Thomas Young contrazice pe Newton, demonstrând caracterul ondulatoriu al luminii (interferența luminii)

În ciuda opiniei vremii că lumina are un caracter ondulatoriu, Isaac Newton considera că un fascicul de lumină era ca un tren de particule miniaturale sau „corpusculi” care navighează prin cer. În 1803, Thomas Young, medic și fizician englez, a pus ideea la încercare, printr-un experiment cu fantă dublă, demosntrând că lumina se comporta uneori ca o undă. În 1905 Albert Einstein a dovedit că lumina se poate comporta într-adevăr ca o particulă, prin efect fotoelectric, pentru care a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 1921. În 1961, Claus Jönsson, student la Universitatea din Tübingen, a folosit echipamente similare cu Thomas Young, dar a înlocuit fasciculul de lumină cu un fascicul de electroni. În mod remarcabil, el a văzut același model de interferență, demonstrând că electronii puteau fi considerați atât ca unde, cât și ca particule.

Experimentul de interferență al lui Young, numit și interferometrul cu dublă fantă al lui Young, a fost versiunea originală a experimentului modern cu dublă fantă, realizat la începutul secolului al XIX-lea de Thomas Young. Acest experiment a jucat un rol major în acceptarea generală a teoriei ondulatorii a luminii. În opinia lui Young, aceasta a fost cea mai importantă dintre numeroasele sale realizări.

Teoriile propagării luminii în secolele XVII și XVIII

În această perioadă, mulți oameni de știință au propus o teorie ondulatorie a luminii bazată pe observații experimentale, printre care Robert Hooke, Christiaan Huygens și Leonhard Euler. Cu toate acestea, Isaac Newton, care a făcut multe investigații experimentale ale luminii, a respins teoria ondulatorie a luminii și și-a dezvoltat teoria corpusculară a luminii conform căreia lumina este emisă de un corp luminos sub formă de particule minuscule. Această teorie s-a menținut până la începutul secolului al XIX-lea, în ciuda faptului că multe fenomene, inclusiv efecte de difracție la margine sau în diafragme înguste, culori în pelicule subțiri și aripi de insecte, și eșecul aparent al particulelor de lumină de a se uni atunci când două fasciculele de lumină se încrucișau, nu puteau fi explicate în mod adecvat prin teoria corpusculară care, cu toate acestea, a avut mulți susținători eminenți, inclusiv Pierre-Simon Laplace și Jean-Baptiste Biot.

Studiul lui Young a teoriei ondulatorii

(Dintr-o carte publicată în 1807 referitoare la prelegeri susținute de Young în 1802 la Royal Institution din Londra)

În timp ce studia medicina la Göttingen în anii 1790, Young a scris o teză despre proprietățile fizice și matematice ale sunetului, iar în 1800 a prezentat o lucrare la Royal Society (scrisă în 1799) unde a susținut că lumina este și o mișcare ondulatorie. Ideea sa a fost întâmpinată cu un oarecare scepticism, deoarece a contrazis teoria corpusculară a lui Newton. Cu toate acestea, el a continuat să-și dezvolte ideile. Credea că un model de undă ar putea explica mult mai bine multe anumite aspecte ale propagării luminii decât modelul corpuscular.

(Schița de interferență a lui Thomas Young bazată pe observațiile valurilor din apă)

În 1801, Young a prezentat o faimoasă lucrare Societății Regale intitulată „Despre teoria luminii și culorilor”, care descrie diverse fenomene de interferență. În 1803, el a descris celebrul său experiment de interferență. Spre deosebire de experimentul modern cu două fante, experimentul lui Young reflecta lumina soarelui (folosind o oglindă de direcționare) printr-o gaură mică și împărțea fluxul subțire în jumătate folosind un carton. El menționează, de asemenea, posibilitatea de a trece lumina prin două fante în descrierea experimentului.

(Ilustrație modernă a experimentului cu dublă fantă.)

Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Double_slit.svg

(Geometrie pentru franjuri de câmp îndepărtat. )

Figura arată geometria unui plan de vizualizare pe câmp îndepărtat. Se vede că traseele relative ale luminii care călătoresc de la cele două surse punctuale la un punct dat în planul de vizionare variază în funcție de unghiul θ, astfel încât și fazele lor relative variază. Când diferența de cale este egală cu un număr întreg de lungimi de undă, cele două unde se adună împreună pentru a da un maxim în luminozitate, în timp ce atunci când diferența de cale este egală cu jumătate de lungime de undă, sau una și jumătate etc., atunci cele două unde se anulează, iar intensitatea este la minimum.

