波的相干性.PDFVIP

物理学的历史负担 54 ．波的相干性 主题： 在教科书中，对相干性这一概念的解释有各种不同的方式。下面几种解释来自于几种 不同的教科书： （1）“波列相互干涉叫做波的相干性，波列不相互干涉叫做波的非相干性。” （2 ）“当两个波发生器能产生稳定的干涉图样时，这两列波是相干的。这两列波必须 具有相同的频率和恒定的相位差。” （3 ）“对于一个发光体（如炽热的灯丝）来说，从各个不同的点射到眼睛的波是不相 干的，即它们具有完全不同的相位和偏振方向。” （4 ）“从光源的同一个点发出的光分开后经过不同的路径传播，这样的光才会相干。” （5 ）“由于从一个高温物体自发地发射的光都是从相互独立的原子中辐射出来的，我 们可以肯定，两个不同的光源发出的光不可能刚好具有相同的振动，即它们不可能发出相 干波列。” （6 ）“若一个缝的宽度d 和它的光锥体孔径角2α满足 d ·sinα 〈λ/2 ， 则从这个缝发出来的光是相干光。” 缺点： 无论是中学生还是大学生，他们对于相干性的概念存在着一定的问题。看了上面所引 用的关于相干性的定义，我们对此就不足为奇了。在这些定义中，有些是很难理解的。如 果想让这些定义统一起来，就更难了。 在下面的讨论中，所标的数字表示我们上面所引用的相干性定义的序号。 相干性指的是什么？根据定义（1）、（3 ）和（5 ），它指两个“波列”之间的关系。然 而，“波列”是什么？是整个波？还是部分波？是哪一部分的波？ 根据定义（2 ），相干性表示两个波发生器之间的关系。这一定义告诉我们，这些波的 发生器的振动频率必须是相同的，并有恒定的相位差。这是否意味着，存在着这样的发生 器，它们的振动频率相同但相位不恒定？ 定义（6 ）单指光的相干性。 现在的问题是，如果这些定义是对同一事实的不同表述，那么它们之间是否存在相互 矛盾的地方呢？ 1 物理学的历史负担 定义（3 ）告诉我们，只有从一个点发出的光才是相干的。定义（4 ）也是这个意思。 然而，两个不同的点是什么意思？是否存在一个最大的两点间的距离？在这一点上，定义 （5 ）说得更清楚：来自不同原子的光不可能相干。然而，我们都知道，我们可以运用迈 克耳孙测星干涉仪通过来自于遥远恒星的光来确定恒星的直径。在这里，来自于相距百万 公里的光源的光相互发生了干涉。 历史： （1）至（6 ）的所有定义都描述了相干波的产生和相干性的演示，但没有一个定义告 诉我们相干波的本质是什么。然而，如果我们仅仅知道波源的性质，我们如何来判断未知 波源或不确定波源的波的相干性？比如，海洋中的水波就是这样的波。 这里，我们看到了这样一种倾向，即人们总是喜欢描述一个现象的产生过程或对这个 现象的观察过程而不是这个现象本身。通常，这些过程总是比实际的现象要复杂。当我们 要知道自行车的工作原理时，我们并不需要知道在自行车工厂里的生产过程。为了理解声 波，我们并不需要知道风琴管的工作原理或人的听觉机制。 另一个导致不一致的原因是，人们总喜欢把现象理解为仅仅是几个质点的行为。相干 性是完全可以用经典波动理论来描述的现象。如果我们把它当作量子现象来看待的话，我 们很容易陷入各种模型和解释的丛林之中。 建议： 让我们从相干性这一概念的两个一般的特征开始讨论： （1）相干性可强可弱。它是光的一种性质。我们知道，光具有光源的一些特性。但 这并不意味着，相干性和不相干性是光源的性质。 （2 ）相干性是光的局域性质。这就意味着，某一光在空间的分布使得其在某一地方 比在另一地方有更强的相干性。因此，从一恒星发出的光在空间的相干性是这样的：在其 表面最弱，在地球（即在离恒星很远的地方）最强。 当我们说相干性是一种局域性质时，我们并不是说相干性所在处指的是在数学意义上 的点。（从这个意义上来说，没有一个物理量是局域的。） 相干性可以用各种不同的方式来解释和定义。我们可以用各种描述光的理论来解释光 的相干性。这些理论包括：几何光学、经典波动光学、光的热力学、量子电动力学。因为 我们的目的是向初学者解释这一概念，所以我们将选择最简单的理论，即几何光学。以后， 我们可以把这种解释转换为波动光学的解