Interferómetro de Michelson: Definición, principios y aplicaciones

¿Qué es un interferómetro?

¿Qué es un interferómetro? Un interferómetro es un instrumento científico que se utiliza para medir longitudes de onda (generalmente ondas de luz), distancias y formas de superficies con un alto nivel de precisión. Aprovechando la naturaleza ondulatoria de la luz, los científicos, ingenieros e investigadores utilizan técnicas de interferometría para lograr muchos objetivos, incluida la detección de ondas gravitacionales y la medición de longitudes de onda de la luz en los campos de la astronomía, la confirmación de los índices de refracción y las estructuras superficiales de los materiales en la ciencia de los materiales. calibrar instrumentos de detección de movimiento en muchos campos y medir patrones de viento y temperatura en ciencias atmosféricas.

Un interferómetro puede tener muchas formas y diseños diferentes según los objetivos del instrumento específico, pero en general, un interferómetro funciona tomando una fuente de luz y dividiendo esa onda de luz en dos mitades mediante el uso de un espejo especializado, enviando la mitad de la onda de luz hacia abajo. un camino y la otra mitad de la ola por un camino diferente. Al final de cada camino, los rayos de luz encuentran espejos que hacen rebotar cada onda de luz hasta la mitad, invirtiendo su dirección hacia donde se dividieron inicialmente, y es aquí donde las dos mitades se recombinan. Cuando las dos ondas de luz se recombinan, crean lo que se llama un patrón de interferencia, considerado así porque las franjas circulares de luz y oscuridad en este patrón se crean debido a la interferencia durante la recombinación, cuando los picos y valles de las dos mitades de las ondas de luz interactúan.. Al analizar este patrón que forman las ondas de luz recombinadas, los científicos pueden realizar mediciones de las longitudes de onda de la luz emitida por una fuente, de los cambios en las distancias de los objetos, de las características de la superficie del material, etc. Este patrón de interferencia es en realidad de donde el interferómetro obtiene su nombre; es una combinación de los términos «interferencia» y «medidor», combinados para crear «interferómetro».

Hay un tipo de interferómetro que ocupa un lugar importante en la historia por los profundos resultados que ayudó a detectar y por su relativa simplicidad. Esto se conoce como Interferómetro de Michelson, llamado así en honor al científico estadounidense Albert A. Michelson, y este interferómetro en particular será el tema central del resto de la lección.

Interferómetro de Michelson

¿Qué hace tan famoso al interferómetro construido por Albert A. Michelson? Fue el diseño de este interferómetro el que permitió realizar la primera medición precisa de la velocidad de la luz en 1887, lo que fue un logro asombroso. A finales del siglo XIX, la idea predominante entre los científicos era que todas las ondas necesitaban algún tipo de medio en el que viajar para poder propagarse en el espacio. ¿Cómo llegan las olas del océano a la orilla? La ola viaja a través del océano y el agua es el medio por el que viaja la ola. ¿Cómo llegan las ondas sonoras a los oídos de los animales? La onda viaja a través del aire y el gas es el medio a través del cual viaja la onda. Si no hay agua, una ola oceánica no puede propagarse; Si no hay aire, una onda sonora no puede propagarse.

Debido a estas observaciones, los científicos a la vanguardia de la física moderna a finales del siglo XIX creyeron que debía existir algún medio que permitiera la propagación de las ondas de luz, lo que significaba que tenía que estar presente algún tipo de material para explicar cómo la luz de el Sol o la luz de una llama viajan desde su fuente hasta encontrarse con los ojos del observador. Seguía siendo un problema desconcertante, ya que dicho medio parecía imperceptible para los sentidos, pero aun así, los investigadores necesitaban determinar si este medio existe y, de ser así, cuáles son sus características y comportamiento definitorios. Este medio distinto en el que se suponía que la luz se propagaba se llama «éter luminífero», o «éter» para abreviar. Este fue el objetivo de Michelson en la década de 1880, diseñar un experimento que pudiera determinar si el éter existía en nuestro universo.

Después de que un experimento en 1881 utilizando un diseño de interferómetro diferente dejara a Michelson con resultados indecisos, mejoró su diseño al interferómetro de Michelson que conocemos hoy y realizó un experimento en 1887, denominado experimento de Michelson-Morely (co-dirigido por Edward W. Morely), de nuevo con el objetivo de detectar el éter que supuestamente necesitaban las ondas de luz para propagarse por el espacio. La imagen mostrada muestra un dibujo de la configuración experimental física del experimento de Michelson-Morely realizado en 1887.

