영의 간섭 실험

Young's interference experiment

영의 이중슬릿 간섭계라고도 불리는 영의 간섭 실험은 19세기 초 토마스 영에 의해 수행된 현대 이중슬릿 실험의 원형이었습니다. 실험은 빛의 파동 이론을 일반적으로 수용하는 데 큰 역할을 했습니다.[1] 영 자신의 판단으로는 이것이 그의 많은 업적 중 가장 중요한 것이었습니다.

17~18세기 빛의 전파이론

이 기간 동안 로버트 훅, 크리스티안 하위헌스, 레온하르트 오일러 등 많은 과학자들이 실험적 관찰을 바탕으로 빛의 파동 이론을 제안했습니다.[2] 그러나 빛에 대한 많은 실험적인 조사를 한 아이작 뉴턴은 빛의 파동 이론을 거부하고 빛이 아주 작은 입자의 형태로 발광되는 것에 따라 자신의 빛의 미립자 이론을 발전시켰습니다.[3] 가장자리나 좁은 구멍의 회절 효과, 박막과 곤충 날개의 색, 두 광선이 교차할 때 빛 입자가 서로 충돌하지 않는 명백한 실패 등 많은 현상이 있었음에도 불구하고, 이 이론은 19세기 초까지 유지되었습니다. 그럼에도 불구하고 Pierre-Simon Laplace와 Jean-Baptiste Biot을 포함한 많은 저명한 지지자들이 있었던 근육 이론으로는 적절하게 설명될 수 없었습니다.

파동이론에 관한 영의 연구

1807년에 출판된 책에서 1802년에 영이 강의한 내용을 런던의 왕립연구소에 이르기까지

1790년대 괴팅겐에서 의학을 공부하던 영은 소리의[4] 물리적, 수학적 성질에 관한 논문을 썼고, 1800년 왕립학회에 논문을 발표하여 빛도 파동 운동이라고 주장했습니다. 그의 아이디어는 뉴턴의 미립자 이론과 모순되기 때문에 어느 정도 회의적인 반응을 얻었습니다. 그럼에도 불구하고 그는 자신의 아이디어를 계속 발전시켰습니다. 그는 파동 모델이 입자 모델보다 빛의 전파의 여러 측면을 훨씬 더 잘 설명할 수 있다고 믿었습니다.

매우 광범위한 종류의 현상들은 우리를 더욱 직접적으로 같은 결론에 이르게 합니다; 그것들은 주로 투명한 판들에 의한 색상의 생성으로 이루어져 있고, 회절이나 변곡에 의한 것들은 방출의 가정에 의해 설명되지 않았습니다. 발사체 시스템을 지지하는 사람들 중에서도 가장 솔직한 사람들을 만족시킬 수 있을 정도로 미세하거나 포괄적인 방법으로; 반면에, 그들 모두는 두 개의 빛의 간섭의 효과로부터 한 번에 이해될 수 있지만, 그것은 박자의 감각을 소리로 구성하는 것과 거의 유사한 방식으로, 불완전한 유니슨을 형성하는 두 개의 현이 함께 진동하는 소리가 들립니다.[5]

토마스[6] 영의 물파도 관측에 의한 간섭현상에 관한 스케치

1801년, 영은 왕립학회에 다양한 간섭 현상을 기술한 "빛과 색에 관한 이론"[7]이라는 제목의 유명한 논문을 발표했습니다. 1803년에 그는 그의 유명한 간섭 실험을 묘사했습니다.[8] 영의 실험은 현대의 이중 슬릿 실험과 달리 작은 구멍을 통해 햇빛을 반사하고(조향 거울을 이용해), 종이 카드를 이용해 얇은 빔을 반으로 쪼개는 방식입니다.[6][8][9] 그는 또한 실험에 대한 설명에서 두 개의 슬릿을 통해 빛을 통과시킬 수 있는 가능성에 대해 언급합니다.

이중슬릿 실험의 현대적 삽화

주어진 색상의 빛이 주어진 폭 또는 주어진 주파수의 기복으로 구성된다고 가정할 때, 이러한 기복은 물의 파동과 소리의 펄스의 경우에 이미 조사한 효과와 관련이 있어야 합니다. 서로 가까운 중심에서 진행되는 두 개의 동일한 일련의 파동이 특정 지점과 다른 지점에서 서로의 영향을 파괴하여 두 배로 증가시키는 것으로 나타났습니다. 그리고 두 소리의 박동은 유사한 간섭에서 설명되었습니다. 우리는 이제 색의 대체 결합과 소멸에도 동일한 원리를 적용해야 합니다.

