Wie sich Licht durch Milch bewegt

Dringt Licht durch ein Glas Milch, wird es vielfach an winzigen Fettteilchen gestreut und erzeugt eine weiße Färbung. Das Weiß von Vollmilch erscheint daher intensiver als das von fettarmer Milch. Da die Lichtteilchen durch diese Streuungen viele Umwege machen müssen, sollten sie in Milch eine längere Strecke zurücklegen als beispielsweise in klarem Wasser. Doch dieser auf den ersten Blick plausible Zusammenhang ist nicht korrekt, wie Physiker nun in der Fachzeitschrift „Science“ berichten.

Vier Kreise vor dunklem Hintergrund, von einem Punkt am linken Rand gehen Lichtstrahlen aus. Die Lichstrahlen sind von Bild zu Bild besser zu erkennen.
Simulation von Lichtpfaden in Scheiben mit unterschiedlicher Trübung

„Im Mittel ist der durchschnittliche Weg, den das Licht in der Flüssigkeit zurücklegt, immer gleich lang“, sagt Stefan Rotter von der Technischen Universität Wien. Dieses bereits vor drei Jahren theoretisch vorhergesagte Phänomen überprüfte er mit seinen Kollegen nun auch experimentell. Dazu füllten die Physiker kleine, knapp einen Zentimeter durchmessende Glasröhrchen mit Wasser und ergänzten winzige Kügelchen aus dem Kunststoff Polystyrol. Je größer die Menge der zugefügten Kügelchen mit Durchmessern von 100 oder 360 Nanometern war, desto stärker wurde das Licht gestreut – die Flüssigkeit wurde entsprechend trüber und undurchsichtiger.

Ihre Glasröhrchen beleuchteten Rotter und Kollegen auf der gesamten Vorderseite mit Laserlicht. Auf der Rückseite installierten sie einen empfindlichen Lichtsensor, der sich in einem Halbkreis um das Röhrchen drehen ließ. So konnten die Forscher sowohl mehrfach gestreute Lichtteilchen mit langen Weglängen als auch seltener gestreute mit kürzeren Weglängen nachweisen. Die Messungen ergaben, dass in zunehmend trüben Flüssigkeiten ein geringerer Anteil des Lichts öfter gestreut wurde und längere Wegstrecken zurücklegte. Dafür verließ aber ein zunehmender Lichtanteil nach nur wenigen Streuungen das Röhrchen auf kürzeren Wegen. In der Summe blieb die mittlere Weglänge unabhängig von der Trübung der Flüssigkeit konstant.

„Es ist ein universelles Gesetz, das grundsätzlich für jede Art von Welle gilt“, sagt Rotter. So ergeben sich nicht nur Anwendungen, in denen – wie bei der Analyse von Flüssigkeiten – Lichtstreuung eine Rolle spielt. Auch Schallwellen und sogar Gravitationswellen, die eine Galaxie durchdringen, sollten unabhängig von der Anzahl und Dichte von streuenden Objekten in einem definierten Raum immer die gleiche mittlere Strecke zurücklegen.