Kohærens i fysik: Definition, typer og betydning for bølger og kvantefysik

Kohærens i fysik: Få klar definition, typer og betydning for interferens, bølger og kvantefysik — forstå fase, korrelation og anvendelser intuitivt.

Kohærens i avanceret fysik er et fænomen, der beskriver hvor velordnet forholdet er mellem bølger — især elektromagnetiske bølger såsom lys. Kort sagt handler kohærens om i hvilken grad to eller flere bølger står i en veldefineret fase‑ og frekvensrelation til hinanden over tid og rum.

I fysik siges to bølgekilder at være perfekt kohærente, hvis de har en konstant faseforskel, samme frekvens og samme bølgeform. I det ideelle tilfælde er bølgerne identiske: deres toppe og lavpunkter optræder samtidig, og amplituden er den samme, hvilket giver fuldstændig og stationær (dvs. tidsmæssigt og rumligt konstant) interferens. I praksis er perfekt kohærens et teoretisk ideal; virkelige kilder viser ofte delvis kohærens, men begrebet er afgørende for at forstå bølgefænomener og er også centralt i kvantefysikken.

Hvad omfatter kohærens?

Mere generelt beskriver kohærens alle egenskaber ved korrelationen mellem fysiske størrelser i en enkelt bølge eller mellem flere bølger eller bølgepakker. Man skelner typisk mellem:

• Temporær (tidsmæssig) kohærens — hvor lang tid bølgen bevarer en veldefineret fase. Den relateres ofte til spektralbredden Δν: kohærenstiden τ_c ≈ 1/Δν, og kohærenslængden L_c ≈ c·τ_c.
• Rumlig (spatial) kohærens — hvor stor en del af et bølgefelt der opfører sig som én sammenhængende bølgefront. Rumlig kohærens afhænger bl.a. af kildeudstrækning og afstand (se Van Cittert–Zernike‑teoremet).
• Graden af kohærens — kvantitative størrelser som den komplekse korrelationsfunktion eller den komplekse grad af kohærens g(1)(τ) måler hvor "kohærent" feltet er.

Måling og kvantitativ beskrivelse

Kohærens måles ofte ved interferens: hvis to stråler mødes i et interferometer (f.eks. Youngs dobbeltspalte, Michelson eller Mach–Zehnder), afgør deres kohærens hvor klare og stabile de dannede interferensfringer er. Den synlige kontrast (visibility) V = (I_max − I_min)/(I_max + I_min) er relateret til den absolutte værdi af den førsteordens komplekse grad af kohærens |g^(1)(τ)|.

Inden for klassisk og kvanteoptik bruges korrelationsfunktioner:

• Førsteordens kohærens g^(1)(τ) beskriver feltets amplitude‑korrelationer (relevant for interferensmønstre).
• Andenordens kohærens g^(2)(τ) beskriver intensitetskorrelationer og er central i eksperimenter som Hanbury Brown–Twiss. For eksempel har termisk lys g^(2)(0)=2 (photon bunching), et fuldt kohærent laserfelt har g^(2)(0)=1, og en enkelt‑fotonkilde kan vise antibunching med g^(2)(0)<1.

Kohærens i kvantemekanik og kvanteoptik

I kvantefysikken betegner kohærens ofte sammenhængen mellem kvantetilstandes amplituder. En kvantetilstand kan være en superposition; kohærensen findes i dens tæthedsmatrix som ikke‑diagonale (off‑diagonal) elementer. Disse elementer gør det muligt at få interferens mellem forskellige komponenter af en kvantetilstand.

Når et kvantesystem interagerer med et miljø, bliver disse off‑diagonale elementer ofte reduceret — et fænomen kaldet dekoherens. Dekoherens er en grundlæggende årsag til, at kvantetilstande mister deres "kvanteadfærd" og opfører sig mere klassisk; det er derfor en central udfordring i praksis for kvanteberegning og kvanteinformation.

Praktiske eksempler og anvendelser

• Lasere — giver ofte meget høj temporær og rumlig kohærens (afhængig af type og stabilitet), hvilket gør dem velegnede til interferometri, holografi og præcisionsmålinger.
• Termiske kilder og LED'er — har typisk kortere kohærenslængder og lavere rumlig kohærens; de er mindre velegnede til klassisk interferometri, men nyttige i f.eks. belysning og spektroskopi.
• Interferometri og metrologi — kohærens er afgørende i f.eks. gravitationsbølgeobservatorier, afstandsmåling og optisk koherenstomografi (OCT).
• Holografi — kræver sammenhængende bølger for at optage og rekonstruere faseinformation.
• Kvanteteknologi — bevarelse af kvantekohærens er nødvendig for kvantecompute, kvantekommunikation og kvantesensorer.

Vigtige bemærkninger

• Perfekt kohærens er teoretisk: I praksis har alle kilder en vis grad af ufuldkommenhed (spektralbredde, termisk støj, fasefluktuationer).
• Kohærens er ikke kun "lys": Begrebet anvendes også for andre bølgetyper (lydbølger, matter‑waves) og generelle korrelationer i fysiske systemer.
• Måling: Kohærens vurderes eksperimentelt ved interferensforsøg, måling af fringenes kontrast eller ved måling af korrelationsfunktioner g^(1) og g^(2).

Sammenfattende er kohærens et centralt begreb i både klassisk bølgefysik og moderne kvantefysik. Det forbinder begreber som fase, frekvens, spektral renhed og kvantekorrelationer, og det er nøglen til mange teknologier fra præcisionsmålinger og holografi til kvantekommunikation.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er kohærens i avanceret fysik?

Spørgsmål: Hvornår er to bølgekilder perfekt kohærente?

Spørgsmål: Hvad sker der, når to bølgekilder er perfekt kohærente?

Spørgsmål: Hvad frembringer kohærens?

Spørgsmål: Er kohærens en ideel egenskab ved bølger?

Spørgsmål: Hvad beskriver kohærens?

Spørgsmål: Hvorfor er kohærens blevet et vigtigt begreb i kvantefysikken?

Søg efter bogstav