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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Interferência. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Nos tempos antigos, observando o comportamento da luz, eles pensavam que dois feixes de luz, se cruzando, continuavam a seguir seu próprio caminho como se nada tivesse acontecido. Tais observações fortaleceram a crença na incorporeidade, imaterialidade da luz. Mas é isso mesmo que acontece? Newton ele foi o primeiro a montar um experimento sobre a observação da interação, ou, como dizem os oculistas, a interferência dos raios de luz entre si. Ele criou um espaço de ar em forma de cunha, colocando uma lente fina (superfície convexa para baixo) em uma placa de vidro plana. Em seguida, o cientista iluminou a lacuna, primeiro com luz branca e depois com outros raios coloridos principais. Newton observou que os raios, refletidos dos limites de vidro da cunha de ar, obviamente interagiam entre si. Quando iluminado com luz branca, cores alternadas e anéis iridescentes apareceram na lacuna. Quando raios coloridos passavam pela abertura, previamente obtida com a ajuda de um prisma, anéis claros e escuros apareciam nela. Newton deixou esses experimentos sem suas costumeiras conclusões detalhadas. Aparentemente, o cientista decidiu que existem fenômenos ocultos que exigem pesquisas adicionais que ele não poderia realizar. Somente no século XNUMX dois pesquisadores notáveis, Jung e Fresnel, chegaram à ciência e "completaram" a construção da óptica clássica estabelecida por Newton. Thomas Young (1773-1829), um cientista versátil, médico de profissão, um homem com interesses muito variados - ginasta e músico, e também conhecido como egiptólogo. Eles contam uma história interessante ligada a ele. Aos quatorze anos, Thomas foi convidado a reproduzir diversas frases em inglês para testar se conseguia escrever bem. O jovem passou mais tempo do que o normal na sala de testes. O novo professor de Thomas Jung estava pronto para rir da incompetência. Porém, quando o aluno lhe entregou um pedaço de papel, as frases fornecidas não foram apenas reescritas, mas também traduzidas para nove (!) idiomas diferentes. Em seu primeiro trabalho sobre óptica, Jung mostrou que a lente do olho humano é uma lente com curvatura variável. Músculos especiais esticam e comprimem a lente, permitindo que você obtenha uma imagem nítida de objetos distantes e próximos na retina. Jung tinha apenas vinte anos quando realizou este exame opto-médico. A Royal Society imediatamente o elegeu membro. Para a mente crítica de Jung, a teoria de Newton parecia completamente insatisfatória. Especialmente inaceitável, ele considerou a constância da velocidade das partículas de luz, independentemente de serem emitidas por uma fonte tão pequena como uma brasa fumegante ou uma fonte tão grande quanto o Sol. E acima de tudo, a teoria newtoniana de "ataques" parecia-lhe pouco clara e insuficiente, com a ajuda da qual Newton tentou explicar a coloração de placas finas. Depois de reproduzir esse fenômeno e refletir sobre ele, Jung teve uma ideia brilhante sobre a possibilidade de interpretar esse fenômeno como uma superposição de luz refletida da primeira superfície de uma placa fina e luz transmitida para a placa, refletida de sua segunda superfície e depois saiu pela primeira. Tal superposição pode levar a um enfraquecimento ou fortalecimento da luz monocromática incidente. Não se sabe exatamente como Jung surgiu com sua ideia de superposição. É provável que isso tenha ocorrido em decorrência do estudo dos batimentos sonoros, em que há um aumento e diminuição periódicos do som percebido pelo ouvido. Seja como for, em quatro trabalhos apresentados à Royal Society de 1801 a 1803, combinados alguns anos depois no trabalho resumidor "Curso de palestras sobre filosofia natural e arte mecânica", publicado em Londres em 1807, Jung apresenta os resultados de seus estudos teóricos e experimentais. Ele cita várias vezes a frase XXIV do terceiro livro dos Principia de Newton, em que as marés anômalas observadas por Halley no arquipélago filipino são explicadas por Newton como resultado da superposição de ondas. A partir desse exemplo em particular, Jung introduz o princípio geral da interferência. "Imagine uma série de ondas idênticas percorrendo a superfície de um lago a uma certa velocidade constante e entrando em um canal estreito que leva à saída do lago. Imagine ainda que, por alguma outra razão semelhante, outra série de ondas da mesma magnitude é excitado, chegando a esse mesmo canal na mesma velocidade simultaneamente com o primeiro sistema de ondas. Nenhum desses dois sistemas perturbará o outro, mas suas ações se somarão: se eles se aproximarem do canal de tal forma que os vértices de um sistema de ondas coincide com os vértices do outro sistema, então eles juntos formam uma coleção de ondas de maior magnitude, mas se os topos de um sistema de ondas estiverem localizados nos locais de falhas de outro sistema, eles preencherão exatamente essas falhas e a superfície da água no canal permanecerão uniformes, leves, e chamo essa superposição de lei geral da interferência da luz. Para obter interferência, ambos os feixes de luz devem vir da mesma fonte (para que tenham exatamente o mesmo período), após passarem por um caminho diferente, devem cair no mesmo ponto e também seguir quase paralelos. Assim, continua Jung, quando duas partes da luz de origem comum