فریز (Fringe): نواری روشن یا تاریک در الگوی تداخل
موج چیست و چرا با هم تداخل میکنند؟
برای درک فریز، ابتدا باید مفهوم موج را بشناسیم. تصور کنید سنگی را در آب آرام یک حوضچه میاندازید. دایرههایی از نقطهٔ برخورد سنگ به بیرون پخش میشوند. این دایرههای متحدالمرکز، یک موج آب هستند. موج، روشی برای انتقال انرژی بدون جابهجایی ماده است. موجهای آب، صدا و نور، همگی میتوانند با هم برخورد کنند. وقتی دو موج در یک نقطه به هم میرسند، برهمنهی3 یا همپوشانی رخ میدهد. نتیجهٔ این برهمنهی میتوانند به دو شکل اصلی باشد:
| نوع تداخل | شرایط تشکیل | نتیجه | نماد در فریز نوری |
|---|---|---|---|
| تداخل سازنده4 | قلههای دو موج همفاز برهم منطبق شوند. | دامنه (قدرت) موج تقویت میشود. | نوار روشن |
| تداخل ویرانگر5 | قلهٔ یک موج با قعر موج دیگر ناهمفاز برهم منطبق شود. | امواج یکدیگر را خنثی میکنند. | نوار تاریک |
یک مثال ساده: دو نفر در دو طرف یک طناب، همزمان آن را به بالا و پایین تکان میدهند. اگر امواج تولیدی آنها هماهنگ باشند، در نقطهای از طناب ممکن است نوسان خیلی بزرگی (تداخل سازنده) یا حتی سکون کامل (تداخل ویرانگر) ایجاد شود. در نور نیز همین اتفاق میافتد.
چگونه فریزهای نوری ایجاد میشوند؟ آزمایش دو شکاف یانگ
معروفترین آزمایش برای مشاهدهٔ فریزهای نور، آزمایش «دو شکاف یانگ»7 است. توضیح گامبهگام:
1. یک منبع نور منسجم (مثلاً یک لیزر قرمز) را در نظر بگیرید که به یک صفحهای با دو شکاف باریک و نزدیک به هم میتابد.
2. هر شکاف مانند یک منبع نور نقطهای جدید عمل میکند و نور را به همهٔ جهتها پخش میکند (به این پدیده «پراش»8 میگویند).
3. امواج نوری که از این دو شکاف خارج میشوند، با هم همپوشانی دارند و در فضای پشت صفحه تداخل میکنند.
4. اگر یک پردهٔ سفید در پشت صفحه قرار دهیم، روی آن الگویی از نوارهای روشن و تاریک موازی میبینیم. اینها همان فریزها هستند.
اما چرا بعضی نقاط روشن و بعضی تاریک میشوند؟ کلید ماجرا، تفاوت مسیر9 است. نور از دو شکاف تا یک نقطه روی پرده، مسافتهای متفاوتی را طی میکند. اگر این تفاوت مسیر دقیقاً برابر مضرب صحیحی از طول موج10 نور ($n\lambda$) باشد، امواج همفاز میرسند و تداخل سازنده (نوار روشن) ایجاد میکنند. اگر تفاوت مسیر برابر مضرب فردی از نصف طول موج باشد ($(n+\frac{1}{2})\lambda$)، امواج ناهمفاز میرسند و تداخل ویرانگر (نوار تاریک) رخ میدهد.
کاربردهای شگفتانگیز فریزها: از عدسیسازی تا کشف سیارات
فریزها فقط یک پدیدهٔ آزمایشگاهی زیبا نیستند؛ آنها ابزاری قدرتمند برای اندازهگیریهای فوقالعاده دقیق هستند.
1. اینترفرومتری11 و اندازهگیری دقیق طول: دستگاهی به نام اینترفرومتر، پرتو نور را به دو قسمت تقسیم میکند و پس از طی مسیرهای کمی متفاوت، آنها را دوباره ترکیب میکند. کوچکترین تغییر در مسیر یکی از پرتوها (مثلاً به خاطر حرکت یا تغییر ضخامت یک ماده) باعث جابهجایی الگوی فریز میشود. با شمارش این جابهجاییها، میتوان تغییرات به کوچکی کسری از طول موج نور (مثلاً نانومتر) را اندازه گرفت. از این روش برای تست کیفیت سطح عدسیها و آینههای تلسکوپها استفاده میشود.
