Thomas Young의 이중 슬릿 실험

1801년, Thomas Young이라는 영국의 한 물리학자는 빛이 파동과 유사한 성질을 갖는다는 강력한 추론을 바탕으로 하는 실험을 수행했습니다.Young은 빛이 파동으로 이루어진다고 생각했기 때문에, 2개의 광파가 만나면 어떤 유형의 상호 작용이 일어날 것이라고 추론했습니다.이 대화형 튜토리얼에서는 간섭성 광파가 밀접하게 배치된 2개의 슬릿을 통과할 때 어떤 식으로 상호 작용하는지 알아봅니다.

이 튜토리얼은 간섭성 빛을 생성하기 위해 스크린의 단일 슬릿을 통과하는 태양 광선으로 시작합니다.그러면 이 빛은 트윈(또는 이중) 슬릿이 있는 다른 스크린에 투사되고, 이 스크린은 빛이 통과하는 동안 입사광을 회절시킵니다.회절된 광 빔 간 간섭의 결과는 어두운 필름상에서 광 강도 분포로 시각화될 수 있습니다.Distance Between Slits(슬릿 간 거리)라고 된 슬라이더를 사용하면 슬릿 간 거리를 변경하여 그에 해당하는 변형된 간섭 강도 분포 패턴을 생성할 수 있습니다.

Young의 실험은 빛이 본질적으로 파동과 유사하다면, 빛의 작용 방식은 연못 물의 잔물결이나 물결과 유사할 것이라는 가설에 기반을 두고 있습니다.맞은 편의 물결 2개가 만나는 지점에서, 물결은 서로를 보강하거나 소멸시키기 위해 특정한 방식으로 반응해야 합니다.2개의 물결이 나란하다면(즉, 마루끼리 만난다면), 서로 결합하면서 더 큰 물결이 만들어집니다.반대로, 2개의 물결이 나란하지 않을 경우(즉, 한 물결의 마루와 다른 물결의 골이 만날 경우) 물결은 상쇄되고 해당 영역의 수면은 평평해집니다.

Young은 자신의 가설을 시험하기 위해 한 가지 기발한 실험을 고안했습니다.이 실험에서 그는 작은 슬릿을 통해 회절된 햇빛을 단일한 간섭성 광원으로 사용하여 슬릿에서 발산되는 광선을 슬릿 2개가 나란히 놓인 다른 스크린에 투사했습니다.그런 다음 슬릿을 통과하는 빛을 스크린 위로 떨어뜨렸습니다.Young은 슬릿의 크기를 늘리고 서로 멀리 떨어져 있으며 스크린에 가까이 배치됐을 때, 스크린에 2개의 중첩된 빛 조각이 형성되는 것을 관찰했습니다.하지만, 슬릿의 크기를 줄이고 서로 가까이 배치했을 때는, 슬릿을 통과하여 스크린 위로 떨어진 빛이 어두운 영역으로 구분되는 뚜렷한 색 띠를 일련의 순서로 생성했습니다.Young은 이 띠를 설명하기 위해 간섭무늬라는 용어를 만들어냈으며 이러한 색 띠는 빛이 파동처럼 작용하는 경우에만 생성될 수 있음을 깨달았습니다.

이중 슬릿 실험의 기본 설정은 그림 1에 설명되어 있습니다.햇빛에서 파생된 적색 여과광은 먼저 슬릿을 통과한 다음 간섭성 상태에 이릅니다.첫 번째 슬릿에서 나가는 광파는 두 번째 장벽에 서로 가까이 위치한 한 쌍의 슬릿에 입사됩니다.스크린은 슬릿 뒤쪽 영역에 배치되어 트윈 슬릿을 통과한 중첩된 광선을 포착하며, 스크린에 밝은 적색과 어두운 간섭 띠의 패턴이 표시됩니다.이러한 실험 유형의 핵심은 장벽의 두 슬릿에서 회절된 광파 사이의 상호 간섭성입니다.Young은 첫 번째 슬릿에서 나오는 햇빛의 회절을 통해 이런 간섭성을 얻었지만, 간섭성 광원(예: 레이저)은 단일 슬릿을 통과하는 빛으로 대체될 수 있습니다.

트윈 슬릿에 충돌하는 빛의 간섭성 파면은 서로 완벽하게 나란한 2개의 새로운 파면으로 나뉩니다.각 슬릿의 광파는 그림 1에 나와 있는 스크린상의 지점 A에 도달하기 위해 동일한 거리를 이동해야 하며, 여전히 나란히 또는 동일한 위상 변위로 해당 지점에 도달해야 합니다.지점 A에 도달하는 2개의 파동은 보강 간섭에 필요한 요구 사항을 가지고 있기 때문에, 이 둘을 합쳐야 스크린에 밝은 적색 간섭무늬가 생성됩니다.

그에 반해, 스크린상의 지점 B는 2개의 슬릿으로부터 등거리에 위치하지 않으므로, 빛은 다른 슬릿에서보다 한 슬릿에서 더 먼 거리를 이동해야 지점 B에 도달할 수 있습니다.지점 B에 더 가까운 슬릿에서 발산되는 파동(예: 그림 1의 왼쪽에 있는 슬릿과 지점 B)은 목적지에 도달하기 위해 다른 슬릿에서 이동하는 파동만큼 멀리 이동하지 않아도 됩니다.결과적으로, 가장 가까운 슬릿의 파동은 가장 먼 슬릿의 파동보다 약간 앞서 지점 B에 도달해야 합니다.이런 파동은 동상으로(또는 서로 나란히) 지점 B에 도달하지 않기 때문에, 상쇄 간섭을 받아 어두운 영역(스크린상의 간섭무늬)을 생성합니다.간섭무늬 패턴은 이중 슬릿 구성을 갖는 실험으로 제한되지 않지만, 상쇄되거나 합쳐질 수 있는 파동으로 빛을 분할하는 모든 사례에 의해 생성될 수 있습니다.

Young의 실험은 성공을 거두면서 파동 이론에 힘을 실어주는 강력한 증거가 되었지만, 동료 학자들은 이를 바로 인정하지 않았습니다.비눗방울에서 관찰되는 색색깔 무지개 및 뉴턴의 고리(아래 설명 참조)와 같은 현상을 뒷받침하는 사례가 이 연구를 통해 설명되었음에도 불구하고, 빛이 입자의 흐름으로 전파된다고 굳게 믿었던 과학자들은 즉각적으로 이를 확실하게 이해할 수 없었던 것입니다.빛의 파동성 성질 및 간섭 효과를 입증하기 위해 이후 다른 유형의 실험이 고안되고 수행되었습니다.가장 주목할 만한 것은 Humphrey Lloyd의 단일 거울 실험과, 단축 및 복굴절 결정의 편광에 대해 Augustin Fresnel이 고안한 이중 거울 및 복프리즘 실험입니다.Fresnel은 편광의 빔 사이 간섭은 편광 방향이 같은 빔에서만 얻을 수 있다고 결론 내렸습니다.사실상, 진동 방향이 서로 평행한 편광파는 결합하여 간섭을 생성할 수 있는 반면,수직인 편광파는 간섭하지 않습니다.