شعاع ليزري

الضوء الذي يمر بجانب بنية مجهرية يغير اتجاه انتشاره. إذا كانت أبعاد البنية أصغر من طول موجة الضوء، فإنها تعمل كعدسة، تجمع الضوء في بقعة قطرها أصغر من طول الموجة نفسه. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أنه حتى بنية نانوية واحدة على سطح شريحة قادرة على تركيز الضوء في بقعة صغيرة جدًا بحيث يمكن استخدامها لالتقاط الذرات المفردة. لتصور هذه البقعة، استخدم العلماء الذرات نفسها.

تخيل كرة بلياردو معلقة في الهواء، تُطلق نحوها حبيبات صغيرة من أنبوب نفخ. كل اصطدام بالكاد يُلاحظ، لكن إذا كانت الكرة خفيفة جدًا ولا تهتز كثيرًا من الحرارة، يمكن تمييز الدفعات الفردية. هذا تقريبًا ما يحدث في التجربة: كرة زجاجية بحجم بكتيريا تطفو في الفراغ، ويُطلق نحوها شعاع ضيق من ذرات الزينون.

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.

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.

منذ أن تنبأ أينشتاين بـ عدسة الجاذبية، وتم سماع الموجات الجاذبية لأول مرة بواسطة كواشف LIGO، حلم الفيزيائيون اصطياد الصدى المكرر بالعدسة — إشارة متكررة من اندماج واحد، تضاعفها جاذبية جسم ضخم.

ينطلق شعاعا الليزر الذريان المتوازيان من مكثفات بوز-أينشتاين في رحلة سقوط حر. في الصورة الكلاسيكية، تبقى المسافة بينهما ثابتة، كقطارين يسيران على سكك متوازية. لكن إذا كان الزمكان ليس جليداً جامداً، بل غشاءً حياً متموجاً، فإن كل ارتجافة فيه تنتقل إلى المادة. تستشعر الذرات دفعات ميكروسكوبية ناتجة عن التقلبات الكمومية، فتبدأ مساراتها بالانحراف قليلاً.

الهوائي العادي يلتقط الموجات الراديوية، لكن هناك حقول لا يكاد يشعر بها. نتحدث عن الحقول الكهربائية البطيئة — تلك التي تتغير مرة في الثانية أو أقل. لهذه الحقول، بنى الفيزيائيون مستشعرًا من حزمة ذرات الروبيديوم. تطير الحزمة في الفراغ، وتتصرف الذرات فيها مثل إبر البوصلة الصغيرة، لكنها لا تستجيب للمغناطيس بل للحقل الكهربائي. تُضاء الذرات في الحزمة أولاً بالليزر.

لكي نرى نجمًا خافتًا فوق مدينة ليلية مضيئة، يطرح علماء الفلك صورة من أخرى — يزيلون وهج المصابيح. ويُفعل الأمر نفسه مع الخلايا العصبية الحية: تومض ومضاتها الضعيفة داخل الضوضاء، لكن إذا طرحنا كل ما هو ثابت، تبقى هي فقط. قياس السطوع وطرح الإطارات تم صقلهما عبر قرون للبحث عن المستعرات العظمى في المجرات.

في قارورة زجاجية محكمة الإغلاق بحجم إصبع، يغلي بخار معدني. المكون الرئيسي هو السيزيوم، لكن يختبئ فيه واحد بالمئة من الروبيديوم. شعاع ليزر بطول موجة 795 نانومتر يجد هذه الشوائب ويجعلها تتوهج. الروبيديوم بمفرده سيعطي إشارة ضعيفة: فالذرات تمر بسرعة عبر الشعاع. لكن السيزيوم يعمل كحشد كثيف تتدافع فيه ذرات الروبيديوم وتتباطأ.

شعاع الليزر عادة يتحرك في خط مستقيم، مثل تيار الماء من خرطوم. لكن ماذا لو قمنا بلف هذا التيار كخيط برغي؟ سنحصل على زنبرك ضوئي — شعاع يدور حول محوره أثناء حركته. في كل نقطة في الفضاء، يصف سطوعه حلزونا، وإذا وضعنا شاشة مسطحة في مسار هذا الشعاع، ستظهر عليها بقعة ضوء دوارة. قاس الفيزيائيون السرعة التي تتحرك بها هذه البقعة في دائرة.

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.

حلقة بحجم طبق العشاء جعلت حزمة الإلكترونات تدور في مسار دائري. قطرها 22 سنتيمترًا، وتستغرق الدورة الكاملة 4.7 نانوثانية فقط. للمقارنة: في ثانية واحدة، يمكن لهذا الإلكترون أن يكمل أكثر من مئتي مليون دورة. لإدخال الجسيمات إلى الداخل، استُخدم نبضة كهربائية قصيرة مدتها 140 نانوثانية. عملت هذه النبضة كدفعة حادة تقذف كرة صغيرة في مسار منزلق.

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.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

لا ينتقل الضوء دائمًا في خط مستقيم. يمكن لفّ موجته على شكل حلزوني، مثل تيار ماء يخرج من خرطوم يُدار بسرعة. يُسمى هذا اللف بالزخم الزاوي المداري (orbital angular momentum)، ويمكن إخفاء المعلومات فيه: كل لفة تشبه قناة اتصال منفصلة. المشكلة أن التعرّف على هذه اللفّات كان يتطلب أجهزة ضخمة من العدسات والمرايا. قام المهندسون بتجميع كاشف ضوئي سيليكوني بحجم حبة صغيرة يقوم بهذا بنفسه.

مولّف البيانو في قاعة صاخبة لا يستمع إلى كل الأصوات بشكل عشوائي، بل يميز وترًا واحدًا بين عشرات الأوتار. ومهمة مشابهة يحلها الرادار الليزري الجديد: فبين العديد من الأشعة المنعكسة، يجد تلك التي تحمل معلومات عن اهتزاز الهدف. الرادار العادي يرسل نبضة قصيرة وينتظر الصدى. لكن إذا كان الجسم يهتز، فإن الصدى يتشوش.

الثقب الأسود لا يمتص المادة فحسب، بل يعمل كدوامة كونية هائلة تحني نسيج الواقع نفسه وتجبر أشعة الضوء على الالتفاف حولها، مجمّعة إياها في بؤرة. يزداد التأثير قوة لدى الثقوب السوداء التي تدور بسرعة تقارب سرعة الضوء: فدورانها يلف الفضاء في لولب محكم.

السحب الجليدية تتقن التظاهر بأنها مائية. يرسل الليدار الساتلي نبضة ليزر قصيرة نحو الأسفل ويلتقط الانعكاس. إذا كانت هناك صفائح جليدية مسطحة معلقة أفقيًا في السحابة، فإنها تعمل كمرايا صغيرة: الضوء يرتد إلى الخلف دون خسائر تقريبًا. بالنسبة للجهاز، تبدو هذه الومضة تمامًا مثل الانعكاس من قطرات الماء. عندها يختل تصنيف طور السحابة — هل هي جليد أم ماء.