العدسة

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.

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.

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.

الضوء في الألياف البصرية يشبه الجدول: فهو ينتشر داخل الخيط الزجاجي، محتجزًا بالانعكاس الداخلي الكلي، ولا يخرج عن حدوده. الألياف السميكة، لامتلاكها عددًا كبيرًا من الأنماط، تمرر العديد من هذه «الجداول» في وقت واحد؛ أما الرفيعة فتمرر نمطًا واحدًا فقط. غالبًا ما يحتاج علماء الفلك إلى إعادة توزيع الضوء من ألياف سميكة متعددة الأنماط إلى عدة ألياف رفيعة، لتحليله طيفيًا لاحقًا.

ينتشر شعاع الضوء عادة في خط مستقيم، ولكن يمكن جعله يدور حول محوره، مثل الماء الذي يتشكل في دوامة عند التصريف. هذا الضوء "الدوامي"، الذي يحمل زخمًا زاويًا مداريًا، قادر على نقل معلومات أكثر، وهو مطلوب للاتصالات فائقة السرعة والحوسبة الكمية. كانت المشكلة أن إنشاء مثل هذه الأشعة يتطلب عدسات ومرايا ضخمة وضبطًا دقيقًا، أي طاولة بصرية كاملة.

ضوء النجم، عندما يمر عبر الغلاف الجوي وبصريات التلسكوب، يرتجف مثل انعكاسات الشمس على الماء. في هذا التموّج تختبئ الكواكب — شرارات خافتة بجوار ضوء ساطع يبهر العين. لرؤيتها، علينا تجميد التموّج: جعل الضوء مستويًا كالزجاج. لكن التموّج يتغير كل جزء من الألف من الثانية، والأجهزة العادية لا تلتقطه في الوقت المناسب.

كومة من أوراق اللعب ملقاة بلا حراك. يمكنك أن ترفع البطاقة العلوية بإصبعك وتزيحها — هذا تدخل خشن. أو يمكنك أن تنفخ بحيث يتغير شكل الكومة كلها للحظة، لكن الأوراق لا تتطاير. هكذا تقريبًا يعيد الضوء في تجربة جديدة ترتيب بلورة سيلينيد القصدير (SnSe). عادةً، لتغيير بنية مادة صلبة، يُسخَّن الجسم أو يُمرَّر فيه تيار كهربائي.

مصباح مختبئ خلف حوض سمك كبير مملوء بالماء. أنت لا ترى مصدر ضوء واحدًا، بل عدة انعكاسات وانكسارات له — فالماء يحني مسار الأشعة. وعلى نحو مماثل تقريبًا، تعمل المجرة الضخمة كـ عدسة جاذبية عملاقة: فمجال جاذبيتها يحني أشعة الكوازار البعيد (النواة الساطعة لـمجرة)، فتظهر في السماء عدة نسخ منه دفعة واحدة.

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.

في 23 نوفمبر 2023، التقطت كاشفات LIGO شيئًا غريبًا. كانت إشارة الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين، والتي حملت الرقم GW231123، تشير إلى كتل قياسية – 137 و101 كتلة شمسية – ودوران سريع بشكل غير طبيعي. لكان ذلك أثقل وأسرع زوج دوار تم تسجيله على الإطلاق.

في المحيط الصامت للمجرة، لربما اختارت الحضارات الناضجة منذ زمن استراتيجية غير متوقعة: فبدلاً من المنارات الصاخبة، تنثر يراعات هادئة — منارات ليزرية بين نجمية ذاتية التشغيل، تنجرف في الفراغ وتُسقط ومضات ميكروثانية. هذه «بذور الاتصال» غير مرتبطة بنجومها الأم ولا تخبو في ضيائها.

الشمس ليست مجرد مصدر للحرارة، بل هي أكبر عدسة في النظام الشمسي. جاذبيتها تحني أشعة الضوء مثل الزجاج، وتجمعها في حلقة ساطعة بعيدًا خلف مدار بلوتو. إذا دخل ضوء كوكب بعيد إلى هذه الحلقة، يمكن لعلماء الفلك استعادة صورته، ليس كنقطة، بل كخريطة بتفاصيل السطح.

إذا صفّقت بيديك في غرفة فارغة، سيخبرك الصدى عن أبعادها وشكلها. كل جسم — كرسي، كتاب، إنسان — يضيف بصمته الخاصة إلى هذا الصدى: فالصوت ينعكس عنه بطريقة مميزة. ابتكر مؤلفو المقال طريقة لإعادة كتابة هذه البصمة الصوتية بالكامل. فقد أحاطوا منطقة من الفضاء بسطح مغلق من الميكروفونات ومكبرات الصوت. تلتقط الميكروفونات الصوت القادم، وترد مكبرات الصوت فورًا بإشارة تجعل الداخل صامتًا — وكأن لا شيء هناك. تقوم الفكرة على أساس بسيط.

