الإشعاع الكهرومغناطيسي

على طريق ضيق تسير قافلتان باتجاه بعضهما البعض. الأولى واسعة وبطيئة، تحمل حمولة الكثافة. والأخرى سلسلة من العربات الخفيفة تحمل التيار، تنزلق بين الأولى. هكذا في تفريغ الماجنترون تتعايش بنيتان تدوران في اتجاهين متعاكسين: سنبوكة الكثافة وخيوط التيار. لفترة طويلة كان من غير الواضح كيف تخلق السنبوكة الدوارة واسعة النطاق والاضطرابية صغيرة النطاق معًا النقل الشاذ للإلكترونات عبر المجال المغناطيسي.

داخل التوهج الشمسي، تتمزق الخطوط المغناطيسية مثل حبال مطاطية مشدودة، وتتشابك من جديد، محررةً في دقائق طاقة تكفي البشرية لملايين السنين. في المختبر، طالما عرف العلماء كيفية إحداث هذه العملية، إعادة الاتصال المغناطيسي، لكنهم لم يعرفوا كيفية إيقافها. الآن، أصبح لدى الفيزيائيين مفتاح.

في البلورة، تنتشر الحرارة عبر اهتزازات الشبكة البلورية. تهتز الذرات، وهذه الاهتزازات، التي تسمى فونونات — وهي إثارة جماعية تنقل الطاقة — تنقل الحرارة من الطرف الساخن إلى الطرف البارد.

الإلكترون ليس مجرد جسيم نقطي. إنه سحابة احتمالية موزعة في الفضاء. عندما تصطدم هذه السحابة بنبضة ليزر قوية، يمكن أن تبعث فوتونًا عالي الطاقة – كم غاما. وهذا الفوتون قد لا يكون عاديًا، بل ملتفًا مثل البرغي، حاملًا زخمًا زاويًا مداريًا. كان يُعتقد سابقًا أن التفاف الفوتون يعتمد فقط على خصائص الليزر والجسيمات القادمة.

إن احتضار الثقب الأسود الوحيد يستمر أبدًا. لكن في اللحظات الأخيرة، حين تتبخر كتلته وفق القانون الذي اكتشفه Stephen Hawking، يتمكن من إرسال إشارة وداع راديوية. ليس همسًا كميًا، بل ضجيجًا كلاسيكيًا — شرط أن يكون هناك حقل مغناطيسي قريب.

موجات الراديو — وهي تذبذبات كهرومغناطيسية عالية التردد — تعجز أمام سمك الأرض: فهي تتلاشى، وتُمتص بالكامل تقريبًا على عمق بضعة أمتار. لكن المجال المغناطيسي منخفض التردد، الخاضع لمعادلات الديناميكا الكهربائية، يتصرف بشكل مختلف. فهو يخترق التربة، كأنه جسر غير مرئي يُرمى عبر الصخور والتربة.

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

شعاع ضوء يدخل زجاجًا معتمًا وينطفئ — أمر عادي. لكن الفيزيائيين يعرفون منذ زمن كيف يجعلون الضوء يعبر دون فقدان فوتون واحد. هذه الحيلة تسمى الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا: موجتان ضوئيتان تلغيان بعضهما عند نقطة معينة، فيختفي الامتصاص. الآن طُبِّقت حيلة مشابهة على الذرات.

لغز الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) ليس مجرد سؤال "ما الذي انفجر هناك؟". إنها دراما نقل الطاقة في ظروف قصوى، حيث يؤدي أدنى توقف إلى الانهيار. عندما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل النجوم النابضة، سمع علم الفلك الراديوي لأول مرة الصرخة المتماسكة للنجوم النيوترونية.

منارة ترسل إشارة عبر عاصفة من المرايا الخاصة بها — هذا تقريباً ما تفعله الدفقات الراديوية السريعة عندما تحاول مغادرة محيط المغناطيس النابض. المغناطيس النابض هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بكوادريليون مرة من مجال الأرض. داخل غلافه المغناطيسي الداخلي، تتحول موجات الراديو بتردد الغيغاهرتز إلى موجات مغناطيسية صوتية خاصة وتدخل فوراً في رنين ثلاثي.

الإلكترون وقريبه الأثقل، الميون، يتصرفان كمغناطيسات صغيرة. عزومهما المغناطيسية بوحدات خاصة تتجاوز قليلاً الرقم 2، وهذا «الجزء الزائد» يسمى العزم المغناطيسي الشاذ. ينشأ من الغليان المستمر للفراغ الكمومي: أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة تظهر وتختفي للحظات، مما يخلق تموجات تساهم في المغناطيسية.

