Experimento de fenda dupla de Thomas Young

Em 1801, um físico inglês chamado Thomas Young realizou um experimento que inferiu fortemente a natureza ondulatória da luz. Por acreditar que a luz era composta de ondas, Young raciocinou que algum tipo de interação ocorreria quando duas ondas de luz se encontrassem. Este tutorial interativo explora como as ondas de luz coerentes interagem quando passam por duas fendas próximas umas das outras.

O tutorial começa com os raios do sol passando por uma única fenda em uma tela para produzir luz coerente. Essa luz é então projetada em outra tela que tem fendas gêmeas (ou duplas), que novamente difrata a iluminação incidente conforme ela passa. Os resultados da interferência entre os feixes de luz difratados podem ser visualizados como distribuições de intensidade de luz na película escura. O controle deslizante denominado Distância entre Fendas pode ser usado para variar a distância entre as fendas e produzir variações correspondentes nos padrões de distribuição de intensidade de interferência.

O experimento de Young baseou-se na hipótese de que, se a luz fosse de natureza ondulatória, ela deveria se comportar de maneira semelhante a ondulações ou ondas em um lago de água. Quando duas ondas de água opostas se encontram, elas reagem de uma maneira específica para reforçar ou destruir uma à outra. Se as duas ondas estiverem em sintonia (as cristas se encontram), elas se combinam para formar uma onda maior. Em contraste, quando duas ondas se encontram fora de sincronia (a crista de uma encontra a depressão da outra), as ondas se cancelam e produzem uma superfície plana nessa área.

Para testar sua hipótese, Young concebeu um engenhoso experimento. Usando a luz solar difratada através de uma pequena fenda como fonte de iluminação coerente, ele projetou os raios de luz que emanam da fenda em outra tela contendo duas fendas colocadas lado a lado. A luz que passava pelas fendas era então direcionada sobre uma tela. Young observou que, quando as fendas eram grandes, espaçadas e próximas da tela, duas manchas de luz sobrepostas se formavam na tela. Entretanto, quando ele reduziu o tamanho das fendas e as aproximou, a luz que passava pelas fendas e atingia a tela produziu faixas distintas de cores separadas por regiões escuras em uma ordem serial. Young cunhou o termo franjas de interferência para descrever as faixas e percebeu que essas faixas coloridas só poderiam ser produzidas se a luz agisse como uma onda.

A configuração básica do experimento de fenda dupla é ilustrada na Figura 1. A luz vermelha filtrada derivada da luz solar é primeiro passada por uma fenda para atingir um estado coerente. As ondas de luz que saem da primeira fenda são então feitas incidentes em um par de fendas posicionadas juntas em uma segunda barreira. Uma tela é colocada atrás das fendas para capturar os raios de luz sobrepostos que passaram pelas fendas gêmeas e um padrão de faixas de interferência vermelhas e escuras torna-se visível na tela. O segredo para esse tipo de experimento é a coerência mútua entre as ondas de luz difratadas pelas duas fendas na barreira. Embora Young tenha alcançado essa coerência por meio da difração da luz solar a partir da primeira fenda, qualquer fonte de luz coerente (como um laser) pode substituir a luz que passa pela fenda única.

A frente de onda coerente de luz que impacta nas fendas gêmeas é dividida em duas novas frentes de onda que estão perfeitamente em sintonia uma com a outra. As ondas de luz de cada uma das fendas devem percorrer uma distância igual para atingir o ponto A na tela ilustrada na Figura 1 e devem atingir esse ponto ainda em sintonia ou com o mesmo deslocamento de fase. Como as duas ondas que atingem o ponto A têm os requisitos necessários para interferência construtiva, elas devem ser somadas para produzir uma franja de interferência vermelha brilhante na tela.

Em contraste, nenhum dos pontos B na tela está posicionado equidistante das duas fendas, então a luz deve percorrer uma distância maior de uma fenda para alcançar o ponto B do que da outra. A onda que emana da fenda mais próxima do ponto B (veja, por exemplo, a fenda e o ponto B no lado esquerdo da Figura 1) não precisa viajar tanto para alcançar seu destino, assim como uma onda movimentando-se da outra fenda. Como consequência, a onda da fenda mais próxima deve chegar ao ponto B um pouco à frente da onda da fenda mais distante. Como essas ondas não chegarão ao ponto B em fase (ou em sintonia uma com a outra), elas sofrerão interferência destrutiva para produzir uma região escura (franja de interferência na tela. Padrões de franja de interferência não são restritos a experimentos com configuração de fenda dupla, mas podem ser produzidos por qualquer evento que resulte na divisão da luz em ondas que podem ser canceladas ou adicionadas.

O sucesso do experimento de Young foi um forte testemunho a favor da teoria das ondas, mas não foi imediatamente aceito por seus colegas. Os eventos por trás de fenômenos como o arco-íris colorido observado em bolhas de sabão e anéis de Newton (a serem discutidos abaixo), embora explicados por este trabalho, não foram imediatamente óbvios para os cientistas que acreditavam firmemente que a luz se propagava como um fluxo de partículas. Outros tipos de experimentos foram posteriormente concebidos e conduzidos para demonstrar a natureza ondulatória da luz e dos efeitos de interferência. Os mais notáveis são o experimento de espelho único de Humphrey Lloyd e os experimentos de espelho duplo e biprisma desenvolvidos por Augustin Fresnel para luz polarizada em cristais uniaxiais e birrefringentes. Fresnel concluiu que a interferência entre feixes de luz polarizada só pode ser obtida com feixes com a mesma direção de polarização. De fato, ondas de luz polarizadas com suas direções de vibração orientadas paralelamente umas às outras podem se combinar para produzir interferência, enquanto as que são perpendiculares não interferem.