Eksperyment interferencyjny Younga

Podczas studiów medycznych w Getyndze w latach 90. XVII w, Young napisał pracę na temat fizycznych i matematycznych właściwości dźwięku, a w 1800 r. przedstawił w Royal Society pracę (napisaną w 1799 r.), w której dowodził, że światło jest również ruchem falowym. Jego pomysł został przyjęty z pewnym sceptycyzmem, ponieważ był sprzeczny z teorią korpuskularną Newtona, niemniej jednak kontynuował rozwijanie swoich idei. Wierzył, że model falowy może znacznie lepiej wyjaśnić wiele aspektów propagacji światła niż model korpuskularny:

Bardzo obszerna klasa zjawisk prowadzi nas jeszcze bardziej bezpośrednio do tego samego wniosku; składają się one głównie z wytwarzania kolorów za pomocą przezroczystych płytek oraz przez dyfrakcję lub ugięcie, z których żadne nie zostało wyjaśnione na podstawie założenia emanacji, w sposób wystarczająco drobiazgowy lub wyczerpujący, aby zadowolić najbardziej szczerych nawet zwolenników systemu pocisków; Podczas gdy z drugiej strony wszystkie one mogą być natychmiast zrozumiane, z efektu interferencji podwójnych świateł, w sposób prawie podobny do tego, który stanowi w dźwięku wrażenie uderzenia, gdy dwie struny tworzące niedoskonałe unisono, są słyszane jak wibrują razem.

W 1801 roku Young przedstawił Towarzystwu Królewskiemu słynną pracę zatytułowaną „O teorii światła i barw”, w której opisał różne zjawiska interferencyjne. W 1803 roku opisał swój słynny eksperyment interferencyjny. W przeciwieństwie do współczesnego eksperymentu z podwójną szczeliną, eksperyment Younga odbija światło słoneczne (za pomocą lustra sterującego) przez mały otwór, a następnie rozdziela cienką wiązkę na pół za pomocą papierowej karty. W opisie eksperymentu Young wspomina również o możliwości przechodzenia światła przez dwie szczeliny:

Zakładając, że światło o dowolnej barwie składa się z falowania o danej szerokości, lub o danej częstotliwości, wynika, że te falowania muszą być podatne na te efekty, które już zbadaliśmy w przypadku fal wodnych i impulsów dźwiękowych. Wykazano, że dwie równe serie fal, wychodzące z centrów położonych blisko siebie, mogą w pewnych punktach niszczyć wzajemnie swoje efekty, a w innych je podwajać; bicie dwóch dźwięków zostało wyjaśnione na podstawie podobnej interferencji. Mamy teraz zastosować te same zasady do naprzemiennego łączenia i gaszenia kolorów.

Aby efekty dwóch porcji światła mogły być w ten sposób połączone, konieczne jest, aby pochodziły z tego samego źródła i aby docierały do tego samego punktu różnymi drogami, w kierunkach niewiele odbiegających od siebie. Odchylenie to może być wytworzone w jednej lub obu porcjach przez dyfrakcję, odbicie, załamanie lub przez którykolwiek z tych efektów łącznie; ale najprostszym przypadkiem wydaje się być sytuacja, gdy wiązka jednorodnego światła pada na ekran, w którym znajdują się dwa bardzo małe otwory lub szczeliny, które mogą być uważane za centra rozbieżności, skąd światło ulega dyfrakcji w każdym kierunku. W tym przypadku, gdy dwie nowo utworzone wiązki są odbierane na powierzchni umieszczonej w taki sposób, aby je przechwycić, ich światło jest podzielone ciemnymi pasami na części prawie równe, ale coraz szersze, w miarę jak powierzchnia jest bardziej oddalona od otworów, tak aby odchylać się pod prawie równymi kątami od otworów we wszystkich odległościach, a także szersze w tej samej proporcji, w jakiej otwory są bliżej siebie. Środek dwóch części jest zawsze jasny, a jasne pasy po każdej stronie znajdują się w takich odległościach, że światło docierające do nich z jednej z apertur musiało przejść przez dłuższą przestrzeń niż to, które dociera z drugiej, o odstęp, który jest równy szerokości jednej, dwóch, trzech lub więcej rzekomych pofałdowań, podczas gdy przecinające się ciemne przestrzenie odpowiadają różnicy połowy rzekomego pofałdowania, półtorej, dwóch i pół lub więcej.