Encima de una mesa con capacidad de girar 360 grados se encuentran fuentes de luz, un espejo especial para dividir el haz de luz y espejos planos regulares para dirigir la luz según el diseño. En la siguiente sección se mostrará y discutirá un diagrama más detallado de la configuración experimental de Michelson-Morley. Para comprender los resultados del experimento de Michelson-Morley, es necesario analizar el movimiento en un medio. Tomemos el ejemplo de dos nadadores en un río que fluye, compitiendo de una manera peculiar: el nadador 1 nadará a lo ancho del río y regresará, viajando de una orilla del río a la otra y nadando de regreso al lugar de inicio, luchando contra la corriente de manera apropiada. a lo largo de cada tramo de la carrera para regresar a su punto de partida. Alternativamente, el nadador 2 comienza en el mismo punto de partida que el nadador 1, pero nada corriente abajo, con el flujo del agua, dándose la vuelta cuando nada la misma distancia que el nadador 1 (una distancia igual al ancho del río), regresando a el punto de partida mientras nadan contra la corriente del río. Debido a que los nadadores deben navegar por el agua en movimiento del río de diferentes maneras, no regresarán al punto de partida al mismo tiempo. El nadador 1 generalmente siempre ganará la carrera y tardará menos en regresar al punto de partida que el nadador 2.

Un concepto similar se utiliza en el experimento de Michelson-Morley: si el éter existe y la Tierra se mueve a través de él, entonces las ondas de luz viajarán a diferentes velocidades cuando viajan en diferentes direcciones en el medio del éter, al igual que los dos nadadores. viajó diferentes velocidades al viajar en diferentes direcciones en el medio en movimiento del agua del río. Como se describió en la sección anterior, un interferómetro divide una onda de luz en dos mitades y requiere que cada mitad viaje en una dirección diferente. En general, al observar el patrón de interferencia, Michelson pudo determinar cómo variaba la velocidad de la luz dependiendo de la dirección de viaje de las ondas de luz en el éter. Para sorpresa de Michelson, no parecía haber ninguna dependencia direccional de la velocidad de la luz, lo que implicaba que no existe ningún medio como el éter a través del cual la luz viaja para propagarse por el espacio.

El experimento de Michelson-Morley fue repetido por otros investigadores en ese momento y fue mejorado continuamente a lo largo de los años. Cada experimento arrojó la misma conclusión de que, efectivamente, el éter luminífero no existía y que las ondas de luz poseen la capacidad de propagarse a través del vacío, lo que significa que las ondas de luz no necesitan un medio para viajar en el espacio, como sí lo hacen el sonido y las olas del océano. A continuación, discutiremos el diseño general del interferómetro de Michelson y lo que logra físicamente.

Diagrama del experimento del interferómetro de Michelson

¿Cuál es el diseño del interferómetro de Michelson? En el diagrama experimental se da el diseño general del interferómetro de Michelson. El interferómetro de Michelson consta de una fuente de luz (en este caso, un láser), dos espejos planos, una pantalla o detector para registrar el patrón de interferencia y un espejo semiplateado especialmente construido, también llamado divisor de haz. En adelante, nos referiremos al espejo plano en la parte superior del diagrama como Espejo 1 (M1) y a la distancia entre el Espejo 1 y el espejo semiplateado en el centro del diagrama como {eq}L_1 {/eq}. Además, nos referiremos al espejo a la derecha del diagrama como Espejo 2 (M2) y a la distancia entre el Espejo 2 y el espejo semiplateado en el centro del diagrama como {eq}L_2 {/eq}.

