Thomas Young'ın "girişim" deneyi

Young'ın çift yarık interferometresi olarak da adlandırılan Young'ın girişim deneyi, on dokuzuncu yüzyılın başında Thomas Young tarafından gerçekleştirilen modern çift yarık deneyinin orijinal versiyonuydu. Bu deney ışığın dalga modeli'nin genel kabul görmesinde önemli bir rol oynadı. [ 1 ] Young'ın kendi görüşüne göre, bu onun birçok başarısından en önemlisiydi.

17. ve 18. yüzyıllarda ışığın yayılımına ilişkin  teorileri Bu dönemde, Robert Hooke , Christiaan Huygens ve Leonhard Euler dahil olmak üzere birçok bilim adamı, deneysel gözlemlere dayanan bir ışık dalga teorisi önerdi. [ 2 ] Bununla birlikte, ışıkla ilgili birçok deneysel araştırma yapan Isaac Newton , ışığın dalga teorisini reddetmiş ve ışığın küçük parçacıklar şeklinde yayıldığını savunan ışık teorisini geliştirmiştir. [ 3 ] Bu teori, kenarlardaki veya dar açıklıklardaki kırınım etkileri, ince filmlerdeki ve böcek kanatlarındaki renkler ve iki ışık huzmesi birbirine çaprazlandığında ışık parçacıklarının birbirine çarpmasında bariz başarısızlığı içeren birçok olguyu açıklayamamasına  rağmen, on dokuzuncu yüzyılın başına kadar geçerliliğini korudu. Işık ışınlarının kesişmesi, Pierre-Simon Laplace ve Jean-Baptiste Biot da dahil olmak üzere birçok seçkin destekçisi olan cisimsel teori tarafından yeterince açıklanamadı.

Young'ın dalga teorisi üzerine çalışması Young tarafından 1802'de Londra Kraliyet Enstitüsü'ne verilen derslerle ilgili 1807'de yayınlanan bir kitaptan 1790'larda Göttingen'de tıp okurken, Young sesin fiziksel ve matematiksel özellikleri üzerine bir tez yazdı [ 4 ] ve 1800'de Kraliyet Cemiyeti'ne (1799'da yazılmış) bir makale sundu ve burada ışığın da bir dalga harekiti olduğunu savundu. Young'ın bu fikri, Newton'un parçacık teorisiyle çeliştiği için belirli bir şüphecilikle karşılandı. Yine de fikirlerini geliştirmeye devam etti. Bir dalga modelinin ışık yayılımının birçok yönünü cisimsel (küçük parçacıklarla yayılma modeli) modelden çok daha iyi açıklayabileceğine inanıyordu:
Çok geniş bir olgular sınıfı bizi daha da doğrudan aynı sonuca götürür; bunlar esas olarak şeffaf plakalar aracılığıyla ve kırınım veya bükülme yoluyla renklerin üretilmesinden oluşur, bunların hiçbiri (fırlatılmış cisimcik) parçacık modelinin  en samimi savunucuları bile tatmin etmek için yeterince ayrıntılı veya kapsamlı bir şekilde yayılım varsayımıyla açıklanmamıştır. Öte yandan bunların tümü, iki müzik aleti telinin mükemmel olmayan birleşimle, birlikte titreşmesiyle oluşan  seste, bir vuruş duyumu oluşturan şeye neredeyse benzer bir şekilde, çift ışık huzmesinin girişiminin etkisiyle açıklanabilir. Thomas Young'ın su dalgaları gözlemlerine dayanan girişim taslağı [ 5 ] 1801'de Young, Royal Society'ye çeşitli girişim olaylarını açıklayan "Işığın ve renklerin teorisi üzerine" [ 6 ] başlıklı ünlü bir makale sundu. 1803'te ünlü girişim deneyini anlattı. [ 7 ] Modern çift yarık deneyinin aksine, Young'ın deneyi güneş ışığını (bir yönlendirme aynası kullanarak) küçük bir delikten yansıtır ve ince ışını bir kağıt kart kullanarak ikiye böler. [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] Deneyi anlatırken ışığın iki yarıktan geçme olasılığından da bahseder: Çift yarık deneyinin modern gösterimi Herhangi bir renkteki ışığın, belirli bir genişlikteki veya belirli bir frekanstaki dalgalanmalardan oluştuğunu varsayarsak, bu dalgalanmaların, su dalgaları ve ses dalgaları(atımları) durumunda daha önce incelediğimiz etkilere bağlı olması gerektiği sonucu çıkar. Birbirine yakın merkezlerden ilerleyen iki eşit dalga