Lumière sur son chemin à travers un liquide :Dans le cas d'un liquide transparent (à gauche), les chemins lumineux sont des lignes droites. Dans le cas où le liquide est rendu opaque par des nanoparticules (à droite), les chemins lumineux deviennent plus compliqués par diffusion. Certains des chemins deviennent plus longs, d'autres plus courts - en moyenne bien que la longueur des chemins lumineux soit la même que dans le cas transparent. Crédit :Université de technologie de Vienne
Une prédiction apparemment paradoxale en physique a maintenant été confirmée dans une expérience :peu importe qu'un objet soit opaque ou transparent, la longueur moyenne des chemins de la lumière à travers l'objet est toujours la même.
Que se passe-t-il lorsque la lumière traverse un verre de lait ? Il entre dans le liquide, est dispersé de manière imprévisible sur d'innombrables particules minuscules et sort à nouveau du verre. Cet effet fait apparaître le lait blanc. Les chemins spécifiques que prend le faisceau lumineux incident dépendent, cependant, sur l'opacité du liquide :Une substance transparente va laisser passer la lumière en ligne droite, dans une substance trouble, la lumière sera diffusée de nombreuses fois, voyager sur des trajectoires en zigzag plus compliquées. Mais étonnamment, la distance totale moyenne parcourue par la lumière à l'intérieur de la substance est toujours la même.
Le professeur Stefan Rotter et son équipe (TU Wien, Autriche) a prédit ce résultat contre-intuitif avec des collègues français il y a trois ans. Maintenant, lui et ses collaborateurs de Paris ont vérifié cette théorie dans une expérience. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Science .
Particules et ondes
"Nous pouvons avoir une idée simplifiée de ce phénomène lorsque nous imaginons la lumière comme un flux de minuscules particules, " explique Stefan Rotter. " Les trajectoires des photons dans le liquide dépendent du nombre d'obstacles qu'ils rencontrent. "
En clair, liquide complètement transparent, les particules se déplacent le long de lignes droites, jusqu'à ce qu'ils laissent le liquide du côté opposé. Dans un liquide opaque, cependant, les trajectoires sont plus compliquées. Le faisceau de lumière est dispersé fréquemment le long de son chemin, il change plusieurs fois de direction, et il ne peut atteindre le côté opposé qu'après avoir parcouru une longue distance à l'intérieur de la substance opaque.
Résultats de simulation pour les trajets lumineux dans des zones circulaires avec différents degrés d'opacité. La lumière arrive de la gauche avec de nombreux angles d'injection différents. Crédit :Romain Pierret &Romolo Savo
Mais dans un liquide trouble, il y a aussi beaucoup de photons, qui n'atteindra jamais le côté opposé. Ils ne traversent pas complètement le liquide, mais pénètrent juste un peu sous la surface et après quelques événements de diffusion, ils sortent à nouveau du liquide, donc leurs trajectoires sont plutôt courtes. "On peut montrer mathématiquement que, assez surprenant, ces deux effets s'équilibrent exactement, " explique Stefan Rotter. " La longueur moyenne du trajet à l'intérieur du liquide est donc toujours la même, indépendamment du fait que le liquide soit transparent ou opaque. "
Au deuxième regard, la situation est un peu plus compliquée :« Il faut tenir compte du fait que la lumière traverse le liquide comme une onde plutôt que comme une particule le long d'une trajectoire spécifique, " dit Rotter. " Cela rend plus difficile l'élaboration d'une description mathématique, mais il s'avère que cela ne change pas le résultat principal. De plus, si nous considérons les propriétés d'onde de la lumière, la longueur moyenne associée à la lumière pénétrant dans le liquide reste toujours la même, indépendamment de la force avec laquelle l'onde est diffusée à l'intérieur du milieu."
Expériences en eau trouble
Les calculs théoriques décrivant ce comportement contre-intuitif ont déjà été publiés il y a trois ans dans une publication conjointe de l'équipe de Stefan Rotter et de ses collègues parisiens. Maintenant, les mêmes groupes de recherche ont réussi à vérifier le résultat remarquable dans une expérience. Les tubes à essai étaient remplis d'eau, qui a ensuite été obscurcie avec des nanoparticules. Au fur et à mesure que des nanoparticules sont ajoutées, la lumière est diffusée plus fortement et le liquide apparaît plus trouble.
"Quand la lumière est envoyée à travers le liquide, la façon dont il est dispersé change continuellement, parce que les nanoparticules continuent de se déplacer dans le liquide, " explique Stefan Rotter. " Cela conduit à un effet scintillant caractéristique sur la surface extérieure des tubes. Lorsque cet effet est mesuré et analysé avec soin, il peut être utilisé pour déduire le trajet de l'onde lumineuse à l'intérieur du liquide." Et en effet :quel que soit le nombre de nanoparticules, peu importe si la lumière a été envoyée à travers un échantillon presque parfaitement transparent ou un liquide ressemblant à du lait, on a observé que la longueur moyenne du trajet de la lumière était toujours la même.
Ce résultat permet de comprendre la propagation des ondes dans les milieux désordonnés. Il y a de nombreuses applications possibles à cela :« C'est une loi universelle, qui vaut en principe pour tout type de vague, " dit Stefan Rotter. " Les mêmes règles qui s'appliquent à la lumière dans un liquide opaque valent également pour les ondes sonores, dispersés sur de minuscules objets dans l'air ou même des ondes de gravité, voyager à travers une galaxie. La physique de base est toujours la même."
