Luz en su camino a través de un líquido:En el caso de un líquido transparente (izquierda), los caminos de luz son líneas rectas. En caso de que el líquido se vuelva opaco a través de nanopartículas (derecha), los caminos de la luz se complican más a través de la dispersión. Algunos de los caminos se hacen más largos otros más cortos, en promedio, aunque la longitud de los trayectos de luz es la misma que en el caso transparente. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
Una predicción aparentemente paradójica en física ahora se ha confirmado en un experimento:no importa si un objeto es opaco o transparente, la longitud media de las trayectorias de la luz a través del objeto es siempre la misma.
¿Qué pasa cuando la luz atraviesa un vaso de leche? Entra en el líquido, se dispersa de manera impredecible en innumerables partículas diminutas y vuelve a salir del vidrio. Este efecto hace que la leche parezca blanca. Los caminos específicos que toma el haz de luz incidente dependen, sin embargo, sobre la opacidad del líquido:una sustancia transparente permitirá que la luz viaje en línea recta, en una sustancia turbia la luz se esparcirá numerosas veces, viajando en trayectorias en zig-zag más complicadas. Pero asombrosamente, la distancia total media recorrida por la luz dentro de la sustancia es siempre la misma.
El profesor Stefan Rotter y su equipo (TU Wien, Austria) predijo este resultado contra-intuitivo junto con colegas franceses hace tres años. Ahora él y sus colaboradores de París verificaron esta teoría en un experimento. Los resultados ya se han publicado en la revista. Ciencias .
Partículas y ondas
"Podemos tener una idea simplificada de este fenómeno cuando imaginamos la luz como una corriente de partículas diminutas, ", dice Stefan Rotter." Las trayectorias de los fotones en el líquido dependen del número de obstáculos que encuentran ".
En un claro líquido completamente transparente, las partículas viajan a lo largo de líneas rectas, hasta que dejen el líquido en el lado opuesto. En un líquido opaco sin embargo, las trayectorias son más complicadas. El rayo de luz se dispersa con frecuencia a lo largo de su camino, cambia de dirección muchas veces, y solo puede llegar al lado opuesto después de cubrir una gran distancia dentro de la sustancia opaca.
Resultados de simulación para trayectos de luz en áreas circulares con diferentes grados de opacidad. La luz entra por la izquierda con muchos ángulos de inyección diferentes. Crédito:Romain Pierret y Romolo Savo
Pero en un líquido turbio también hay muchos fotones, que nunca llegará al lado opuesto. No atraviesan completamente el líquido, pero solo penetran un poco por debajo de la superficie y después de algunos eventos de dispersión salen del líquido nuevamente, por lo que sus trayectorias son bastante cortas. "Se puede demostrar matemáticamente que, bastante sorprendentemente, estos dos efectos equilibran exactamente, ", dice Stefan Rotter." La longitud de trayectoria promedio dentro del líquido es siempre la misma, independientemente de si el líquido es transparente u opaco ".
A segunda vista, la situación es un poco más complicada:"Tenemos que tener en cuenta que la luz viaja a través del líquido como una onda más que como una partícula a lo largo de una trayectoria específica, "dice Rotter." Esto hace que sea más difícil llegar a una descripción matemática, pero resulta que esto no cambia el resultado principal. Además, si consideramos las propiedades de onda de la luz, la longitud media asociada con la luz que penetra en el líquido siempre permanece igual, independientemente de la fuerza con la que se esparza la onda dentro del medio ".
Experimentos en aguas turbulentas
Los cálculos teóricos que describen este comportamiento contradictorio ya se publicaron hace tres años en una publicación conjunta del equipo de Stefan Rotter y sus colegas de París. Ahora los mismos grupos de investigación lograron verificar el notable resultado en un experimento. Los tubos de ensayo se llenaron de agua, que luego fue ofuscado con nanopartículas. A medida que se agregan más nanopartículas, la luz se dispersa con más fuerza y el líquido parece más turbio.
"Cuando la luz se envía a través del líquido, la forma en que se dispersa cambia continuamente, porque las nanopartículas siguen moviéndose en el líquido, "dice Stefan Rotter." Esto conduce a un efecto brillante característico en la superficie exterior de los tubos. Cuando este efecto se mide y analiza cuidadosamente, se puede utilizar para deducir la longitud de trayectoria de la onda de luz dentro del líquido ". Y de hecho:independientemente del número de nanopartículas, no importa si la luz se envió a través de una muestra casi perfectamente transparente o un líquido similar a la leche, Se observó que la longitud media de la trayectoria de la luz era siempre la misma.
Este resultado ayuda a comprender la propagación de ondas en medios desordenados. Hay muchas aplicaciones posibles para esto:"Es una ley universal, que en principio es válido para cualquier tipo de ola, "dice Stefan Rotter." Las mismas reglas que se aplican a la luz en un líquido opaco también son válidas para las ondas sonoras, dispersos en pequeños objetos en el aire o incluso ondas de gravedad, viajando a través de una galaxia. La física básica es siempre la misma ".
