ليزر

في غرفة مظلمة، يمكنك إمساك كرة مضيئة دون لمسها: جدران من الأشعة تدفعها بعيدًا لكنها لا تحرقها. هذا تقريبًا مبدأ المصيدة التي بُنيت في ريو دي جانيرو لخلايا الخميرة. الملقط البصري التقليدي، أي شعاع ليزر مركّز، يعمل كملقط من الضوء، لكن الضوء نفسه يخترق الخلية من طرف إلى آخر. الخميرة التي تقع في مثل هذا الشعاع تتوقف عن الانقسام، لأن الفوتونات تتلف آلياتها الداخلية.

كبسولة صغيرة جدًا تشبه فقاعة الصابون، لكن جدارها مصنوع من بلورات متوهجة، تتصرف مثل الليزر. ما دام جدارها سليمًا، ينتقل الضوء في مسار دائري، ويتضخم، ثم ينطلق كشعاع ضيق ساطع. وما إن يتشقق الجدار حتى يتحول الشعاع إلى بقعة باهتة. هذه الكبسولة هي جسيم غرواني (colloidosome)، وهي قادرة على تغيير توهجها عند الطلب.

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

في غرفة مظلمة، تقفز شرارة كهربائية بين سلكين — فيومض الضوء للحظة. أعاد الفيزيائيون إنتاج شيء مشابه، لكنه أصغر بمليون مرة: على الحدود بين بلورتين شفافتين، رسموا مسارًا موصلًا وتركوا فيه فجوة عرضها بضعة ذرات فقط. وعندما طُبّق جهد مستمر على هذه الفجوة المجهرية، بدأت تُصدر ضوءًا. لم ينشأ التوهج بسبب التسخين، كما في المصباح المتوهج، بل بفعل المجال الكهربائي نفسه.

تندفع المرآة بسرعة تقارب أربعين ألف كيلومتر في الثانية، أي حوالي ثمن سرعة الضوء. الضوء الذي يسقط عليها يرتدّ عائدًا، لكنه لم يعد كما كان: يزداد تردده، تمامًا كما تكتسب الكرة المضروبة بمضرب أثناء طيرانها طاقة إضافية. هذه هي المرآة التي بناها العلماء داخل خيط زجاجي رفيع مملوء بالهيدروجين. أولًا، يُطلق نبض ليزر قوي داخل الخيط.

المصباح العادي يضيء بشكل متواصل، بينما المنارة (lighthouse) تومض بومضات قصيرة. علماء في لندن جعلوا ألماسة صغيرة تعمل كمنارة، لكن ليس للضوء، بل للموجات الراديوية. للقيام بذلك، أضافوا القليل من النيتروجين إلى الكريستال، ثم أضاءوه بليزر أخضر الليزر.

تنتقل البيانات عبر الألياف البصرية بسرعة الضوء، لكن الطريق ليس مثاليًا: تتشوش الإشارة مثل الصوت في ممر طويل. كلما زادت السرعة والمسافة، زاد التشوه. عادةً ما تُصحح هذه التشوهات إلكترونيًا، لكن الإلكترونيات لا تستطيع مواكبة الضوء. جمع العلماء حاسوبًا ضوئيًا من عدة ليزرات مترابطة في سلسلة. كل ليزر يعمل كعقدة في شبكة، تصحح الإشارة قليلًا.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

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.

المصباح الكهربائي العادي إما أن يضيء أو لا يضيء. أما الجسيمات النانوية المتوهجة — البلورات النانوية التي تحتوي على أيونات معادن أرضية نادرة — فقد كانت حتى الآن تضيء بثبات، مثل مصابيح صغيرة. داخل هذه البلورة يوجد آلاف الأيونات الباعثة للضوء، وحتى لو «تعب» أحدها، تستمر البقية في الإضاءة. لذلك كان يُعتقد أن الوميض — أي الانطفاء والإضاءة المفاجئان — مستحيل بالنسبة لها.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

على سطح القمر والكويكبات توجد حفر أصغر من رأس الدبوس، لكن بحواف لامعة منصهرة. تترك هذه الآثار نيازك دقيقة، لكن السرعة اللازمة لتكوّن الذوبان ظلت غير واضحة. لمعرفة ذلك، استبدل الباحثون الصخرة الفضائية بالليزر: نبضة قصيرة تسخّن نقطة على الصخرة تمامًا كما يفعل اصطدام ذرة غبار سريعة. أتاح الليزر ضبط الطاقة بدقة. عرّض العلماء عينات من الصخور للإشعاع وقاسوا الحفر الناتجة.

