Средняя длина пути света не зависит от рассеяния

Физики подтвердили парадоксальное теоретическое предсказание, что в среднем длина лучей света не зависит от прозрачности среды. Доля длинных траекторий в мутной среде уравновешивается вероятностью выхода света из среды по короткой траектории. Статья с результатами опубликована в журнале Science.

В полностью прозрачной среде свет движется вдоль прямых линий. Добавление рассеивающих частиц приводит к многократному переизлучению света, в результате чего траектория луча становится зигзагообразной. Стефан Роттер из Венского технического университета и его коллеги в 2014 году выдвинули идею о том, что средняя длина пути не меняется. Спустя три года предсказание удалось подтвердить в эксперименте.

Движение света сквозь среду можно упрощенно представить как движение абсолютно упругих шариков. Когда они сталкиваются с препятствиями, то меняют направление движения. В случае непрозрачной среды такие рассеяния многократно увеличивают длину траектории. Если выделить в среде фиксированный объем и следить за входящими и выходящими фотонами, то многие из них никогда не достигнут противоположной стороны. Вместо этого они после небольшого количества рассеяний вылетят из выделенного объема недалеко от точки входа. «Можно математически показать, что достаточно неожиданно эти два эффекта полностью компенсируют друг друга, поэтому средняя длина пути света в среде одинакова вне зависимости от того, прозрачная она или нет», — поясняет Стефан Роттер.

В данном случае правильнее рассматривать свет как волну, а не как поток частиц. Это обстоятельство усложняет анализ, но не меняет конечного результата. Для подтверждения выводов физики провели эксперимент с рассеянием света в жидкости с взвесью наночастиц различных концентраций. Опыт показал верность теоретического предсказания, причем ученые проверяли как почти прозрачную смесь, так и напоминающую молоко.

Физики утверждают, что изученный эффект имеет универсальную природу и в такой же степени применим к звуковым волнам в воздухе и даже к гравитационным волнам, двигающимся сквозь галактики.