Нещодавно експериментально був підтверджений факт, який хоча й виглядає дивним але був теоретично передбачений: не залежно від того чи є тіло прозорим, або світлопоглинаючим, середня довжина пробігу світла всередині тіла є завжди сталою.

Що відбувається коли світло проходить через склянку з молоком? Промінь входить в рідину, випадковим чином розсіюється на великій кількості маленьких частинок і виходить назад зі стакану. Завдяки цьому ефекту молоко здається білим. Однак конкретний шлях який пройде відбитий промінь світла залежить від непрозорості речовини: в прозорій речовині світло може розповсюджуватись вздовж прямої, але у каламутному середовищі світло відіб’ється багато разів, рухаючись по більш складній зигзагоподібній траєкторії. Але дивним є те що середній шлях який пройде світло всередині речовини завжди залишається сталим.

Три роки тому професор Стефан Роттер зі своєю групою та французькими колегами, передбачили цей результат, що суперечить наївній інтуїції. А зараз він та його коллаборанти з Франції підтвердили ці теоретичні результати експериментально. Результати роботи опубліковані в журналі Science.

Частки або хвилі

"Спрощено це можна пояснити так: якщо ми уявимо світло як потік маленьких частинок, то траєкторія фотонів в середовищі залежить від кількості перешкод які вони зустрінуть" - пояснює Стефан Роттер.

У чистій, повністю прозорій рідині частинки рухаються по прямій допоки не вийдуть з протилежного боку. Однак у не прозорій рідині траєкторії є більш складними. Під час свого руху промінь світла багато разів відбивається, змінюючи напрямок розповсюдження, а значить може досягти протилежний бік посудини подолавши велику відстань всередині не прозорої речовини. В той же час у каламутній рідині є велика кількість фотонів які ніколи не досягнуть протилежної сторони. Вони не можуть подолати весь об'єм рідини, але тільки проникають трішки під поверхню та після кількох відбиттів виходять з речовини маючи таким чином короткі траєкторії. "Це дивно, але математично може бути показано що ці два ефекти точно компенсують один одного": знов зазначає автор. "Таким чином, середня довжина шляху всередині рідини залишається незмінною - не залежно від того чи є рідина прозорою чи ні".

Якщо подивитись уважніше то ситуація є трохи складнішою: "Треба враховувати, що світло проходячи крізь рідину поводить себе скоріше як хвиля, а не як потік частинок які рахуються по заданій траєкторії", продовжує Роттер. "Це створює математичні труднощі, однак як виявляється не змінює головний результат. Тобто якщо врахувати хвильові властивості світла, всеодно середня довжина проникнення світла в середину рідини залишається незмінною не залежно від того як сильно хвиля розсіюється в середині середовища".

Експерименти у каламутному середовищі.

Як зазначалось, теоретичні розрахунки які описують цю поведінки світла, що суперечить інтуїтивному уявленню, вже були опубліковані три роки тому у спільній публікації групи Стефана Роттера та його французьких колег. А зараз та сама дослідницька група спромоглась експериментально підтвердити ці визначні результати. Тестові труби були заповненні водою та закаламучені наночастинками. При збільшенні кількості наночастинок світло розсіювалось більше, а рідина була більш мутною.

Розповідає Роттер: "Під час пропускання світла крізь рідину, за рахунок руху наночастинок, весь час змінювалось те як рухалось світло. Це призводить до характерного ефекту спалахів на зовнішній поверхні труб. Якщо уважно виміряти та проаналізувати цей ефект, він може бути використаний для визначення шляху який проходить світло всередині рідини." І як виявилось, не залежно від того яка була кількість наночастинок,  чи повністю прозора рідина, чи молокоподібна - спостерігалось, що середній шлях який проходить світло був однаковим.

Цей результат допомагає зрозуміти розповсюдження хвиль у невпорядкованому середовищі. Є багато можливих застосувань для цього. "Це є універсальним законом, який принципово застосований до хвиль будь якої природи. Те саме правило, що було застосоване до непрозорої рідини, також може бути застосоване до звукових хвиль, які розсіюються на маленьких частинках пилу у повітрі та навіть до гравітаційних хвиль які подорожують галактикою. Базова фізика та сама." - розмірковує Стефан Роттер.

Результати симуляції шляху який проходить світло в коловій області за різних значень поглинання. Світло іде зліва падаючи під різними кутами.

Докладніше у статті Romolo Savo et al. Observation of mean path length invariance in light-scattering media, Science (2017). DOI: 10.1126/science.aan4054

За матеріалами сайту Phys.org