En till synes paradoxal förutsägelse inom fysiken har nu bekräftats i ett experiment:Oavsett om ett objekt är ogenomskinligt eller transparent, den genomsnittliga längden på ljusets vägar genom objektet är alltid densamma.

Vad händer när ljus passerar genom ett glas mjölk? Det kommer in i vätskan, sprids oförutsägbart på otaliga små partiklar och lämnar glaset igen. Denna effekt gör att mjölk ser vit ut. De specifika vägar som den infallande ljusstrålen tar beror på, dock, på vätskans opacitet:Ett genomskinligt ämne låter ljuset färdas igenom på en rak linje, i en grumlig substans kommer ljuset att spridas flera gånger, färdas på mer komplicerade sicksackbanor. Men häpnadsväckande nog, det genomsnittliga totala avståndet som täcks av ljuset inuti ämnet är alltid detsamma.

Professor Stefan Rotter och hans team (TU Wien, Österrike) förutspådde detta kontraintuitiva resultat tillsammans med franska kollegor för tre år sedan. Nu verifierade han och hans medarbetare från Paris denna teori i ett experiment. Resultaten har nu publicerats i tidningen Vetenskap .

Partiklar och vågor

"Vi kan få en förenklad uppfattning om detta fenomen när vi föreställer oss ljus som en ström av små partiklar, ", säger Stefan Rotter. "Fotonernas banor i vätskan beror på antalet hinder de möter."

I en klar, helt genomskinlig vätska, partiklarna färdas längs raka linjer, tills de lämnar vätskan på motsatt sida. I en ogenomskinlig vätska, dock, banorna är mer komplicerade. Ljusstrålen sprids ofta längs vägen, den ändrar riktning många gånger, och det kan bara nå den motsatta sidan efter att ha tillryggalagt en lång sträcka inuti det ogenomskinliga ämnet.

Men i en grumlig vätska, det finns också många fotoner, som aldrig kommer att nå den motsatta sidan. De går inte helt igenom vätskan, men penetrera bara lite under ytan och efter några spridningshändelser lämnar de vätskan igen, så deras banor är ganska korta. "Man kan matematiskt visa att ganska överraskande, dessa två effekter balanserar exakt, ", säger Stefan Rotter. "Den genomsnittliga väglängden inuti vätskan är alltså alltid densamma – oberoende av om vätskan är transparent eller ogenomskinlig."

Vid andra anblicken, situationen är lite mer komplicerad:"Vi måste ta hänsyn till att ljus färdas genom vätskan som en våg snarare än som en partikel längs en specifik bana, " säger Rotter. "Detta gör det mer utmanande att komma med en matematisk beskrivning, men som det visar sig, detta ändrar inte huvudresultatet. Om vi ​​betraktar ljusets vågegenskaper förblir den genomsnittliga längden förknippad med ljus som penetrerar vätskan alltid densamma, oavsett hur starkt vågen är spridd inuti mediet."

Experiment i oroligt vatten

De teoretiska beräkningarna som beskriver detta kontraintuitiva beteende har redan publicerats för tre år sedan i en gemensam publikation av Stefan Rotters team och hans kollegor från Paris. Nu lyckades samma forskargrupper verifiera det anmärkningsvärda resultatet i ett experiment. Provrören fylldes med vatten, som sedan fördunklades med nanopartiklar. När fler nanopartiklar tillsätts, ljuset sprids starkare och vätskan verkar grumligare.

"När ljus skickas genom vätskan, hur den är spridd förändras kontinuerligt, eftersom nanopartiklarna fortsätter att röra sig i vätskan, ", säger Stefan Rotter. "Detta leder till en karakteristisk gnistrande effekt på rörens yttre yta. När denna effekt mäts och analyseras noggrant, det kan användas för att härleda väglängden för ljusvågen inuti vätskan." Och faktiskt:oavsett antalet nanopartiklar, oavsett om ljuset skickades genom ett nästan perfekt genomskinligt prov eller en mjölkliknande vätska, den genomsnittliga väglängden för ljus observerades alltid vara densamma.

Detta resultat hjälper till att förstå spridningen av vågor i oordnade medier. Det finns många möjliga tillämpningar för detta:"Det är en universell lag, som i princip gäller för alla slags vågor, ", säger Stefan Rotter. "Samma regler som gäller för ljus i en ogenomskinlig vätska gäller även för ljudvågor, utspridda på små föremål i luften eller till och med gravitationsvågor, färdas genom en galax. Den grundläggande fysiken är alltid densamma."