مطيافية ليزرية

الضوء الساقط على المادة عادةً ما يتشتت أو يسخّنها. لكن إذا كانت الفوتونات كثيرة جدًا وطاقتها عالية جدًا، يمكن لكمّين من الضوء أن يتصادما ويختفيا، وبدلاً منهما يظهر جسيمان: إلكترون ونقيضه البوزيترون. هذه العملية، التي تنبأ بها العلماء منذ عام 1934، لم يُتمكن حتى الآن من إعادة إنتاجها في المختبر باستخدام فوتونات حقيقية.

يتلقى رسام الخرائط ورقة تحتوي على مسافات بين مئات الجزر المجهولة. لا جزيرة موسومة، لكن المسافات تتكرر وتتراكم في مثلثات ورباعيات. من هذه التكرارات، يعيد رسام الخرائط بناء خريطة الأرخبيل دون معرفة اسم أي جزيرة. هذا تقريبًا ما تقوم به دراسة جديدة في التحليل الطيفي الجزيئي. مطياف SCALS هو مرنان طوله 42 سم، يقطع فيه الضوء مسافة 28 كم، مثل مسافة ماراثون.

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.

نواة الذرة ليست كيسًا عشوائيًا من البروتونات والنيوترونات، بل نظام كمومي منتظم. وكما هو الحال مع الإلكترونات في الذرة، تملأ النيوكليونات أغمادًا من الطاقة. عندما يكون الغلاف ممتلئًا تمامًا، تكتسب النواة استقرارًا متزايدًا، ويُطلق على العدد المقابل من الجسيمات اسم «الرقم السحري». بالنسبة للكالسيوم الذي يحتوي على 20 بروتونًا، فإن الأرقام السحرية الكلاسيكية للنيوترونات هي 20 و28.

ميكروفون فائق الحساسية لا يلتقط الصوت، بل يرصد ارتعاش الفضاء نفسه. هكذا تعمل كاشفات الموجات الثقالية — LIGO وVirgo وKAGRA. تمر أشعة الليزر عبر أنفاق يبلغ طولها كيلومترات متعددة، وتلتقط أي انضغاط أو تمدد في الفضاء ولو بمقدار جزء من ألف من حجم البروتون.

قطرة ماء على راحة اليد تحتوي على حوالي $$10^{21}$$ جزيئاً، وكل جزيء يتكون من ثلاث ذرات تحيط بها سحابة من الإلكترونات. لفهم سلوك المادة، يحل الفيزيائيون معادلات لهذه الإلكترونات. المشكلة أن عدد المعادلات يتضخم بشكل انهياري: بالنسبة لـ N إلكتروناً، يجب تخزين $$N^2$$ من الأرقام. بالنسبة لقطرة ماء، هذا رقم فلكي، ولا يمكن لأي حاسوب فائق التعامل معه. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة ثغرة.

بعد أن تنبأ باول ديراك نظرياً بوجود المادة المضادة، يبحث الفيزيائيون عن أدنى اختلافات بين الجسيمات وجسيماتها المضادة. ويقترح نهج جديد إجراء تجربة اهتزازية متناغمة: حيث يعمل الليزر كمحفز يجعل 'وتراً' جزيئياً من الهيدروجين العادي ووتراً مماثلاً من الهيدروجين المضاد يهتزان، ثم مقارنة تردد الاهتزاز.

قطرة دم من الوريد تتعرض لثلاثة أشعة، وكل شعاع يستخرج أدلته الخاصة. الأشعة تحت الحمراء تجعل الجزيئات تهتز — ومن هذا الاهتزاز يُعرف مقدار السكريات والدهون في العينة. الليزر الأخضر يتشتت على البروتينات والدهون، متغيرًا لونه — وهكذا تظهر إعادة ترتيب الأغشية الخلوية. الأشعة فوق البنفسجية تستخرج توهجًا خافتًا من الأحماض الأمينية والفيتامينات — صورة استقلابية.

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.

الليدار العادي يشبه رسامًا يرسم منظرًا طبيعيًا لكنه لا يرى سوى ظلال رمادية. فهو يقيس المسافة إلى كل نقطة بدقة، لكنه لا يستطيع أن يقول ما هي: حجر أم خشب أم بلاستيك. لمعرفة التركيب، نحتاج إلى مطياف — وهو جهاز منفصل يعمل ببطء ولا يواكب الماسح الضوئي السريع. النظام الجديد يحل هذه المشكلة بطريقة مختلفة.

