Experiência de interferência de Young
De um livro publicado em 1807 relacionando palestras dadas por Young em 1802 à Instituição Real de Londres
Enquanto estudava medicina em Göttingen na década de 1790, Young escreveu uma tese sobre as propriedades físicas e matemáticas do som e em 1800, apresentou um trabalho à Royal Society (escrito em 1799) onde argumentou que a luz era também um movimento de onda. A sua ideia foi recebida com um certo cepticismo porque contrariava a teoria corpuscular de Newton, mas ele continuou a desenvolver as suas ideias. Ele acreditava que um modelo de onda poderia explicar muito melhor muitos aspectos da propagação da luz do que o modelo corpuscular:
Uma classe muito extensa de fenómenos leva-nos ainda mais directamente à mesma conclusão; consistem principalmente na produção de cores por meio de placas transparentes, e por difracção ou inflexão, nenhuma das quais foi explicada sob a suposição de emanação, de uma forma suficientemente minuciosa ou abrangente para satisfazer até os mais francos defensores do sistema de projécteis; enquanto que, por outro lado, todos eles podem ser imediatamente compreendidos, a partir do efeito da interferência de luzes duplas, de uma forma quase semelhante à que constitui em som a sensação de uma batida, quando duas cordas formando uma uníssono imperfeito, são ouvidas a vibrar juntas.
O esboço de interferência de Thomas Young baseado em observações de ondas de água
Em 1801, Young apresentou um famoso trabalho à Royal Society intitulado “Sobre a Teoria da Luz e das Cores”, que descreve vários fenómenos de interferência. Em 1803, ele descreveu a sua famosa experiência de interferência. Ao contrário da experiência moderna de dupla luz, a experiência de Young reflecte a luz solar (utilizando um espelho de direcção) através de um pequeno orifício, e divide o feixe fino ao meio utilizando um cartão de papel. Ele também menciona a possibilidade de passar luz através de duas fendas na sua descrição da experiência:
A ilustração moderna da experiência de dupla ranhura
Supondo a luz de qualquer cor para consistir em ondulações de uma dada amplitude, ou de uma dada frequência, daí decorre que estas ondulações devem ser susceptíveis aos efeitos que já examinámos no caso das ondas de água e dos pulsos de som. Foi demonstrado que duas séries iguais de ondas, provenientes de centros próximos uma da outra, podem ser vistas a destruir os efeitos uma da outra em certos pontos, e em outros pontos a redobrá-los; e o bater de dois sons foi explicado por uma interferência semelhante. Devemos agora aplicar os mesmos princípios à união alternada e à extinção das cores.
Para que os efeitos de duas porções de luz possam ser assim combinados, é necessário que sejam derivados da mesma origem, e que cheguem ao mesmo ponto por caminhos diferentes, em direcções não muito divergentes uma da outra. Este desvio pode ser produzido em uma ou ambas as porções por difracção, por reflexão, por refracção, ou por qualquer destes efeitos combinados; mas o caso mais simples parece ser, quando um feixe de luz homogéneo cai sobre uma tela na qual existem dois orifícios ou fendas muito pequenos, que podem ser considerados como centros de divergência, de onde a luz é difratada em todas as direcções. Neste caso, quando os dois feixes recém-formados são recebidos numa superfície colocada de modo a interceptá-los, a sua luz é dividida por faixas escuras em porções quase iguais, mas tornando-se mais larga à medida que a superfície está mais afastada das aberturas, de modo a subtrair ângulos muito próximos das aberturas a todas as distâncias, e mais largos também na mesma proporção em que as aberturas estão mais próximas uma da outra. O meio das duas porções é sempre claro, e as faixas brilhantes de cada lado estão a tais distâncias, que a luz que lhes chega de uma das aberturas, deve ter passado por um espaço mais longo do que o que vem da outra, por um intervalo igual à largura de uma, duas, três, ou mais das supostas ondulações, enquanto que os espaços escuros intervenientes correspondem a uma diferença de meia suposta ondulação, de uma e meia, de duas e meia, ou mais.
