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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Interferenz. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen In alten Zeiten, als sie das Verhalten von Licht beobachteten, dachten sie, dass zwei Lichtstrahlen, die sich kreuzen, weiterhin ihren eigenen Weg gehen, als wäre nichts passiert. Solche Beobachtungen bestärkten den Glauben an die Körperlosigkeit, Immaterialität des Lichts. Aber passiert das wirklich? Newton Er war der erste, der ein Experiment zur Beobachtung der Wechselwirkung oder, wie die Optiker sagen, der Interferenz von Lichtstrahlen untereinander aufstellte. Er erzeugte einen keilförmigen Luftspalt, indem er eine dünne Linse (konvexe Oberfläche nach unten) auf eine flache Glasplatte legte. Dann beleuchtete der Wissenschaftler die Lücke, zuerst mit weißem Licht und dann wiederum mit anderen farbigen Hauptstrahlen. Newton stellte fest, dass die von den Glasgrenzen des Luftkeils reflektierten Strahlen offensichtlich miteinander interagierten. Bei Beleuchtung mit weißem Licht erschienen abwechselnd farbige und schillernde Ringe in der Lücke. Wenn farbige Strahlen durch den zuvor mit Hilfe eines Prismas erhaltenen Spalt geführt wurden, erschienen darin helle und dunkle Ringe. Newton verließ diese Experimente ohne seine üblichen detaillierten Schlussfolgerungen. Anscheinend entschied der Wissenschaftler, dass es versteckte Phänomene gibt, die zusätzliche Forschung erfordern, die er nicht durchführen konnte. Erst im XNUMX. Jahrhundert kamen zwei herausragende Forscher, Jung und Fresnel, zur Wissenschaft und „vollendeten“ den von Newton festgelegten Aufbau der klassischen Optik. Thomas Young (1773–1829), vielseitiger Wissenschaftler, von Beruf Arzt, ein Mann mit sehr vielseitigen Interessen – Turner und Musiker, auch als Ägyptologe bekannt. Mit ihm ist eine interessante Geschichte verbunden. Im Alter von vierzehn Jahren wurde Thomas gebeten, ein paar Sätze auf Englisch zu wiederholen, um zu sehen, ob er gut schreiben konnte. Der junge Mann blieb länger als gewöhnlich im Untersuchungsraum. Der neue Lehrer von Thomas Young war bereit, über die Inkompetenz zu lachen. Als ihm der Student jedoch ein Blatt Papier reichte, waren die vorgegebenen Sätze nicht nur umgeschrieben, sondern auch in neun (!) verschiedene Sprachen übersetzt. In seiner ersten Arbeit zur Optik zeigte Jung, dass die Linse des menschlichen Auges eine Linse mit variabler Krümmung ist. Spezielle Muskeln dehnen und komprimieren die Linse, sodass Sie sowohl entfernte als auch nahe Objekte auf der Netzhaut scharf abbilden können. Jung war erst zwanzig Jahre alt, als er diese augenärztliche Untersuchung durchführte. Die Royal Society wählte ihn sofort zum Mitglied. Jungs kritischem Verstand erschien Newtons Theorie völlig unbefriedigend. Als besonders inakzeptabel erachtete er die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit von Teilchen, unabhängig davon, ob sie von einer so winzigen Quelle wie einer glimmenden Glut oder einer so riesigen Quelle wie der Sonne emittiert wurden. Und vor allem erschien ihm die Newtonsche Theorie der „Angriffe“ unklar und unzureichend, mit deren Hilfe Newton versuchte, die Färbung dünner Platten zu erklären. Nachdem er dieses Phänomen reproduziert und darüber nachgedacht hatte, kam Jung auf eine brillante Idee über die Möglichkeit, dieses Phänomen als eine Überlagerung von Licht zu interpretieren, das von der ersten Oberfläche einer dünnen Platte reflektiert wird, und Licht, das in die Platte übertragen wird, von ihrer zweiten Oberfläche reflektiert wird und dann durch die erste beendet. Eine solche Überlagerung könnte zu einer Abschwächung oder Verstärkung des einfallenden monochromatischen Lichts führen. Es ist nicht genau bekannt, wie Jung auf seine Idee der Superposition kam. Es ist wahrscheinlich, dass dies als Ergebnis der Untersuchung von Schallschlägen geschah, bei denen der vom Ohr