El experimento de interferencia de Young , también llamado interferómetro de doble rendija de Young , fue la versión original del experimento de doble rendija moderno , realizado a principios del siglo XIX por Thomas Young . Este experimento jugó un papel importante en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz . [1] A juicio del propio Young, este fue el más importante de sus muchos logros.
Durante este período, muchos científicos propusieron una teoría ondulatoria de la luz basada en observaciones experimentales, entre ellos Robert Hooke , Christiaan Huygens y Leonhard Euler . [2] Sin embargo, Isaac Newton , que realizó muchas investigaciones experimentales de la luz, había rechazado la teoría ondulatoria de la luz y desarrolló su teoría corpuscular de la luz según la cual la luz se emite desde un cuerpo luminoso en forma de partículas diminutas. [3] Esta teoría prevaleció hasta principios del siglo XIX a pesar del hecho de que muchos fenómenos, incluidos los efectos de difracción en los bordes o en aberturas estrechas, los colores en películas delgadas y alas de insectos, y el aparente fracaso de las partículas de luz para chocar entre sí cuando dos rayos de luz se cruzaban, no podían explicarse adecuadamente mediante la teoría corpuscular que, no obstante, tenía muchos partidarios eminentes, entre ellos Pierre-Simon Laplace y Jean-Baptiste Biot .
Mientras estudiaba medicina en Gotinga en la década de 1790, Young escribió una tesis sobre las propiedades físicas y matemáticas del sonido [4] y en 1800 presentó un artículo a la Royal Society (escrito en 1799) en el que sostenía que la luz también era un movimiento ondulatorio. Su idea fue recibida con cierto escepticismo porque contradecía la teoría corpuscular de Newton. No obstante, siguió desarrollando sus ideas. Creía que un modelo ondulatorio podría explicar mucho mejor muchos aspectos de la propagación de la luz que el modelo corpuscular:
Una clase muy extensa de fenómenos nos lleva todavía más directamente a la misma conclusión; consisten principalmente en la producción de colores por medio de placas transparentes y por difracción o inflexión, ninguno de los cuales ha sido explicado, suponiendo la emanación, de una manera suficientemente minuciosa o completa para satisfacer incluso al más cándido de los defensores del sistema de proyectiles; mientras que, por otra parte, todos ellos pueden entenderse a la vez, a partir del efecto de la interferencia de luces dobles, de una manera casi similar a la que constituye en el sonido la sensación de un latido, cuando se oyen vibrar juntas dos cuerdas que forman un unísono imperfecto. [5]
En 1801, Young presentó un famoso artículo a la Royal Society titulado "Sobre la teoría de la luz y los colores" [7] que describe varios fenómenos de interferencia. En 1803, describió su famoso experimento de interferencia. [8] A diferencia del experimento moderno de doble rendija , el experimento de Young refleja la luz solar (usando un espejo direccional) a través de un pequeño orificio y divide el delgado haz por la mitad usando una tarjeta de papel. [6] [8] [9] También menciona la posibilidad de pasar luz a través de dos rendijas en su descripción del experimento:
Suponiendo que la luz de un color determinado consiste en ondulaciones de una amplitud dada o de una frecuencia dada, se deduce que estas ondulaciones deben estar sujetas a los efectos que ya hemos examinado en el caso de las ondas del agua y los pulsos del sonido. Se ha demostrado que dos series iguales de ondas, que proceden de centros próximos entre sí, pueden destruir sus efectos en ciertos puntos y duplicarlos en otros; y el latido de dos sonidos se ha explicado a partir de una interferencia similar. Ahora vamos a aplicar los mismos principios a la unión y extinción alternadas de los colores.
Para que los efectos de dos porciones de luz puedan combinarse de esta manera, es necesario que provengan del mismo origen y que lleguen al mismo punto por caminos diferentes, en direcciones que no se desvíen mucho entre sí. Esta desviación puede producirse en una o en ambas porciones por difracción, por reflexión, por refracción o por cualquiera de estos efectos combinados; pero el caso más sencillo parece ser el de un haz de luz homogénea que cae sobre una pantalla en la que hay dos agujeros o rendijas muy pequeños, que pueden considerarse como centros de divergencia, desde donde la luz se difracta en todas las direcciones. En este caso, cuando los dos haces recién formados se reciben en una superficie colocada de modo que los intercepten, su luz se divide por franjas oscuras en porciones casi iguales, pero que se hacen más anchas a medida que la superficie se aleja de las aberturas, de modo que subtienden ángulos casi iguales desde las aberturas a todas las distancias, y más anchos también en la misma proporción en que las aberturas están más próximas entre sí. El centro de las dos porciones es siempre claro, y las franjas brillantes de cada lado están a tales distancias, que la luz que llega a ellas desde una de las aberturas, debe haber pasado por un espacio más largo que la que llega desde la otra, por un intervalo que es igual al ancho de una, dos, tres o más de las supuestas ondulaciones, mientras que los espacios oscuros intermedios corresponden a una diferencia de media ondulación supuesta, de una y media, de dos y media, o más.