dizisinin, belirli noktalarda birbirlerinin etkilerini yok ettiği, diğer noktalarda ise iki katına çıkardığı; ve iki sesin dövülmesi de benzer bir girişimle açıklanmıştır. Şimdi aynı ilkeleri renklerin alternatif birleşimine ve yok oluşuna uygulayacağız. İki ışık parçasının etkilerinin bu şekilde birleşebilmesi için, bunların aynı kökenden türetilmiş olmaları ve aynı noktaya birbirinden çok fazla sapmayan yönlerde farklı yollardan varmaları gerekir. Bu sapma, bölümlerin birinde veya her ikisinde kırınım, yansıma, kırılma veya bu etkilerin herhangi birinin birleştirilmesiyle üretilebilir; ancak en basit durum, homojen bir ışık huzmesinin, ışığın her yöne kırıldığı, sapma merkezleri olarak kabul edilebilecek iki çok küçük delik veya yarık bulunan bir ekranın üzerine düştüğü zamandır. Bu durumda, yeni oluşturulmuş iki ışın, onları kesecek şekilde yerleştirilmiş bir yüzey üzerine alındığında, ışığı koyu şeritlerle neredeyse eşit kısımlara bölünür, ancak yüzey açıklıklardan daha uzak olduğu için daha da genişler. tüm mesafelerde açıklıklardan hemen hemen eşit açılar alırlar ve açıklıklar birbirine daha yakın olduklarında aynı oranda daha genişler. İki bölümün ortası her zaman hafiftir ve her iki taraftaki parlak şeritler o kadar uzaktadır ki, deliklerden birinden onlara gelen ışık, diğerinden gelen ışıktan daha uzun bir boşluktan geçmiş olmalıdır. bir, iki, üç veya daha fazla varsayılan dalgalanmanın genişliğine eşit olan bir aralık, aradaki karanlık boşluklar ise yarı varsayılan dalgalanma, bir buçuk, iki buçuk veya iki buçuk farka karşılık gelir. daha fazla. Deneylerin karşılaştırılmasından, aşırı kırmızı ışığı oluşturan dalgalanmaların genişliğinin havada yaklaşık 36 bin inç ve aşırı menekşe renginin 60 binde biri kadar olduğu varsayılmalıdır; ışığın yoğunluğuna göre tüm spektrumun ortalaması yaklaşık 45 binde birdir. Bu boyutlardan, bilinen ışık hızı üzerinden hesaplandığında, bu tür dalgalanmaların neredeyse 500 milyon milyonunun göze bir saniyede girmesi gerektiği sonucu çıkar. Beyaz veya karışık ışığın iki bölümünün kombinasyonu, uzak mesafeden bakıldığında, bu aralığa karşılık gelen birkaç beyaz ve siyah şerit sergiler: daha yakından incelendiğinde, farklı genişliklerde sonsuz sayıda şeridin belirgin etkileri ortaya çıkmasına rağmen. derece derece birbirine geçen güzel bir renk çeşitliliği üretmek için bir araya getirilecek. Merkezi beyazlık önce sarımsı bir renge, ardından sarımsı bir renge dönüşür, ardından koyu kırmızı, mor ve mavi gelir ve bunlar birlikte uzaktan bakıldığında koyu bir şerit olarak görünür; bundan sonra yeşil bir ışık belirir ve arkasındaki karanlık alan koyu kırmızı bir renge sahiptir; sonraki ışıkların hepsi az çok yeşil, karanlık alanlar mor ve kırmızımsı; ve kırmızı ışık, tüm bu etkilerde o kadar baskın görünüyor ki, kırmızı veya mor şeritler, sanki ışıkları ayrı ayrı alınmış gibi, karışık saçaklarda hemen hemen aynı yeri işgal ediyor. Uzak alan saçakları için geometri Şekil, uzak alan görüntüleme düzleminin geometrisini göstermektedir. İki nokta kaynağından görüş düzleminde belirli bir noktaya giden ışığın göreli yollarının θ açısı ile değiştiği, dolayısıyla bunların göreli fazlarının da değiştiği görülmektedir. Yol farkı bir tam sayı dalga boyuna eşit olduğunda, iki dalga parlaklıkta bir maksimum elde etmek için toplanırken, yol farkı yarım dalga boyuna veya bir buçuk vb.'ye eşit olduğunda, iki dalga iptal edin ve yoğunluk minimumda. Doğrusal ayırma (mesafe) - Δ y {\displaystyle \Delta y} Ekrandaki saçaklar arasındaki (maksimum parlaklığa sahip çizgiler) denklemi ile