光透过不透明介质时的路径长度问题

YXsensing

一个看似矛盾的物理预言现在已经在一个实验中得到证实：不管物体是不透明的还是透明的，光穿过物体的路径的平均长度总是一样的。

当光线穿过一杯牛奶时会发生什么？它进入液体，光会以一种不可预知的规律分散在无数的微小粒子中，并会再次碰到玻璃。这种效果使牛奶看起来是白色的。这要取决于入射光束，但是具体的路径，在于液体的透明度：透明物质会使光波在一直线上，在混浊物质的光将散落无数次，行驶更复杂曲折的轨迹。但令人惊讶的是，物质内部的光所覆盖的平均总距离总是一样的。

上图所示是通过液体的光束，在透明液体（左）的情况下，光的路径是直线。如果液体通过纳米颗粒是不透明的（右），光的路径通过散射变得更加复杂。其中一些路径变长了，有些路径变短了，尽管光路的长度与透明的情况相同。图片来源：维也纳理工大学

三年前，Stefan Rotter教授和他的团队（来自奥地利）与来自法国的同事一起预测了这种反直觉的结果。现在他和来自巴黎的合作者在一个实验中验证了这个理论。研究结果现已发表在《科学》杂志上。

粒子和波

“我们可以对这种现象有一个简单化的想法，我们想象光作为一个流动着的微小颗粒，”Stefan Rotter说。“光子在液体中的轨迹取决于它们遇到的障碍物的数量。

在清澈透明的液体中，颗粒沿着直线传播，直到液体流到对面。然而，在不透明液体中，轨迹更为复杂。光束沿其方向经常分散，多次改变方向，在不透明物中长距离照射后才能到达对面。 ”

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但在混浊的液体中，也有许多光子，它们永远不会到达液体的另外一面。它们并没有完全穿过液体，而是仅仅穿透了表面下面的某个地方，在一些散射事件之后，它们再次流出液体，所以它们的轨迹相当短。它可以证明数学，而令人惊讶的是，这两者的作用是平衡的，Stefan Rotter说。因此，液体内部的平均路径长度与液体是透明的还是不透明的总是相同的。

上图所示为不同不透明度圆形区域中光路的模拟结果。光线从左边射进来，有许多不同的注入角度。

再次思考这个过程，情况稍微复杂一点：“我们必须考虑到，光透过液是一种波而不是沿特定轨迹的粒子，Rotter说。这使得提出数学描述更具挑战性，但事实证明，这并不能改变主要结果。此外，如果我们考虑光的波特性，与穿透液体的光线的平均长度总是保持不变，不管波在介质中散射的强度有多大。

浑水实验

描述这种违反直觉的行为理论计算结果已经在三年前发表， Stefan Rotter的团队和他的巴黎同事一同撰写了这篇论文。现在，同样的研究小组设法验证了实验中的结果。试管装满水，然后混淆与纳米粒子。随着更多的纳米粒子的加入，光散射更强烈，液体更混浊。

当光通过液体发出的，它是分散的不断变化的方式，因为纳米粒子在液体中保持移动，Stefan Rotter说。这就导致了管外表面的特性闪闪发光。当这种影响的测量和分析，可以推断出内部的液态光的光程。事实上：不论颗粒数，无论光从几乎完全透明的样品或乳发，可以观察到总是光平均路径长度。

这一结果有助于理解波在无序介质中的传播。有许多可能的应用：“这会是一个普遍的规律，原则上适用于任何类型的波，”Stefan Rotter说。“同样的规则也适用于不透明的液体中的光线，声波在空气中传播，甚至散布在星系中的微小物体。基本的物理定律总是一样的。”