Профессор Стефан Роттер и его команда (TU Wien, Австрия) предсказали этот нелогичный результат вместе с французскими коллегами три года назад. Теперь он и его коллеги из Парижа проверили эту теорию в эксперименте. Результаты опубликованы в журнале Science.
Частицы и волны
«Мы можем получить упрощенное представление об этом явлении, если представим свет как поток крошечных частиц», – говорит Стефан Роттер. "Траектории фотонов в жидкости зависят от количества препятствий, с которыми они сталкиваются."
В прозрачной, полностью прозрачной жидкости частицы движутся по прямым линиям, пока не покинут жидкость на противоположной стороне.
Однако в непрозрачной жидкости траектории сложнее. Луч света часто рассеивается на своем пути, он много раз меняет направление и может достичь противоположной стороны только после того, как пройдет большое расстояние внутри непрозрачного вещества.
Но в мутной жидкости также много фотонов, которые никогда не достигнут противоположной стороны.
Они не проходят через жидкость полностью, а просто проникают немного ниже поверхности и после нескольких событий рассеяния снова выходят из жидкости, поэтому их траектории довольно короткие. «Можно математически показать, что, что довольно удивительно, эти два эффекта точно уравновешивают», – говорит Стефан Роттер. «Таким образом, средняя длина пути внутри жидкости всегда одинакова – независимо от того, прозрачна она или непрозрачна."
На второй взгляд ситуация немного сложнее: «Мы должны учитывать, что свет проходит через жидкость как волна, а не как частица по определенной траектории», – говорит Роттер. "Это усложняет математическое описание, но, как выясняется, это не меняет основного результата. Кроме того, если мы рассмотрим волновые свойства света, средняя длина, связанная с проникновением света в жидкость, всегда остается неизменной, независимо от того, насколько сильно волна рассеивается внутри среды."
Эксперименты в мутной воде
Теоретические расчеты, описывающие это противоречивое поведение, уже были опубликованы три года назад в совместной публикации команды Стефана Роттера и его коллег из Парижа. Теперь тем же исследовательским группам удалось проверить замечательный результат в эксперименте.
Пробирки были заполнены водой, которая затем была затемнена наночастицами. По мере добавления большего количества наночастиц свет рассеивается сильнее, и жидкость становится более мутной.
«Когда свет проходит через жидкость, способ его рассеивания постоянно меняется, потому что наночастицы продолжают двигаться в жидкости», – говорит Стефан Роттер. "Это приводит к характерному искристому эффекту на внешней поверхности трубок.
Когда этот эффект измерен и тщательно проанализирован, его можно использовать для определения длины пути световой волны внутри жидкости.«И действительно: независимо от количества наночастиц, независимо от того, проходил ли свет через почти идеально прозрачный образец или через молочно-подобную жидкость, средняя длина пути света всегда была одинаковой.
Этот результат помогает понять распространение волн в неупорядоченных средах. У этого есть много возможных применений: «Это универсальный закон, который в принципе справедлив для любых волн», – говорит Стефан Роттер. "Те же правила, которые применяются к свету в непрозрачной жидкости, также применимы к звуковым волнам, рассеиваемым на крошечных объектах в воздухе, или даже к гравитационным волнам, движущимся через галактику.
Основная физика всегда одна и та же."
Французские команды включают Ромоло Саво, Улисса Наджара, Сильвена Гигана из Лаборатории Кастлера-Бросселя (эксперимент) и Ромена Пьера, Реми Карминати из Института Ланжевена (теория).