Võib juhtuda, et telefoni levi on ruumi eri piirkondades üsna erinev. Miks on mõnes kohas signaal tugev ja teises kohas väga nõrk? Kuidas on selline nähtus seotud elektromagnetlainete omaduste ja levimisega ruumis?
Kõikidel lainetel on omadus liituda, moodustades antud ruumipunktis uue laine, mille amplituud erineb liituvate lainete amplituudidest. Veelainete liitumisel moodustub kõrgema ja madalama laineharjaga laineid. Kahest kõlarist lähtuvate helilainete liitumisel võib täheldada ruumi erinevates punktides kas valjemat või vaiksemat heli. Kuna liitumisel amplituud muutub, muutub ka laine intensiivsus, heli puhul heli valjus.
Lainete liitumise nähtust nimetatakse interferentsiks.
Uurime lähemalt, kuidas toimub elektromagnetlainete liitumine. Lihtsustame olukorda ja vaatleme ainult kahte laineharja, mis kuuluvad üksteisele vastu liikuvatele elektromagnetlainetele. Joonisel 3.17 on kujutatud kahte laineharja, mille liikumissuunad on märgitud noolega laineharja kohale.
Laine võnkeamplituud on seotud elektrivälja tugevusega ja joonisele on laineharjade amplituudid märgitud -vektorina ( ja ). Lainete kattumisel -vektorid liituvad, moodustades suurema amplituudi, mille väärtus on nüüd
Laineharjade edasi liikumisel taastub esialgne amplituud. Kui on tegemist lainetega, siis liitumine toimub sarnaselt, aga on tervikpildina keerulisem.
Lainete interferentsi on lihtsam jälgida, kui lained on koherentsed, see tähendab, et nende -vektorite muutumist on võimalik kirjeldada pikkade katkematute sinusoidaalsete võnkumistena, millel on ühesugused lainepikkused (ja sagedused). Valguslained, mida kiirgavad lambid, küünlad ja Päike, pole koherentsed, sest kiirgumine toimub piltlikult kirjeldades lühikeste lainejuppidena, mille faasid on üksteise suhtes juhuslikult nihkes. Sama sagedusega raadiojaamade raadiolained ja laserikiire valguslained on koherentsed.
2. näidisülesanne
Lahendus
a) Lained on koherentsed ja nende sagedus ning lainepikkus on samad, aga lained on vastandfaasis;
b) lained on koherentsed ja samas faasis; amplituud on erinev;
c) lained pole koherentsed, sest sagedused ja lainepikkused erinevad, samal põhjusel pole lained faasis.
Uurime joonise 3.20 abil koherentsete lainete interferentsi.
Olgu meil kiirgajaks kaks raadiosaatjat ja , mis kiirgavad sama sageduse ja lainepikkusega laineid. Laineharjad, mida ruumiliste lainete korral on tavaks nimetada lainefrontideks, on joonisel tähistatud kaarjoontega. Neis punktides, kus kohtuvad samas faasis olevad laineharjad, on tegu maksimaalse amplituudiga (joonisel tähistatud tähega ) ehk konstruktiivse interferentsiga. Punktides, mis on tähistatud tähega , nullivad vastandfaasis olevad lained üksteise amplituudid ja tegu on destruktiivse interferentsiga.
Seega, kui me liigutaks vastuvõtjat punktide ja vahel, muutuks signaal maksimaalsest minimaalseks. Kuna tegu on kahe koherentse lainega, tekib lainete liitumisel maksimumide ja miinimumide korrapärane muster, n-ö interferentsipilt.
Interferentsi nähtusega peab arvestama raadiosides, sest sarnased lained interfereeruvad ja võivad muuta signaali tugevust. Seetõttu on jaotatud raadio- ja mikrolainete sagedusalad riigi seadusandlusega. Raadio- ja mikrolained võivad interfereeruda metallide pinnalt peegeldunud lainetega, mistõttu on mõnes ruumipunktis signaal tugev, aga mõnes kohas võib sootuks puududa.
Looduses annab valguslainete interferents paabulinnu sulgedele ja liblikatiibadele kaunid värvid, mis on seotud valguse peegeldumisega sulgede või tiibade kattekihi erinevatelt osadelt ja nendelt peegeldunud valguste interferentsiga.
Teaduses on elektromagnetlainete interferentsi kaasabil tehtud olulisi avastusi, näiteks DNA struktuuri või gravitatsioonilainete tuvastamine.
Kui kaks musta auku, mis on kahe hiidtähe lõppfaasid, üksteise ümber tiireldes lõpuks ülisuure kiirendusega kokku kukuvad, tekib tohutu suure energia muutuse tõttu gravitatsioonilaine, mille olemasolu prognoosis juba Albert Einstein oma üldrelatiivsusteoorias. Otseselt on õnnestunud gravitatsioonilaineid „näha“ tänu LIGO eksperimendile. LIGO on akronüüm ingliskeelsest nimest Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Interferomeeter on seade, kus kasutatakse laserkiirte interferentsi nii materjalide kui ka optiliste nähtuste uurimiseks. LIGO katses eeldati, et gravitatsioonilaine tõttu muutub interferomeetris laservalguse faas, mistõttu saab interferentsi muutuse abil tuvastada gravitatsioonilaineid.
Joonisel 3.21 on esitatud interferomeetri põhikomponendid. Interferomeetri L-kujulised harud on pikkused ja seade on ehitatud äärmise täpsusega. Interferomeeter (joonisel 3.21) koosneb laserist ja poolläbilaskvast peeglist , mis jaotab koherentse laserkiire kahte kimpu. Kiired peegelduvad peeglitelt ja . Läbides poolläbilaskvat peeglit või sellelt peegeldudes, kohtuvad kiired ja tekitavad detektorile lainete liitumisel valgustäpi, nagu on näidatud joonisel 3.21b. Kui gravitatsioonilaine jõuab LIGO interferomeetrini, põhjustab see ühe interferomeetri õla lühenemist, mis omakorda põhjustab valguslaine faasi muutuse. Valguslaine jõuab ekraanini vastandfaasis ja signaal ekraanil kaob.
Gravitatsioonilainete vahetu mõõtmine on avanud nii astrofüüsikas kui ka osakeste füüsikas uusi võimalusi universumi koostise ja arengu uurimiseks.
Interferentsi nähtus on omane kõikidele lainetele. Merelained ja helilained liituvad samuti, andes interferentsi miinimume ja maksimume. Destruktiivset interferentsi kasutatakse müra summutavates kõrvaklappides, kus genereeritakse registreeritud müra baasil täpselt vastandfaasis võnkuv heli, mis interfereerudes müra suures ulatuses summutab.