La Interferencia de la doble Rendija de Young para la Luz



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1. Interferencia de electrones en una doble rendija de Young (Jönsson, 1961). La dualidad onda-partícula de la naturaleza es el principio fundamental de la física cuántica.. En 1927 la naturaleza ondulatoria de los electrones fue establecida experimentalmente mediante la observación de un patrón de difracción (un fenómeno característico de la propagación de ondas) cuando incidía un haz de electrones sobre un cristal de níquel. Este experimento era más conocido como experimento pensado. Un haz de electrones incide sobre una placa provista de dos rendijas próximas ¿qué se observa sobre una pantalla, colocada detrás de las rendijas, sobre la cual cada electrón produce un punto luminoso al chocar? Si los electrones se comportasen como partículas el patrón esperado en la pantalla sería el de dos franjas luminosas, cada una de ellas imagen de una de las rendijas. Sin embargo, de acuerdo a la física cuántica, el haz electrónico se divide en dos y los haces resultantes interfieren uno con otro, formándose en la pantalla un curioso patrón de bandas oscuras y luminosas. Fue recién en 1961 que Claus Jönsson llevó a cabo el experimento en forma real.
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2. El experimento de la torre de Pisa (Galileo – siglo XVII) A fines del siglo XVI todos creían que los objetos pesados caían más rápidamente que los livianos. Después de todo, Aristóteles había dicho que así eran las cosas. Galileo arrojó simultáneamente dos pesos diferentes desde la punta de la torre inclinada de la ciudad de Pisa y observó que los dos objetos aterrizaban al mismo tiempo. Su osadía demostró la importancia de tomar a la experiencia, y no a la imaginación humana, como árbitro en materias de ciencia.
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3. El experimento de la gota de aceite (Millikan - 1909) El físico estadounidense Robert A. Millikan efectuó la primera medición directa y concluyente de la carga eléctrica de un electrón. Usando un atomizador de perfume desparramó pequeñas gotas de aceite dentro de una cámara transparente. En las partes superior e inferior había placas metálicas unidas a una batería, siendo una positiva y la otra negativa. Cuando el espacio entre las placas metálicas era ionizado por radiación (por ejemplo, rayos X), los electrones del aire se pegaban a las gotitas de aceite, adquiriendo éstas una carga negativa. Como cada gotita adquiría una leve carga de electricidad a medida que viajaba a través del aire, la velocidad de su movimiento podía ser controlada alterando el voltaje entre las placas.
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5. La descomposición de la luz solar mediante un prisma (Newton-1665)El sentido común sostenía que la luz blanca era la más pura (otra vez Aristóteles) y que la luz de colores había sido corrompida de alguna manera. Para probar esta hipótesis, Newton hizo incidir un rayo de luz solar sobre un prisma de vidrio y demostró que el prisma descomponía la luz en un espectro sobre la pared. Lo que parecía muy simple visto superficialmente, un rayo de luz blanca, era hermosamente complejo si se lo miraba con profundidad.
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5. El experimento de la interferencia de la luz (Young – 1801). Newton había convencido al mundo científico que la luz consistía exclusivamente en partículas. Thomas Young, un medico y físico inglés, puso la idea a prueba. Cubrió una ventana con papel opaco al que le hizo un pequeño agujero con un alfiler. Luego usó un espejo para desviar el fino rayo que incidía a través de la ventana e interpuso en su camino una carta de costado, de no más de dos milímetros de espesor, dividiendo al rayo en dos. El resultado fue una sombra de bandas luminosas y oscuras alternadas sobre una pantalla. Un fenómeno que podía ser explicado si los dos rayos interactúan como si fuesen ondas.
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6. El experimento de la balanza de torsión (Cavendish – 1798) El científico inglés Henry Cavendish midió por primera vez la intensidad de la fuerza de gravedad. El aparato empleado fue una balanza de torsión, esencialmente un alambre soportando una barra de madera con dos pequeñas esferas metálicas en sus extremos. Cerca de cada una de ellas colocó esferas de plomo de 170 kilos cada una. La atracción gravitatoria entre pares de esferas causaba una leve torsión del alambre, proporcional a la intensidad de la fuerza. Esto permitió el primer cálculo del valor de la constante gravitatoria G. El experimento fue popularmente conocido como el pesaje de la Tierra porque la determinación de G permitió calcular la masa de la Tierra. Cavendish realizando experimentos en su laboratorio.
