Interferencia y difracción de la luz

Imagen: Wikimedia Commons

A principios del siglo XIX, cuando el prestigio de Newton era en gran medida el sostén de la hipótesis corpuscular de la luz, Thomas Young resucitó la hipótesis ondulatoria. En experimentos realizados entre 1802 y 1804 Young descubrió que la luz muestra el fenómeno de interferencia. La hipótesis corpuscular de la luz no puede explicar fácilmente los patrones de interferencia producidos por la luz. El famoso “experimento de doble rendija” de Young proporcionó la prueba convincente de que la luz tiene propiedades que solo se pueden explicar en términos de ondas.

El experimento de Young se puede realizar muy fácilmente. Consiste, básicamente, en dividir un solo haz de luz en dos haces para garantizar que estén en fase. Luego se permite que los haces resultantes de la división se superpongan, y los dos trenes de ondas interfieren, constructivamente en algunos lugares y destructivamente en otros. Para simplificar la interpretación del experimento, podemos suponer que se realiza con luz que tiene una única longitud de onda definida λ.

Young usó una pantalla negra con un pequeño agujero perforado para producir un haz de luz estrecho en una habitación a oscuras. En la trayectoria del haz colocó una segunda pantalla negra en la que había cortado dos rendijas estrechas, muy juntas. Tras esta pantalla colocó otra pantalla más, pero blanca. La luz que entraba por cada rendija se difractó y se extendió por el espacio más allá de la pantalla. La luz de cada rendija interfirió con la luz de la otra, y el patrón de interferencia se mostró en la pantalla blanca. Donde la interferencia era constructiva había una banda brillante en la pantalla. Donde la interferencia era destructiva, la pantalla permanecía oscura.

Reproducción del diagrama de Thomas Young (1807) para explicar el resultado del experimento de la doble rendija (situadas en A y B) que produce mínimos en C,D,E y F, tal y como aparece en T. Young (ed. G. Peacock), 1855, Miscellaneous Works of the late Thomas Young, London: J. Murray, vol. 1. Imagen: Wikimedia Commons

Es una medida del genio de Young el que pudiese encontrar, por experimento, valores numéricos para algo tan pequeño como la longitud de onda de la luz. Él lo expresó así:

From a comparison of various experiments, it appears that the breadth of the undulations constituting the extreme red light must be supposed to be, in air, about one 36 thousandth of an inch, and those of the extreme violet about one 60 thousandth.

A partir de una comparación de varios experimentos, parece que la amplitud de las ondulaciones que constituyen la luz roja extrema debe suponerse que sea, en el aire, aproximadamente una 36-milésima de pulgada. [7·10-7 m], y las del violeta extremo alrededor de una 60-milésima [4·10-7 m].

Al anunciar su resultado, Young hizo un especial esfuerzo por evitar las críticas de los seguidores de Newton, a quien se consideraba un partidario de la hipótesis corpuscular de la luz. Señaló que el propio Newton había hecho varias afirmaciones a favor de una teoría de la luz que tenía algunos aspectos de la hipótesis ondulatoria.

Sin embargo, Young no fue tomado en serio. No fue hasta 1818, cuando el físico francés Augustin-Jean Fresnel propuso su propia hipótesis ondulatoria de base matemática, que la investigación de Young comenzó a ser reconocida como merecía.

Fresnel también tuvo que enviar su trabajo para su aprobación a un grupo de físicos comprometidos con la hipótesis corpuscular de la luz. Uno de ellos, el matemático Simeón Poisson, trató de refutar la hipótesis ondulatoria de Fresnel. Si realmente describía el comportamiento de la luz, argumentaba Poisson, debería suceder algo muy peculiar cuando se coloca un pequeño disco macizo en un haz de luz. La difracción de algunas de las ondas de luz alrededor del borde del disco redondo debería conducir a una interferencia constructiva, produciendo un punto brillante en el centro de la sombra del disco en una pantalla blanca colocada detrás del disco. La hipótesis corpuscular de la luz no permitía ideas como la difracción y la interferencia constructiva. Además, nunca se había informado de la observación de un punto brillante; incluso la idea de un punto brillante en el centro de una sombra parecía absurda. Con estos razonamientos Poisson anunció que había refutado la hipótesis ondulatoria.

Sin embargo, Dominique-François Arago, presidente del comité de la Académie des sciences que entendía del asunto, era un empirist e inmediatamente dispuso que la prueba aparentemente ridícula de Poisson se probara mediante un experimento. ¡El resultado fue que apareció un punto brillante en el centro de la sombra!

Sombra proyectada por un obstáculo de 5,8 mm de diámetro en una pantalla colocada a 183 cm detrás, cuando es iluminado por la luz del sol que pasa a través de un agujero colocado 153 cm por delante. Los colores tenues de las franjas muestran la dependencia de la longitud de onda del patrón de difracción. En el centro está el punto brillante de Poisson / Arago. Imagen: Wikimedia Commons

A partir de entonces, un número cada vez mayor de personas de ciencia valoró como importantísimos los resultados del experimento de Young de la doble rendija y el “punto brillante de Poisson”. Para 1850, con los experimentos de Foucault-Fizeau, la hipótesis ondulatoria de la luz era el consenso científico; los físicos ya habían comenzado a concentrarse en resolver las consecuencias matemáticas de este modelo y aplicarlo a las diferentes propiedades de la luz.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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