wahrgenommene Schall periodisch zunimmt und abnimmt. Wie dem auch sei, in vier der Royal Society von 1801 bis 1803 vorgelegten Aufsätzen, die einige Jahre später in dem zusammenfassenden Werk "Course of Lectures on Natural Philosophy and Mechanical Art" zusammengefasst wurden, das 1807 in London veröffentlicht wurde, gibt Jung die Ergebnisse wieder seiner theoretischen und experimentellen Studien. Er zitiert mehrfach aus Satz XXIV des dritten Buches von Newtons Principia, in dem die von Halley im philippinischen Archipel beobachteten anomalen Gezeiten von Newton als Folge der Überlagerung von Wellen erklärt werden. Anhand dieses besonderen Beispiels führt Jung das allgemeine Prinzip der Interferenz ein. „Stellen Sie sich eine Reihe identischer Wellen vor, die mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit über die Oberfläche eines Sees laufen und in einen schmalen Kanal eintreten, der zum Auslass des Sees führt erregt wird und gleichzeitig mit dem ersten Wellensystem mit derselben Geschwindigkeit zu demselben Kanal kommt. Keines dieser beiden Systeme wird das andere stören, aber ihre Aktionen werden sich summieren: Wenn sie sich dem Kanal so nähern, dass die Scheitelpunkte von Ein Wellensystem fällt mit den Scheitelpunkten des anderen Systems zusammen, dann bilden sie zusammen eine Ansammlung von Wellen größerer Größe, aber wenn sich die Spitzen eines Wellensystems an den Fehlerstellen eines anderen Systems befinden, füllen sie sich genau aus diese Störungen und die Wasseroberfläche im Kanal bleiben gleichmäßig, Licht, und diese Überlagerung nenne ich das allgemeine Gesetz der Lichtinterferenz. Um eine Interferenz zu erhalten, müssen beide Lichtstrahlen von derselben Quelle kommen (damit sie genau dieselbe Periode haben), nachdem sie einen anderen Weg durchlaufen haben, müssen sie auf denselben Punkt treffen und dort auch fast parallel verlaufen. Wenn also zwei Lichtanteile gemeinsamen Ursprungs auf unterschiedlichen Wegen in das Auge eintreten, so fährt Jung fort, erhält der Strahl eine maximale Intensität, vorausgesetzt, dass der Unterschied in den Strahlengängen gleich einem Vielfachen von ist eine bestimmte Länge und hat im Zwischenfall eine minimale Intensität. Diese charakteristische Länge ist für Licht unterschiedlicher Farbe unterschiedlich. 1802 bekräftigte Jung sein Prinzip der Interferenz mit dem klassischen Experiment „mit zwei Löchern“, möglicherweise beeinflusst durch ein ähnliches Experiment von Grimaldi, das jedoch aufgrund der Besonderheiten der verwendeten Installation nicht zur Entdeckung der Interferenz führte. Die Erfahrung von Young ist bekannt: In einen transparenten Bildschirm werden mit einer Nadelspitze zwei dicht beieinander liegende Löcher gestochen, die vom Sonnenlicht beleuchtet werden, das durch ein kleines Loch im Fenster fällt. Zwei Lichtkegel, die sich hinter einem undurchsichtigen Schirm bilden und sich durch Beugung ausdehnen, überlappen sich teilweise und bilden im überlappenden Teil, anstatt eine gleichmäßige Erhöhung der Beleuchtung zu ergeben, eine Reihe von sich abwechselnden dunklen und hellen Bändern. Wenn ein Loch geschlossen ist, verschwinden die Streifen und es erscheinen nur Beugungsringe vom anderen Loch. Diese Bänder verschwinden auch, wenn beide Löcher (wie in Grimaldis Experiment) direkt mit Sonnenlicht oder einer künstlichen Lichtquelle beleuchtet werden. Unter Berufung auf die Wellentheorie erklärt Jung dieses Phänomen sehr einfach. Dort entstehen dunkle Bänder, sagt der Wissenschaftler, wo sich die Einbrüche der Wellen, die durch das eine Loch gelaufen sind, mit den Kämmen der Wellen, die durch das andere Loch gelaufen sind, überlagern, so dass sich ihre Wirkung gegenseitig aufhebt; Lichtränder werden dort erhalten, wo sich zwei Wellenkämme oder zwei Wellentäler, die durch beide Löcher gegangen sind, addieren. Diese Erfahrung ermöglichte es Jung, die Wellenlänge für verschiedene Farben zu messen: Er