Z porównania różnych eksperymentów wynika, że szerokość pofałdowań tworzących skrajne czerwone światło musi być w powietrzu około jednej 36 tysięcznej cala, a tych skrajnie fioletowych około jednej 60 tysięcznej; średnia całego spektrum, w odniesieniu do intensywności światła, wynosi około jednej 45 tysięcznej. Z tych wymiarów wynika, obliczając na podstawie znanej prędkości światła, że prawie 500 milionów milionów najwolniejszych z takich fal musi wejść do oka w ciągu jednej sekundy. Kombinacja dwóch porcji białego lub mieszanego światła, oglądana z dużej odległości, ukazuje kilka białych i czarnych pasków, odpowiadających temu odstępowi czasu; chociaż, przy bliższym przyjrzeniu się, wyraźne efekty nieskończonej liczby pasków o różnej szerokości wydają się być połączone razem, tak aby wytworzyć piękną różnorodność odcieni, przechodzących stopniowo w siebie. Centralna biel zmienia się najpierw w żółtawy, a następnie w płowy kolor, po którym następuje karmazynowy, fioletowy i niebieski, które razem pojawiają się, gdy widzimy je z daleka, jako ciemny pasek; po tym pojawia się zielone światło, a ciemna przestrzeń poza nim ma karmazynowy odcień; kolejne światła są wszystkie mniej lub bardziej zielone, ciemne przestrzenie purpurowe i czerwonawe; a czerwone światło wydaje się tak dalece dominować we wszystkich tych efektach, że czerwone lub purpurowe pasy zajmują niemal to samo miejsce w mieszanych obrzeżach, jak gdyby ich światło było odbierane oddzielnie.

Rysunek przedstawia geometrię dla płaszczyzny widzenia dalekiego pola. Widać, że względne drogi światła wędrującego od dwóch źródeł punktowych do danego punktu płaszczyzny widzenia zmieniają się wraz z kątem θ, a więc zmieniają się również ich względne fazy. Kiedy różnica ścieżek jest równa liczbie całkowitej długości fali, dwie fale dodają się do siebie, dając maksimum jasności, natomiast kiedy różnica ścieżek jest równa połowie długości fali, lub półtorej itd. wtedy dwie fale znoszą się, a intensywność jest minimalna.

Liniowa separacja (odległość) – Δ y {Delta y} między frędzlami (liniami o maksymalnej jasności) na ekranie jest dana równaniem :

Δ y = L λ / d {{displaystyle Δ y=Llambda /d}

gdzie L {displaystyle L} jest odległością między szczeliną a ekranem, λ {displaystyle ˆlambda } jest długością fali światła, a d {displaystyle d} jest separacją szczelin, jak pokazano na rysunku.

Odstęp kątowy frędzli, θf, jest więc dany przez

θ f ≈ λ / d {displaystyle θf ≈ λ / d {displaystyle θf ≈ λ / d}

gdzie θf <<1, a λ jest długością fali światła. Widać, że rozstawienie frędzli zależy od długości fali, separacji otworów i odległości między szczelinami a płaszczyzną obserwacji, jak zauważył Young.

To wyrażenie ma zastosowanie, gdy źródło światła ma jedną długość fali, podczas gdy Young używał światła słonecznego, a więc patrzył na frędzle światła białego, które opisał powyżej. Można uznać, że wzór frędzli światła białego składa się z zestawu indywidualnych wzorów frędzli o różnych kolorach. Wszystkie one mają maksimum w centrum, ale ich odstępy zmieniają się w zależności od długości fali, a nałożone na siebie wzory będą różnić się kolorem, ponieważ ich maksima będą występować w różnych miejscach. Zazwyczaj można zaobserwować tylko dwie lub trzy frędzle. Young użył tego wzoru do oszacowania długości fali światła fioletowego na 400 nm, a czerwonego na około dwa razy tyle – wyniki, z którymi zgodzilibyśmy się dzisiaj.

W latach 1803-1804 w Edinburgh Review ukazała się seria niepodpisanych ataków na teorie Younga. Anonimowemu autorowi (później okazało się, że był nim Henry Brougham, założyciel Edinburgh Review) udało się podważyć wiarygodność Younga wśród czytelników na tyle, że wydawca, który zobowiązał się do opublikowania wykładów Younga w Royal Institution, wycofał się z umowy. Ten incydent sprawił, że Young skupił się bardziej na swojej praktyce lekarskiej, a mniej na fizyce.