การทดลองการรบกวนของยัง
การทดลองการแทรกสอดของ Youngเป็นการทดลองทางแสงจำนวนหนึ่งที่Thomas Young อธิบายหรือดำเนินการในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 เพื่อสาธิตทฤษฎีคลื่นของแสงการทดลองเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการยอมรับทฤษฎีคลื่นของแสง [ 1 ] การทดลองดังกล่าวเป็นเวอร์ชันดั้งเดิมของการทดลองช่องคู่สมัยใหม่
พื้นหลัง
ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 17 มีการอภิปรายถึงสมมติฐานสองข้อเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง[ 2 ]โรเบิร์ต ฮุคและคริสเตียน ฮุยเกนส์สนับสนุนทฤษฎีคลื่น ในขณะที่ไอแซค นิวตันผู้ซึ่งทำการทดลองเกี่ยวกับแสงมากมาย ได้พัฒนาทฤษฎีอนุภาคของแสงซึ่งระบุว่าแสงถูกปล่อยออกมาจากวัตถุเรืองแสงในรูปของอนุภาคเล็กๆ เมื่อถึงปลายศตวรรษที่ 18 ชื่อเสียงของนิวตันในฐานะนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ทำให้ทฤษฎีการปล่อยแสงได้รับความได้เปรียบอย่างมาก แม้แต่เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ ผู้มีชื่อเสียง ซึ่งสนับสนุนทฤษฎีคลื่นก็ไม่สามารถกระตุ้นให้เกิดการอภิปรายได้[ 2 ] : xxiii [ 3 ] : 13
งานของยังเกี่ยวกับทฤษฎีคลื่น
ขณะศึกษาแพทยศาสตร์ที่เมืองเกิตทิงเงนในช่วงทศวรรษ 1790 ยังได้เขียนวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับเสียงของมนุษย์[ 4 ]เพื่อที่จะประกอบวิชาชีพแพทย์ในอังกฤษ ยังจำเป็นต้องใช้เวลาสามปีที่มหาวิทยาลัยในอังกฤษ[ 5 ] : 55 เขาใช้เวลาที่เคมบริดจ์เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและคณิตศาสตร์ของเสียง งานวิจัยนี้เกี่ยวข้องกับการซ้อนทับของคลื่นเสียง วิธีที่คลื่นอิสระสองคลื่นรวมกัน และการแทรกสอด ซึ่งเป็นผลที่ตามมาจากการรวมกัน การซ้อนทับเป็นที่เข้าใจกันมาก่อนยัง เพราะเป็นที่ทราบกันดีว่าคลื่นเสียงสองคลื่นสามารถทะลุผ่านกันได้ การแทรกสอดนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก เนื่องจากความถี่ของคลื่นทั้งสองมีผลต่อผลลัพธ์ของการรวมกัน[ 3 ] : 27
ในปี ค.ศ. 1800 เขาได้นำเสนอเอกสารต่อราชสมาคม (ซึ่งเขียนขึ้นในปี ค.ศ. 1799) โดยเขาโต้แย้งว่าแสงก็เป็นการเคลื่อนที่แบบคลื่นเช่นกัน แนวคิดของเขาได้รับการตอบรับด้วยความสงสัยในระดับหนึ่ง เนื่องจากขัดแย้งกับทฤษฎีอนุภาคของนิวตัน อย่างไรก็ตาม เขายังคงพัฒนาแนวคิดของเขาต่อไป เขาเชื่อว่าแบบจำลองคลื่นสามารถอธิบายการแพร่กระจายของแสงได้ดีกว่าแบบจำลองอนุภาคในหลายๆ ด้าน
ปรากฏการณ์กลุ่มใหญ่มากนำเราไปสู่ข้อสรุปเดียวกันโดยตรงยิ่งขึ้น โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยการสร้างสีโดยใช้แผ่นโปร่งใส และโดยการเลี้ยวเบนหรือการหักเห ซึ่งไม่มีสิ่งใดได้รับการอธิบายโดยสมมติฐานของการแผ่รังสีในลักษณะที่ละเอียดถี่ถ้วนหรือครอบคลุมเพียงพอที่จะทำให้ผู้สนับสนุนระบบโปรเจคไทล์ที่ซื่อสัตย์ที่สุดพึงพอใจ ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้ทั้งหมดสามารถเข้าใจได้ทันทีจากผลของการรบกวนของแสงคู่ ในลักษณะที่เกือบจะคล้ายกับสิ่งที่ก่อให้เกิดความรู้สึกของจังหวะในเสียง เมื่อได้ยินสายสองเส้นที่สร้างเสียงประสานที่ไม่สมบูรณ์สั่นพร้อมกัน[ 6 ]
