page contents
مبادئ فيزيائية

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟




التداخل عبارة عن اداة عملية للاستكشاف وتستخدم في مجالات العلوم والهندسة للحصول على قياسات دقيقة جدا على مقاييس لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة او باجهزة القياس المعروفة. هناك اجهزة تداخل يمكنها ان تقيس بدقة تصل إلى 1/10,000 من قطر البروتون. اكتشف مقياس التداخل بواسطة العالم ألبرت ميكلسون Albert Michelson في القرن التاسع عشر. ولقد كانت تجربة ميكلسون مورلي للتداخل السبب الرئيسي في عدم إثبات وجود الأثير، والذي اعتقد بوجوده كل الفيزيائيين في ذلك العصر على انه الوسط الذي ينتشر فيه الضوء. وبسبب تجربة ميكلسون مورلي للتداخل فتحت الطريق أمام اينشتين لوضع نظرية النسبية الخاصة وولادة عصر الفيزياء الحديثة. والان بعد هذه المقدمة حول اهمية ظاهرة التداخل دعنا نلقي الضوء على فكرة عمل تجربة تداخل ميكلسون وكيف تعمل والموضحة في الشكل أدناه.

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟
مخطط لتجربة ميكلسون للتداخل

ما هي أنماط التداخل Interference Pattern؟

إن أفضل وسيلة لفهم فكرة عمل وتركيب مقياس التداخل يكون من خلال الإجابة على سؤال ما هو التداخل interference. إذا قمت مرة من المرات بإلقاء حجر في بركة من الماء الراكد فانك بلاشك قد لاحظت تكون امواج من حلقات دائرية مركزية تتحرك مبتعدة عن مركز سقوط الحجر في الماء. اذا تقاطعت حلقتين أو أكثر من هذه الحلقات مع بعضها البعض ينتج تغير في شكل الموجة المحصلة. هذا التغير في شكل الموجة الناتج عن موجتين متقاطعتين هو ما يعرف بظاهرة التداخل interference.

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟

أنماط التداخل

إن مبدأ التداخل بديهي وسهل الفهم حيث يوضح الشكل اعلاه نوعين مختلفين من التداخل هما: التداخل البناء constructive interference والتداخل الهدام destructive interference.  ويحدث التداخل البناء عندما تندمج قمة موجة مع قمة موجة ثانية، مما ينتج عنهما موجة جديدة لها قمة تساوي حاصل جمع قمتي الموجتين. أما في التداخل الهدام فتتلقى قمة الموجية الاولى مع قاع الموجة الثانية، وهنا تتلاشى الموجتين مع بعضهما البعض.

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟

الموجة باللون الأسود هي محصلة الموجتين باللون الاحمر والازرق

تعرف العلاقة بين موجتين بفرق الطور phase، فيحدث التداخل البناء عندما تكون الموجتين لهما نفس الطور، ويحدث التداخل الهدام عندما يكون طور كل موجة معاكس لطور الموجة الاخرى. عندما نلاحظ تكون تداخل بناء أو تداخل هدام على الشاشة فهذا يعني تكون اهداب مضيئة وأخرى معتمة تعرف باسم أنماط التداخل أو أهداب التداخل. تكون أهداب التداخل بواسطة مقياس التداخل هو ما يحصل عليه الباحثون من مقياس التداخل لفهم نتائج التجربة العملية.

يوضح هذا الفيديو فكرة مقياس تداخل ميكلسون

في مقياس ميكلسون للتداخل يمر شعاع ليزر من موزع ضوئي يعرف باسم beam splitter وهو عبارة عن شريحة من الزجاج عليها مادة عاكسة بحيث تعكس 50% من شدة شعاع الليزر، بزاوية مقدارها 90 درجة. ويمر الجزء المتبقي 50٪ على استقامته، وتكمن وظيفة الموزع الضوئي في الحصول على شعاعين لهما نفس الطور لأنهما نتج من نفس المصدر الضوئي “الليزر”. يتحرك كل شعاع على ذراعي مقياس ميكلسون حتى يقابل مرآة عاكسة. تعكس المرآة الشعاع إلى الموزع الضوئي حيث يتداخل الشعاعين المنعكسين وتتكون اهداب التداخل.




