El experimento de interferencia de Young , también llamado interferómetro de doble rendija de Young , fue la versión original del experimento moderno de doble rendija , 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 numerosas investigaciones experimentales sobre la luz, había rechazado la teoría ondulatoria de la luz y había desarrollado su teoría corpuscular de la luz según la cual la luz es emitida por un cuerpo luminoso en forma de partículas diminutas. [3] Esta teoría prevaleció hasta principios del siglo XIX a pesar 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 al chocar entre sí otro, cuando se cruzaban dos haces de luz, no podía explicarse adecuadamente mediante la teoría corpuscular que, sin embargo, contaba con muchos partidarios eminentes, entre ellos Pierre-Simon Laplace y Jean-Baptiste Biot .
Mientras estudiaba medicina en Göttingen 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) donde sostenía que la luz también era una onda. movimiento. Su idea fue recibida con cierto escepticismo porque contradecía la teoría corpuscular de Newton. No obstante, continuó 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 aún 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 bajo el supuesto de emanación, de una manera lo suficientemente detallada o completa para satisfacer al más sincero incluso de los defensores de la sistema de proyectiles; mientras que, por otra parte, todos ellos pueden ser comprendidos a la vez, por el efecto de la interferencia de luces dobles, de una manera casi similar a la que constituye en el sonido la sensación de un compás, cuando dos cuerdas que forman un unísono imperfecto, se tocan. Se escucha vibrar juntos. [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 de dirección) a través de un pequeño orificio y divide el haz delgado por la mitad usando una tarjeta de papel. [6] [8] [9] También menciona la posibilidad de hacer pasar luz a través de dos rendijas en su descripción del experimento:
Suponiendo que la luz de un color determinado esté formada por ondulaciones de una amplitud determinada o de una frecuencia determinada, se deduce que estas ondulaciones deben estar sujetas a los efectos que ya hemos examinado en el caso de las ondas de agua y los pulsos de agua. sonido. Se ha demostrado que dos series iguales de ondas, procedentes de centros próximos entre sí, pueden verse destruyéndose mutuamente los efectos en ciertos puntos, y en otros puntos redoblándolos; y el latido de dos sonidos se ha explicado a partir de una interferencia similar. Ahora debemos aplicar los mismos principios a la unión alterna y extinción de colores.
Para que los efectos de dos porciones de luz puedan combinarse así, 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 ambas porciones por difracción, por reflexión, por refracción o por cualquiera de estos efectos combinados; pero el caso más simple parece ser el de cuando un haz de luz homogénea incide 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 direcciones. En este caso, cuando los dos haces recién formados son recibidos en una superficie colocada de manera que los intercepte, su luz se divide mediante franjas oscuras en porciones casi iguales, pero que se hacen más anchas a medida que la superficie se aleja de las aberturas, para Subtiende ángulos casi iguales desde las aperturas en todas las distancias, y más anchos también en la misma proporción a medida que las aperturas están más cerca entre sí. El centro de las dos porciones es siempre luminoso, 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 atravesado un espacio más largo que la que llega desde la otra, por un intervalo que es igual a la amplitud de una, dos, tres o más de las supuestas ondulaciones, mientras que los espacios oscuros intermedios corresponden a una diferencia de la mitad de una supuesta ondulación, de uno y medio, de dos y medio, o más.
De la comparación de diversos experimentos se desprende que la amplitud de las ondulaciones que constituyen la luz roja extrema debe suponerse, en el aire, de aproximadamente una 36 milésima de pulgada, y las de la luz violeta extrema de aproximadamente una 60 milésima; la media de todo el espectro, con respecto a la intensidad de la luz, es aproximadamente una 45 milésima. De estas dimensiones se deduce, calculando la velocidad conocida de la luz, que casi 500 millones de millones de las más lentas ondulaciones de este tipo deben entrar en el ojo en un solo segundo. La combinación de dos porciones de luz blanca o mixta, vista a gran distancia, muestra unas pocas franjas blancas y negras, correspondientes a este intervalo: aunque, tras una inspección más cercana, aparecen los distintos efectos de un número infinito de franjas de diferentes anchuras. para combinarse entre sí, a fin de producir una hermosa diversidad de tintes, pasando gradualmente unos a otros. La blancura central cambia primero a un color amarillento y luego a un color leonado, seguido por carmesí, violeta y azul, que juntos aparecen, vistos de lejos, como una franja oscura; después de esto aparece una luz verde, y el espacio oscuro más allá tiene un tono carmesí; las luces siguientes son todas más o menos verdes, los espacios oscuros violetas y rojizos; y la luz roja parece predominar tanto en todos estos efectos, que las franjas rojas o violetas ocupan casi el mismo lugar en las franjas mezcladas 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 de brillo, mientras que cuando la diferencia de trayectoria es igual a media longitud de onda, o una y media, etc., entonces las dos ondas cancelar y la intensidad está al mínimo.
La separación lineal (distancia) entre franjas (líneas con brillo máximo) 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 la rendija como se muestra en la figura.
El espaciado 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 la separación 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 sola longitud de onda, mientras que Young usó la luz solar y, por lo tanto, miraba las franjas de luz blanca que describe anteriormente. Se puede considerar que un patrón de flecos de luz blanca está formado por un conjunto de patrones de flecos individuales de diferentes colores. Todos estos tienen un valor máximo en el centro, pero su espaciado varía con la longitud de onda, y los patrones superpuestos variarán en color, ya que sus máximos ocurrirán en diferentes lugares. Normalmente sólo se pueden observar dos o tres franjas. Young utilizó esta fórmula para estimar que la longitud de onda de la luz violeta era de 400 nm, y la de la luz roja, aproximadamente el doble, resultados con los que hoy estaríamos de acuerdo.
En los años 1803-1804, apareció en el Edinburgh Review una serie de ataques sin firmar a las teorías de Young . El autor anónimo (más tarde se reveló que era Henry Brougham , uno de los fundadores de 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 la Royal Institution de Young se retirara del trato. Este incidente llevó 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 para el 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 en detalle la teoría de Fresnel y, por supuesto, buscó una manera de demostrar que era errónea siendo partidario de la teoría de partículas de la luz. Poisson pensó que había encontrado un error cuando argumentó que una consecuencia de la teoría de Fresnel era que existiría un punto brillante en el eje en la sombra de un obstáculo circular que bloquea una fuente puntual de luz, donde debería haber completa oscuridad según La teoría de partículas de la luz. La teoría de Fresnel no podía ser cierta, declaró Poisson: seguramente este resultado era absurdo. (La mancha 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 una mancha central brillante dentro de una serie 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 en una placa de vidrio con cera. [11] Para sorpresa de todos, logró observar el lugar 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. Más tarde, Arago señaló que el fenómeno (que a veces se denomina mancha de Arago ) ya había sido observado por Joseph-Nicolas Delisle [1].
Notas a pie de página
Citas