ยังได้นำเสนอ การบรรยาย รางวัลเบเกเรียนของราชสมาคมในปี พ.ศ. 2343, พ.ศ. 2344 และ พ.ศ. 2346 [ 8 ]การบรรยายในปี พ.ศ. 2344 เรื่อง "เกี่ยวกับทฤษฎีของแสงและสี" ได้อธิบายปรากฏการณ์การแทรกสอดต่างๆ และได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2345 [ 9 ]ในการบรรยายเหล่านี้ ยังได้สาธิตการแทรกสอดของคลื่นน้ำเชิงกลโดยใช้ถังคลื่นซึ่งประกอบด้วยเทียนไขที่ส่องสว่างก้นถังแก้วที่มีกระจกเงาทำมุม 45 องศาอยู่ด้านบน[ 5 ] : 108 การบรรยายที่ตีพิมพ์ของเขารวมถึงภาพร่างของรูปแบบการแทรกสอดจากแหล่งกำเนิดคลื่นเชิงกลสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากัน[ 3 ] : 55
บทความตีพิมพ์ฉบับแรกที่กล่าวถึงสิ่งที่ยังเรียกว่า 'กฎทั่วไป' ของการแทรกแซง ปรากฏขึ้นในเดือนมกราคม ค.ศ. 1802 ในหนังสือของเขาชื่อA Syllabus of a Course of Lectures on Natural and Experimental Philosophy :
แต่กฎทั่วไปซึ่งควบคุมปรากฏการณ์ทั้งหมดเหล่านี้สามารถอนุมานได้ง่ายมากจากการแทรกแซงของคลื่นสองลูกที่ตรงกันซึ่งร่วมมือกันหรือทำลายล้างซึ่งกันและกันในลักษณะเดียวกับที่โน้ตดนตรีสองตัวสร้างความเข้มข้นและการผ่อนคลายสลับกันในการตีจังหวะประสานเสียงที่ไม่สมบูรณ์[ 10 ]
การบรรยาย Bakerian ครั้งแรกของ Young ได้รับการตีพิมพ์ในฤดูใบไม้ผลิปี 1802 [ 11 ]
ความเกี่ยวข้องกับการทดลองช่องคู่
ในปี ค.ศ. 1803 ยังได้อธิบายการทดลองกับช่องแคบสองช่อง ในยุคปัจจุบัน การทดลองนี้ถือเป็นการพิสูจน์แบบคลาสสิกที่สำคัญของทฤษฎีคลื่นแสง อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่ายังได้ทำการทดลองใดบ้าง และการทดลองใดบ้างที่เขาอธิบายว่าเป็นเพียงการทดลองทางความคิด[ 3 ] : 118 [ 7 ] : 20
การทดลองเวอร์ชันแรกของ Young สะท้อนแสงอาทิตย์ (โดยใช้กระจกสะท้อนแสง) ผ่านรูเล็กๆ และแบ่งลำแสงบางๆ ออกเป็นสองส่วนโดยใช้กระดาษการ์ด[ 5 ] : 122 [ 12 ] [ 13 ]
ในคำอธิบายการทดลองของเขา เขายังกล่าวถึงความเป็นไปได้ในการส่งแสงผ่านช่องแคบสองช่องด้วย:
สมมติว่าแสงสีใด ๆ ประกอบด้วยคลื่นที่มีความกว้างหรือความถี่ที่กำหนดไว้ ก็ย่อมหมายความว่าคลื่นเหล่านี้จะต้องได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์ที่เราได้ศึกษาไปแล้วในกรณีของคลื่นน้ำและคลื่นเสียง ได้มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าคลื่นสองชุดที่เท่ากันซึ่งเกิดขึ้นจากจุดศูนย์กลางที่อยู่ใกล้กัน อาจหักล้างผลกระทบของกันและกันได้ในบางจุด และเพิ่มผลกระทบเป็นสองเท่าในจุดอื่น ๆ และการรวมกันของเสียงสองเสียงก็ได้รับการอธิบายจากปรากฏการณ์การรบกวนที่คล้ายกัน ตอนนี้เราจะนำหลักการเดียวกันนี้มาใช้กับการรวมและการดับสลับกันของสี เพื่อให้ผลกระทบของแสงสองส่วนสามารถรวมกันได้ จำเป็นต้องให้แสงทั้งสองส่วนมาจากจุดกำเนิดเดียวกัน และมาถึงจุดเดียวกันโดยเส้นทางที่แตกต่างกัน ในทิศทางที่ไม่เบี่ยงเบนไปจากกันมากนัก การเบี่ยงเบนนี้อาจเกิดขึ้นในส่วนใดส่วนหนึ่งหรือทั้งสองส่วนโดยการเลี้ยวเบน