2. تهیهٔ نقشههای انحنای سطح (اپتیک سنجی): فرض کنید میخواهیم بدانیم یک شیشهی پنجره چقدر صاف است. اگر یک سطح ایدهآل (مرجع) را روی آن قرار دهیم و نور را از میان آن بتابانیم، فریزهایی دایرهای شکل ایجاد میشود. شکل و تراکم این فریزهای دایرهای، نقشهای از ناهمواریها و انحنای سطح شیشه را به ما نشان میدهد. مهندسان با این روش کیفیت محصولات اپتیکی را کنترل میکنند.
3. کشف سیارات فراخورشیدی: اینترفرومترها در تلسکوپهای بزرگ نجومی نیز استفاده میشوند. نور جمعآوریشده از یک ستاره توسط چند آینه، پس از طی مسیرهای متفاوت ترکیب میشود. محاسبهٔ دقیق الگوی تداخل به ستارهشناسان اجازه میدهد جزئیات بسیار بیشتری از ستاره (و حتی سیارات اطراف آن) را نسبت به یک تلسکوپ معمولی ببینند. این مانند آن است که یک تلسکوپ مجازی با دهانهای به اندازهٔ فاصلهٔ بین آینهها بسازیم!
4. هولوگرافی12: در ساخت هولوگرام (تصاویر سهبعدی که روی کارتهای اعتباری میبینید)، از تداخل نور لیزر منعکسشده از شیء با یک پرتو لیزر مرجع استفاده میشود. الگوی پیچیدهٔ فریزهای ثبتشده روی فیلم، حاوی تمام اطلاعات لازم برای بازسازی تصویر سهبعدی شیء اصلی است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر! هر پدیدهای که ماهیت موجی داشته باشد میتواند الگوی تداخل و فریز ایجاد کند. امواج صوتی (مثلاً ایجاد نقاط بیصدا و پرسروصدا در یک سالن)، امواج آب، و حتی امواج مادهای مربوط به ذرات ریز کوانتومی مانند الکترونها هم این خاصیت را نشان میدهند.
پاسخ: زیرا نور چراغقوهها «ناکوژاکت» (غیرمنسجم) است. امواج نورانی که از رشتههای تنگستن مختلف ساطع میشوند، فازهای تصادفی و مستقل از هم دارند. در نتیجه، الگوی تداخل آنها آنقدر سریع تغییر میکند که چشم یا حتی دوربین معمولی نمیتواند آن را ثبت کند و ما فقط یک نور یکنواخت میبینیم.
پاسخ: بله، قطعاً. طول موج ($\lambda$) نور در فرمول فاصلهٔ فریزها ($y_n = n \frac{\lambda D}{d}$) مستقیماً حضور دارد. نور بنفش (طول موج کوتاهتر) فریزهای فشردهتری ایجاد میکند، در حالی که نور قرمز (طول موج بلندتر) فریزهای پهنتر با فاصلهٔ بیشتر از هم تولید میکند. اگر از نور سفید (مخلوطی از همه رنگها) استفاده کنید، در مرکز یک نوار سفید میبینید، اما در نوارهای کناری، رنگها به دلیل تفاوت طول موج کمی از هم جدا میشوند و لبههای رنگینکمانی ایجاد میکنند.
پاورقی
1 فریز (Fringe): به معنی حاشیه یا کناره. در فیزیک، به نوارهای روشن و تاریک حاصل از تداخل امواج اشاره دارد.
2 تداخل (Interference): پدیدهای که در آن دو یا چند موج با هم ترکیب شده و موج جدیدی با دامنهی بیشتر، کمتر یا صفر ایجاد میکنند.
3 برهمنهی (Superposition): اصل پایهای که میگوید وقتی دو موج در فضا همپوشانی کنند، جابهجایی حاصل در هر نقطه، جمع جبری جابهجاییهای هر موج به تنهایی است.
4 تداخل سازنده (Constructive Interference).
5 تداخل ویرانگر (Destructive Interference).
6 منسجم (Coherent).
7 آزمایش دو شکاف یانگ (Young's Double-Slit Experiment).
8 پراش (Diffraction): پدیدهی خمش و گسترش موج هنگامی که از کنار لبهی یک مانع یا از یک روزنهی باریک عبور میکند.
9 تفاوت مسیر (Path Difference).
10 طول موج (Wavelength): فاصلهی بین دو قلهی متوالی یک موج، با نماد $\lambda$.
11 اینترفرومتری (Interferometry).
12 هولوگرافی (Holography).
