Isaac Newton, obserwując cienką warstwę powietrza między soczewką a płaską szybką, zauważył coś, czego nie potrafił do końca wyjaśnić: kolorowe pierścienie i pasy, które pojawiały się tam, gdzie logicznie nie powinno być żadnych barw. Sam wolał teorię światła jako strumienia cząstek, więc te prążki pozostały dla niego ciekawostką, a nie dowodem — dopiero sto lat później Thomas Young użył podobnego eksperymentu, by udowodnić, że światło jest falą. Ty możesz odtworzyć tę obserwację w kilkanaście minut z dwóch kawałków szkła i paska folii aluminiowej.

Co nam będzie potrzebne?

  • 2 płaskie szybki szklane, najlepiej z małych ramek do zdjęć (ok. 5×5 cm lub większe, im równiejsze, tym lepiej)
  • cienki pasek folii aluminiowej, kawałek zwykłej kartki papieru lub pojedynczy włos jako “klin” dystansowy
  • źródło światła zbliżonego do jednobarwnego: żółta lub zielona dioda LED, lampa sodowa (np. uliczna, jeśli akurat macie dostęp), albo zwykła latarka z kolorowym filtrem celofanowym
  • ciemne, zaciemnione pomieszczenie lub przynajmniej ciemne tło za szybkami
  • dwa klipsy biurowe (binder clips) lub taśma klejąca do spięcia szybek na jednym końcu
  • lupa albo aparat smartfona w trybie makro do obserwacji prążków z bliska
  • miękka ściereczka do czyszczenia szkła z odcisków palców i kurzu

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie szybek. Dokładnie oczyść obie szybki ściereczką z obu stron — każdy pyłek czy odcisk palca zaburzy obraz prążków, bo wprowadzi lokalną nierówność w szczelinie powietrznej między szkłami. Trzymaj je odtąd za krawędzie, unikając dotykania środkowych powierzchni.

Krok 2: Wstawienie klina. Na jednym końcu, przy krawędzi jednej z szybek, umieść cienki pasek folii aluminiowej lub złożoną kilkukrotnie kartkę papieru — to on stworzy niewielką szczelinę o rosnącej grubości. Połóż drugą szybkę na pierwszej tak, żeby przeciwny koniec obu szybek stykał się bezpośrednio ze sobą, a koniec z folią był lekko uniesiony. Powstaje w ten sposób klinowata warstwa powietrza: praktycznie zerowej grubości przy styku szkieł, rosnącej stopniowo aż do grubości folii na drugim końcu.

Krok 3: Spięcie układu. Zepnij oba końce szybek klipsami biurowymi (albo przyklej taśmą z boków, nie na powierzchni), żeby układ się nie rozjechał podczas obserwacji. Delikatny, równomierny docisk sprawia, że klin powietrza ma stały, powtarzalny kształt, a prążki będą wyraźne i regularne.

Krok 4: Oświetlenie. Ustaw źródło światła — diodę LED z filtrem lub latarkę z celofanem — tak, żeby padało na szybki pod niewielkim kątem, najlepiej z góry, podczas gdy ty patrzysz od góry pod podobnym kątem, obserwując odbite światło na tle ciemnego tła. Najlepiej działa to w zaciemnionym pokoju, bo rozproszone światło dzienne zaleje słabo widoczne prążki.

Krok 5: Obserwacja prążków. Powinieneś zobaczyć na powierzchni szkła szereg prostych, równoległych, na przemian jasnych i ciemnych (lub kolorowych, jeśli światło nie jest idealnie jednobarwne) linii, biegnących równolegle do krawędzi styku szybek. Policz je lupą lub przez aparat w trybie makro — im bliżej krawędzi z folią, tym są gęstsze, bo klin powietrza szybciej zmienia grubość. Delikatnie naciśnij szybki palcem w środku układu i obserwuj, jak prążki się przesuwają — to dowód, że reagujesz na zmianę grubości szczeliny rzędu pojedynczych mikrometrów.

Wyjaśnienie naukowe

To, co widzisz, to interferencja światła w cienkiej warstwie o zmiennej grubości — zjawisko znane jako prążki równej grubości albo prążki Fizeau. Światło padające na górną szybkę częściowo odbija się od jej dolnej powierzchni, a częściowo przechodzi dalej, odbija się od górnej powierzchni dolnej szybki i wraca tą samą drogą. Te dwie odbite fale nakładają się na siebie, a ponieważ przebyły nieco różne drogi (różnica zależy od lokalnej grubości warstwy powietrza), w jednych miejscach wzmacniają się wzajemnie (jasny prążek), a w innych się znoszą (ciemny prążek). Ponieważ klin powietrza ma grubość rosnącą liniowo wzdłuż jednego kierunku, prążki wychodzą proste i równoległe — w odróżnieniu od klasycznych pierścieni Newtona, które powstają, gdy zamiast dwóch płaskich szybek użyje się soczewki opartej na płaskiej płytce; wtedy warstwa powietrza ma kształt koncentrycznych okręgów o rosnącym promieniu, więc i prążki są okrągłe.

Newton opisał te barwne wzory szczegółowo w swoim traktacie “Opticks” z 1704 roku, mierząc nawet odległości między pierścieniami z zaskakującą precyzją jak na epokę sprzed teorii falowej światła. Paradoksalnie, sam odrzucał wyjaśnienie falowe na rzecz teorii korpuskularnej, więc choć to jego nazwisko nosi zjawisko, prawidłowe wytłumaczenie — jako interferencję fal świetlnych odbitych od dwóch bliskich powierzchni — podał dopiero Thomas Young na początku XIX wieku, opierając się częściowo na własnych eksperymentach z podwójną szczeliną. To jeden z niewielu przypadków w historii fizyki, gdzie zjawisko obserwowane i opisane ilościowo przez jednego uczonego doczekało się poprawnego wyjaśnienia dopiero pokolenie później, przez kogoś reprezentującego przeciwną szkołę myślenia o naturze światła.

