Je jedno, zda je objekt průhledný nebo neprůhledný. Průměrná délka světelných cest je v obou případech stejná. Kredit: Vienna University of Technology

Světlo na cestě skrz sklenici s průhlednou kapalinou projde po přímce. V neprůhledné suspenzi ale musí kličkovat následkem různých odrazů na nanočásticích. Cesty rozptýleného světla v takovém objektu jsou složité.  Některé jsou kratší a jiné komplikovaně dlouhé. A nyní pozor, přijde to hlavní.  V průměru jsou tyto délky světelných cest stejné.  To ale znamená, že je u světla jedno, zda prochází sklenicí křišťálově čisté pramenité, nebo mlékem. Nyní se to rakousko-francouzkému kolektivu podařilo dokázat experimentem. Informaci o tom přináší Technická univerzita ve Vídni a prestižní časopis Scinece.

Na publikaci je uveden jako první autor Romolo Savo, Švýcar, toho času ve francouzských službách. Nicméně jde o potvrzení předpokladu, který před třemi léty předpověděl Rakušan Stefan Rotter se svým týmem z Technické university ve Vídni. Podle něj si můžeme světlo zjednodušeně připodobnit k proudu  drobných částic. Trajektorie fotonů v kapalině závisí na počtu překážek, které se mu postaví do cesty. Ve zcela průhledné kapalině se částice pohybují podél rovných přímek, a tak také kapalinu na protější straně opouštějí.  V neprůhledné kapalině jsou však trajektorie komplikovanější. Světelný paprsek mnohokrát mění směr. Může se dostat až k opačné straně po překonání řady peripetií uvnitř neprůhledné látky, ale také nemusí. A právě v tom je ten zakopaný pes.  Mnoho fotonů nikdy na protilehlou stranu nedorazí. Při své „cik-cak“ cestě jich řada pronikne jen krátce pod povrch a poté změní směr a těleso opustí. Když se na to vezme strohá matematika, tak lze teoreticky vypočítat, že se tyto dva efekty vyrovnávají. Průměrná délka dráhy fotonů v kapalině je tudíž  vždy stejná a je přitom jedno, zda jde kapalina průhledná, či neprůhledná.

Romolo Savo, první autor publikace, Université Pierre et Marie Curie–Sorbonne Universités, Collège de France.

Poněkud komplikovanější situace nastává, když se na světlo přestaneme dívat jako na částici, ale jako na vlnu procházející kapalinou. Tam už je matematický popis situace "vyšší dívčí". Nicméně máme-li věřit matematikům, i v tomto případě dospěli ke stejnému výsledku.  Vyšlo jim, že „střední vlnová délka“ spojená s průnikem světla kapalinou je také vždy stejná. A také u ní  nezáleží na tom, jak moc je vlna uvnitř media při jeho průchodu rozptýlena.

Simulace světelných cest v kruhovém systému s různými stupni opacity (schopnosti tělesa pohlcovat záření). Světlo přichází zleva v různých úhlech. Kredit: Romain Pierret & Romolo Savo, 2017

Oba případy, předpovězené už výpočty kolektivu Stefana Rottera v roce 2014, se nyní rakousko-francouzskému kolektivu podařilo podepřít praktickým experimentem. Naplnili zkumavky vodou a pak do nich přidávali nanočástice. Roztok se zakalil a světlo se rozptýlilo. Způsob (směr) jakým se rozptyluje, se v závislosti na postavení nanočástic neustále mění tak, jak se neustále mění úhly odrazu na nanočásticích. Tím ale začne celý  vnější povrch zkumavky zářit. Když se tento svit pečlivě změří, dá se z něj odvodit délka dráhy světla uvnitř kapaliny. A to už nejsou teoretické výpočty, ale naměřené hodnoty. A jak jinak, i ony potvrdily platnost teorie, protože průměrná délka dráhy světla zůstávala stejná  bez ohledu na to, jak moc bylo prostředí průhledné.

Stefan Rotter,  Institute for Theoretical Physics, Vienna University of Technology, Rakousko.

Závěr

To, že se světlo šíří v lahvi mléka plnotučného i toho šizeného stejně, by nám mohlo být v podstatě jedno, nicméně jde tu o potvrzení platnosti univerzální fyzikální zákonitosti a ta platí pro jakoukoliv vlnu. Třeba i na chování zvuku v prachové bouři. Asi nejdůležitější na tom ale je, že podle autorů to platí i pro právě objevené gravitační vlny a jejich šíření vesmírem. Gravitační vlny také tu a tam naráží na galaxie a procházejí jejich „smetím“. Slovy šéfa kolektivu Stefana Rottera: „Základní fyzikální principy jsou i pro ně stejné."

Literatura

Romolo Savo, et al.: Observation of mean path length invariance in light-scattering media. Science  10 Nov 2017: Vol. 358, Issue 6364, pp. 765-768

DOI: 10.1126/science.aan4054