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7. La medición de la circunferencia terrestre (Eratóstenes – siglo III a.c.) En Aswan, algunos 800 kms al sudeste de Alejandría en Egipto, los rayos del sol caen perpendicularmente al mediodía durante el solsticio de verano. Eratóstenes notó que en Alejandría, el mismo día y a la misma hora, los rayos del sol formaban un ángulo de 7 grados con la vertical. Dada la distancia estimativa entre las dos ciudades, Eratóstenes calculó la circunferencia de la Tierra usando simple geometría. Como existen dudas sobre la unidad de medida usada, la exactitud de su resultado es incierta pero podría haber variado entre un 5 y un 17 por ciento del valor aceptado actualmente.
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8. El experimento del plano inclinado (Galileo – siglo XVII) Galileo continuó refinando sus ideas acerca de los objetos en movimiento. Arrojó bolas de bronce por un plano inclinado midiendo el tiempo del descenso con un reloj de agua (una gran vasija que se vaciaba a través de un tubo muy fino) Luego de cada corrida pesaba el agua que había salido de la vasija, a partir de ello deducía el tiempo de la caída y lo comparaba con la distancia que la bola había viajado. Aristóteles hubiese predicho que la velocidad de una bola rodante sería constante: si uno dobla el tiempo que viajó, se doblaría la distancia recorrida. Galileo fue capaz de demostrar que, en realidad, la distancia es proporcional al cuadrado del tiempo: si uno duplica el tiempo, la bola viajará cuatro veces más lejos. La razón es que la bola está siendo constantemente acelerada por la fuerza de gravedad.
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9. El descubrimiento del núcleo (Rutherford – 1911) En 1911 se pensaba que los átomos consistían en una nube de carga eléctrica positiva con electrones embebidos, el modelo “pastel con pasas de uvas”. Pero cuando Ernest Rutherford disparó pequeños proyectiles cargados, llamados partículas alfa, contra una delgada lámina de oro se sorprendió al encontrar que un pequeño porcentaje de proyectiles rebotaban. Concluyó que los átomos en realidad no podían ser tan pulposos. La mayor parte de la masa debía estar concentrada en una diminuta coraza, hoy llamada núcleo, con los electrones girando a su alrededor. Esta imagen del átomo, con ciertos remiendos cuánticos, es la que persiste hoy en día.
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10. El péndulo de Foucault (Foucault – 1851) En Paris el científico francés Jean Foucault suspendió una bola de hierro de 30 kilos de la cúpula del Panteón usando un cable de acero de 60 metros de largo y la puso en movimiento, meciéndose ida y vuelta. Para marcar su progreso le agregó una aguja a la bola y puso arena en el piso. La audiencia observó con asombro como el péndulo inexplicablemente parecía rotar, dejando una traza ligeramente distinta en cada oscilación. En realidad era el piso del Panteón el que se movía lentamente y Foucault había demostrado, más convincentemente que nunca, que la Tierra gira alrededor de su eje. En la latitud de Paris el recorrido del péndulo efectúa una rotación completa en el sentido de las agujas del reloj cada 30 horas, en el hemisferio sur el péndulo rota en sentido opuesto y en el Ecuador no rota para nada.
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La Interferencia de Young de la doble rendija para la luz
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Breve historia acerca de la naturaleza de la luz Las primeras teorías documentadas acerca de la naturaleza de la luz provienen de los antiguos griegos. Aristóteles creía que la luz era una especie de perturbación del aire, uno de los cuatro "elementos" que componían la materia. Siglos después, Lucrecio, quien, como Demócrito, creía que la materia estaba compuesta de "átomos indivisibles", y que la luz era una partícula emitida por el sol. En el siglo XVII, surgieron en Francia dos modelos distintos para explicar el fenómeno de la luz. El filósofo y matemático francés René Descartes creía que una sustancia invisible, que el denominó el plenum, permeaba el universo. Igual que Aristóteles, Descartes creía que la luz era una perturbación que viajaba a través del plenum, como una ola viaja a través del agua. Pierre Gassendi, un contemporáneo de Descartes, cuestionó esta teoría, y declaró que la luz estaba compuesta de partículas diferenciadas.