تمكن الفيزيائيون من تحقيق توطين أندرسون ثلاثي الأبعاد للموجات الكهرومغناطيسية — وهي ظاهرة تعلق فيها الموجات إلى الأبد في متاهة عشوائية من جسيمات معدنية وتتوقف عن الانتشار. في السابق، كان من الممكن ملاحظة ذلك فقط للاهتزازات الصوتية أو الإلكترونات، أما بالنسبة للضوء — الموجات التي لا تميل تقريبًا إلى "الحبس" التداخلي — فقد ظلت التجربة تحديًا لعقود.

كرتان مشحونتان كهربائيًا تتجاذبان بقوة معينة. إذا استبدلت شحناتهما بأقطاب مغناطيسية، فسيُظهر ميزان الزنبرك نفس القوة تمامًا. ومع الثقوب السوداء، يبدو أن القصة نفسها — فقط بدلاً من النوابض، يعمل نسيج الزمكان نفسه. مؤلفو الدراسة الجديدة ولأول مرة قاموا بحساب تصادم ثقبين أسودين يحملان شحنة كهربائية على الكمبيوتر.

النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم فائقة الكثافة، حيث تنضغط المادة إلى أقصى حد وصفتها سوبرامانيان تشاندراسخار. النجوم المغناطيسية هي نوع منها بمجال مغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض.

عندما تُجمع العديد من الذرات المثارة معًا، فإنها غالبًا ما تطلق الضوء بشكل منسق — مثل حشد يصفق بإيقاع واحد. هذه ظاهرة معروفة منذ زمن طويل تُسمى انبعاث ديكي الفائق (Dicke superradiance).

حجر يسقط في بركة ماء، فعند الشاطئ تكون الدوائر غير ملحوظة تقريبًا، بينما بالقرب من نقطة السقوط يغلي الماء. يتصرف المجال الكهربائي حول الشحنة بشكل مشابه: قريبًا يكون حادًا ومعقدًا، وعلى مسافة يتمدد إلى موجة منتظمة تحمل الطاقة. هذه المنطقة البعيدة يسميها الفيزيائيون منطقة الإشعاع. هناك يضعف المجال بنعومة، مثل دوائر الماء التي تتباعد دون تموجات.

راحة اليد فوق موقد ساخن تشعر بالحرارة حتى عندما يبدو الهواء المحيط باردًا. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في تأثير أهارونوف-بوم: الجسيم يشعر بالجهد الكهربائي رغم دخوله منطقة أُطفئ فيها المجال بالفعل. النسخة الكهربائية من التأثير — عندما يتغير الجهد (الجهد القياسي) مع الزمن ويُزاح طور موجة الإلكترون — ظلت حتى الآن حبرًا على ورق. لم يقم أحد بتجربة مع جهود محمية ومتغيرة زمنيًا.

دوارة الضوء لا تُدير الأشخاص، بل الإلكترونات. وبدلاً من الخيول الخشبية، هناك شفرات غير مرئية مصنوعة من الضوء. هذا هو بالضبط ما بناه الفيزيائيون «دوارة» لمنح الإلكترونات دورانًا. عادةً، للف تدفق الإلكترونات في دوامة، تحتاج إلى قناع صغير — استنسل به شقوق محفورة على مقياس الذرات. من الصعب جدًا تصنيعه. تجاوز مؤلفو العمل هذه العقبة: لقد استبدلوا الشبكة المادية بشبكة ضوئية — أشعة ليزر متقاطعة.

نجمان نيوترونيان يقتربان في مسار حلزوني ليدمجا في لحظة. رقصتهما تستمر أجزاء من الثانية، ولكن قبل النهاية مباشرة، يصطدم أحدهما بالغلاف المغناطيسي للآخر — مثل سباح يشق الماء ويرفع الأمواج. في تلك اللحظة تولد منظومة معقدة من التيارات تحمل الطاقة بعيدًا.

د النجوم النيوترونية هي بقايا بالغة الكثافة لنجوم ميّتة، كل منها بحجم مدينة لكنها أثقل من الشمس. في عام 1934، تنبأ بوجودها فريتز زفيكي. ملعقة شاي من هذه المادة تزن مليارات الأطنان. عندما يقترب اثنان من هذه الأجرام قبل الاندماج، تلتف حقولهما المغناطيسية وتتمزق مثل أوتار مشدودة.

كل حرف علة هو شكل خاص للفم واللسان والبلعوم. عندما ينطق الإنسان «أ» أو «إ» أو «و»، لا يتغير الهواء داخل الرأس فحسب، بل يتغير أيضًا كيف تمر عبره موجات الراديو. نظر الباحثون إلى هذه العملية باستخدام صور الرنين المغناطيسي الملتقطة أثناء الكلام مباشرة، وبنوا نموذجًا حاسوبيًا دقيقًا للرأس — من العظام إلى الأنسجة الرخوة.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

سطح أوروبا درع جليدي تتعرض باستمرار لقصف الجزيئات المشحونة القادمة من الغلاف المغناطيسي للمشتري. تصطدم الإلكترونات بالشبكة البلورية للجليد، وتفقد طاقتها، وتطلق تفاعلات كيميائية. في السابق، لم تكن هناك أداة تُظهر مدى عمق هذا القصف في الجليد. الآن ظهرت.