يتم رصد أهداب التداخل على شاشة او على جهاز كاشف ضوئي “شريحة CCD”. فإذا كان لا يوجد فرق في المسار بين الشعاعين المنعكسين فلا نحصل على اهداب تداخل انما نحصل على شعاع له شدة ثابتة. اما اذا كان هناك تغير فرق المسار بين الشعاعين المنعكسين بسبب وجود زاوية بينهما فاننا سنحصل على تغير جيبي في انماط التداخل.

كيف تعمل ظاهرة التداخل: ما هي تجربة تداخل ميكلسون؟

تشكل أهداب التداخل في تجربة ميكلسون موضح في الشكل أعلاه. نلاحظ ان المراقب يشاهد المرأة M1 بشكل مباشر من خلال الموزع الضوئي ولكنه يشاهد صورة تخيلية للمرأة M2 على انها ‘M2. أهداب التداخل الناتجة في التجربة (a) يمكن تفسيرها على ان الضوء آتي من صورة تخيلية ‘S1 والصورة التخيلية ‘S2 للمصدر الاصلي S. ان طبيعة أهداب التداخل تعتمد على طبيعة المصدر الضوئي وترتيب المرآتين. اذا مالت المرايا قليلا بالنسبة لبعضهما البعض، يصبح لاهداب التداخل شكل مقاطع مخروطية. إذا كانت المرايا M1 وM2 كما هو موضح في الشكل اعلاه (b) فإن اهداب التداخل تنتج عن M1 والصورة التخيلية للمرآة ‘M2 وينتج عنها اهداب متوازية تفصلها مسافات متساوية. يمكن استخدام التغير في أهداب التداخل في دراسة وقياس جسيمات مختلفة.  

ما هي انواع مقياس التداخل المختلفة؟

هناك العديد من انواع اجهزة مقياس التداخل وهي جميعها تستخدم نفس المبدأ أعلاه ونذكر من أنواعها ما يلي:

  1. مقياس ميكلسون للتداخل Michelson interferometer
  2. مقياس فابري بيروت للتداخل Fabry-Perot interferometer
  3. مقياس فيزيو للتداخل  Fizeau interferometer
  4. مقياس ماخ زيندر للتداخل Mach-Zehnder interferometer
  5. مقياس سانياك للتداخل Sagnac interferometer
  6. مقياس تومان جرين للتداخل Twyman-Green interferometer

تطبيقات مقياس التداخل المختلفة

تستخدم مقاييس التداخل على نطاق واسع في جميع أنواع التطبيقات العلمية والهندسية لإجراء قياسات دقيقة. عن طريق مسح مقاييس التداخل فوق الكائنات، يمكنك أيضًا عمل خرائط مفصلة جدًا للأسطح.

يستخدم علماء الفلك أيضًا مقاييس التداخل لدمج الإشارات التي تلتقطها التلسكوبات. تعمل بعض من مقاييس التداخل هذه مع موجات ضوئية؛ البعض الآخر يستخدم موجات الراديو (على غرار موجات الضوء ولكن مع أطوال موجية أطول وترددات أقل).

كما يساعدنا التداخل على معرفة أسرار الجاذبية. في عام 2017 ، شارك ثلاثة من علماء الفيزياء الأمريكيين (راينر فايس ، وباري باريش ، وكيب ثورن) في جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشاف موجات الجاذبية (“التموجات في الزمكان”) ، التي تنبأ بها في الأصل ألبرت أينشتاين منذ أكثر من قرن.

وتسمى تجربتها بالليجو LIGO (مرصد الجاذبية بالليزر Interferometer) ويستخدم اثنين من مقاييس التداخل بالليزر كبيرة جدا بأذرع بطول 4 كيلومترات، وتقع في مكانين مختلفين على بعد 3000 كيلومتر، في نهايات الولايات المتحدة هانفورد وواشنطن وليفينغستون، لويزيانا.

توضيح لتجربة ميكلسون مورلي التي كان لها الاثر في اثبات عدم وجود الاثير

مصادر مفيدة:

  1. Caltech
  2. Michelson Interferometer
  3. How Stuff Works

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق
إغلاق