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Lichtstrahlen sind im Schnitt in Flüssigkeiten gleich lange unterwegs © TU Wien
Lichtstrahlen sind im Schnitt in Flüssigkeiten gleich lange unterwegs © TU Wien

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Licht-Hindernislauf - Physiker bestätigen eigene Vorhersage

09.11.2017

Eine auf den ersten Blick nicht unbedingt einleuchtende theoretische Erkenntnis eines Forschungsteams mit österreichischer Beteiligung von vor drei Jahren hat das gleiche Team nun auch im Experiment nachgewiesen. Demnach sind Lichtstrahlen im Schnitt in Flüssigkeiten gleich lange unterwegs, egal ob sie auf ihrem Weg auf Hindernisse stoßen oder nicht, berichten die Physiker im Fachblatt "Science".

Als anschauliches Beispiel brachten die Wiener Forscher um Stefan Rotter und Philipp Ambichl vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien bereits zur ursprünglichen Arbeit aus dem Jahr 2014: Sie illustrierten das Verhalten der Lichtwelle mit dem eines Betrunkenen, der über einen Platz torkelt. Demnach würde man üblicherweise davon ausgehen, dass der Betrunkene länger auf dem Platz verweilt, wenn sich dort zahlreiche Hindernisse befinden, wie etwa Laternen.

Erklärung für Transportphänomene

Doch die Wiener Forscher und ihre französischen Kollegen kamen zu einem anderen Schluss. Gleich, ob auf jedem Quadratmeter des Platzes eine Straßenlaterne steht oder die Abstände dazwischen sehr groß sind - der Betrunkene braucht auf seinem zufälligen Weg vom Betreten bis zum Verlassen des Platzes im Durchschnitt immer gleich lange. Das Ergebnis ist aber nicht nur für Stadtplaner relevant: Die Wissenschafter wiesen nach, dass diese Konstanz der Verweildauer universell ist und sogenannte Transportphänomene aus ganz unterschiedlichen Bereichen erklärt.

Ausgangspunkt der Überlegungen war die Frage, wie sich Wellen in einem ungeordneten Medium ausbreiten, also einem Material, das keinen homogenen Brechungsindex besitzt. Ein solches ist etwa ein Glas Milch. Fällt dort Licht ein, wird es an den zahlreichen Partikeln gestreut und verlässt das Glas wieder. Dadurch erscheint die Flüssigkeit weiß und undurchsichtig. Eine klare Substanz lässt einen Gutteil des Lichts dagegen quasi ungehindert passieren.

Üblicherweise würden solche Transportphänomene anhand der Strecke beschrieben, die sich eine Welle oder ein Teilchen frei bewegen kann, bis sie bzw. es auf das nächste Hindernis trifft. Im Beispiel des Betrunkenen wäre das also der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Laternen oder im Fall des Glases die Distanz zwischen zwei Partikeln, an denen eine Lichtwelle gestreut wird.

Effekte heben sich auf

Von dieser mittleren freien Weglänge hängen viele Größen ab. Etwa wie viel Zeit die Lichtwelle im Glas verbringt, wenn sie vollständig durchgelassen oder zurückreflektiert wird. Oder im Fall des Betrunkenen die Zeit am Platz, wenn er vielleicht gleich zu Beginn seines Weges irgendwo anstößt und kehrtmacht oder ob der vielen Hindernisse einen zackigen Weg einschlägt und sehr lange auf die andere Seite braucht. "Man kann mathematisch zeigen, dass sich diese beiden Effekte erstaunlicherweise genau aufheben. Im Mittel ist der durchschnittliche Weg, den das Licht in der Flüssigkeit zurücklegt, immer gleich lang", so Rotter nun in einer Aussendung der TU.

Die Forscher aus Paris und Wien gingen daran, ihr theoretisches Ergebnis experimentell zu bestätigen. Dafür wurde Wasser in einem Reagenzglas mit Nanopartikeln vermischt. Je mehr Partikel sich darin befanden, desto mehr Hindernisse streuten das Licht auf dem Weg durch die Probe und umso milchig-trüber erschien demnach auch die Flüssigkeit.

Weg des Lichts gleich lang

"Wenn Licht durch diese Flüssigkeit geschickt wird, dann ändert sich die Streuung fortwährend, weil sich die Nanopartikel im Wasser bewegen. Dadurch entsteht ein charakteristisches Glitzern auf der Oberfläche des Reagenzglases. Wenn man dieses genau vermisst und analysiert, kann man daraus auf die Weglänge schließen, die das Licht in der Flüssigkeit zurückgelegt hat", erklärte Rotter. Die Wissenschafter kamen so zum Schluss, dass der Weg des Lichts tatsächlich im Durchschnitt immer gleich lang bleibt.

Und das gilt eben nicht nur für Licht in mehr oder weniger trüben Flüssigkeiten. Laut Rotter dürfte es sich um "eine sehr fundamentale Eigenschaft handeln, wonach ein Medium einer bestimmten Größe eine Welle oder ein Teilchen nur für eine gewisse Zeit einfangen kann, egal wie das Material strukturiert ist".

Service: http://dx.doi.org/10.1126/science.aan4054

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