Experimento de interferencia de Young
De un libro publicado en 1807 que relata las conferencias dadas por Young en 1802 a la Royal Institution de Londres
Mientras estudiaba medicina en Gotinga en la década de 1790, Young escribió una tesis sobre las propiedades físicas y matemáticas del sonido y, en 1800, presentó un documento 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, pero siguió desarrollando sus ideas. Creía que un modelo ondulatorio podía 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 sobre la suposición de la emanación, de una manera lo suficientemente minuciosa o comprensiva para satisfacer a los más cándidos incluso de los defensores del sistema de proyectiles; mientras que, por otra parte, todos ellos pueden ser comprendidos de inmediato, 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 golpe, cuando dos cuerdas que forman un unísono imperfecto, se oyen vibrar juntas.
En 1801, Young presentó un famoso trabajo a la Royal Society titulado «Sobre la teoría de la luz y los colores» que describe varios fenómenos de interferencia. En 1803, describió su famoso experimento de interferencia. A diferencia del moderno experimento de la doble rendija, el experimento de Young refleja la luz del sol (utilizando un espejo de dirección) a través de un pequeño agujero, y divide el fino rayo por la mitad utilizando una tarjeta de papel. También menciona la posibilidad de pasar la luz a través de dos rendijas en su descripción del experimento:
Ilustración moderna del experimento de la doble rendija
Suponiendo que la luz de un color cualquiera está 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 sonido. Se ha demostrado que dos series de ondas iguales, procedentes de centros cercanos, pueden destruirse mutuamente en ciertos puntos, y en otros puntos redoblar sus efectos; 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 alternas de los colores.
Para que los efectos de dos porciones de luz puedan combinarse de este modo, es necesario que se deriven 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, cuando un haz de luz homogéneo cae sobre una pantalla en la que hay dos agujeros o rendijas muy pequeñas, 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 manera que los intercepte, su luz se divide por medio de franjas oscuras en porciones casi iguales, pero que se hacen más anchas a medida que la superficie se aleja de las aberturas, de manera que subtienden ángulos muy iguales desde las aberturas a todas las distancias, y más anchas también en la misma proporción a medida que las aberturas se acercan 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 atravesado un espacio más largo que el que llega desde la otra, por un intervalo que es igual a la anchura 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 la comparación de varios experimentos se desprende que la anchura de las ondulaciones que constituyen la luz roja extrema debe suponerse, en el aire, de una 36 milésima de pulgada, y las del violeta extremo de una 60 milésima; la media de todo el espectro, con respecto a la intensidad de la luz, es de 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 estas ondulaciones deben entrar en el ojo en un solo segundo. La combinación de dos porciones de luz blanca o mixta, cuando se ve a gran distancia, exhibe unas pocas rayas blancas y negras, correspondientes a este intervalo: aunque, en una inspección más cercana, los efectos distintos de un número infinito de rayas de diferentes anchos parecen estar compuestos juntos, para producir una hermosa diversidad de tintes, pasando por grados entre sí. La blancura central se transforma primero en un color amarillento, y luego en un color leonado, seguido por el carmesí, y por el violeta y el azul, que juntos aparecen, cuando se ven a 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 tanto en todos estos efectos, que las franjas rojas o púrpuras ocupan casi el mismo lugar en las franjas mezcladas como si su luz se recibiera por separado.
Geometría para las franjas de campo lejano
La figura muestra la geometría para un plano de visión de campo lejano. Se observa que las trayectorias relativas de la luz que viaja desde las dos fuentes puntuales hasta un punto determinado del plano de visión varían con el ángulo θ, por lo que sus fases relativas también varían. Cuando la diferencia de trayectorias es igual a un número entero de longitudes de onda, las dos ondas se suman para dar un máximo en la luminosidad, mientras que cuando la diferencia de trayectorias es igual a media longitud de onda, o a una y media, etc., entonces las dos ondas se cancelan, y la intensidad es mínima.
La separación lineal (distancia) – Δ y {\displaystyle \Delta y} entre franjas (líneas de máximo brillo) en la pantalla viene dada por la ecuación :
Δ y = L λ / d {\displaystyle \Delta y=L\lambda /d}
donde L {\displaystyle L} es la distancia entre la rendija y la pantalla, λ {\displaystyle \lambda } es la longitud de onda de la luz y d {\displaystyle d} es la separación de la rendija como se muestra en la figura.
El espaciado angular de las franjas, θf, viene dado entonces por
θ f ≈ λ / d {\displaystyle \theta _{f}\approx \lambda /d}
donde θf <<1, y λ es la longitud de onda de la luz. Se puede ver que el espaciado 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 utilizaba la luz solar, y por lo tanto estaba observando las franjas de luz blanca que describe más arriba. 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 espaciado varía con la longitud de onda, y los patrones superpuestos variarán en color, ya que sus máximos se producirán en diferentes lugares. Normalmente sólo se observan 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, aparecieron en la Edinburgh Review una serie de ataques sin firma a las teorías de Young. El autor anónimo (que más tarde se reveló como Henry Brougham, uno de los fundadores de la Edinburgh Review) logró socavar la credibilidad de Young entre el público lector hasta el punto de que un editor que se había comprometido a publicar las conferencias de Young en la Royal Institution se echó atrás. Este incidente hizo que Young se centrara más en su práctica médica y menos en la física.