A partir de uma comparação de várias experiências, parece que a largura das ondulações que constituem a luz vermelha extrema deve ser, no ar, de cerca de um 36 milésimo de polegada, e as da violeta extrema de cerca de um 60 milésimo; a média de todo o espectro, no que diz respeito à intensidade da luz, é de cerca de um 45 milésimo. A partir destas dimensões, calculando sobre a velocidade conhecida da luz, conclui-se que quase 500 milhões de milhões dos mais lentos de tais ondulações devem entrar no olho num único segundo. A combinação de duas porções de luz branca ou mista, quando vista a grande distância, exibe algumas faixas brancas e negras, correspondentes a este intervalo: embora, após uma inspecção mais atenta, os efeitos distintos de um número infinito de faixas de diferentes larguras pareçam ser compostos entre si, de modo a produzir uma bela diversidade de matizes, passando gradualmente umas para as outras. A brancura central é primeiro alterada para um amarelado, e depois para uma cor tawny, sucedida pelo carmesim, e pelo violeta e azul, que juntos aparecem, quando vistos à distância, como uma faixa escura; depois disto aparece uma luz verde, e o espaço escuro para além dela tem uma tonalidade carmesim; as luzes subsequentes são todas mais ou menos verdes, os espaços escuros são roxos e avermelhados; e a luz vermelha parece predominar tanto em todos estes efeitos, que as faixas vermelhas ou roxas ocupam quase o mesmo lugar nas franjas mistas, como se a sua luz fosse recebida separadamente.
Geometria para franjas de campo distante
A figura mostra a geometria para um plano de visão de campo distante. Vê-se que as trajectórias relativas da luz viajando das fontes dos dois pontos para um determinado ponto do plano de visão variam com o ângulo θ, de modo que as suas fases relativas também variam. Quando a diferença de trajecto é igual a um número inteiro de comprimentos de onda, as duas ondas somam-se para dar um máximo no brilho, enquanto que quando a diferença de trajecto é igual a meio comprimento de onda, ou um e meio etc., então as duas ondas cancelam, e a intensidade é no mínimo.
A separação linear (distância) – Δ y {\displaystyle \Delta y} entre franjas (linhas com brilho máximo) no ecrã é dada pela equação :
Δ y = L λ / d {\displaystyle {\displaystyle \delta y=L\lambda /d}
onde L {\displaystyle L} é a distância entre a fenda e o ecrã, λ {\displaystyle lambda } é o comprimento de onda da luz e d {\displaystyle d} é a separação da fenda como mostra a figura.
O espaçamento angular das franjas, θf, é então dado por
θ f ≈ λ / d {\f}displaystyle {\f}theta _{\f}approx {\f}lambda /d}
where θf <<1, e λ é o comprimento de onda da luz. Pode-se ver que o espaçamento das franjas depende do comprimento de onda, da separação dos furos, e da distância entre as fendas e o plano de observação, tal como notado por Young.
Esta expressão aplica-se quando a fonte de luz tem um único comprimento de onda, enquanto que Young utilizava a luz solar, e estava portanto a olhar para as franjas de luz branca que descreve acima. Um padrão de franjas de luz branca pode ser considerado como sendo constituído por um conjunto de padrões de franjas individuais de diferentes cores. Todas elas têm um valor máximo no centro, mas o seu espaçamento varia com o comprimento de onda, e os padrões sobrepostos irão variar de cor, uma vez que os seus máximos irão ocorrer em locais diferentes. Apenas duas ou três franjas podem normalmente ser observadas. Young utilizou esta fórmula para estimar o comprimento de onda da luz violeta em 400 nm, e o da luz vermelha em cerca do dobro – resultados com os quais estaríamos de acordo hoje.
Nos anos 1803-1804, uma série de ataques não assinados às teorias de Young apareceu na Edinburgh Review. O autor anónimo (mais tarde revelado ser Henry Brougham, fundador da Edinburgh Review) conseguiu minar suficientemente a credibilidade de Young entre o público leitor que uma editora que se tinha comprometido a publicar as palestras de Young’s Royal Institution recuou no acordo. Este incidente levou Young a concentrar-se mais na sua prática médica e menos na física.