Youngs Interferenzexperiment

Während seines Medizinstudiums in Göttingen in den 1790er Jahren, Young schrieb eine Dissertation über die physikalischen und mathematischen Eigenschaften des Schalls und im Jahr 1800 präsentierte er der Royal Society ein Papier (geschrieben 1799), in dem er argumentierte, dass auch Licht eine Wellenbewegung sei. Seine Idee wurde mit einer gewissen Skepsis aufgenommen, da sie der Newtonschen Korpuskular-Theorie widersprach, dennoch entwickelte er seine Ideen weiter. Er glaubte, dass ein Wellenmodell viele Aspekte der Lichtausbreitung viel besser erklären könnte als das Korpuskularmodell:

Eine sehr umfangreiche Klasse von Phänomenen führt uns noch direkter zu derselben Schlussfolgerung; sie bestehen hauptsächlich aus der Erzeugung von Farben mittels durchsichtiger Platten und durch Beugung oder Biegung, von denen keines unter der Annahme der Emanation in einer Weise erklärt worden ist, die hinreichend genau oder umfassend ist, um selbst die aufrichtigsten Befürworter des Projektilsystems zufriedenzustellen; während auf der anderen Seite alle von ihnen kann sofort verstanden werden, aus der Wirkung der Interferenz von doppelten Lichtern, in einer Art und Weise fast ähnlich wie die, die in Ton die Empfindung eines Schlages, wenn zwei Saiten bilden eine unvollkommene unisono, gehört werden, um zusammen zu schwingen.

Im Jahr 1801 präsentierte Young der Royal Society ein berühmtes Papier mit dem Titel „On the Theory of Light and Colours“, das verschiedene Interferenzphänomene beschreibt. Im Jahr 1803 beschrieb er sein berühmtes Interferenzexperiment. Im Gegensatz zum modernen Doppelspaltexperiment wird bei Youngs Experiment das Sonnenlicht (mit Hilfe eines Lenkspiegels) durch ein kleines Loch reflektiert und der dünne Strahl mit Hilfe einer Papierkarte in zwei Hälften geteilt. In seiner Beschreibung des Experiments erwähnt er auch die Möglichkeit, Licht durch zwei Schlitze zu leiten:

Angenommen, das Licht einer gegebenen Farbe bestehe aus Wellen von einer gegebenen Breite, oder einer bestimmten Frequenz, so folgt daraus, dass diese Wellen den Effekten unterliegen müssen, die wir bereits bei den Wellen des Wassers und den Impulsen des Schalls untersucht haben. Es wurde gezeigt, dass zwei gleiche Serien von Wellen, ausgehend von Zentren in der Nähe von einander, kann gesehen werden, um sich gegenseitig die Auswirkungen an bestimmten Punkten zu zerstören, und an anderen Punkten, um sie zu verdoppeln; und das Schlagen von zwei Tönen wurde von einer ähnlichen Interferenz erklärt. Wir wollen nun dieselben Prinzipien auf die abwechselnde Vereinigung und Auslöschung von Farben anwenden.

Damit die Wirkungen zweier Lichtanteile auf diese Weise kombiniert werden können, ist es notwendig, dass sie aus demselben Ursprung stammen, und dass sie auf verschiedenen Wegen zum selben Punkt gelangen, in Richtungen, die nicht viel voneinander abweichen. Diese Abweichung kann in einem oder beiden der Teile durch Beugung, durch Reflexion, durch Brechung, oder durch jede dieser Effekte kombiniert erzeugt werden; aber der einfachste Fall scheint zu sein, wenn ein Strahl von homogenen Licht fällt auf einen Bildschirm, in dem es zwei sehr kleine Löcher oder Schlitze, die als Zentren der Divergenz betrachtet werden kann, von wo aus das Licht in jede Richtung gebeugt wird. In diesem Fall, wenn die beiden neu gebildeten Strahlen auf einer Oberfläche, so platziert, um sie zu unterbrechen empfangen werden, wird ihr Licht durch dunkle Streifen in Portionen fast gleich geteilt, aber immer breiter, wie die Oberfläche mehr entfernt von den Öffnungen, so dass sehr fast gleiche Winkel von den Öffnungen in allen Entfernungen subtend, und breiter auch in dem gleichen Verhältnis, wie die Öffnungen näher zueinander sind. Die Mitte der beiden Teile ist immer hell, und die hellen Streifen auf jeder Seite befinden sich in solchen Abständen, dass das Licht, das von einer der Öffnungen zu ihnen kommt, einen längeren Raum durchlaufen haben muss als das, das von der anderen kommt, und zwar um ein Intervall, das der Breite von einer, zwei, drei oder mehr der angenommenen Wellen entspricht, während die dazwischen liegenden dunklen Räume einem Unterschied von einer halben angenommenen Welle, von eineinhalb, von zweieinhalb oder mehr entsprechen.

