El experimento de la doble rendija de Thomas Young

El experimento de la doble rendija de Thomas Young – Tutorial de Java

En 1801, un físico inglés llamado Thomas Young realizó un experimento que dedujo con fuerza la naturaleza ondulatoria de la luz. Como creía que la luz estaba compuesta por ondas, Young razonó que se produciría algún tipo de interacción cuando dos ondas de luz se encontraran. Este tutorial interactivo explora cómo las ondas de luz coherentes interactúan cuando se pasan a través de dos rendijas estrechamente espaciadas.

El tutorial se inicia con los rayos del sol que se pasan a través de una sola rendija en una pantalla para producir luz coherente. A continuación, esta luz se proyecta en otra pantalla que tiene rendijas gemelas (o dobles), que de nuevo difracta la iluminación incidente a su paso. Los resultados de la interferencia entre los haces de luz difractados pueden visualizarse como distribuciones de intensidad de luz en la película oscura. El control deslizante denominado Distancia entre rendijas puede utilizarse para variar la distancia entre las rendijas y producir las correspondientes variaciones en los patrones de distribución de la intensidad de la interferencia.

El experimento de Young se basaba en la hipótesis de que si la luz fuera de naturaleza ondulatoria, entonces debería comportarse de forma similar a las ondas en un estanque de agua. Cuando dos ondas de agua opuestas se encuentran, deberían reaccionar de una manera específica para reforzarse o destruirse mutuamente. Si las dos olas se encuentran (las crestas se juntan), deberían combinarse para formar una ola mayor. Por el contrario, cuando dos ondas se encuentran desfasadas (la cresta de una se encuentra con la depresión de otra), las ondas deberían anularse y producir una superficie plana en esa zona.

Para comprobar su hipótesis, Young ideó un ingenioso experimento. Utilizando la luz solar difractada a través de una pequeña rendija como fuente de iluminación coherente, proyectó los rayos de luz que emanaban de la rendija sobre otra pantalla que contenía dos rendijas colocadas una al lado de la otra. A continuación, dejó que la luz que pasaba por las rendijas cayera sobre una pantalla. Young observó que cuando las rendijas eran grandes, estaban muy separadas y cerca de la pantalla, se formaban dos manchas de luz superpuestas en la pantalla. Sin embargo, cuando reducía el tamaño de las rendijas y las acercaba, la luz que pasaba por las rendijas y llegaba a la pantalla producía bandas de color distintas separadas por regiones oscuras en un orden serial. Young acuñó el término franjas de interferencia para describir las bandas y se dio cuenta de que estas bandas de color sólo podían producirse si la luz actuaba como una onda.

El montaje básico del experimento de la doble rendija se ilustra en la figura 1. La luz roja filtrada derivada de la luz solar se hace pasar primero por una rendija para conseguir un estado coherente. A continuación, las ondas de luz que salen de la primera rendija se hacen incidir en un par de rendijas colocadas muy juntas en una segunda barrera. Se coloca una pantalla en la región detrás de las rendijas para capturar los rayos de luz superpuestos que han pasado por las rendijas gemelas, y se hace visible en la pantalla un patrón de bandas de interferencia rojas y oscuras. La clave de este tipo de experimento es la coherencia mutua entre las ondas de luz difractadas desde las dos rendijas en la barrera. Aunque Young consiguió esta coherencia a través de la difracción de la luz solar desde la primera rendija, cualquier fuente de luz coherente (como un láser) puede sustituir a la luz que pasa por la rendija única.

El frente de onda coherente de la luz que incide en las rendijas gemelas se divide en dos nuevos frentes de onda que están perfectamente acompasados entre sí. Las ondas de luz procedentes de cada una de las rendijas deben recorrer una distancia igual para alcanzar el punto A de la pantalla ilustrada en la figura 1, y deben llegar a ese punto todavía en paso o con el mismo desplazamiento de fase. Dado que las dos ondas que llegan al punto A reúnen los requisitos necesarios para la interferencia constructiva, deberían sumarse para producir una franja de interferencia roja brillante en la pantalla.

En cambio, ninguno de los puntos B de la pantalla está situado a una distancia equidistante de las dos rendijas, por lo que la luz debe recorrer una distancia mayor desde una rendija para llegar al punto B que desde la otra. La onda que emana de la rendija más cercana al punto B (tomemos por ejemplo la rendija y el punto B de la izquierda de la figura 1) no tiene que recorrer tanta distancia para llegar a su destino como la onda que viaja desde la otra rendija. En consecuencia, la onda procedente de la rendija más cercana debería llegar al punto B ligeramente por delante de la onda procedente de la rendija más lejana. Debido a que estas ondas no llegarán al punto B en fase (o al ritmo de la otra), sufrirán una interferencia destructiva que producirá una región oscura (franja de interferencia en la pantalla). Los patrones de franjas de interferencia no se limitan a los experimentos que tienen la configuración de doble rendija, sino que pueden ser producidos por cualquier evento que resulte en la división de la luz en ondas que pueden ser canceladas o sumadas.

El éxito del experimento de Young fue un fuerte testimonio a favor de la teoría ondulatoria, pero no fue aceptado inmediatamente por sus compañeros. Los sucesos que estaban detrás de fenómenos como el arco iris de colores observado en las burbujas de jabón y los anillos de Newton (que se discutirán más adelante), aunque se explicaban con este trabajo, no eran inmediatamente obvios para aquellos científicos que creían firmemente que la luz se propagaba como una corriente de partículas. Más tarde se idearon y realizaron otros tipos de experimentos para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz y los efectos de interferencia. Los más notables son el experimento del espejo único de Humphrey Lloyd y los experimentos del espejo doble y del prisma doble ideados por Augustin Fresnel para la luz polarizada en cristales uniaxiales y birrefringentes. Fresnel llegó a la conclusión de que la interferencia entre haces de luz polarizada sólo puede obtenerse con haces que tengan la misma dirección de polarización. En efecto, las ondas de luz polarizadas que tienen sus direcciones de vibración orientadas en paralelo pueden combinarse para producir interferencias, mientras que las que son perpendiculares no interfieren.