Experimento da dupla fenda – faixa do vermelho

O experimento da dupla fenda, realizado 200 anos atrás por Thomas Young, é um dos marcos da física e um dos experimentos mais importantes da história.

O melhor, é que dá para fazer ele em casa. O primeiro post foi descrito aqui.
https://ideiasesquecidas.com/2018/06/17/o-experimento-da-fenda-dupla/

Devido ao padrão de interferência da luz, o resultado é uma espécie de linha tracejada (positivos se reforçando e pontos negativos e positivos se anulando).

Provocado por um comentário (do leitor Pedro Arka), resolvi fazer o experimento com duas cores de laser: um verde e um vermelho.

O ideal era fazer um lab física de verdade, medindo o tamanho entre cristas do laser. Mas isso é profissional demais e dá trabalho demais, tira a graça de fazer o mesmo em casa. A pergunta a ser respondida aqui é: qual o laser que dá a maior distância entre tracejados?

Fiz o experimento – e fazer na prática dá trabalho, há muita coisa que atrapalha o mesmo (como as minhas 3 filhas querendo brincar com o laser, por exemplo).

Mas, a duras penas, cheguei as fotos abaixo.

As fotos para vermelho e verde foram tiradas contra uma parede mais longe, o zoom da câmera é o mesmo para ambos.

Agora, em uma parede mais próximas, o mesmo zoom.

Outro fator é que o laser verde é mais forte do que o vermelho, em termos de hardware (o vermelho comprei num camelô, o verde comprei no AliExpress e paguei bem mais caro).

Mas, mesmo assim, parece que o verde tem espaço menor entre tracejados, e por isso, mais tracejados na foto.

Agora, vejamos a teoria.

Segundo a Wikipedia, esses são os comprimentos de onda do verde e vermelho.

Color Wavelength Frequency Photon energy

Green 500–565 nm 530–600 THz 2.25–2.34 eV
Red 625–740 nm 405–480 THz 1.65–2.00 eV

E essa é a fórmula para a distância entre cristas. Fonte: https://study.com/academy/lesson/double-slit-experiment-explanation-equation.html

O que interessa nela é que d (distância entre cristas) é diretamente proporcional ao comprimento de onda. Ou seja, quanto menor o comprimento de onda, menor a distância entre cristas. O resto dos parâmetros diz respeito ao número da crista, a relação entre a distância entre fendas e a distância para a parede, etc, que são iguais para ambos os lasers. Portanto, o verde realmente tem distância menor – ou seja, não conseguimos invalidar 200 anos de física ótica com nosso experimentozinho…

Deixando as fórmulas de lado, é legal interpretar fisicamente. O comprimento de onda é a distância entre os picos da onda. Então, se imaginar o pico como traço e o vale como espaço em branco, dá um tracejado. O vermelho é um tracejado maior do que o verde.

Sobre o contexto. Isaac Newton, aquele mesmo, postulou que a luz é composta por minúsculas partículas. Isto explicaria porque a luz não faz curvas, por exemplo.

Thomas Young foi um sujeito genial, que concebeu o experimento da fenda dupla para contrapor Newton, e provar que a luz era uma onda. Havia vários outros indícios disto, como por exemplo, a difração (mudança de direção) da luz na água.

Pois bem, a luz foi considerada uma onda desde Young, até Albert Einstein publicar em 1905 um paper sobre o efeito fotoelétrico, que só poderia ser explicado se… a luz fosse uma partícula! A luz é meio esquizofrênica, ora partícula, ora onda.

Anos depois, Louis De Broglie postulou algo mais maluco ainda. Não era apenas a luz que apresentava tal comportamento dual, mas toda a matéria!

O experimento da fenda dupla também evoluiu, de forma muito esquisita. Os cientistas tentaram enviar disparos fóton a fóton, ou melhor elétron a elétron, só que mesmo assim a interferência ocorria. Era como se o elétron interferisse com si mesmo. Mas o bizarro mesmo era quando os cientistas tentaram medir qual fenda o elétron escolhia. Neste caso, a interferência era destruída, ou seja, quando observada, o elétron se comporta como partícula!

