Lysets vejlængde i uigennemsigtige medier

En tilsyneladende paradoksal forudsigelse i fysik er nu blevet bekræftet i et eksperiment:Uanset om et objekt er uigennemsigtigt eller gennemsigtigt, den gennemsnitlige længde af lysets veje gennem objektet er altid den samme.

Hvad sker der, når lyset passerer gennem et glas mælk? Det kommer ind i væsken, spredes uforudsigeligt ved utallige små partikler og forlader glasset igen. Denne effekt får mælk til at se hvid ud. De specifikke stier, som den indfaldende lysstråle tager, afhænger, imidlertid, om væskens uigennemsigtighed:Et gennemsigtigt stof lader lyset bevæge sig igennem på en lige linje, i et grumset stof vil lyset blive spredt adskillige gange, rejser på mere komplicerede zig-zag-baner. Men overraskende nok, den gennemsnitlige samlede afstand dækket af lyset inde i stoffet er altid den samme.

Professor Stefan Rotter og hans team (TU Wien, Østrig) forudsagde dette kontra-intuitive resultat sammen med franske kolleger for tre år siden. Nu verificerede han og hans samarbejdspartnere fra Paris denne teori i et eksperiment. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Partikler og bølger

"Vi kan få en forenklet idé om dette fænomen, når vi forestiller os lys som en strøm af små partikler, "siger Stefan Rotter." Fotonernes baner i væsken afhænger af antallet af forhindringer, de støder på. "

I en klar, fuldstændig gennemsigtig væske, partiklerne bevæger sig langs lige linjer, indtil de forlader væsken på den modsatte side. I en uigennemsigtig væske, imidlertid, banerne er mere komplicerede. Lysstrålen spredes ofte undervejs, det ændrer retning mange gange, og den kan kun nå den modsatte side efter at have tilbagelagt en lang afstand inde i det uigennemsigtige stof.

Men i en grumset væske, der er også mange fotoner, som aldrig når den modsatte side. De krydser ikke helt væsken, men træng bare ind lidt under overfladen, og efter et par spredningshændelser forlader de væsken igen, så deres baner er ret korte. "Det kan matematisk vises, at ret overraskende, disse to effekter balancerer nøjagtigt, "siger Stefan Rotter." Den gennemsnitlige vejlængde inde i væsken er således altid den samme - uafhængigt af om væsken er gennemsigtig eller uigennemsigtig. "

Ved andet øjekast, situationen er lidt mere kompliceret:"Vi skal tage højde for, at lys bevæger sig gennem væsken som en bølge frem for som en partikel langs en bestemt bane, "siger Rotter." Dette gør det mere udfordrende at komme med en matematisk beskrivelse, men som det viser sig, dette ændrer ikke hovedresultatet. Også hvis vi betragter lysets bølgeegenskaber, forbliver middellængden forbundet med lys, der trænger ind i væsken, altid den samme, uanset hvor stærkt bølgen er spredt inde i mediet. "

Eksperimenter i uroligt vand

De teoretiske beregninger, der beskriver denne kontraintuitive adfærd, er allerede blevet offentliggjort for tre år siden i en fælles publikation af Stefan Rotters team og hans kolleger fra Paris. Nu lykkedes det de samme forskningsgrupper at verificere det bemærkelsesværdige resultat i et eksperiment. Reagensglas blev fyldt med vand, som derefter blev tilsløret med nanopartikler. Efterhånden som der tilføjes flere nanopartikler, lyset spredes stærkere, og væsken fremstår mere grumset.

"Når lys sendes gennem væsken, den måde, den spredes på, ændrer sig løbende, fordi nanopartiklerne bevæger sig i væsken, "siger Stefan Rotter." Dette fører til en karakteristisk funklende effekt på rørens ydre overflade. Når denne effekt måles og analyseres omhyggeligt, det kan bruges til at udlede lysbølgens vejlængde inde i væsken. "Og faktisk:uanset antallet af nanopartikler, uanset om lyset blev sendt gennem en næsten perfekt gennemsigtig prøve eller en mælkeagtig væske, den gennemsnitlige sti længde af lys blev observeret til altid at være den samme.

Dette resultat hjælper med at forstå udbredelsen af ​​bølger i uordnede medier. Der er mange mulige applikationer til dette:"Det er en universel lov, som i princippet gælder for enhver form for bølge, "siger Stefan Rotter." De samme regler, der gælder for lys i en uigennemsigtig væske, gælder også for lydbølger, spredt på små objekter i luften eller endda tyngdekraftsbølger, rejser gennem en galakse. Den grundlæggende fysik er altid den samme. "