يُصوِّب الرامي نحو الهدف، يضغط على الزناد — ويسمع طلقتين: واحدة عالية والأخرى خافتة. هكذا تعمل المنشأة الجديدة، لكن بدل الرصاصات لدينا حزمة إلكترونية، وبدل الطلقات وميضان من الضوء. أحدهما بأشعة إكس والآخر بتيراهرتز. يطيران إلى نقطة واحدة بفاصل زمني مثالي. عادةً تُنتَج هذه الوميضات في آلات مختلفة، ومزامنتها أشبه بجعل عازفي طبول يعزفان بنفس الإيقاع دون أن يرى أحدهما الآخر.

يمر شعاع ليزر عبر كوفيت زجاجي يحتوي على بخار السيزيوم. تتحرك الذرات في البخار بشكل عشوائي، مثل حشد في محطة قطار: كل ذرة تدخل الشعاع، وتمكث فيه لحظة، ثم تخرج منه. حالتها الداخلية — اتجاه العزم المغناطيسي، الذي يشبه مغناطيسًا صغيرًا — تتغير تحت تأثير الضوء. لو كانت جميع الذرات متطابقة وساكنة، لكانت الإشارة ثابتة. لكن حركتها الحرارية تفسد الصورة، مولدةً تذبذبات.

المصباح العادي يبعث الضوء في كل الاتجاهات، وبعد بضعة عشرات من الأمتار يضعف شعاعه لدرجة أنه بالكاد يضيء الجدار. الغلاف الجوي يبعثر الفوتونات، والرياح والتيارات الحرارية تشوّه جبهة الموجة إضافيًا. لكن إذا مددنا أنبوبًا غير مرئي للضوء في الهواء مباشرة، فسيسير الشعاع عبره كما يسير الماء في خرطوم. هذا ما تم تحقيقه باستخدام نبضات ليزر قصيرة.

يشكّل المجال الضوئي، مثل قالب الوافل الأنيق، نمطًا منتظمًا في الفضاء من مناطق ساطعة ومظلمة. في أكثر النقاط سطوعًا، كما في حفر صغيرة، تنحصر الذرات — وهكذا تتشكل مصيدة ضوئية. هذه أداة مفضلة لدى الفيزيائيين لدراسة الخصائص الكمومية للمادة في ظروف معزولة. ومع ذلك، هناك عائق مزعج: الذرات في هذا المصيدة تسخن تدريجيًا وقد تخرج منها، مما يشوه الصورة التجريبية.

شعاع ضعيف من الليزر — مصدر الضوء المتماسك ذي الطيف الضيق — يسقط على بنية صغيرة: تجويف بصري هجين من المعدن والزجاج. بداخله محبوس جزيء مضيء واحد فقط. عادةً، مثل هذا الضوء لا يغيّر لونه إلا قليلاً عندما يتبعثر على الاهتزازات الحرارية للذرات — وهي عملية تُعرف بالتشتت التوافقي، أو تأثير رامان.

العلاج الإشعاعي هو ضربة موجهة نحو الورم، لكن كل طلقة يجب أن تُضبط بدقة المليمتر وجزء من الثانية. المشكلة أن مقاييس الجرعات الحالية إما ضخمة، أو تشوه الحزمة نفسها، أو تتطلب توقفات للقراءة. مجموعة من الباحثين تجاوزت هذه العقبات باستخدام المادة الأكثر انتشارًا على الأرض — الماء.

في أعماق السحب الجزيئية تختبئ مضخمات طبيعية — مازرات كونية. تعمل مثل الليزر، لكن في نطاق الراديو: جزيئات مثارة تبعث معًا موجات بنفس التردد، منتجة شعاعًا ساطعًا. المشكلة أن هذه الجزيئات غالبًا ما تملك عدة مسارات لتفريغ الطاقة. أحدها يؤدي إلى التضخيم، والآخر — مثل ثقب في دلو — يفرغ المخزون بسرعة دون فائدة. كان يبدو أن التسرب السريع يجب أن يفرغ المستوى العلوي ويطفئ المازر. لكن الحياة أعقد من ذلك.