빛의 두 부분의 효과가 그렇게 결합될 수 있으려면, 그것들이 같은 기원으로부터 유도되어야 하고, 서로 많이 벗어나지 않는 방향으로 다른 경로에 의해 같은 지점에 도착해야 합니다. 이 편차는 회절, 반사, 굴절 또는 이들 효과의 조합에 의해 둘 중 하나 또는 둘 모두에서 발생할 수 있습니다. 그러나 가장 간단한 경우는 균일한 빛의 광선이 발산의 중심으로 간주될 수 있는 두 개의 매우 작은 구멍 또는 슬릿이 있는 스크린에 떨어질 때, 빛이 사방으로 회절될 때부터 이 경우, 새로 형성된 두 개의 빔이 이들을 차단하기 위해 놓여진 표면에 수신될 때, 그들의 빛은 어두운 줄무늬에 의해 거의 같은 부분으로 분할되지만, 표면이 구멍으로부터 더 멀리 떨어져 있을수록 더 넓어져서, 모든 거리에서 구멍으로부터 거의 같은 각도로 보조됩니다. 또한 구멍이 서로 더 가까운 것과 같은 비율로 더 넓습니다. 두 부분의 중간은 항상 빛이며, 양쪽의 밝은 줄무늬는 거리가 너무 멀기 때문에 구멍 중 하나에서 오는 빛은 다른 쪽에서 오는 것보다 더 긴 공간을 통과해야 합니다. 이 간격은 추정되는 기복의 1, 2, 3 또는 그 이상의 폭과 동일합니다. 그 사이에 있는 어두운 공간들은 한 바퀴 반, 두 바퀴 반, 혹은 그 이상의 반으로 추정되는 차이에 해당합니다.

여러 실험들을 비교해 보면, 극단적인 붉은 빛을 구성하는 기복의 폭은 공기 중에서 약 36,000분의 1인치, 극단적인 보라색의 폭은 약 60,000분의 1인치여야 합니다. 빛의 강도에 대한 전체 스펙트럼의 평균, 45,000분의 1 정도입니다. 이러한 차원에서 볼 때, 알려진 빛의 속도에 따라 계산하면, 이러한 가장 느린 굴절 중 거의 5억 개가 1초 안에 눈에 들어와야 합니다. 백색광 또는 혼합광의 두 부분의 조합은 먼 거리에서 보았을 때, 이 간격에 해당하는 몇 개의 백색 및 흑색 줄무늬를 보여줍니다: 자세히 관찰해 보면, 폭이 다른 무한히 많은 줄무늬들의 뚜렷한 효과들이 함께 합쳐진 것처럼 보이지만, 아름다운 다양한 색조를 만들어 내기 위해 서로에게 조금씩 전달합니다. 중앙의 흰색은 처음에는 노란색으로 바뀌고, 그 다음에는 황갈색으로 바뀌고, 그 다음에는 진홍색이 되고, 보라색과 파란색이 함께 나타나는데, 멀리서 보면 짙은 줄무늬로 나타납니다. 그 다음에는 녹색 빛이 나타나고, 그 너머의 어두운 공간은 진홍색을 띠고, 그 다음에 나오는 빛은 다소 초록색입니다. 짙은 보라색과 붉은 색의 공간; 그리고 이 모든 효과에서 붉은 빛이 우세한 것처럼 보이기 때문에, 빨간색이나 보라색 줄무늬는 마치 그들의 빛이 따로따로 수신된 것처럼 혼합된 무늬에서 거의 같은 위치를 차지합니다.[5]

원거리 무늬에 대한 기하학

그림은 원거리 시야 평면에 대한 기하학적 구조를 보여줍니다. 두 점 소스에서 시야 평면의 특정 지점까지 이동하는 빛의 상대적인 경로는 각도 θ에 따라 달라지므로 상대적인 위상도 달라집니다. 경로 차이가 파장의 정수와 같을 때는 두 파동이 합쳐져서 밝기가 최대가 되는 반면, 경로 차이가 파장의 절반, 또는 1.5 등과 같을 때는 두 파동이 상쇄되어 강도가 최소가 됩니다.

화면의 프린지(밝기가 최대인 선) 사이의 선형 분리() -δY {\Deltay}는 다음 식과 같습니다.

은 슬릿과 스크린 사이의 거리이며,λdisplaystyle\lambda}은의 파장이고 d d}은 그림과 같이 슬릿 분리입니다.

그다음에 θ인 모서리의 각 간격은 다음과 같이 주어집니다.

여기서 θ <<1, λ는 빛의 파장입니다. Young이 언급한 바와 같이 테두리의 간격은 파장, 구멍의 분리, 슬릿과 관측면 사이의 거리에 따라 달라지는 것을 알 수 있습니다.

이 표현은 광원이 단일 파장을 가질 때 적용되는 반면 영은 햇빛을 사용했기 때문에 위에서 설명한 백색광 무늬를 보고 있었습니다. 화이트 라이트 프린지 패턴은 서로 다른 색상의 개별 프린지 패턴 세트로 구성된다고 볼 수 있습니다. 이들은 모두 중앙에서 최대값을 갖지만 파장에 따라 간격이 달라지고 중첩 패턴은 최대치가 다른 곳에서 발생하기 때문에 색상이 다양합니다. 보통 2~3개의 무늬만 관찰할 수 있습니다. 영은 이 공식을 사용하여 보라색 빛의 파장을 400 nm로 추정하고 빨간색 빛의 파장은 그 두 배 정도로 추정했습니다. 오늘날 우리가 동의하는 결과입니다.