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Mientras se desarrollaba esta controversia entre dos filósofos franceses rivales, dos destacados científicos ingleses del siglo XVII se inclinaban a considerarla uno como partículas y el otro como ondas. Isaac Newton, después de considerar ambos modelos, decidió finalmente que la luz estaba hecha de partículas (aunque las llamó corpúsculos). Robert Hooke, era partidario de la teoría ondulatoria. Estos dos científicos, a diferencia de los anteriores, basaron sus teorías en las observaciones del comportamiento de la luz: reflexión y refracción. La reflexión, como en un espejo, era un acontecimiento bien conocido, pero la refracción, no era bien entendido en ese entonces.
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Los partidarios de la teoría corpuscular señalaban que la reflexión era una evidencia que la luz consistía en partículas individuales que rebotaban de los objetos, como bolas de billar. Newton pretendía que la refracción podía ser explicada a través de sus leyes de movimiento, en la que las partículas de luz eran los objetos en movimiento. Suponía que cuando las partículas de luz cruzaban el límite entre dos materiales de diferentes densidades, tal como el aire y el agua, una fuerza perpendicular a la interfase producía un incremento en su velocidad y el cambio de dirección de las partículas. Como la luz “no doblaba las esquinas o los obstáculos”, Newton creía que la luz no podía difractarse. Por lo tanto, concluía que la luz no era una onda. Para explicar las pequeñas desviaciones de los rayos de luz al pasar por un obstáculo o un pequeño orificio apelaba a la existencia del “fenómeno de inflexión”: atracción entre los corpúsculos de luz y un medio material
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LOS ORÍGENES DEL CONCEPTO DE INTERFERENCIA Los comerciantes ingleses en el siglo 17 observaron un curioso comportamiento de las mareas en el golfo de Tongkin (hoy Hanoi). El patrón de las mareas ha sido descrita en 1684, por el viajero inglés Francis Davenport, en una carta publicada en Philosophical Transactions (Davenport, 1684). En esa región nunca hay más de una marea alta al día, y dos veces cada mes lunar, a intervalos de 14 días, no hay ninguna marea. En los siguientes siete días, la altura de la marea aumenta y llega a su mayor altura cuando la luna está en su máxima declinación. Esta anormalidad ha atraído la atención de la comunidad científica inglesa, y es natural que Newton se haya ocupado del tema en su Principia de 1688. Newton atribuyó el patrón de las mareas de Tongkin a la superposición de dos mareas que llegan de diferentes direcciones. Una marea, sugirió, procede del “mar de China”, con un retraso de 6 h, y la otra del “mar de la India”, con un retraso de 12 h. Cuando ellas tienen la misma amplitud sus efectos se cancelan en la zona del golfo de Tongkin (Newton 1688).
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A pesar que el concepto de interferencia ya estaba implícita en la explicación de Newton de las anomalías de las mareas en el golfo de Tongkin fue Thomas Young (1801) el que supuso que el concepto de interferencia era un principio aplicable por igual a la interacción de las mareas, los batidos producidos por la superposición de dos sonidos de casi la misma frecuencia, y para los colores de películas delgadas. Este principio - él mismo lo llamó una ley general - ha sido el más valioso de los muchos legados de Young a la ciencia. Figuras utilizadas por Young para mostrar la interferencia constructiva y destructiva de las ondas. Las líneas sólidas en A muestran las dos ondas componentes y la central en lineas cortadas se muestra la onda resultante reducida a la mitad de su valor. Las líneas sólidas en B y C muestran las ondas componentes en diferentes relaciones de fase.