erhielt eine Wellenlänge von 0,7 Mikrometer für rotes Licht und 0,42 Mikrometer für extremes Violett. Dies sind die ersten Messungen der Lichtwellenlänge in der Geschichte der Physik, und ihre erstaunliche Genauigkeit sollte beachtet werden. Aus seinem Interferenzprinzip leitete Jung verschiedene Konsequenzen ab. Er befasste sich mit dem Phänomen der Färbung dünner Schichten. Der Wissenschaftler erklärte sie bis ins kleinste Detail. Jung leitete die von Newton gefundenen empirischen Gesetze ab und erklärte die Verdichtung der Ringe in Newtons Experiment, wenn er den Luftspalt zwischen den Linsen durch Wasser ersetzte, indem er die Frequenz des Lichts einer bestimmten Farbe als konstant ansah, durch eine Verringerung der Geschwindigkeit von Licht in einem stärker brechenden Medium. Es ist interessant festzustellen, dass Jung den Begriff „physikalische Optik“ besitzt, der verwendet wird, um sich auf Studien über „... Lichtquellen, die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung, ihre Unterbrechung und Dämpfung, ihre Aufspaltung in verschiedene Farben, den Einfluss von unterschiedliche atmosphärische Dichten darauf, meteorologische Phänomene im Zusammenhang mit Licht, die besonderen Eigenschaften bestimmter Stoffe in Bezug auf Licht. Youngs Arbeit, die seit Newtons Zeit den bedeutendsten Beitrag zur Theorie der optischen Phänomene darstellte, wurde von den damaligen Physikern mit Mißtrauen aufgenommen und in England sogar rüden Spott ausgesetzt. Dies lag zum Teil daran, dass Jung versuchte, das Prinzip der Interferenz auf eindeutige Nicht-Interferenz-Phänomene anzuwenden, und zum Teil an einer Mehrdeutigkeit der Darstellung, die heute noch zu spüren ist und die damals noch stärker empfunden haben muss, und zum Teil , wie Jung später vorwarf Laplace, die Tatsache, dass Jung sich manchmal mit unzureichend strengen und manchmal oberflächlichen Experimenten zufrieden gab. Auch Augustin Fresnel (1788–1827), ein Straßenbauingenieur, der sich relativ spät für die Wissenschaft zu interessieren begann, ging von der Idee des Lichts als Wellenbewegung des Äthers aus. Das „gute Genie“ von Fresnel, Akademiker Francois Arago, der das herausragende Talent des Wissenschaftlers rechtzeitig bemerkte und ihm sein ganzes Leben lang half, schrieb dennoch in seinen Memoiren: „Augustin Fresnel studierte so langsam, dass er acht Jahre lang kaum lesen konnte ... Er hatte nie eine Vorliebe für das Erlernen von Sprachen, mochte Wissen nicht, das auf bloßem Gedächtnis beruhte, und prägte sich klar und überzeugend ein, was bewiesen wurde. Zunächst arbeitete Fresnel in der ländlichen Wildnis. Er hatte keine Ahnung von Jungs Experimenten, also wiederholte er sie. Und Fresnel gab eine Erklärung für Licht, das sich um Hindernisse herum krümmt, ähnlich wie Jungs. Später, bereits in Paris arbeitend, erhielt Fresnel mathematische Gleichungen, die die optischen Prozesse an der Grenze zweier verschiedener optischer Medien genau beschreiben. Verschiedene Fresnel-Formeln werden in der optischen Arbeit so häufig verwendet, dass sie in diesem Indikator zweifellos den ersten Platz einnehmen. Fresnel schlug vor, ein Interferenzmuster zu erzeugen, indem Sonnenlicht mit zwei Spiegeln, die in einem leichten Winkel zueinander stehen, auf einen Bildschirm gelenkt wird. Robert Pohl, ein bekannter Wissenschaftler und Autor vieler Universitätslehrbücher über Physik, schlug einem breiten Publikum vor, Interferenz zu erzeugen, indem Licht auf eine dünne Glimmerplatte gelenkt wird. Das von der Platte reflektierte Licht trifft auf einen großen Schirm, auf dem die Interferenzstreifen deutlich sichtbar sind. Das Phänomen der Interferenz wird häufig in Geräten verwendet, die als Interferometer bezeichnet werden. Interferometer können unterschiedlichen Zwecken dienen, beispielsweise um die Sauberkeit von Metalloberflächen zu kontrollieren. Autor: Samin D. K.
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