الإلكترون الذي يطير عبر الغاز يشبه سباحًا يحاول عبور حوض سباحة مزدحم. كل تصادم مع ذرة يغير مساره وسرعته. في الأرجون الكثيف، تكون هذه التصادمات كثيرة جدًا لدرجة أن الوصف البسيط يتوقف عن العمل. قام الفيزيائيون بقياس حركية الإلكترونات — أي مدى سهولة انجرافها تحت تأثير مجال كهربائي. وتباينت كثافة الغاز ودرجة الحرارة وقوة المجال.

عندما يقتلع الضوء إلكترونًا من ذرة، يطير بعيدًا ككرة قُذفت وسط حشد. لطالما أراد العلماء معرفة اللحظة الدقيقة التي يغادر فيها كل إلكترون الذرة، لكن القياس المباشر كان يعطل العملية نفسها. الآن، اقترح الفيزيائيون طريقة تستخدم ومضة ضوئية ثانية لـ«التقاط صورة» للحظة ولادة الإلكترون. تشبه الطريقة تداخل موجتين على سطح الماء: موجة من الإلكترون الأول، وأخرى من إلكترون ثانٍ ناتج عن الومضة القصيرة.

تحيط بنا موجات الراديو، لكن العين لا تراها. مستشعر جديد بحجم الظفر يحولها إلى بقعة ملونة على شاشة صغيرة. داخل الرقاقة توجد طبقة من البلورات السائلة، وهي نفسها المستخدمة في شاشات الهواتف. ومن بينها أسلاك رفيعة من مادة مغناطيسية حديدية. عندما تصل موجة راديو، تسخن الأسلاك بسرعة. ينتقل الحرارة إلى البلورات، فتغير ترتيب جزيئاتها. الضوء المار عبر البلورات يتغير استقطابه.

في قطعة من أكسيد المنغنيز بسماكة بضع طبقات ذرية، تتصرف الإلكترونات كحشد على سُلَّم متحرك: كلٌّ يتحرك وفق قواعده الخاصة، لكنهم معًا يشكلون تيارًا عامًا. وجّه الفيزيائيون إلى هذا الغشاء أشعةَ إكس لينة (soft X-rays) واقتلعوا الإلكترونات إلى الخارج. ومن زاوية الانطلاق وطاقة تلك الإلكترونات، أعادوا بناء صورة مستويات الطاقة — وهي بمثابة جدول حركة داخل المادة.

في بلورة الموصل الفائق، قد تصطف الإلكترونات أحيانًا في موجات شحنة — مثل تموجات على سطح الماء، لكنها مكوّنة من الجسيمات نفسها. بعض الموجات تمتد بعيدًا، بينما يعيش البعض الآخر على مقاطع قصيرة فقط. أخذ العلماء مادة YBa$$_2$$Cu$$_3$$O$$_{6.67}$$ وضربوها بنبضات قصيرة من الأشعة السينية لتمييز الموجتين.

الضوء ليس مجرد شعاع، بل هو موجة لها مجال كهربائي يتغير بسرعة لا يمكن تصورها بالساعات العادية. حتى الآن، كان يُقاس هذا المجال في نقطة واحدة فقط، مثل قياس درجة الحرارة بميزان حرارة واحد. الآن، ابتكر الباحثون طريقة تُظهر المجال كله دفعة واحدة، مثلما يُظهر جهاز التصوير الحراري خريطة الحرارة.

يشبه المجال المغناطيسي ظل الجسم: فهو يتغير مع شكل المصدر. لكن إذا وضعتَ عدسة في مسار الضوء، يمكنك تغيير الظل. وهكذا هنا: ابتكر المؤلفون «عدسة» للمجال المغناطيسي — مجموعة من المواد العادية ذات نفاذية مغناطيسية مختلفة (القدرة على تمرير المجال).

الجسيم المشحون الذي يلفه المجال المغناطيسي لا يلتزم الصمت: فهو يُصدر ضوءًا. يُسمى هذا الضوء بالإشعاع السينكروتروني، ويوجد في كل مكان — من المجرات البعيدة إلى المسرعات المختبرية. لفهم كمية الضوء المنبعث عند كل طول موجي، يستخدم الفيزيائيون دالة خاصة — تُحسب عدديًا أو عبر معادلات تقريبية. وجد مؤلفو العمل طريقًا أنيقًا للالتفاف حول هذه المشكلة.

طبقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون تشبه قرص العسل. تتحرك الإلكترونات فيها بسرعة كبيرة وكأنها عديمة الكتلة، تمامًا مثل الضوء. عندما تسقط نبضة ليزر قوية على هذه الطبقة، تتلقى الإلكترونات ركلة وتبدأ في التسارع. يمكن تشبيه مسارها بطريق تظهر فيه أحيانًا حواجز — وهي النطاقات المحظورة.

البلازما هي غاز مسخن بشدة لدرجة أن الإلكترونات تنفصل عن الذرات. تجري فيها موجات تشبه الصوت في الهواء، لكن المجال المغناطيسي يتحكم فيها. إذا أصبح المجال المغناطيسي غير متجانس، بل دوريًا — مثل سياج بألواح متناوبة — فإن الموجات تتصرف بشكل مختلف. بعض الترددات تختفي ببساطة: لا يمكن للموجة أن تنتشر، بل تنعكس إلى الخلف.

المجال المغناطيسي للأرض يشبه نهرًا غير مرئي يتعرج تحت أقدامنا. يعتمد الملاحون والجيولوجيون على خرائط هذا النهر، لكن الأجهزة لا تسجل القراءات إلا في نقاط متفرقة، تاركةً بقعًا بيضاء بينها. ملء هذه الفراغات يشبه إعادة رسم مجرى النهر بالاعتماد على بضع حصى وجدت على الضفة.

في تيار الجسيمات المشحونة الذي ينبعث باستمرار من الشمس، تظهر أحيانًا ومضات راديوية — إشارات قصيرة قوية على تردد يمكن التقاطه بجهاز راديو عادي. حتى الآن، كان من غير الواضح كيف تولد هذه الإشارات داخل هذا التيار. الآن، ولأول مرة، رصدت أجهزة المسبار الفضائي Solar Orbiter العملية برمتها بأم العين. الشمس تقذف حزمًا من الإلكترونات — جسيمات ذات شحنة سالبة.

دوامتان مغناطيسيتان صغيرتان، تُسميان سكيرميونات، تسبحان عبر غشاء رقيق. عندما تقتربان من بعضهما، تنشأ بينهما ليست قوة تجاذب أو تنافر بسيطة، بل تناوب بين الاثنين - كما لو أن عوامتين على الماء تقتربان وتتباعدان، خاضعتين لموجة غير مرئية. اتضح أن القوة بين السكيرميونات تغير إشارتها بشكل دوري: أولاً يتجاذبان، ثم يتنافران، وهكذا يتكرر ذلك بخطوة محددة.

الموجة العادية في المغناطيس تشبه تموجات الماء: كلما كانت خطوة الموجة أقصر، زادت طاقتها. يسمي الفيزيائيون هذه الموجات ماغنونات. لكن في غشاء رقيق من غارنيت البزموت-الإيتريوم، أمكن إنشاء موجات بسلوك معاكس: طاقتها تنخفض مع تناقص طول الموجة. هذه هي مضادات الماغنونات. وُضع الغشاء في جهاز حيث يتناثر الضوء على موجات المغنطة.

الرنين المغناطيسي هو مثل الشوكة الرنانة التي تصدر نغمة واحدة فقط. لكل جزيء تردده الخاص، ويمكن من خلاله معرفة نوع الجزيء وحالته. لكن في السابق، كان الاستماع إلى هذه الشوكة يتم عبر جدار سميك: كانت الإشارة مشوشة، وكان من الصعب تمييز النغمة الدقيقة. الفيزيائيون من ألمانيا بنوا جهازًا يستمع إلى الجزيئات في مجال مغناطيسي قوي جدًا — أقوى بـ 300 ألف مرة من مجال الأرض.

القزم الأحمر V374 بيغاسوس نجم بحجم ثلث الشمس، لكنه يتمتع بطابع بركاني. كل بضع ساعات، تنفصل عن سطحه كتل ضخمة من البلازما، مثل فقاعات بخار من مرجل يغلي. هذه الانبعاثات، التي تسمى البروزات الشمسية (solar prominences)، تنطلق إلى الفضاء وتحدث موجات راديوية. لطالما التقط علماء الفلك من هذا النجم إشارات راديوية قوية تشبه نبضات المنارة.

المحيط يشبه كعكة ذات طبقات: في الأعلى ماء دافئ وخفيف، وفي الأسفل ماء بارد وثقيل. بين الطبقات، عند الحدود الفاصلة، تتنقل أمواج غير مرئية من السطح. إنها لا ترفع قممًا كالعواصف، بل تهز كتلة الماء بأكملها ببطء، كما لو كان أحدهم يهز حوضًا ضخمًا من الداخل. هذه الأمواج الداخلية تنقل الطاقة والحرارة، وتخلط العناصر الغذائية، وتؤثر على مناخ الكوكب بأكمله.