Ou seja, passada toda a história da civilização, ainda assim estamos longe de saber o que é a luz. E, um experimento tão simples como o mostrado foi um dos precursores dessas discussões todas.

Nota: Li num livro do Robert Greene sobre a Pedra de Rosetta, trazida do Egito por Napoleão e toda a corrida científica para decifrar os misteriosos hierógrifos dos faraós. Pois bem, no livro narrava a história de um certo Thomas Young que conseguiu traduzir a pedra. Ora, o Thomas Young que decifrou os hierógrifos é o mesmo Thomas Young do experimento da fenda dupla, mostrando o quão genial era o rapaz.


Ideias técnicas com uma pitada de filosofia

https://ideiasesquecidas.com/

O experimento da fenda dupla

Que tal reproduzir em casa um dos experimentos de física mais famosos de todos os tempos?

Em 1801, o físico Thomas Young provou que a luz se comporta como uma onda, ao fazer o experimento da interferência da fenda dupla – em inglês, double slit interference. As consequências foram tremendas, mudou completamente a ideia dos cientistas sobre a luz.

Hoje em dia, qualquer um pode reproduzir tal experimento em casa, sem fazer muita força.

É necessário apenas um ponteiro laser e um pedaço de papel cartão.

IMG_0551
Ponteira laser, verde, 512 nm

Peguei um pedaço de papel grosso, e com um estilete simples, fiz uma fenda única, e a fenda dupla (colocando 1 mm de espaço entre fendas).

Fendas.png

Apontando o laser direto para a parede acontece isto, como qualquer um que já brincou com ponteiras laser sabe:

SemFenda.png

Apontando o laser verde através da fenda única deu o seguinte resultado:

singleslit.jpg

Passando o laser pela fenda dupla, algo semelhante.

doubleslit.jpg

Note em ambos os casos, o padrão de interferência: a luz é mais forte em alguns pontos e nula em outros – parece uma linha tracejada.

A explicação de Young foi que a luz se comporta como uma onda passando pelas fendas, e gerando o padrão de reforçar ou anular as amplitudes. Vide https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment para mais detalhes.

No caso da fenda única, o argumento é mais ou menos parecido. Mesmo com uma fenda apenas, cada ponto de luz ao longo da largura da fenda forma uma fonte. (https://www.khanacademy.org/science/physics/light-waves/interference-of-light-waves/v/single-slit-interference)

Colocando as duas fotos juntas:SingleDoubleSlit.png

No single slit é um pouco mais difícil perceber o padrão de interferência, com distância entre picos menores, e o brilho do centro é maior.

Um detalhe que eu não tinha percebido, quando li sobre como fazer a experiência. Fiz as fendas na horizontal, e o padrão resultante apareceu na vertical! Algo como no diagrama a seguir.

Fendas

Pensando bem, faz sentido. Se fiz  a fenda na horizontal, ao longo de toda esta horizontal, a luz pode passar, então é como se não tivesse fenda alguma. É ao longo da vertical que há uma barreira física de verdade. Experimento prático é para isso mesmo, para perceber detalhes que passariam despercebidos olhando só para teoria.

Young, há 200 anos atrás, utilizou velas e luz do sol para fazer os seus  experimentos.

Este experimento é uma dos pilares da ótica, e uma variação extremamente interessante deste (colocando detectores para saber por qual fenda a onda vai) deu origem aos questionamentos da física quântica, que até hoje estão sendo discutidos. Vou tentar reproduzir a mesma, algum dia.

O impressionante é que, no mundo contemporâneo, é possível fazer um laboratório de física sem sair de casa. O laser, made in China, eu comprei num stand shop de eletrônicos da Av. Paulista por R$ 30,00. Um laser, um papel cartão e um estilete foram tudo o que precisei para reproduzir o experimento. Imagine o que Isaac Newton faria hoje!


Links

https://www.khanacademy.org/science/physics/light-waves/interference-of-light-waves/v/single-slit-interference

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/interference/doubleslit/