entram no olho por caminhos diferentes, viajando quase na mesma direção, o feixe adquire intensidade máxima, desde que a diferença nos caminhos dos raios seja igual a um múltiplo de alguns certo comprimento, e tem uma intensidade mínima no caso intermediário. Este comprimento característico é diferente para luz de cores diferentes. Em 1802, Jung reforçou seu princípio de interferência com o experimento clássico "com dois furos", possivelmente influenciado por um experimento semelhante de Grimaldi, que, no entanto, não levou à descoberta da interferência devido às peculiaridades da instalação utilizada. A experiência de Young é bem conhecida: em uma tela transparente, dois orifícios próximos são perfurados com a ponta de um alfinete, que são iluminados pela luz do sol que passa por um pequeno orifício na janela. Dois cones de luz formados atrás de uma tela opaca, expandindo-se por difração, se sobrepõem parcialmente, e na parte sobreposta, em vez de dar um aumento uniforme de iluminação, formam uma série de faixas alternadas de escuro e claro. Se um orifício for fechado, as franjas desaparecem e apenas os anéis de difração do outro orifício aparecem. Essas bandas também desaparecem quando ambos os buracos são iluminados (como no experimento de Grimaldi) diretamente pela luz do sol ou por uma fonte de luz artificial. Invocando a teoria das ondas, Jung explica muito simplesmente esse fenômeno. Ali se obtêm bandas escuras, diz o cientista, onde os mergulhos das ondas que passaram por um buraco se sobrepõem às cristas das ondas que passaram pelo outro buraco, de modo que seus efeitos se anulam; aros leves são obtidos onde duas cristas ou dois mergulhos de ondas que passaram por ambos os orifícios se somam. Essa experiência permitiu a Jung medir o comprimento de onda para várias cores: ele obteve um comprimento de onda de 0,7 mícron para a luz vermelha e 0,42 mícron para o violeta extremo. Estas são as primeiras medições do comprimento de onda da luz na história da física, e sua incrível precisão deve ser notada. De seu princípio de interferência, Jung deduziu várias consequências diferentes. Ele considerou o fenômeno de colorir camadas finas. O cientista os explicou nos mínimos detalhes. Jung derivou as leis empíricas encontradas por Newton e, considerando constante a frequência da luz de uma determinada cor, explicou a compactação dos anéis no experimento de Newton ao substituir o entreferro entre as lentes por água por uma diminuição da velocidade da luz em um meio mais refrativo. É interessante notar que Jung é dono do termo "ótica física", que é usado para se referir a estudos de "... fontes de luz, a velocidade de sua propagação, sua interrupção e atenuação, sua divisão em cores diferentes, a influência diferentes densidades atmosféricas, fenômenos meteorológicos relacionados à luz, as propriedades especiais de certas substâncias em relação à luz. O trabalho de Young, representando a contribuição mais significativa para a teoria dos fenômenos ópticos desde a época de Newton, foi percebido pelos físicos da época com desconfiança, e na Inglaterra eles foram até submetidos ao ridículo grosseiro. Isso se deveu em parte ao fato de que Jung tentou aplicar o princípio da interferência a fenômenos claramente não interferentes, e em parte a alguma imprecisão de apresentação, que ainda é sentida agora e que deve ter sido ainda mais sentida naqueles dias, e em parte , como Jung censurou mais tarde Laplace, o fato de que Jung às vezes se satisfazia com experimentos insuficientemente rigorosos e às vezes superficiais. Augustin Fresnel (1788-1827), engenheiro de estradas, que começou a se interessar pela ciência relativamente tarde, também partiu da ideia da luz como um movimento ondulatório do éter. O “bom gênio” de Fresnel, o acadêmico François Arago, que notou o talento notável do cientista a tempo e o ajudou por toda a vida, escreveu em suas memórias: “Augustin Fresnel estudou tão lentamente que por oito anos mal conseguiu ler ... Ele nunca sentiu uma propensão para aprender línguas, não gostava de conhecimentos baseados na mera memória e memorizava o que era provado de forma clara e convincente. No início, Fresnel trabalhou no deserto rural. Ele não tinha ideia dos experimentos de Jung, então os repetiu. E Fresnel deu uma explicação sobre a curvatura da luz em torno de obstáculos semelhantes aos de Jung. Mais tarde, enquanto já trabalhava em Paris, Fresnel recebeu equações matemáticas que descrevem com precisão os processos ópticos que ocorrem na fronteira de dois meios ópticos diferentes. Várias fórmulas de Fresnel são usadas com tanta frequência no trabalho óptico que, sem dúvida, ocupam o primeiro lugar neste indicador. Para criar um padrão de interferência, Fresnel propôs direcionar a luz do sol para uma tela usando dois espelhos colocados em um pequeno ângulo um do outro. Um conhecido cientista, autor de muitos livros universitários sobre física, Robert Pohl propôs a um grande público a criação de interferência ao direcionar a luz para uma fina placa de mica. A luz refletida pela placa atinge uma grande tela, na qual as franjas de interferência são claramente visíveis. O fenômeno da interferência é amplamente utilizado em dispositivos chamados interferômetros. Os interferômetros podem servir a uma variedade de propósitos, por exemplo, para controlar a limpeza de superfícies metálicas. Autor: Samin D. K.
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