انبعاث الفوتونات الحيوية

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

ضوء الشمس يشبه تيارًا متواصلًا من الكرات المتجهة نحو جدار. بروتينات الهوائيات في البكتيريا الممتصة للضوء تلتقط هذه "الكرات" — الفوتونات، لكن في بعض الأحيان تكون الضربة قوية جدًا، وفي "الجدار" — جزيء الكلوروفيل — تنشأ حالة مثارة خطيرة، الحالة الثلاثية.

لطالما حير لغز المادة المضادة في الكون علماء الفيزياء الفلكية: من أين تأتي البوزيترونات التي تترسب كرقائق الثلج في الكواشف؟ قد يكمن الجواب في أكثر أشكال خلفية غاما انتشارًا. فالكون مشبع بضوء متبعثر — خلفية الفوتونات الكونية (CPB).

أوركسترا بلا قائد، حيث يسمع الموسيقيون بعضهم البعض عبر جدار مشترك. هذا تقريباً ما يبدو عليه النوع الجديد من الليزر: عدة ذرات (باعثات) موضوعة على طول دليل ضوئي (waveguide) — مسار رفيع للضوء على شريحة. الضوء الصادر من كل ذرة يجري على طول هذا المسار ويؤثر على الجيران. ينشأ عزف جماعي، حيث تبعث الذرات بشكل منسق، مثل أقواس الكمان ترتفع في لحظة واحدة. لكن هناك تفصيل مهم.

عند شدة ضوء منخفضة للغاية الفوتونات تصل إلى الكاشف واحدة تلو الأخرى — مثل قطرات من صنبور غير محكم الإغلاق، ولا تشكل أزواجًا أبدًا. هذه الظاهرة، المعروفة باسم مضادة التجميع، تم التنبؤ بها نظريًا من قبل روي غلاوبر وتم تأكيدها تجريبيًا لأول مرة من قبل ليونارد ماندل، لتصبح دليلًا مباشرًا على الطبيعة الجسيمية للضوء.

كاشفات المادة المظلمة هي في جوهرها ميكروفونات شديدة الحساسية، قادرة على التقاط همس وسط ضجيج حفل صاخب. مهمتها هي رصد الارتطامات النادرة من الجسيمات الافتراضية للمادة المظلمة، التي يُعتقد أنها تصطدم أحيانًا بنوى المادة العادية. ومع ذلك، في دراسة جديدة، أعاد العلماء ضبط هذه الميكروفونات على "صوت" مختلف — وهو "حفيف" ضعيف للنيوترينوات الشمسية النيوترينوات.

الكون ليس فراغًا، بل كرة بلورية هائلة تخترقها حدود غير مرئية — جدران المجال — تجمّدت بعد تحولات طورية. هذه الندوب على جسد الفراغ قد تكون أرقّ من شعرة، لكن عندما يعبر فوتون الخلفية الكونية مثل هذا الجدار، يدور استقطابه — كأن الضوء يلتف على خيط غير مرئي خلّفه القطاع المظلم.

انفجار أشعة غاما هو وميض ضوئي قصير لكنه قوي جدًا، يحدث عند اندماج نجمين نيوترونيين أو انهيار نجم ضخم. داخل هذا الوميض، تندفع تدفقات البلازما بسرعة هائلة وتتصادم مع بعضها البعض. موجة الصدمة الناتجة عن التصادم تسخن المادة، فتبدأ في التوهج — هكذا يولد الإشعاع الذي نلتقطه على الأرض.