يرعى الحمار الوحشي في السافانا الأفريقية، وحوله تحوم سحابة من الذباب — الحُمير، وذباب التسي تسي، والبعوض. لكن بدلًا من أن تهبط بهدوء، تنتفض الحشرات وتخطئ الهدف وتصطدم بالجلد. السبب ليس في التمويه، بل في تركيب عين الذبابة. عين الحُمير فسيفساء من آلاف الأنابيب الصغيرة (الأوماتيذيا)، كل منها تنظر إلى نقطة معينة. عندما تقترب الذبابة من الجلد المخطط، تبدأ أوماتيذياها في «الجدال» مع الخطوط.

التلسكوب الشمسي يشبه عينًا تحاول رؤية نملة عبر حساء يغلي. سماء النهار تبهر، والهواء يرتجف، والصورة تموج. لتجميدها، نحتاج إلى بصريات تكيفية — نظام يخمن التشوهات ويصححها مئات المرات في الثانية. لكن على الشمس، الحيلة المعتادة لا تعمل: لا يوجد نجم منفرد يمكن تتبعه، فقط بحر ممتد من النار. وجد المهندسون في المرصد مخرجًا — لقد استغنى عن الكاميرا.

الضوء يحتاج إلى مساحة. عدسة الكاميرا تبعد عن المستشعر عدة سنتيمترات حتى يتسنى للأشعة أن تتركّز. والآن، تم ضغط هذه المسافة إلى سُمك ورقة، ومع ذلك يظل الضوء يتصرف وكأنه قطع سنتيمتراته المعتادة. هذا بالضبط ما تفعله "الصفائح المكانية" (spaceplates) — عناصر مسطحة تحاكي مسار الضوء الحر. حتى الآن، كانت لهذه الصفائح خاصية مزعجة: كلما زاد ضغط المساحة، ضاق مجال الرؤية.

ينحني نسيج المكان تحت وطأة الثقل، مثل قماش الترامبولين المشدود. الموجات الثقالية هي تموجات تنبعث من الكوارث الكونية، كاندماج الثقوب السوداء مثلاً. فإذا صادف مسار هذه التموجات مجرة ضخمة أو مادة مظلمة خفية، فإنها تعمل عمل العدسة المكبرة: تحني الإشارة وتضخمها.

عندما يمر الضوء بالقرب من جسم هائل مثل الثقب الأسود، ينحني مساره – وهي ظاهرة تنبأ بها أينشتاين. وقد أخذ بحث جديد في الحسبان أنه بالقرب من هذه الأجسام غالبًا ما تتجمع سُحب من الهادرونات – وهي جسيمات فائقة الصغر نعرفها من البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات.

الضوء، مثل حبل هُزّ، يهتز في مستوى معيّن. كثيرًا ما يلجأ الفلكيون والمهندسون إلى تدوير الصورة باستخدام نظام من ثلاث مرايا يُعرف باسم "مرآة K"، لكن في هذه العملية ينعطف مستوى اهتزاز الضوء أيضًا دون قصد. وهذا يمثّل مشكلة للقياسات الدقيقة.

يسقط شعاع الليزر على الرقاقة عمودياً، مثل سهم يصيب الهدف. الشبكات العادية في هذا الوضع تفقد نصف الضوء: فهو يتشتت في الاتجاهين، مثل حشد يتدفق من بابين مفتوحين. التصميم الجديد يجعل الضوء يتجه يساراً فقط، نحو الدليل الموجي المطلوب. السر هو أن أشرطة الشبكة غير متماثلة — جدار واحد من كل شريط أطول قليلاً من الآخر. هذا مثل ستائر معدنية مائلة: من الخارج تسمح بمرور النظر، ومن الداخل تكاد لا تسمح.

تخترق الموجات فوق الصوتية العظم كما يخترق ضوء الشمس الزجاج المصنفر، لكن الصورة الناتجة تكون ضبابية. عظم الجمجمة غير منتظم وكثيف، فهو يبعثر الموجات الصوتية، مما يجعل الوصول بدقة إلى النقطة المطلوبة في الدماغ أمرًا صعبًا. تحاول الأجهزة التقليدية تصحيح ذلك باستخدام الإلكترونيات، لكن النتيجة تظل بعيدة عن المثالية.