يضرب الليزر قطعة صخرية من كوكب آخر. يتبخر الحجر، ويلتقط الجهاز الجسيمات المتطايرة ويفرزها حسب وزنها. هكذا تعمل مطيافية الكتلة بالتأين بالليزر (laser ionization mass spectrometry) — وهي طريقة قد تجيب على السؤال الأهم في علم الأحياء الفلكي: هل توجد حياة خارج الأرض؟ يستطيع الجهاز النظر داخل الصخر طبقة تلو الأخرى، مثلما يزيل عالم الآثار طبقات التربة.

النجوم الساخنة الضخمة هي مطابخ الكون، حيث تُطهى العناصر الثقيلة. تنهي حياتها بانفجارات المستعرات العظمى. لفهم وصفتها، يستخدم الفلكيون التحليل الطيفي — تحليل شريط قوس قزح للضوء بعد مروره عبر منشور. في السابق، كان فك شيفرة هذه 'القائمة' يستغرق ساعات.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تقصف الأرض باستمرار من أعماق الفضاء. عندما يدخل أحد هذه الجسيمات الغلاف الجوي، يصطدم بأنوية الهواء وينتج شلالًا كاملًا من الجسيمات الثانوية: إلكترونات، وميونات، وفوتونات. يُسمى هذا الشلال بالغيث الجوي الواسع، وقد يمتد لعدة كيلومترات.

في الظلام، يتوهج شرارة صغيرة. شعاع غاما، الذي وُلد داخل جسم المريض، يدخل البلورة ويطلق فيها وميضًا من الضوء. مهمة الكاشف هي معرفة أين حدث ذلك بالضبط. كلما كانت الإجابة أدق، كانت الصورة على شاشة الماسح أوضح. الكاشف الجديد يشبه أقراص العسل، لكنها ليست مسطحة، بل تضيق نحو الأسفل. كل خلية هي قمع: من الأعلى مدخل 1.6 × 1.6 ملليمتر، ومن الأسفل مخرج 2 × 2 ملليمتر.

الضوء تحت الأحمر بموجة طولها حوالي ثلاثة ميكرومترات هو النطاق العملي للتعرف على الجزيئات: فكل جزيء يمتص الضوء عند تردداته المميزة، تاركًا «بصمات أصابع». لكن حتى الآن، لم تستطع أجهزة هذا النطاق أن توفر في آن واحد تغطية واسعة للترددات وقدرة كافية ودقة مرتبطة بالمعايير الذرية. يستخدم النظام الجديد ليزرين قريبين من تحت الأحمر، تُتتبع تردداتهما بدقة وفقًا للساعات الذرية.

ذرة الهيليوم تشبه نظامًا شمسيًا مصغرًا: تدور الإلكترونات حول النواة، لكن مداراتها تحكمها قواعد صارمة. لقد تعلّم العلماء مراقبة هذه الحركات بدقة مذهلة. في تجربة جديدة، قاموا بقياس تردد الانتقال بين حالتين لذرة الهيليوم-4، وكأنهم التقطوا اللحظة التي يقفز فيها كوكب من مدار إلى آخر.

في خزان من الماء النقي، تترك الجسيمات التي تطير أسرع من الضوء في هذا الوسط ومضات زرقاء — مثل الطائرة التي تخترق حاجز الصوت فتُحدث دويًا. من خلال هذه الومضات يمكن معرفة أي ضيف مرّ: كمية غاما أو نيوترون. المهمة ليست تافهة: على الحدود وفي المستودعات، يجب التمييز بسرعة بين الشحنة المشعة غير الضارة والمواد الصالحة للأسلحة. أولاً، تعمل عتبة فيزيائية بسيطة.

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.

غشاء رقيق من ثاني أكسيد الثوريوم بسمك 10 نانومتر فقط على قرص فولاذي. نبضة ليزر تضربه، لكن بدلاً من التوهج المتوقع، يلتقط الكاشف تيارًا من الإلكترونات. هكذا، ولأول مرة، أمكن رؤية الانتقال النووي للثوريوم-229 في مادة تمتص إشعاعها بالكامل. النواة الخفية تحدثت بلغة الإلكترونات. الانتقال النووي في الثوريوم-229 هو الأقل طاقة بين المعروفة: فقط 8.4 إلكترون فولت.