verilir. : nerede L {\displaystyle L} yarık ve ekran arasındaki mesafedir, λ {\displaystyle \lambda } ışığın dalga boyu ve d {\displaystyle d} şekilde gösterildiği gibi yarık ayrımıdır. Saçakların açısal aralığı, θ f , daha sonra tarafından verilir θ f ≈ λ / d {\displaystyle \theta _{f}\approx \lambda /d} burada θ f <<1 ve λ ışığın dalga boyudur . Young tarafından belirtildiği gibi, saçakların aralığının dalga boyuna, deliklerin ayrılmasına ve yarıklar ile gözlem düzlemi arasındaki mesafeye bağlı olduğu görülebilir. Bu ifade, ışık kaynağı tek bir dalga boyuna sahipken, Young güneş ışığını kullandığında ve bu nedenle yukarıda tarif ettiği beyaz ışık saçaklarına baktığında geçerlidir. Beyaz ışık saçak deseni, farklı renklerde bir dizi bireysel saçak deseninden meydana geldiği düşünülebilir. Bunların hepsinin merkezde bir maksimum değeri vardır, ancak aralıkları dalga boyuna göre değişir ve üst üste bindirilen desenler, maksimumları farklı yerlerde olacağından renk olarak değişecektir. Normal olarak sadece iki veya üç saçak gözlemlenebilir. Young, mor ışığın dalga boyunu 400 olarak tahmin etmek için bu formülü kullandı. nm ve kırmızı ışığınki bunun yaklaşık iki katı - bugün hemfikir olacağımız sonuçlar. 1803-1804 yıllarında, Edinburgh Review'da Young'ın teorilerine yönelik bir dizi imzasız saldırı yayınlandı. Anonim yazar (daha sonra Edinburgh Review'un kurucusu Henry Brougham olduğu ortaya çıktı), Young'ın okur kitlesi arasındaki güvenilirliğini, Young'ın Kraliyet Enstitüsü derslerini yayınlamayı taahhüt eden bir yayıncının anlaşmadan geri adım atmasına yetecek kadar zayıflatmayı başardı. Bu olay, Young'ın tıbbi uygulamalarına daha fazla ve fiziğe daha az odaklanmasına neden oldu. [ 9 ]

Işığın dalga teorisinin kabulü 1817'de, Fransız Bilimler Akademisi'ndeki Siméon Denis Poisson'un da dahil olduğu cisimcik teorisyenleri, gelecek yılın ödülünün konusunu bir parçacık teorisyeninin kazanacağından emin olarak, kırınım olarak belirlediler. [ 4 ] Augustin-Jean Fresnel , dalga teorisine dayanan ve özü Huygens ilkesi ile Young'ın girişim ilkesinin sentezinden oluşan bir tez sundu. [ 2 ] Poisson, Fresnel'in teorisini ayrıntılı olarak inceledi ve elbette ışığın parçacık teorisinin bir destekçisi olmanın yanlış olduğunu kanıtlamanın bir yolunu aradı. Poisson, Fresnel'in teorisinin bir sonucu olarak, noktasal bir ışık kaynağını engelleyen dairesel bir engelin gölgesinde eksen üzerinde parlak bir noktanın var olacağını öne sürerken bir kusur bulduğunu düşündü. ışığın parçacık teorisi. Poisson, Fresnel'in teorisinin doğru olamayacağını ilan etti: kesinlikle bu sonuç saçmaydı. ( Poisson noktası günlük durumlarda kolayca gözlenmez, çünkü günlük ışık kaynaklarının çoğu iyi nokta kaynakları değildir. Aslında, orta derecede parlak bir yıldızın, eşmerkezli bir kırınım halkaları dizisi içinde parlak bir merkezi nokta olarak göründüğü, odaklanmamış teleskopik görüntüsünde kolayca görülebilir.) Ancak komite başkanı Dominique-François-Jean Arago , deneyi daha ayrıntılı olarak gerçekleştirmenin gerekli olduğunu düşündü. 2 mm'lik metalik bir diski mumlu bir cam plakaya kalıpladı. [ 10 ] Tahmin edilen noktayı gözlemlemeyi başarması herkesi şaşırttı ve bu da çoğu bilim insanını ışığın dalga-doğası konusunda ikna etti. Sonunda, Fresnel yarışmayı kazandı. Bundan sonra, ışığın cisimcik teorisi yok edildi ve 20. yüzyıla kadar bir daha duyulmadı. Arago daha sonra fenomenin (bazen Arago noktası olarak da adlandırılır) bir yüzyıl önce Joseph-Nicolas Delisle [ 1 ] [ 10 ] ve Giacomo F. Maraldi [ 11 ] tarafından zaten gözlemlendiğini kaydetti.