Una previsione apparentemente paradossale in fisica è stata ora confermata in un esperimento:non importa se un oggetto è opaco o trasparente, la lunghezza media dei percorsi della luce attraverso l'oggetto è sempre la stessa.

Cosa succede quando la luce passa attraverso un bicchiere di latte? Entra nel liquido, viene disperso in modo imprevedibile in innumerevoli minuscole particelle ed esce di nuovo dal vetro. Questo effetto fa apparire il latte bianco. I percorsi specifici che il raggio di luce incidente segue dipendono, però, sull'opacità del liquido:Una sostanza trasparente permetterà alla luce di viaggiare in linea retta, in una sostanza torbida la luce sarà dispersa numerose volte, viaggiando su traiettorie a zig-zag più complicate. Ma sorprendentemente, la distanza media totale percorsa dalla luce all'interno della sostanza è sempre la stessa.

Il professor Stefan Rotter e il suo team (TU Wien, Austria) aveva previsto questo risultato controintuitivo insieme ai colleghi francesi tre anni fa. Ora lui ei suoi collaboratori di Parigi hanno verificato questa teoria in un esperimento. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Scienza .

Particelle e onde

"Possiamo avere un'idea semplificata di questo fenomeno quando immaginiamo la luce come un flusso di minuscole particelle, " dice Stefan Rotter. "Le traiettorie dei fotoni nel liquido dipendono dal numero di ostacoli che incontrano".

In modo chiaro, liquido completamente trasparente, le particelle viaggiano lungo linee rette, finché non lasciano il liquido dalla parte opposta. In un liquido opaco, però, le traiettorie sono più complicate. Il raggio di luce si disperde frequentemente lungo il suo percorso, cambia direzione molte volte, e può raggiungere il lato opposto solo dopo aver percorso una lunga distanza all'interno della sostanza opaca.

Ma in un liquido torbido, ci sono anche molti fotoni, che non raggiungerà mai il lato opposto. Non attraversano completamente il liquido, ma penetrano appena un po' sotto la superficie e dopo alcuni eventi di dispersione escono di nuovo dal liquido, quindi le loro traiettorie sono piuttosto brevi. "Si può dimostrare matematicamente che, piuttosto sorprendentemente, questi due effetti si bilanciano esattamente, ", afferma Stefan Rotter. "La lunghezza media del percorso all'interno del liquido è quindi sempre la stessa, indipendentemente dal fatto che il liquido sia trasparente o opaco".

Al secondo sguardo, la situazione è un po' più complicata:"Dobbiamo tener conto che la luce viaggia attraverso il liquido come un'onda piuttosto che come una particella lungo una traiettoria specifica, " dice Rotter. "Questo rende più difficile trovare una descrizione matematica, ma a quanto pare, questo non cambia il risultato principale. Anche se consideriamo le proprietà ondulatorie della luce, la lunghezza media associata alla luce che penetra nel liquido rimane sempre la stessa, indipendentemente dalla forza con cui l'onda è dispersa all'interno del mezzo."

Esperimenti in acque agitate

I calcoli teorici che descrivono questo comportamento controintuitivo sono già stati pubblicati tre anni fa in una pubblicazione congiunta dal team di Stefan Rotter e dai suoi colleghi di Parigi. Ora gli stessi gruppi di ricerca sono riusciti a verificare il notevole risultato in un esperimento. Le provette sono state riempite d'acqua, che è stato poi offuscato con nanoparticelle. Man mano che vengono aggiunte più nanoparticelle, la luce è diffusa più forte e il liquido appare più torbido.

"Quando la luce viene inviata attraverso il liquido, il modo in cui è sparso cambia continuamente, perché le nanoparticelle continuano a muoversi nel liquido, " dice Stefan Rotter. "Questo porta a un caratteristico effetto scintillante sulla superficie esterna dei tubi. Quando questo effetto viene misurato e analizzato attentamente, può essere utilizzato per dedurre la lunghezza del percorso dell'onda luminosa all'interno del liquido." E infatti:indipendentemente dal numero di nanoparticelle, non importa se la luce è stata inviata attraverso un campione quasi perfettamente trasparente o un liquido simile al latte, la lunghezza media del percorso della luce è stata osservata essere sempre la stessa.

Questo risultato aiuta a comprendere la propagazione delle onde in mezzi disordinati. Ci sono molte possibili applicazioni per questo:"È una legge universale, che in linea di principio vale per qualsiasi tipo di onda, " dice Stefan Rotter. "Le stesse regole che si applicano alla luce in un liquido opaco valgono anche per le onde sonore, sparsi su minuscoli oggetti nell'aria o persino onde gravitazionali, viaggiando attraverso una galassia. La fisica di base è sempre la stessa".