في الليل، داخل غرفة مظلمة، يتوهج جسم الإنسان بشكل خافت بالكاد يُلاحَظ. هذا الضوء ضعيف جدًا لدرجة أن الأجهزة شديدة الحساسية فقط هي التي تلتقطه. ظن بعض العلماء أن هذا التوهج الصادر من الرأس قد يخبرنا عن نشاط الدماغ — دون الحاجة إلى أجهزة التصوير المقطعي أو الأسلاك. لكن الفحص أظهر خلاف ذلك. عندما قيس الضوء المنبعث من الرأس في ظروف مظلمة حقًا، اتضح أنه أضعف بعدة مرات مما كان عليه في التجارب السابقة.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

ثمانٍ وعشرون ثانية — هذا هو الوقت الذي استغرقته كاميرا آلية لتوجيه نفسها نحو ومضة في كوكبة استغرق ضوءها أكثر من تسعة مليارات سنة للوصول إلينا. عمل التلسكوب في مرصد أوندريوف التشيكي مثل جهاز إنذار الحريق: بمجرد أن رصد القمر الصناعي انفجار أشعة غاما، دوّر الروبوت الأنبوب وبدأ بتصوير السماء كل بضع ثوانٍ.

عندما يسقط الضوء على مادة شبه موصلة، يمكن أن يطرد إلكترونًا تاركًا خلفه فجوة. ينجذب الإلكترون والفجوة لبعضهما ويشكلان زوجًا يسمى الإكسيتون. يمكن لهذا الزوج أن يعيد إصدار الضوء، لكن ليس فورًا: أولاً يتبادل الطاقة مع اهتزازات الشبكة البلورية - الفونونات.

عندما يسقط شعاع الشمس على ورقة، يبدأ سباق تتابع داخلها. تنتقل طاقة الضوء من جزيء كلوروفيل إلى آخر حتى تصل إلى مركز التفاعل، وهو المكان الذي تنطلق فيه كيمياء الحياة. يجري هذا التتابع بدقة مدهشة: كل كمّ من الضوء تقريباً يجد طريقه. أراد العلماء معرفة كيف تتمكن الجزيئات من نقل الطاقة بهذا التناغم. درسوا بروتينات البكتيريا الأرجوانية التي تلتقط الضوء.

يمكن تشبيه تدفق الإلكترونات بحزمة ضوء من مؤشر ليزري: إذا تباعدت، فإن البقعة على الحائط سرعان ما تتلاشى. في المختبر، صنع الفيزيائيون حزمة ضيقة لدرجة أنها ظلت رفيعة على مسافة كبيرة، مثل شعاع مؤشر جيد. للقيام بذلك، قاموا بتسريع الإلكترونات في مسرع بلازما، حيث تلتقط الجسيمات موجة في غاز مؤين، ثم ضغطوا التدفق بمغناطيس دائم على شكل ملف لولبي.

تدخل نبضة ليزر إلى تجويف صغير جدًا مصنوع من بلورة شفافة. داخل التجويف، يرتد الضوء بين المرايا، وأحيانًا ينقسم فوتون واحد إلى زوج: أحدهما يتجه في اتجاه، والآخر في اتجاه آخر. يصبح أحدهما إشارة، بينما يعمل الآخر بمثابة "جرس" يخبرنا بأن الفوتون المفرد جاهز. هذا المصدر لا يُصدر الفوتونات وفق جدول زمني، لكنه يخبرنا بدقة متى ظهر الفوتون المفرد.

التوهج الشمسي يشبه انفجارًا في الغلاف الجوي للنجم: في دقائق تُطلق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية. في 4 مايو 2022، كان التلسكوب الراديوي RT-7.5 في موسكو يرصد توهجًا من الفئة M5.7. التقط الجهاز موجات راديوية ميليمترية — وهي موجات أقصر من سنتيمتر وغير مرئية للعين. بعد النبضة الرئيسية للتوهج، عندما بدأ السطوع في الانخفاض، لاحظ التلسكوب ارتفاعًا جديدًا في الإشعاع عند تردد 93 جيجاهرتز.

