הפרעות, דיפרקציה ועיקרון הסופרפוזיציה

הפרעה מתרחשת כאשר גלים מתקשרים זה עם זה, ואילו עקיפה מתרחשת כאשר גל עובר דרך צמצם. אינטראקציות אלה נשלטות על ידי עקרון הסופרפוזיציה. הפרעות, דיפרקציה ועיקרון הסופרפוזיציה הם מושגים חשובים להבנת מספר יישומים של גלים.

כששני גלים מתקשרים זה בזה, עקרון הסופרפוזיציה אומר שהתוצאה תפקוד גלים הוא סכום של שתי פונקציות הגל הפרטניות. תופעה זו מתוארת בדרך כלל כ הפרעה.

שקול מקרה בו מים נוטפים לתוך גיגית מים. אם יש טיפה אחת שפוגעת במים, היא תיצור גל עגול של אדוות מעבר למים. אם בכל זאת היית מתחיל לטפטף מים בנקודה אחרת, זה היה קורה גם התחל לעשות גלים דומים. בנקודות בהן הגלים חופפים אותם, הגל שהתקבל יהיה סכום של שני הגלים הקודמים.

זה תקף רק במצבים בהם פונקציית הגל היא לינארית, שם היא תלויה איקס ו t רק לראשון כוח. יש מצבים, כמו התנהגות אלסטית לא לינארית שאינה מצייתת חוק הוק, לא יתאים למצב זה, מכיוון שיש לו משוואת גלים לא לינארית. אבל כמעט לכל הגלים שטופלים בפיזיקה, המצב הזה נכון.

זה יכול להיות ברור, אבל כנראה שזה טוב להיות ברור גם לגבי העיקרון הזה שכולל גלים מסוג זה. ברור שגלי מים לא יפריעו לגלים אלקטרומגנטיים. אפילו בקרב סוגים דומים של גלים, ההשפעה מוגבלת בדרך כלל לגלים של כמעט (או בדיוק) באותו אורך גל. מרבית הניסויים הכרוכים בהפרעה מבטיחים כי הגלים זהים מבחינות אלה.

התמונה מימין מציגה שני גלים ומתחתם, כיצד שני הגלים הללו משולבים כדי להראות הפרעה.

כאשר הצלים חופפים, גל העל-עמדה מגיע לגובה מקסימלי. גובה זה הוא סכום המשרעת שלהם (או פעמיים המשרעת שלהם, במקרה שלגלים הראשוניים יש משרעת שווה). הדבר קורה כאשר השוקתות חופפות ויוצרות שוקת כתוצאה שהיא סכום המשרעות השליליות. הפרעה מסוג זה נקראת הפרעה בונה מכיוון שהוא מגביר את המשרעת הכוללת. ניתן לראות דוגמא אחרת שאינה מונפשת על ידי לחיצה על התמונה והקדמה לתמונה השנייה.

לחילופין, כאשר פסגת הגל חופפת עם שוקת הגל האחר, הגלים מבטלים זה את זה במידה מסוימת. אם הגלים סימטריים (כלומר אותה פונקציית גל, אך מועברים בשלב או אורך גל-גל), הם יבטלו זה את זה לחלוטין. הפרעה מסוג זה נקראת הפרעה הרסנית וניתן לצפות בגרפיקה מימין או על ידי לחיצה על אותה תמונה וקידמה לייצוג אחר.

במקרה הקודם של אדוות באמבט מים, אם כן, היית רואה כמה נקודות בהן גלי הפרעות גדולים מכל אחד מהגלים האישיים, וכמה נקודות בהן הגלים מבטלים כל אחד אחר בחוץ.

מקרה מיוחד של הפרעה נקרא עקיפה ומתרחש כאשר גל פוגע במחסום של פתח או קצה. בקצה המכשול מנותק גל, והוא יוצר תופעות הפרעה עם החלק הנותר של חזיתות הגל. מכיוון שכמעט כל התופעות האופטיות כוללות אור העובר דרך צמצם מסוג כלשהו - יהיה זה עין, חיישן, א טלסקופ, או מה שלא יהיה - עקיפה מתרחשת כמעט בכולם, אם כי ברוב המקרים ההשפעה היא זניח. דיפרקציה יוצרת בדרך כלל קצה "מטושטש", אם כי במקרים מסוימים (כמו הניסוי הכפול לחריץ של יאנג, המתואר להלן), יכול שיבוש לגרום לתופעות מעניינות בפני עצמן.

הפרעה היא מושג מסקרן ויש לו כמה השלכות שכדאי לשים לב אליהן, במיוחד בתחום האור בו קל יחסית להתבונן בהפרעות כאלה.

בתוך הניסוי הכפול סדק של תומאס יאנגלדוגמה, דפוסי ההפרעה הנובעים מההתפצצות של "גל" האור הופכים אותו כך שתוכל להאיר אור אחיד ולפרק אותו לסדרת להקות בהירות וכהות פשוט על ידי שליחתו דרך שני חריצים, וזה ללא ספק מה שאפשר היה לצפות. מפתיע עוד יותר הוא שביצוע ניסוי זה עם חלקיקים, כמו אלקטרונים, מביא לתכונות דומות לגלים דומים. כל סוג של גל מציג התנהגות זו, עם ההגדרה המתאימה.

אולי היישום המרתק ביותר של הפרעות הוא ליצור הולוגרמות. הדבר נעשה על ידי השתקפות של מקור אור קוהרנטי, כגון לייזר, מהאובייקט לסרט מיוחד. דפוסי ההפרעות שנוצרו על ידי האור המוחזר הם התוצאה של התמונה ההולוגרפית, אותה ניתן לראות כאשר היא שוב מוצבת בסוג התאורה הנכון.