การสะท้อน การหักเห หรือผลกระทบใด ๆ เหล่านี้รวมกัน แต่กรณีที่ง่ายที่สุดดูเหมือนจะเป็นกรณีที่ลำแสงสม่ำเสมอตกกระทบลงบนหน้าจอที่มีรูหรือช่องเล็กๆ สองช่อง ซึ่งอาจถือได้ว่าเป็นศูนย์กลางการกระจายแสง จากนั้นแสงจะเลี้ยวเบนไปในทุกทิศทาง ในกรณีนี้ เมื่อลำแสงที่เกิดขึ้นใหม่สองลำตกกระทบลงบนพื้นผิวที่วางไว้เพื่อดักจับลำแสงเหล่านั้น แสงจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนๆ ด้วยแถบสีดำ โดยส่วนต่างๆ จะมีขนาดเกือบเท่ากัน แต่จะกว้างขึ้นเมื่อพื้นผิวอยู่ห่างจากช่องมากขึ้น เพื่อให้ได้มุมที่เกือบเท่ากันจากช่องในทุกระยะ และจะกว้างขึ้นในสัดส่วนเดียวกันเมื่อช่องอยู่ใกล้กันมากขึ้น ตรงกลางของสองส่วนนั้นสว่างเสมอ และแถบสว่างที่แต่ละด้านอยู่ห่างกันมากจนแสงที่เข้ามาจากช่องเปิดด้านหนึ่งต้องผ่านพื้นที่ที่ยาวกว่าแสงที่มาจากอีกด้านหนึ่ง โดยมีช่วงห่างเท่ากับความกว้างของคลื่นที่สมมติขึ้นหนึ่ง สอง สาม หรือมากกว่านั้น ในขณะที่พื้นที่มืดที่คั่นกลางนั้นสอดคล้องกับความแตกต่างของคลื่นที่สมมติขึ้นครึ่งหนึ่ง หนึ่งครึ่ง สองครึ่ง หรือมากกว่านั้น[ 6 ]
การวิจารณ์
ในช่วงปี ค.ศ. 1803–1804 มีบทความโจมตีทฤษฎีของ Young ที่ไม่มีชื่อผู้เขียนปรากฏในEdinburgh Reviewผู้เขียนนิรนาม (ซึ่งต่อมาเปิดเผยว่าเป็นHenry Broughamผู้ก่อตั้งEdinburgh Review ) ประสบความสำเร็จในการบั่นทอนความน่าเชื่อถือของ Young ในหมู่ผู้อ่านมากพอที่สำนักพิมพ์ที่ตกลงจะตีพิมพ์การบรรยายของ Young ที่ Royal Institution ถอนตัวออกจากข้อตกลง เหตุการณ์นี้กระตุ้นให้ Young หันมามุ่งเน้นที่การปฏิบัติทางการแพทย์ของเขามากขึ้นและให้ความสำคัญกับฟิสิกส์น้อยลง[ 5 ]
การยอมรับทฤษฎีคลื่นของแสง
ในปี ค.ศ. 1817 นักทฤษฎีอนุภาคที่สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งฝรั่งเศสซึ่งรวมถึงSiméon Denis Poissonมั่นใจมากจนตั้งหัวข้อสำหรับรางวัลในปีถัดไปเป็นการเลี้ยวเบน โดยมั่นใจว่านักทฤษฎีอนุภาคจะเป็นผู้ชนะ[ 14 ] Augustin-Jean Fresnelได้ส่งวิทยานิพนธ์โดยอิงจากทฤษฎีคลื่น ซึ่งเนื้อหาประกอบด้วยการสังเคราะห์หลักการของ Huygensและหลักการแทรกสอดของ Young [ 2 ] ในฐานะผู้สนับสนุนทฤษฎีอนุภาคของแสง Poisson ได้ศึกษาทฤษฎีของ Fresnel อย่างละเอียดเพื่อหาวิธีพิสูจน์ว่ามันผิด Poisson คิดว่าเขาพบข้อบกพร่องเมื่อเขาโต้แย้งว่าผลที่ตามมาของทฤษฎีของ Fresnel คือจะมีจุดสว่างบนแกนในเงาของสิ่งกีดขวางทรงกลมที่ปิดกั้นแหล่งกำเนิดแสงแบบจุดซึ่งควรจะมืดสนิทตามทฤษฎีอนุภาคของแสง ทฤษฎีของ Fresnel ไม่น่าจะเป็นจริง Poisson ประกาศว่า ผลลัพธ์นี้ช่างไร้สาระอย่างแน่นอน อย่างไรก็ตาม หัวหน้าคณะกรรมการDominique-François-Jean Aragoคิดว่าจำเป็นต้องทำการทดลอง เขาปั้นแผ่นโลหะขนาด 2 มม. ลงบนแผ่นกระจกด้วยขี้ผึ้ง[ 15 ]และสังเกตจุดที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อมั่นในธรรมชาติของคลื่นแสง ในที่สุด Fresnel ก็ชนะการแข่งขัน ต่อมา Arago ตั้งข้อสังเกตว่าปรากฏการณ์ (ซึ่งบางครั้งเรียกว่าจุด Arago ) ได้รับการสังเกตโดยJoseph-Nicolas Delisle แล้ว [ 1 ]