شعاع الليزر لا يعرف فقط كيف يسخّن، بل يعرف أيضًا كيف يهدّئ الحركة. عندما يدخل الضوء إلى مصيدة من المرايا، فإنه يضغط عليها — وإذا ضُبط لون الشعاع بشكل صحيح، يتحول الضغط إلى كبح لطيف. هكذا تُبرَّد الاهتزازات الميكانيكية الدقيقة حتى قرب الصفر المطلق. عادةً، يتم ذلك ببساطة عن طريق اختيار لون ثابت لليزر وقوة توهجه. مؤلفو العمل الجديد حوّلوا الضبط إلى رقصة.

يشبه الليزر شوكة رنانة تصدر نغمة واحدة. لكن حتى في الصمت التام، فإن صوته يرتجف قليلًا. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الارتجاف — وهو عبارة عن هزات عشوائية ناتجة عن الانبعاث التلقائي للضوء من الذرات داخل الليزر — هو الحد الرئيسي للدقة. العمل الجديد يُظهر أن هناك مصدرًا ثانيًا للضجيج، أكثر هدوءًا لكنه منتشر في كل مكان. اهتزازات الفضاء الفارغ ليست مجازًا.

الضوء الذي يسير في دليل موجي قد يقع أحيانًا في فخ. في بنى خاصة — مناطق مسطحة — يتجمد في مكانه: الموجة لا تنتشر، بل تبقى في قنوات متجاورة قليلة، وكأنها نابض مضغوط. المنطقة المسطحة هي نطاق طاقات تنخفض فيه سرعة الضوء إلى الصفر.

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.

الليزر العادي هو رنان (resonator) يتردد فيه الضوء بين مرآتين ويتضخم. لكن يمكن الاستغناء عن المرايا وجعل الضوء يدور في جسيم متناهٍ في الصغر أصغر من موجة الضوء نفسها. هكذا تعمل الليزرات الجديدة المصنوعة من جسيمات نانوية لفوسفيد الإنديوم الهيدروجين موضوعة على ذهب أملس تمامًا.

الليزر ليس ضوءًا فقط. إذا جعلت جسيمًا يتأرجح مثل البندول، وهذه التأرجحات تدعم نفسها بنفسها، تحصل على ليزر فونوني. يبدو الأمر معقدًا، لكن الفكرة بسيطة: بدلاً من موجات الضوء، يصدر الجهاز موجات منتظمة من الاهتزازات الميكانيكية — الفونونات. في العمل الجديد، كان "البندول" عبارة عن أيون كالسيوم واحد محاصر في مصيدة كهرومغناطيسية.

الوتر يصدر صوتًا نقيًا تمامًا حتى تلمسه نسمة هواء. هكذا تقريبًا يعمل الليزر فائق الإشعاع: حزمة من الذرات، مشحونة مسبقًا بالطاقة، تمر عبر غرفة من مرآتين — المرنان البصري (مصيدة يتردد فيها الضوء ذهابًا وإيابًا). تتخلى الذرات معًا عن الضوء المخزّن، فينشأ شعاع بتردد مستقر للغاية — يمكن وضعه حتى في الساعات الذرية. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة اكتشفوا أن هذه المثالية ليست أبدية.

الكون ممتلئ بكتلة غير مرئية — المادة المظلمة، التي افترض وجودها لأول مرة فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن العشرين، عندما لاحظ حركة المجرات في العناقيد.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

في أعماق النواة الذرية للثوريوم-229 تختبئ ذراع رافعة محكمة. لتحويلها من وضع إلى آخر، يلزم بذل جهد — وعادةً ما يتطلب ذلك وقتاً. يمتلك هذا النظير مستويين من الطاقة متقاربين جداً، ويمكن إحداث الانتقال بينهما بنبضة ليزر. لكن إذا تصرفنا بخشونة، فقد تنفلت الذراع، وإذا كنا حذرين أكثر من اللازم، ستطول العملية. حتى وقت قريب، استخدم الفيزيائيون أسلوب إعادة التوجيه التدريجي.