1803년에서 1804년 사이에 영의 이론에 대한 일련의 서명되지 않은 공격이 에딘버러 리뷰에 나타났습니다. 익명의 저자(나중에 에든버러 리뷰의 설립자 헨리 브로엄으로 밝혀짐)는 영스 로열 인스티튜트 강의를 출판하는 데 전념했던 출판사가 계약에서 탈퇴할 정도로 독서 대중들 사이에서 영스의 신뢰성을 떨어뜨리는 데 성공했습니다. 이 사건은 영이 그의 의료 행위에 더 집중하고 물리학에는 덜 집중하게 만들었습니다.[10]

빛의 파동이론의 수용

1817년, 시메옹 드니 푸아송을 포함한 프랑스 과학 아카데미의 코퍼스 이론학자들은 입자 이론가가 상을 받을 것이라고 확신하며 다음 해의 상 주제를 회절로 정했을 정도로 자신감이 넘쳤습니다.[4] 오거스틴-장 프레넬은 파동 이론에 기초한 논문을 제출했고, 그 내용은 하위헌스의 원리와 영의 간섭 원리의 종합으로 구성되었습니다.[2]

포아송은 프레넬의 이론을 자세히 연구했고, 물론 빛의 입자 이론을 지지하는 사람으로서 그것이 틀렸다는 것을 증명할 방법을 찾았습니다. 푸아송은 프레넬 이론의 결과로 점광원을 가로막고 있는 원형 장애물의 그림자에 축 위의 밝은 점이 존재할 것이며, 여기서 빛의 입자 이론에 따라 완전한 어둠이 있어야 한다고 주장하면서 결함을 발견했다고 생각했습니다. 푸아송은 프레넬의 이론이 사실일 수 없다고 선언했습니다. 확실히 이 결과는 터무니없는 것이었습니다. (대부분의 일상적인 빛의 원천은 좋은 점원이 아니기 때문에, 푸아송의 점은 일상적인 상황에서 쉽게 관찰되지 않습니다. 실제로 적당히 밝은 별의 초점이 제거된 망원경 이미지에서 쉽게 볼 수 있으며, 회절 고리의 동심원 배열 내에서 밝은 중심점으로 나타납니다.

그러나 위원회의 위원장인 도미니크 프랑수아 장 아라고는 실험을 더 자세히 수행할 필요가 있다고 생각했습니다. 그는 2mm 금속 원판을 왁스로 유리판에 성형했습니다.[11] 모든 사람들이 놀랍게도 그는 예측된 장소를 관찰하는 데 성공했고, 이것은 대부분의 과학자들에게 빛의 파동성을 확신시켰습니다. 결국 프레넬은 대회에서 우승했습니다.

그 후, 빛의 미립자 이론은 20세기가 되어서야 다시 들을 수 있게 되었습니다. 아라고는 나중에 이 현상(때로는 아라고 불리는)이 조셉-니콜라스 델리슬레[1] 의해 이미 관측되었다고 언급했습니다.

참고 항목

참고문헌

각주

인용

  1. ^ a b Heavens, O. S.; Ditchburn, R. W. (1991). Insight into Optics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92769-3.
  2. ^ a b Born, M.; Wolf, E. (1999). Principles of Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64222-4.
  3. ^ "Magic Without Lies". Cosmos: Possible Worlds. Episode 9. 6 April 2020. National Geographic.
  4. ^ a b Mason, P. (1981). The Light Fantastic. Penguin Books. ISBN 978-0-14-006129-1.
  5. ^ a b Young, T. (1807). A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts. Vol. 1. William Savage. Lecture 39, pp. 463–464. doi:10.5962/bhl.title.22458.
  6. ^ a b Rothman, T. (2003). Everything's Relative and Other Fables in Science and Technology. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-20257-8.
  7. ^ Young, T. (1802). "The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 92: 12–48. doi:10.1098/rstl.1802.0004. JSTOR 107113.
  8. ^ a b "Thomas Young's experiment". www.cavendishscience.org. Archived from the original on 2022-03-31. Retrieved 2017-07-23.
  9. ^ Veritasium (2013-02-19), The Original Double Slit Experiment, retrieved 2017-07-23
  10. ^ Robinson, Andrew (2006). The Last Man Who Knew Everything. New York, NY: Pi Press. pp. 115–120. ISBN 0-13-134304-1.
  11. ^ Fresnel, A. J. (1868). Oeuvres Completes d'Augustin Fresnel: Théorie de la Lumière. Imprimerie impériale. p. 369.