4.1. Интенсивность света

Для электромагнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение принципа суперпозиции означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрического (магнитного) поля каждой из волн в отдельности.

Как известно, интенсивность электромагнитной волны пропорциональна среднему по времени значению квадрата амплитуды колебаний вектора напряженности электромагнитного поля:

Поэтому интенсивность волны, как и любая другая нелинейная по полю (в данном случае — квадратичная по полю) величина принципу суперпозиции не подчиняется. Для нелинейных по полю величин принципа суперпозиции нет. Если векторы напряженности поля складываются, то интенсивности волн и общем случае не складываются. Отвлекаясь от деталей можно утверждать, что именно в этом и состоит причина такого явления как интерференция волн.

Рассмотрим две электромагнитные волны одинаковой частоты, которые накладываются друг на друга и возбуждают в некоторой точке пространства два колебания одинакового направления:

где   и  не зависящие от времени начальные фазы колебаний в рассматриваемой точке

Амплитуду результирующего колебания в данной точке можно найти с помощью векторной диаграммы.

Эта амплитуда Е₀ зависит от разности фаз складываемых колебаний в данной точке. В рассматриваемом случае равенства частот волн разность фаз колебаний не изменяется во времени и равна  при этом результирующая амплитуда Е₀ также остается постоянной во времени:

Когерентность — это согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.

Для когерентных волн косинус разности фаз имеет постоянное во времени значение (но свое для каждой точки пространства), так что результирующая интенсивность света, как следует из (4.1) и (4.2), равна

Последнее слагаемое в полученном выражении носит название интерференционного члена. Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других — минимумы интенсивности. Если интенсивности обеих интерферирующих волн одинаковы (), то в максимумах , а в минимумах .

Если накладываются некогерентные волны, то в данной точке пространства складываются колебания, разность фаз которых не постоянна во времени и, вообще говоря, принимает случайные значения. Если при этом случайно меняющаяся разность фаз — за некоторое время  — принимает все возможные значения в интервале длиной , то среднее (за время ) значение косинуса в интерференционном члене равно нулю и наблюдаемая интенсивность света во всех точках пространства представляется просто суммой интенсивностей двух волн:

При равенстве интенсивностей приходящих волн получаем . Когда мы включаем две одинаковые лампочки, и помещение освещается в два раза ярче, чем одной из них, то это означает отсутствие интерференции и проявление соотношения (4.4). Таким образом,