¿Es necesaria la luz coherente para la interferencia en el experimento de la doble rendija de Young?

Question

En este vídeo de Veritasium se presenta un experimento casero que parece producir un patrón de interferencia de doble rendija muy bueno con luz solar normal.

El experimento es una caja de cartón vacía con un visor y un soporte para un portaobjetos de microscopio con dos ranuras en un lado. Se coloca con las rendijas y el visor orientados hacia el Sol, de modo que la interferencia se forme en el fondo de la caja.

Afirman observar un buen patrón de interferencia de las dos rendijas:

En los libros de texto de óptica, los debates sobre la interferencia suelen subrayar que se necesita una luz coherente para producir esos patrones, y que la luz solar y otras fuentes de luz térmica no tienen esa coherencia. Entonces, ¿cómo es posible?

Answer 1

Sí, se necesita una luz coherente. Lo importante es darse cuenta de que la luz coherente no es algo que se crea mágicamente con los láseres. La luz del sol es algo coherente y es fácil hacerla tan coherente como se quiera.

¿A qué se refiere la gente cuando dice "luz coherente"? Bueno, puede ser varias cosas diferentes, pero los criterios relevantes en este contexto son:

• La luz viaja más o menos en la misma dirección ("coherencia espacial" o "colimación")
• La luz tiene más o menos la misma frecuencia ("coherencia temporal" o "monocromaticidad")

(Véase la nota a pie de página.)

Digo "más o menos" para enfatizar el hecho de que nunca es 100% coherente, (incluso desde un láser), y nunca es 0% coherente (incluso desde una bombilla o luz solar)

La forma de pensarlo es que la luz que viaja hacia las dobles rendijas desde una determinada dirección (por ejemplo, a 10 grados de la incidencia normal) crea un patrón de doble rendija muy bonito. La luz que viaja hacia las dobles rendijas desde una dirección diferente (por ejemplo, a 20 grados de la incidencia normal) también crea un patrón de doble rendija muy bonito, pero desplazado ¡!

Así que si tienes luz que viene de cada dirección entre 10 grados y 20 grados, ves un compuesto borroso de todos esos diferentes patrones de doble rendija . Es posible que esté tan borrosa que ni siquiera se pueda ver que hay un patrón allí, simplemente se ha difuminado en una línea suave. Pero también es posible que esté sólo un poco borroso y que el patrón siga siendo reconocible.

La razón por la que hay una caja de cartón en el vídeo de youtube es para asegurar que toda la luz del cielo que llega a la rendija viaja más o menos en la misma dirección. (¿Ves cómo se puede hacer eso? Coge una caja de cartón, hazle un pequeño agujero, y luego pon una doble rendija lejos del agujero... toda la luz en la doble rendija viene ahora en la misma dirección, es decir, desde el agujero).

La frecuencia (o la longitud de onda) es básicamente la misma: las diferentes frecuencias de la luz crean diferentes patrones de interferencia, y vemos una composición borrosa de todos esos patrones diferentes a la vez. Si se utilizara una luz más monocromática (por ejemplo, luz láser roja), el patrón sería mucho menos borroso y más fácil de ver, especialmente lejos del centro del patrón. Por suerte, tenemos visión en color, por lo que podemos (hasta cierto punto) reconocer el patrón compuesto como lo que es: vemos el arco iris cerca del centro, no sólo una mancha.

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Nota: En los comentarios, la gente se queja de que el término "luz coherente" debería referirse a sólo a la coherencia espacial, no a la temporal. No estoy de acuerdo: El término puede referirse a cualquiera de ellas, dependiendo del contexto. Por ejemplo, en el contexto de la tomografía de coherencia óptica, o en el contexto de la "longitud de coherencia", o en el contexto de los interferómetros de Michelson, la gente utiliza habitualmente la frase "luz coherente" para referirse a la coherencia temporal.

Answer 2

Aquí está El experimento original de Young con la luz (después de haber estudiado las ondas del agua)

La primera pantalla genera una fuente puntual para crear una onda coherente. Si se trata de un agujero de alfiler, la geometría asegura que todos los fotones provienen de la misma fuente de luz diminuta original. Bonito ilustración aquí página 5. Coherente significa que las fases que describen la forma matemática de la onda no son aleatorias.

En el vídeo anterior, las rendijas deben ser lo suficientemente estrechas y la distancia entre ellas lo suficientemente pequeña como para que el frente de onda que llega a ellas sea similar al frente de onda de una fuente puntual.En cualquier caso, el patrón de interferencia es algo borroso debido a las numerosas frecuencias.

Answer 3

Si la fuente está lejos, la luz adquiere un cierto grado de coherencia. Mira el Teorema de Van Cittert-Zernike , como se señala en la wikipedia:

[...] el frente de onda de una fuente incoherente parecerá mayoritariamente coherente a grandes distancias

Las franjas resultantes son diferentes para los distintos colores, pero cualquier color es máximo para la dirección directa. Por lo tanto, se ve el punto brillante en el centro.

Entonces, las longitudes de onda a las que nuestros ojos son sensibles no son muy diferentes para este experimento. En otras palabras, se puede elegir una distancia entre las rendijas tal que la longitud de onda/distancia sea aproximadamente la misma para todas las frecuencias a las que es sensible el ojo (del rojo al azul), es decir, se elige una distancia grande. Entonces, todas las frecuencias entre el rojo y el azul alcanzarán su pico aproximadamente en la misma posición. El azul alcanzará su pico ligeramente antes que el rojo. En la figura, se ven efectivamente las franjas superpuestas dadas por la frecuencia más alta que puedes ver con tus ojos (luz azul) y la más baja (luz roja) poco después.

Answer 4

Newton y Young no tenían luz coherente, trabajaban con luz blanca y veían franjas de color. Pero hay una segunda condición. La dimensión de la fuente de luz tiene que ser muy pequeña o la fuente tiene que estar a una gran distancia (en relación con su dimensión). En estos casos los fotones se propagan en paralelo y no se superponen en la pantalla de observación.

Answer 5

Tengo otra perspectiva al respecto. La interferencia es un fenómeno ondulatorio que nadie sabe por qué y cómo se produce. Sólo estoy poniendo mis pensamientos y ver si responde a la suya. Cuando un fotón llega a la rendija tiene que decidir si continúa como fotón o se convierte en onda. Las condiciones que favorecen la conversión son la longitud de onda y la correlación de fase de los fotones cercanos. Cuanto más abarrotado esté el espacio con fotones no correlacionados más difícil será para un fotón ser una onda. Por lo tanto, un solo fotón pasará, pero dos fotones con diferente polarización no lo harán. No he pensado en un modelo matemático pero creo que se puede construir.

Se puede pensar en el Sol como una gran fuente de luz con una buena correlación de fase y longitud de onda entre los fotones. Lo único que se necesita es recoger los fotones y enviarlos hacia la rendija. El agujero hace un buen trabajo para producir un orden entre los fotones. Si sólo se expone la rendija al Sol, éste desordenará el espacio con fotones no relacionados y no se observará ninguna interferencia.