Ta sama zasada — pomiar bardzo małych różnic grubości przez zliczanie prążków interferencyjnych — ma dziś ogromne znaczenie praktyczne. Producenci soczewek i luster optycznych sprawdzają płaskość swoich wyrobów, kładąc na nich wzorcową “płytkę optyczną” (optical flat) i licząc powstałe prążki: każdy prążek odpowiada zmianie grubości szczeliny o połowę długości fali światła, czyli ułamek mikrometra, więc metoda wykrywa nierówności niemożliwe do zmierzenia suwmiarką. W przemyśle półprzewodnikowym podobną interferometrię wykorzystuje się do pomiaru grubości warstw nanometrowych osadzanych na krzemowych płytkach. Ten sam fundament fizyczny — porównywanie dróg optycznych dwóch wiązek światła — działa też w gigantycznej skali w detektorach fal grawitacyjnych LIGO, gdzie interferometr o ramionach długości czterech kilometrów wykrywa zmiany odległości mniejsze niż promień pojedynczego protonu.

Warianty

Zmiana koloru światła. Powtórz obserwację kolejno z czerwonym, zielonym i niebieskim filtrem (lub diodami LED tych kolorów) nałożonym na tę samą latarkę. Zauważysz, że odstępy między prążkami zmieniają się z barwą — światło niebieskie, o krótszej długości fali, daje gęstsze prążki niż czerwone o dłuższej fali, bo warunek wzmocnienia zależy wprost od długości fali światła.

Wymuszone pierścienie Newtona. Zamiast folii jako klina, dociśnij środek dwóch szybek opuszkiem palca lub czubkiem ołówka, tak by powstało lokalne wygięcie. Wokół punktu nacisku pojawią się koncentryczne, kolorowe pierścienie — to właśnie klasyczny eksperyment Newtona, który możesz teraz porównać bezpośrednio z prostymi prążkami klina.

Pomiar grubości włosa. Zastąp folię aluminiową pojedynczym ludzkim włosem umieszczonym w tym samym miejscu. Policzywszy liczbę ciemnych prążków między krawędzią styku a miejscem włosa oraz znając w przybliżeniu długość fali użytego światła, możesz oszacować grubość włosa z dokładnością do mikrometrów — dokładnie tak, jak metrolodzy sprawdzają dziś mikroskopijne elementy precyzyjnej mechaniki.

Często zadawane pytania

Dlaczego światło musi być prawie jednobarwne? Prążki interferencyjne powstają, bo fale o określonej długości albo się wzmacniają, albo znoszą w zależności od grubości szczeliny powietrznej — a każda długość fali (czyli każda barwa) ma swój własny wzór jasnych i ciemnych miejsc, przesunięty względem innych barw. Światło białe to mieszanka wielu długości fal naraz, więc ich prążki nakładają się na siebie i szybko się rozmywają, zostawiając widoczne wyraźnie tylko kilka pierwszych, najbliższych krawędzi styku, często w tęczowych barwach zamiast czystej czerni i bieli. Używając światła zbliżonego do jednobarwnego — jak żółta lampa sodowa czy pojedynczy kolor diody LED — eliminujesz to nakładanie i prążki pozostają ostre i wyraźne na całej długości klina, dokładnie tak jak w oryginalnych eksperymentach Newtona, który używał światła słonecznego przepuszczonego przez pryzmat, żeby wydzielić pojedynczą barwę — podobny efekt rozszczepienia możesz zobaczyć w domowym spektroskopie z płyty CD .

Czym różnią się smugi Newtona od pierścieni Newtona? Oba zjawiska mają identyczne źródło fizyczne — interferencję światła odbitego od dwóch bliskich powierzchni rozdzielonych cienką warstwą powietrza — różni je wyłącznie geometria tej warstwy. W wariancie z dwiema płaskimi szybkami i klinem z folii grubość szczeliny rośnie liniowo w jednym kierunku, więc miejsca stałej grubości (a więc i stałej interferencji) tworzą linie proste, równoległe do krawędzi klina. W klasycznym eksperymencie Newtona z soczewką opartą na płaskiej płytce szczelina rośnie promieniście od punktu styku we wszystkich kierunkach jednakowo, więc miejsca stałej grubości tworzą koncentryczne okręgi — stąd nazwa “pierścienie”. Możesz zresztą zaobserwować obie formy w jednym eksperymencie, opisane w sekcji Warianty powyżej.

Czy mogę to zobaczyć zwykłą żarówką, bez specjalnego źródła światła? Tak, choć efekt będzie wyraźnie słabszy i bardziej kolorowy niż w świetle jednobarwnym, bo żarówka emituje szerokie spektrum barw nakładających swoje wzory prążków jedna na drugą. Najlepsze wyniki bez lampy sodowej czy diody LED daje przepuszczenie światła żarówki przez pojedynczy filtr kolorowy — kawałek czerwonego lub zielonego celofanu wystarczy, żeby zawęzić spektrum na tyle, by prążki stały się wyraźnie widoczne przez kilkanaście–kilkadziesiąt linii od krawędzi styku. Ta sama zasada filtrowania barwy leży zresztą u podstaw działania filtrów polaryzacyjnych i kolorowych używanych w eksperymencie z polaryzacją światła — w obu przypadkach chodzi o wyodrębnienie jednej właściwości światła z chaotycznej mieszanki, jaką emitują codzienne źródła.