Separarea liniară (distanța) – Δy între franjuri (linii cu luminozitate maximă) pe ecran este dată de ecuația:

Δy = Lλ/d

unde L este distanța dintre fantă și ecran, λ este lungimea de undă a luminii, și d este separarea fantei așa cum se arată în figură.

Distanța unghiulară a franjurilor, θ_f, este atunci dată de

θ_f ≈ λ/d

unde θ_f << 1, și λ este lungimea de undă a luminii. Se poate observa că distanța dintre franjuri depinde de lungimea de undă, de separarea găurilor și de distanța dintre fante și planul de observare, așa cum a remarcat Young.

Această expresie se aplică atunci când sursa de lumină are o singură lungime de undă, în timp ce Young folosea lumina soarelui și, prin urmare, se uita la marginile de lumină albă pe care le descrie mai sus. Un model de franjuri cu lumină albă poate fi considerat a fi alcătuit dintr-un set de modele de franjuri individuale de diferite culori. Toate acestea au o valoare maximă în centru, dar distanța lor variază în funcție de lungimea de undă, iar modelele suprapuse vor varia în culori, deoarece maximele lor vor apărea în diferite locuri. Doar două sau trei franjuri pot fi observate în mod normal. Young a folosit această formulă pentru a estima lungimea de undă a luminii violete la 400 nm, iar cea a luminii roșii la aproximativ de două ori mai mare – rezultate cu care am fi de acord astăzi.

În anii 1803-1804, o serie de atacuri nesemnate asupra teoriilor lui Young au apărut în Edinburgh Review. Autorul anonim (care s-a dezvăluit mai târziu a fi Henry Brougham, un fondator al Edinburgh Review) a reușit să submineze credibilitatea lui Young în rândul publicului cititor suficient încât un editor care s-a angajat să publice prelegeri ale Instituției Regale ale lui Young a renunțat la idee. Acest incident l-a determinat pe Young să se concentreze mai mult pe practica sa medicală și mai puțin pe fizică.

Acceptarea teoriei ondulatorii a luminii

În 1817, teoreticienii corpusculari de la Academia Franceză de Științe, care îl includea pe Siméon Denis Poisson, erau atât de încrezători încât au stabilit subiectul pentru premiul de anul următor ca difracție, fiind siguri că un teoretician al particulelor îl va câștiga. Augustin-Jean Fresnel a prezentat o teză bazată pe teoria undelor și a cărei substanță a constat într-o sinteză a principiului lui Huygens și a principiului de interferență al lui Young.

Poisson a studiat teoria lui Fresnel în detaliu și, desigur, a căutat o modalitate de a dovedi că este greșită, fiind un susținător al teoriei corpusculare a luminii. Poisson a crezut că a găsit un defect atunci când a susținut că o consecință a teoriei lui Fresnel a fost că ar exista un punct luminos pe axa în umbra unui obstacol circular care blochează o sursă punctuală de lumină, unde ar trebui să existe întuneric complet conform teoriei corpusculare a luminii. Teoria lui Fresnel nu putea fi adevărată, a declarat Poisson: cu siguranță acest rezultat a fost absurd. (Punctul Poisson nu este ușor de observat în situațiile de zi cu zi, deoarece majoritatea surselor de lumină de zi cu zi nu sunt surse punctuale bune. De fapt, este ușor vizibil în imaginea telescopică defocalizată a unei stele moderat luminoase, unde apare ca un punct central luminos în o matrice concentrică de inele de difracție.)

Cu toate acestea, șeful comisiei, Dominique-François-Jean Arago, a considerat că este necesar să se efectueze experimentul mai detaliat. A turnat un disc metalic de 2 mm pe o placă de sticlă cu ceară. Spre surprinderea tuturor, el a reușit să observe locul prezis, care a convins majoritatea oamenilor de știință de natura ondulatorie a luminii. În cele din urmă, Fresnel a câștigat competiția.

După aceea, teoria corpusculară a luminii a fost învinsă, și nu s-a mai auzit de ea până în secolul al XX-lea. Arago a remarcat mai târziu că fenomenul (care este uneori numit punctul Arago) fusese deja observat de Joseph-Nicolas Delisle și Giacomo F. ​​Maraldi cu un secol mai devreme.