أوركسترا بلا قائد: كل موسيقي يسمع جاره فقط ويتأخر أو يتعجل قليلاً. في الساعات الذرية العادية، الصورة مشابهة — الذرات تتذبذب، لكن إيقاعها يضطرب بسبب الاهتزاز الحراري، وتكون دقة السير محدودة. ومع ذلك، تمكنت مجموعة من الفيزيائيين من تحويل هذا العيب إلى ميزة. وضعوا سحابة من مائة ألف ذرة سترونشيوم بين مرآتين — في رنان بصري — وأضاءوها بالليزر.

جهاز قياس المسافة العادي يرسل نبضة ضوئية واحدة وينتظر عودتها – مثل شخص يصرخ في الفضاء الفارغ ويستمع إلى الصدى. لكن إذا استخدمنا عدة مصادر تضيء بتناغم، وحللنا ليس قوة الإشارة بل إيقاع تتابع الومضات المنعكسة، تصبح الصورة أكثر وضوحاً. تأثير الوميض المتزامن – الإشعاع الفائق – معروف من أعمال روي جلاوبر.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

المشهد مضاء بالأضواء الكاشفة، لكن الأحداث الأكثر إثارة تجري في الظل — حيث تختبئ جزيئات غير مرئية للعين. الكاميرا الجديدة تلتقط حرارة هذه «الكائنات الخفية» وتحولها إلى ضوء عادي. تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة — المنطقة التي يترك فيها كل جزيء، سواء كان ثاني أكسيد الكربون أو بخار الماء، بصمة ضوئية فريدة، مثل توقيع على وثيقة.

الشوكة الرنانة تصدر صوتًا نقيًا للغاية، لكن بمجرد لمسها يتغير النغمة بشكل شبه فوري. تقريبًا هذا هو التحدي الذي واجه المهندسون: صنع ليزر يمتلك خاصيتين يبدو أنهما غير متوافقين — نقاء طيفي استثنائي (خط إشعاع ضيق جدًا، مثل الشوكة الرنانة التي تعطي نغمة واحدة دون رنين) وقدرة سريعة على إعادة ضبط هذا التردد.

الكون يتحدث بلغتين أساسيتين — الجاذبية والضوء. وفي الظروف العادية، لا يختلطان: الأمواج الثقالية تنزلق عبر المادة دون أن تترك أثراً، بينما ترقص الفوتونات في متاهات المرايا. لكن في عام 1962، اكتشف الفيزيائي ميخائيل غيرتسنشتاين أن الحقل المغناطيسي يمكن أن يصبح مترجماً — للحظة وجيزة جداً، يتحول الغرافيتون إلى فوتون.

الكون يتحدث بلغتين أساسيتين — الجاذبية والضوء. وفي الظروف العادية، لا يختلطان: الأمواج الثقالية تنزلق عبر المادة دون أن تترك أثراً، بينما ترقص الفوتونات في متاهات المرايا. لكن في عام 1962، اكتشف الفيزيائي ميخائيل غيرتسنشتاين أن الحقل المغناطيسي يمكن أن يصبح مترجماً — للحظة وجيزة جداً، يتحول الغرافيتون إلى فوتون.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

مئة شخص يتحدثون في وقت واحد في قاعة كبيرة. تحاول أن تسمع صوتًا واحدًا بينهم، لكن الأصوات تتداخل، بعضهم يهمس، وبعضهم لا تعلم بوجوده أصلًا. هكذا تقريبًا يشعر جهاز تحليل الغاز بالليزر العادي عندما تختلط عشرات المواد في غرفة الاحتراق أو في أنبوب المصنع. يخترق الليزر الغاز، وكل نوع من الجزيئات يمتص جزءًا صغيرًا جدًا من الضوء عند طول موجي محدد، مثلما لا يفتح المفتاح إلا قفله الخاص.

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.

الليزر العادي يضيء بخطوط ضيقة، مثل وتر يصدر نغمة واحدة فقط. هذا غير مريح للتحليل الطيفي: إذا كانت المادة تمتص الضوء بين الخطوط، فقد لا نلاحظها. ليزر التيراهرتز الكمي المتتالي (quantum cascade laser) هو شريحة شبه موصلة بحجم الظفر، يصدر موجات بتردد من 1 إلى 6 تيراهرتز (تريليونات الاهتزازات في الثانية).