Aus einem Vergleich verschiedener Experimente geht hervor, dass die Breite der Wellen, die das extrem rote Licht bilden, in der Luft etwa ein 36 Tausendstel Zoll und die des extremen Violett etwa ein 60 Tausendstel betragen muss; der Mittelwert des gesamten Spektrums, in Bezug auf die Lichtintensität, beträgt etwa ein 45 Tausendstel. Aus diesen Dimensionen folgt, wenn man die bekannte Lichtgeschwindigkeit berechnet, dass fast 500 Millionen der langsamsten dieser Wellen in einer einzigen Sekunde in das Auge eintreten müssen. Die Kombination von zwei Portionen weißen oder gemischten Lichts zeigt bei Betrachtung aus großer Entfernung einige weiße und schwarze Streifen, die diesem Intervall entsprechen; bei näherer Betrachtung scheinen jedoch die unterschiedlichen Effekte einer unendlichen Anzahl von Streifen unterschiedlicher Breite zusammengesetzt zu sein, so dass eine schöne Vielfalt von Farbtönen entsteht, die allmählich ineinander übergehen. Das zentrale Weiß geht zuerst in eine gelbliche, dann in eine gelbbraune Farbe über, gefolgt von Karminrot, Violett und Blau, die zusammen, aus der Entfernung gesehen, als dunkler Streifen erscheinen; danach erscheint ein grünes Licht, und der dunkle Raum dahinter hat einen karminroten Farbton; die folgenden Lichter sind alle mehr oder weniger grün, die dunklen Räume violett und rötlich; und das rote Licht scheint in all diesen Effekten so weit zu überwiegen, dass die roten oder violetten Streifen fast denselben Platz in den gemischten Fransen einnehmen, als ob ihr Licht getrennt empfangen würde.

Die Abbildung zeigt die Geometrie für eine Fernfeld-Betrachtungsebene. Man sieht, dass die relativen Wege des Lichts, das von den beiden Punktquellen zu einem bestimmten Punkt in der Betrachtungsebene läuft, mit dem Winkel θ variieren, so dass auch ihre relativen Phasen variieren. Wenn der Wegunterschied gleich einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen ist, addieren sich die beiden Wellen zu einem Helligkeitsmaximum, während sich bei einem Wegunterschied von einer halben Wellenlänge oder anderthalb Wellenlängen usw. die beiden Wellen auslöschen und die Intensität ein Minimum erreicht.

Der lineare Abstand – Δ y {\displaystyle \Delta y} zwischen den Streifen (Linien mit maximaler Helligkeit) auf dem Bildschirm ist durch die Gleichung gegeben:

Δ y = L λ / d {\displaystyle \Delta y=L\lambda /d}

wobei L {\displaystyle L} der Abstand zwischen Spalt und Schirm, λ {\displaystyle \lambda } die Wellenlänge des Lichts und d {\displaystyle d} der Spaltabstand ist, wie in der Abbildung dargestellt.

Der Winkelabstand der Streifen, θf, ist dann gegeben durch

θ f ≈ λ / d {\displaystyle \theta _{f}\approx \lambda /d}

wobei θf <<1 und λ die Wellenlänge des Lichts ist. Es ist zu erkennen, dass der Abstand der Streifen von der Wellenlänge, dem Abstand der Löcher und dem Abstand zwischen den Spaltöffnungen und der Beobachtungsebene abhängt, wie Young feststellte.

Dieser Ausdruck gilt, wenn die Lichtquelle eine einzige Wellenlänge hat, wobei Young Sonnenlicht verwendete und daher Weißlichtsstreifen betrachtete, die er oben beschreibt. Ein Weißlicht-Streifenmuster kann als eine Menge von einzelnen Streifenmustern verschiedener Farben betrachtet werden. Diese haben alle einen Maximalwert in der Mitte, aber ihr Abstand variiert mit der Wellenlänge, und die überlagerten Muster werden in ihrer Farbe variieren, da ihre Maxima an verschiedenen Stellen auftreten. Normalerweise können nur zwei oder drei Streifen beobachtet werden. Young benutzte diese Formel, um die Wellenlänge des violetten Lichts auf 400 nm und die des roten Lichts auf etwa das Doppelte zu schätzen – Ergebnisse, mit denen wir heute einverstanden wären.

In den Jahren 1803-1804 erschien in der Edinburgh Review eine Reihe von unsignierten Angriffen auf Youngs Theorien. Dem anonymen Autor (der sich später als Henry Brougham, ein Gründer der Edinburgh Review, entpuppte) gelang es, Youngs Glaubwürdigkeit beim Lesepublikum so weit zu untergraben, dass ein Verleger, der sich verpflichtet hatte, Youngs Vorlesungen in der Royal Institution zu veröffentlichen, von dem Geschäft zurücktrat. Dieser Vorfall veranlasste Young dazu, sich mehr auf seine medizinische Praxis und weniger auf die Physik zu konzentrieren.