الضوء الصادر من مصباح عادي هو تيار من فوتونات منفردة، مثل قطرات من صنبور. لكن هناك ضوءًا تأتي فيه الفوتونات في أزواج، كأنها توأمان يمشيان معًا. هذا الضوء المترابط كان مطلوبًا منذ زمن لقياس المسافات وتصوير الأجسام المخفية خلف الزوايا. لكن مصادر هذا الضوء كانت إما باهتة جدًا أو ومضاتها قصيرة جدًا بحيث لا تستطيع الكاشفات العادية التقاطها.

خلية قلبية في طبق بتري تنقبض — وفي تلك اللحظة تجري موجة كهربائية عبر سطحها. في السابق، لالتقاط هذه الموجة، كان يُغرز في الخلية إبرة دقيقة للغاية تعمل كقطب كهربائي. أما الآن، يكفي مجرد النظر إليها تحت المجهر. تُسمى هذه الطريقة بالتسجيل الإلكتروكرومي (electrochromic recording). تُطلى الشريحة الزجاجية بمادة تغير لونها عندما يتغير المجال الكهربائي في جوارها.

مصدر الضوء المفرد في طبقة رقيقة من نيتريد البورون يومض وينطفئ خلال نانوثانيتين. يمكن إنشاء العديد من هذه المصادر في المادة، لكن كل واحد منها كان يعمل بمفرده لفترة طويلة. في العمل الجديد، جُعلت تتوهج معاً، مثل الموسيقيين الذين يعزفون في انسجام. لتحقيق ذلك، وُضعت المصادر على مسافة أقل من طول موجة الضوء المنبعث.

في مسرّع الجسيمات، تندفع الإلكترونات في حلقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. عندما يصطدم مثل هذا الإلكترون بفوتون — جسيم ضوء — يرتد الفوتون كما ترتد الكرة عن شاحنة متحركة، وينطلق بطاقة أكبر بكثير. تُسمى هذه الظاهرة تشتت كومبتون وتُستخدم منذ زمن طويل لإنتاج أشعة غاما — وهي أكثر أنواع الضوء طاقة.

الليزر العادي يُصدر الفوتونات واحدًا تلو الآخر، مثل صنبور يقطر ماءً. ولكن ماذا لو احتجنا عدة جسيمات ضوئية تولد في اللحظة نفسها؟ الفيزيائيون جعلوا سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة تُصدر أربعيات من الفوتونات — كما لو أن الصنبور فجأة يُخرج أربع قطرات دفعة واحدة، وكل قطرة تسقط في أنبوب اختبار خاص بها. تُبرَّد السحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق، بحيث تكاد الذرات لا تتحرك.

بدأت الحياة بجزيئات شبيهة بالواقي الشمسي الطبيعي — على أساس الكربون، كانت تمتص الأشعة فوق البنفسجية الناعمة لـالشمس الفتية وتحولها إلى حرارة. هذه الطريقة في تبديد الطاقة لم تكن مجرد تدفئة: بل أجبرت الجزيئات على التنظيم الذاتي، مثل طهاة يعجنون من فوضى المكونات عجينة منظمة. لكن الأشعة فوق البنفسجية أداة متقلبة.

الخلايا الحية تتبادل إشارات ضوئية بشكل مستمر – أضعف بمليار مرة من ضوء النهار. يشبه هذا الهمس الذي تلتقطه أجهزة فائقة الحساسية. الخلية السليمة تهمس بإيقاع منتظم، بينما السرطانية تهمس باضطراب، لكن بذاكرة طويلة للومضات السابقة.

ينقر الليزر بتردد عشرة ملايين مرة في الثانية، وكل نقرة تُطلق من غشاء البوليستيرين فوتونًا واحدًا بالضبط. ليس حزمة ولا دفعة، بل جسيم ضوء وحيد، معبأ بدقة في المكان والزمان. المصدر هو جزيء يمكن شراؤه من كتالوج الكواشف الكيميائية: فوليرين C60، ستون ذرة كربون مطوية على شكل كرة قدم. تلك الكرة التي مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996 لتخليقها. الآن تلعب لعبة مختلفة.