De una comparación de varios experimentos, se desprende que la anchura de las ondulaciones que constituyen la luz roja extrema debe suponerse, en el aire, que es de aproximadamente una 36 milésima de pulgada, y las de la violeta extrema de aproximadamente una 60 milésima; la media de todo el espectro, con respecto a la intensidad de la luz, es de aproximadamente una 45 milésima. De estas dimensiones se deduce, calculando sobre la velocidad conocida de la luz, que casi 500 millones de millones de las más lentas de tales ondulaciones deben entrar en el ojo en un solo segundo. La combinación de dos porciones de luz blanca o mixta, cuando se observa a gran distancia, exhibe unas pocas franjas blancas y negras, correspondientes a este intervalo; aunque, al observarlas más de cerca, los distintos efectos de un número infinito de franjas de diferentes anchuras parecen estar compuestos entre sí, de modo que producen una hermosa diversidad de tintes, que se van transformando gradualmente entre sí. La blancura central primero se transforma en un color amarillento, y luego en un color leonado, sucedido por carmesí, y por violeta y azul, que juntos aparecen, cuando se ven a la distancia, como una franja oscura; después de esto aparece una luz verde, y el espacio oscuro más allá de ella tiene un tono carmesí; las luces subsiguientes son todas más o menos verdes, los espacios oscuros púrpuras y rojizos; y la luz roja parece predominar en todos estos efectos, de modo que las franjas rojas o púrpuras ocupan casi el mismo lugar en las franjas mixtas como si su luz se recibiera por separado. [5]
La figura muestra la geometría de un plano de visión de campo lejano . Se ve que las trayectorias relativas de la luz que viaja desde las dos fuentes puntuales hasta un punto dado en el plano de visión varían con el ángulo θ, de modo que sus fases relativas también varían. Cuando la diferencia de trayectoria es igual a un número entero de longitudes de onda, las dos ondas se suman para dar un máximo en el brillo, mientras que cuando la diferencia de trayectoria es igual a la mitad de una longitud de onda, o una y media, etc., entonces las dos ondas se cancelan y la intensidad es mínima.
La separación lineal (distancia) entre franjas (líneas con máximo brillo) en la pantalla viene dada por la ecuación:
donde es la distancia entre la rendija y la pantalla, es la longitud de onda de la luz y es la separación de las rendijas como se muestra en la figura.
El espaciamiento angular de las franjas, θ f , viene dado por
donde θ f <<1, y λ es la longitud de onda de la luz. Se puede observar que el espaciamiento de las franjas depende de la longitud de onda, la separación de los agujeros y la distancia entre las rendijas y el plano de observación, como señaló Young.
Esta expresión se aplica cuando la fuente de luz tiene una única longitud de onda, mientras que Young utilizó la luz solar y, por lo tanto, estaba observando las franjas de luz blanca que describe anteriormente. Se puede considerar que un patrón de franjas de luz blanca está formado por un conjunto de patrones de franjas individuales de diferentes colores. Todos ellos tienen un valor máximo en el centro, pero su espaciamiento varía con la longitud de onda y los patrones superpuestos variarán en color, ya que sus máximos se producirán en diferentes lugares. Normalmente solo se pueden observar dos o tres franjas. Young utilizó esta fórmula para estimar que la longitud de onda de la luz violeta es de 400 nm y la de la luz roja es aproximadamente el doble, resultados con los que hoy estaríamos de acuerdo.
En los años 1803-1804, una serie de ataques anónimos a las teorías de Young aparecieron en la Edinburgh Review . El autor anónimo (que más tarde se reveló que era Henry Brougham , uno de los fundadores de la Edinburgh Review ) logró socavar la credibilidad de Young entre el público lector lo suficiente como para que un editor que se había comprometido a publicar las conferencias de Young en la Royal Institution se echara atrás. Este incidente impulsó a Young a centrarse más en su práctica médica y menos en la física. [10]
En 1817, los teóricos corpusculares de la Academia Francesa de Ciencias , entre los que se encontraba Siméon Denis Poisson, estaban tan confiados que fijaron como tema del premio del año siguiente la difracción, estando seguros de que un teórico de partículas lo ganaría. [4] Augustin-Jean Fresnel presentó una tesis basada en la teoría ondulatoria y cuyo contenido consistía en una síntesis del principio de Huygens y el principio de interferencia de Young . [2]
Poisson estudió la teoría de Fresnel en detalle y, por supuesto, buscó una forma de demostrar que era errónea, ya que era partidario de la teoría de partículas de la luz. Poisson pensó que había encontrado un fallo cuando argumentó que una consecuencia de la teoría de Fresnel era que existiría un punto brillante en el eje a la sombra de un obstáculo circular que bloqueaba una fuente puntual de luz, donde debería haber oscuridad total según la teoría de partículas de la luz. La teoría de Fresnel no podía ser cierta, declaró Poisson: seguramente este resultado era absurdo. (El punto de Poisson no se observa fácilmente en situaciones cotidianas, porque la mayoría de las fuentes de luz cotidianas no son buenas fuentes puntuales. De hecho, es fácilmente visible en la imagen telescópica desenfocada de una estrella moderadamente brillante, donde aparece como un punto central brillante dentro de una matriz concéntrica de anillos de difracción).
Sin embargo, el jefe del comité, Dominique-François-Jean Arago, consideró necesario realizar el experimento con más detalle. Moldeó un disco metálico de 2 mm sobre una placa de vidrio con cera. [11] Para sorpresa de todos, logró observar el punto previsto, lo que convenció a la mayoría de los científicos de la naturaleza ondulatoria de la luz. Al final, Fresnel ganó el concurso.
Después de eso, la teoría corpuscular de la luz fue derrotada y no se volvió a saber de ella hasta el siglo XX. Arago señaló más tarde que el fenómeno (que a veces se denomina mancha de Arago ) ya había sido observado por Joseph-Nicolas Delisle [1].
Notas al pie
Citas