Así es como funciona el diseño del interferómetro de Michelson: la luz de una fuente de luz, como un láser (representado por la flecha roja), se envía hacia el espejo semiplateado, también llamado divisor de haz. Aquí, la mitad de la onda de luz (Onda 1) se envía en una dirección, en dirección a M1 (representada por las flechas verdes), y la otra mitad (Onda 2) se envía en una dirección perpendicular (90 grados) a la primera. en dirección a M2 (representado por las flechas naranjas). La onda 1 viaja una distancia {eq}L_1 {/eq} hasta M1 y se refleja casi directamente por donde vino, regresando hacia el divisor de haz, mientras que la onda 2 viaja una distancia {eq}L_2 {/eq} hasta M2 y También se refleja casi directamente de regreso por donde vino, dirigiéndose hacia el divisor de haz. En la ubicación del divisor de haz, las ondas se recombinan (Onda 1 + Onda 2, representada por la flecha violeta) y luego viajan a la pantalla/detector, donde crean un patrón de interferencia.

Dependiendo de la naturaleza del experimento, la longitud de onda de la luz entrante, {eq}\lambda {/eq}, o las distancias a los espejos, {eq}L_1 {/eq} y/o {eq}L_2 {/eq } se puede variar para determinar diferentes cantidades de interés. A continuación, discutiremos los principios de funcionamiento detrás del interferómetro de Michelson e investigaremos la física que hace que este instrumento funcione.

Principio de funcionamiento del interferómetro de Michelson

¿Qué principios de diseño y fenómenos físicos intervienen en el interferómetro de Michelson? El interferómetro de Michelson está diseñado de una manera específica, configurado para aprovechar la naturaleza ondulatoria de la luz.

Para comprender mejor la forma en que funciona el interferómetro de Michelson, se debe analizar la interferencia constructiva y destructiva de dos ondas. Cuando dos ondas idénticas se combinan de manera que los picos de cada onda se alinean entre sí y los valles de cada onda se alinean entre sí, se logra una interferencia constructiva y la combinación resultante de las dos ondas da como resultado una nueva onda con un pico más grande y tamaños de comederos más grandes. Cuando dos ondas idénticas se combinan de manera que los picos de una onda se alinean con los valles de la otra onda, se logra una interferencia destructiva y la combinación resultante de las dos ondas da como resultado una nueva onda sin amplitud.

La luz posee una naturaleza ondulatoria, como una ola que viaja en el océano, y por eso también sigue estas reglas constructivas y destructivas. Cuando dos ondas de luz idénticas se suman de manera completamente constructiva, la luz combinada parecerá más brillante que cualquiera de las dos ondas de luz de forma independiente; Cuando dos ondas de luz idénticas se suman de manera completamente destructiva, la luz combinada desaparecerá por completo. Ésta es la principal importancia del divisor de haz en la configuración del interferómetro de Michelson, ya que divide la onda de luz de la fuente en dos ondas idénticas, lo que permite a los científicos analizar el patrón de interferencia que crean cuando se recombinan en la pantalla después de viajar sus distancias perpendiculares particulares., {eq}L_1 {/eq} y {eq}L_2 {/eq}, en el interferómetro.

Ahora que se han analizado las interferencias constructivas y destructivas, se puede explicar el patrón de interferencia que aparece en la pantalla. En general, el patrón de interferencia resultante se verá como anillos concéntricos que alternan luz y oscuridad, con un punto brillante central o un punto oscuro central en el centro. La ubicación central de este patrón de interferencia es el principal interés para nosotros en esta lección; Los patrones de anillos circundantes están asociados con otros fenómenos físicos que están más allá del alcance de esta lección. La apariencia del punto central (si es brillante u oscura) dependerá de la diferencia en las distancias recorridas por cada una de las mitades de onda en el interferómetro. Haciendo referencia a nuestro diagrama del interferómetro de Michelson de la sección anterior, la distancia recorrida por la Onda 1 antes de la recombinación es el doble de la longitud {eq}L_1 {/eq} (porque también debemos tener en cuenta el viaje de regreso de la luz) y la distancia recorrida por la Onda 2. antes es el doble de la longitud {eq}L_2 {/eq}. Por tanto, la diferencia en las distancias recorridas por cada mitad de onda está dada por

$$\Delta r = 2L_2 – 2L_1 $$

Si la ubicación central tiene el brillo máximo, entonces eso significa que las dos ondas de luz que se recombinan se suman de manera completamente constructiva. Este punto brillante central máximo se produce en un interferómetro de Michelson cuando las dos mitades de la onda de luz llegan a la pantalla con sus picos perfectamente alineados y sus valles perfectamente alineados. Esto ocurrirá sólo si la diferencia en las distancias recorridas por cada onda es un múltiplo entero de la longitud de onda de la onda luminosa. Cuando esto sea cierto, significará que las ondas de luz llegarán a la pantalla con sus picos y valles alineados, y se producirá un punto central brillante. Matemáticamente, este concepto está representado por la siguiente afirmación

