Kohärenz (Physik)
Wellen
Definition
Zwei Wellen sind genau dann kohärent, wenn sie a) dieselbe Frequenz und b) dieselbe Wellenlänge haben. Das hat verschiedene Folgen. Kohärente Wellen zeigen zwei Effekte: eine konstante Phasenverschiegung Δφ und Interferenz. Beides wird hier kurz erklärt.
Die Phase φ
Eine Welle ist eine Schwingung von Oszillatoren, die sich im Raum ausbreitete. Ein Oszillator ist das schwingende Element, zum Beispiel ein Wasser- oder Luftteilchen. Schwingung heißt, dass der Oszillator in immer gleichen Zeitdauern immer die gleichen Zustände durchläuft. Die Phase φ (klein phi) eines Oszillators ist dabei die Position innerhalb einer gesamten Schwingung, an der der Oszillator zu einem bestimmten Zeitpunkt steht steht. Man stellt sich dazu einen rotierenden Uhrzeiger vor. Der Start einer neuen Schwingung entricht 0°, eine ganze Umdrehung entspricht 360°. Der Phasenwinkel φ gibt dann an, wo sich die Schwindung gerade befindet. Ein Phasenwinkel von 270° heißt entsprechend: die Schwindung ist zu drei Viertel abgelaufen.
Kohärenzeffekt: konstantes Δφ
Befindet man sich an einem Punkt im Raum und treffen dort zwei Wellen gleichzeitig ein, dann kann man für jede der zwei Wellen einen Phasenwinkel φ angeben. Bei kohärenten Wellen ist dann der Unterschied zwischen den zwei Phasenwinkeln über die Zeit hinweg konstant: Δφ = konstant
Kohärenzeffekt: Interferenz
Man betrachtet wieder einen festen Punkt im Raum an dem zwei Wellen eintreffen. Sind die Wellen kohärent, ist die Phasenverschiebung Δφ über die Zeit gesehen konstant. Da sich die momentanen Zustände der Oszillatoren - die Auslenkung von der Ruhelage - bei Wellen stets addieren, kommt es über mehrere Schwingungen hinweg gesehen immer wieder zu denselben Summenwerten. Es gibt dann Orte im Raum, bei dem immer maximale Auslenkungen aufeinandertreffen, andere bei denen eine maximale Auslenkung immer mit einer minimalen Auslenkung zusammentrifft und auch Mischzustände. Im Endeffekt führt das dazu, dass es Orte mit sehr starken resultierenden Schwingungen gibt und Ort mit sehr schwachen resultierenden Schwingungen. Diesen Effekt nennt man Interferenz.
Müssen kohärente Wellen dieselbe Quelle haben?
Nein, es genügt wenn zwei Wellen dieselbe Frequenz und dieselbe Wellenlänge haben. Das klassische Beispiel sind zwei Stäbe, die mit gleicher Frequenz aber in einem gewissen Abstand in eine Wasseroberfläche stechen. Von beiden Stäben gehen dann kohärente Kreiswellen aus, die an verschiedenen Punkten der Wasseroberfläche miteinander interferieren.