Een schijnbaar paradoxale voorspelling in de natuurkunde is nu bevestigd in een experiment:het maakt niet uit of een object ondoorzichtig of transparant is, de gemiddelde lengte van de paden van het licht door het object is altijd hetzelfde.

Wat gebeurt er als licht door een glas melk gaat? Het komt in de vloeistof, wordt onvoorspelbaar verspreid over talloze minuscule deeltjes en verlaat het glas weer. Door dit effect lijkt melk wit. De specifieke paden die de invallende lichtstraal neemt, zijn afhankelijk van echter, over de ondoorzichtigheid van de vloeistof:een transparante substantie laat het licht in een rechte lijn door, in een troebele substantie zal het licht vele malen worden verstrooid, reizen op meer gecompliceerde zigzagtrajecten. Maar verbazingwekkend, de gemiddelde totale afstand die het licht in de stof aflegt, is altijd hetzelfde.

Professor Stefan Rotter en zijn team (TU Wien, Oostenrijk) voorspelde dit contra-intuïtieve resultaat drie jaar geleden samen met Franse collega's. Nu bevestigden hij en zijn medewerkers uit Parijs deze theorie in een experiment. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Deeltjes en golven

"We kunnen een vereenvoudigd idee van dit fenomeen krijgen als we ons licht voorstellen als een stroom kleine deeltjes, " zegt Stefan Rotter. "De banen van de fotonen in de vloeistof hangen af ​​van het aantal obstakels dat ze tegenkomen."

Op een duidelijke, volledig transparante vloeistof, de deeltjes reizen langs rechte lijnen, totdat ze de vloeistof aan de andere kant verlaten. In een ondoorzichtige vloeistof, echter, de trajecten zijn ingewikkelder. De lichtstraal wordt onderweg regelmatig verstrooid, het verandert zijn richting vele malen, en het kan alleen de andere kant bereiken na een lange afstand in de ondoorzichtige substantie te hebben afgelegd.

Maar in een troebele vloeistof, er zijn ook veel fotonen, die nooit de andere kant zal bereiken. Ze doorkruisen de vloeistof niet volledig, maar dringen gewoon een beetje onder het oppervlak en na een paar verstrooiingsgebeurtenissen verlaten ze de vloeistof weer, dus hun trajecten zijn vrij kort. "Het kan wiskundig worden aangetoond dat, nogal verrassend, deze twee effecten zijn precies in evenwicht, " zegt Stefan Rotter. "De gemiddelde padlengte in de vloeistof is dus altijd hetzelfde - ongeacht of de vloeistof transparant of ondoorzichtig is."

Op het tweede gezicht, de situatie is iets gecompliceerder:"We moeten er rekening mee houden dat licht door de vloeistof reist als een golf in plaats van als een deeltje langs een specifiek traject, ", zegt Rotter. "Dit maakt het moeilijker om met een wiskundige beschrijving te komen, maar zoals blijkt, dit verandert niets aan het hoofdresultaat. Ook als we de golfeigenschappen van licht beschouwen, blijft de gemiddelde lengte geassocieerd met licht dat de vloeistof binnendringt altijd hetzelfde, ongeacht hoe sterk de golf in het medium wordt verspreid."

Experimenten in troebel water

De theoretische berekeningen die dit contra-intuïtieve gedrag beschrijven, zijn drie jaar geleden al gepubliceerd in een gezamenlijke publicatie van het team van Stefan Rotter en zijn collega's uit Parijs. Nu slaagden dezelfde onderzoeksgroepen erin om het opmerkelijke resultaat in een experiment te verifiëren. Reageerbuisjes werden gevuld met water, die vervolgens werd versluierd met nanodeeltjes. Naarmate er meer nanodeeltjes worden toegevoegd, het licht wordt sterker verstrooid en de vloeistof lijkt troebeler.

"Als licht door de vloeistof wordt gestuurd, de manier waarop het wordt verspreid verandert voortdurend, omdat de nanodeeltjes in de vloeistof blijven bewegen, ", zegt Stefan Rotter. "Dit leidt tot een karakteristiek sprankelend effect op het buitenoppervlak van de buizen. Wanneer dit effect zorgvuldig wordt gemeten en geanalyseerd, het kan worden gebruikt om de padlengte van de lichtgolf in de vloeistof af te leiden." En inderdaad:ongeacht het aantal nanodeeltjes, het maakt niet uit of het licht door een bijna perfect transparant monster of een melkachtige vloeistof werd gestuurd, de gemiddelde padlengte van licht bleek altijd hetzelfde te zijn.

Dit resultaat helpt om de voortplanting van golven in ongeordende media te begrijpen. Er zijn veel mogelijke toepassingen hiervoor:"Het is een universele wet, wat in principe geldt voor elke soort golf, " zegt Stefan Rotter. "Dezelfde regels die gelden voor licht in een ondoorzichtige vloeistof, gelden ook voor geluidsgolven, verstrooid op kleine objecten in de lucht of zelfs zwaartekrachtgolven, reizen door een melkwegstelsel. De basisfysica is altijd hetzelfde."