{eq}\Delta r = 2L_2 – 2L_1 = m\lambda {/eq}, donde {eq}m {/eq} = 0, 1, 2,…

Si la ubicación central tiene un brillo mínimo (es decir, está completamente oscuro y no aparece ningún punto brillante en el centro), entonces eso significa que las dos ondas de luz recombinantes se están sumando de manera completamente destructiva. Este punto oscuro central mínimo se produce en un interferómetro de Michelson cuando las dos mitades de la onda de luz alcanzan la pantalla con los picos de una onda perfectamente alineados con los valles de la otra. Esto ocurrirá sólo si la diferencia en las distancias recorridas por cada onda es un múltiplo medio entero de la longitud de onda de la onda de luz. Cuando esto sea cierto, significa que las ondas de luz llegarán a la pantalla con los picos de una alineados con los valles de la otra, y aparecerá un punto central oscuro. Matemáticamente, este concepto está representado por la siguiente afirmación

{eq}\Delta r = 2L_2 – 2L_1 = (m + \frac{1}{2}) \lambda {/eq}, donde {eq}m {/eq} = 0, 1, 2,…

Al contar el número de picos centrales brillantes consecutivos que aparecen mientras se varía {eq}L_1 {/eq} o {eq}L_2 {/eq}, los investigadores pueden medir la longitud de onda de la fuente de luz.

Aplicaciones del interferómetro de Michelson

¿Cuáles son las aplicaciones del interferómetro de Michelson? El interferómetro de Michelson posee una amplia variedad de usos. Se pueden utilizar para detectar ondas gravitacionales en estaciones de investigación como el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), donde un interferómetro grande, de kilómetros de tamaño, puede detectar cambios en los patrones de interferencia del láser cuando una onda gravitacional que pasa altera el espacio mismo. Los astrónomos también pueden utilizar el interferómetro de Michelson para medir las longitudes de onda desconocidas de las fuentes de luz en el cielo realizando un seguimiento de los cambios en el patrón de interferencia a medida que varían las distancias en el interferómetro. Debido a su impresionante sensibilidad, el interferómetro de Michelson también se puede utilizar para investigar comparativamente las diferencias en las estructuras de la superficie entre materiales en la ciencia de los materiales, ya que los cambios en el patrón de interferencia dan una idea de las diferencias entre la topografía de la superficie de los materiales de muestra y de referencia. Además, los científicos atmosféricos combinan el interferómetro y la física del efecto Doppler para medir los patrones de viento y temperatura en la atmósfera.

Resumen de la lección

¿Qué es un interferómetro? El interferómetro de Michelson es un instrumento experimental científicamente revolucionario diseñado por Albert A. Michelson a finales de la década de 1880. Su función principal es dividir una onda de luz en dos haces idénticos y luego recombinarlos, produciendo un patrón de interferencia que, cuando se analiza, puede ayudar a investigadores y experimentadores a realizar una variedad de mediciones en diversos campos científicos y de ingeniería. El interferómetro de Michelson es famoso, ya que se utilizó por primera vez para intentar detectar el «éter luminífero» o «éter» que hipotéticamente existía para permitir la propagación de las ondas de luz. Finalmente, el Experimento Michelson-Morley realizado en 1887 concluyó que la velocidad de la luz no variaba con la dirección de su viaje, por lo que el éter luminífero no podía existir. Un componente integral del interferómetro de Michelson es el espejo semiplateado, que toma una onda de luz fuente y la divide en dos mitades idénticas permitiendo que la mitad de la luz se refleje y la otra mitad pase a través. Cuando las ondas de luz divididas se recombinan, se crea un patrón de interferencia que se puede analizar para medir muchas cantidades físicas diferentes, como el espectro de una fuente de luz, las propiedades de espejos y lentes, la posición y velocidad de un objeto y la temperatura. y patrones de viento en la atmósfera. En general, el interferómetro de Michelson es un logro histórico en la ciencia experimental y sigue siendo una configuración experimental generalizada en los laboratorios de todo el mundo en la actualidad.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador