det är centralt inom astronomisk interferometri och optisk mätning.
• Spektral koherens – beskriver hur olika frekvenskomponenter i ett vågspektrum korrelerar med varandra.

Tillämpningar och betydelse

Koherensbegreppet är viktigt i många tekniska och vetenskapliga områden:

• Laserteknik — för att skapa ljus med hög temporär och rumslig koherens.
• Spektroskopi och interferometri — för precisa mätningar av längd, frekvens och materialegenskaper.
• Telekommunikation — optisk koherens påverkar signalöverföringens kvalitet och moduleringstekniker.
• Quantum information — kvantkoherens är en resurs i kvantberäkning, kvantkommunikation och kvantkryptografi.

Sammanfattningsvis beskriver koherens hur väl faser och amplituder i vågor står i bestämt förhållande till varandra över tid och rum. Begreppet sträcker sig från klassisk vågoptik till moderna kvantfenomen och är centralt för både grundforskning och praktiska tekniker som interferometri, holografi och kvantinformation.

Frågor och svar

F: Vad är koherens inom avancerad fysik?

F: När är två vågkällor fullständigt koherenta?

Fråga: Vad händer när två vågkällor är fullständigt koherenta?

F: Vad producerar koherens?

F: Är koherens en idealisk egenskap hos vågor?

F: Vad beskriver koherens?

F: Varför har koherens blivit ett viktigt begrepp inom kvantfysiken?

Sök med bokstav