شعاع الأشعة السينية قادر على النظر داخل قطعة معدنية غير شفافة وإظهار مكان الشقوق أو الضغوط المختبئة فيها. ولكن لرؤية هذه العيوب، يجب تجميع الشعاع في حزمة ضيقة جدًا — تمامًا كما تجمع عدسة مكبرة ضوء الشمس في نقطة ساخنة. في مجهر الأشعة السينية، تلعب العدسة دور المكبرة. غير أن الزجاج لا يصلح للأشعة السينية: فهي تخترقه دون أن تنكسر تقريبًا.

البالون المطاطي الذي يحتوي على قطرة غراء جفت، يُنفخ بشكل غير متساوٍ: فالغراء يتمدد بشكل مختلف عن المطاط. تتصرف القرنية — الغشاء الشفاف للعين — بشكل مشابه بعد الإجراءات التي تغير مرونتها. اختبر المهندسون ذلك على عيون الخنازير. تم ضخ السائل في العين، رافعين الضغط إلى 40 ملم زئبقي (تقريبًا كما هو الحال عند إغلاق العينين بشدة)، وراقبوا أين وإلى أي مدى يتحرك السطح.

الكاشف الضوئي العادي يجيب عن سؤال «كم الضوء؟» لكنه لا يجيب عن «من أين جاء؟». لهذا الغرض تُستخدم العدسات والمرايا أو مصفوفات كاملة. في العمل الجديد، اقترح الباحثون مستشعرًا يحدد اتجاه الشعاع بنفسه، دون أي بصريات. داخل المستشعر توجد طبقة رقيقة تنزلق فيها الإلكترونات بحرية، مثل الماء في صحن ضحل. على طرفي الطبقة يوجد تماسان معدنيان.

حجر صغير يسقط في بركة — وتنتشر على الماء دوائر منتظمة. لكن قاع البركة مليء بقطع زجاجية غير مرئية: كل واحدة تؤخر الموجة قليلًا، وتشتتها في مكان، وتغير خطواتها في مكان آخر. هكذا تقريبًا تمر الموجات الثقالية — ارتجاف الفضاء نفسه — عبر المجرات البعيدة وتكتلات المادة المظلمة.

في مختبر يدرس البلورات، ينظر الفني إلى شاشة تعرض بقعًا ضوئية متناثرة، ويدير العينة ببطء حتى تتجمع البقع في نمط متماثل. يشبه هذا العمل ضبط جهاز راديو قديم: تدير المقبض حتى يتحول الضجيج إلى إشارة صافية. الآن، يمكن لآلة أن تدير هذا المقبض. ابتكر العلماء برنامجًا يتعلم ضبط البلورات دون أي معرفة بكيفية تشكل هذه البقع.

يقطع ضوء النجوم البعيدة ملايين السنين، لكن الأشعة السينية لا يمكن التقاطها بالزجاج العادي — فهي تخترقه كما تخترق الرصاصة الورق. لذلك تحتاج تلسكوبات الأشعة السينية إلى عدسات خاصة: أكوام من المنشورات الصغيرة التي تحرف الأشعة بانحراف لطيف وتجمعها في نقطة واحدة.

يبدو الكوازار البعيد كأربع نقاط ضوء مرتبة على شكل صليب. هكذا تظهره جاذبية مجرة تقع على خط الرؤية: فهي تعمل كزجاج غير منتظم وتضاعف الصورة. كل نقطة ضوء هي نفس الجسم، لكن الضوء القادم منها يسلك مسارات مختلفة. لذلك، عندما يتوهج الكوازار، تستجيب الصور الأربع ليس في نفس الوقت ولا بنفس الطريقة. جمع علماء الفلك أرصادًا على مدى 25 عامًا من تلسكوبات في نصفي الكرة الأرضية.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

العدسة العادية تكسر الضوء دائمًا بنفس الطريقة. خصائصها مجمّدة في الزجاج إلى الأبد. والآن ظهر سطح يغيّر قواعد اللعبة أثناء العمل. صنع العلماء غشاءً رقيقًا جدًا بعناصر رنينية وغمروه بالبلورات السائلة — نفس المادة الموجودة في شاشات الهواتف. الضوء الساقط على هذا الغشاء يولّد ترددًا مضاعفًا ثلاث مرات (وهذا ما يسمى توليد التوافقي الثالث).

ضوء النجم الزائف البعيد — وهو نواة مجرة شديدة السطوع — يمر بجوار مجرة ضخمة وينحني، مثل شعاع مصباح يدوي عبر زجاج غير مستو. إذا كانت العدسة والمصدر في محاذاة شبه مثالية، فإننا لا نرى نجمًا زائفًا واحدًا بل عدة نسخ منه. وقد عثر علماء الفلك على أصغر نظام من هذا القبيل: نصف قطره 0.2 ثانية قوسية فقط — وهذا مثل تمييز عملة معدنية من مسافة 200 كيلومتر.

تبدو ورقة عادية بيضاء لأنها تشتت كل الأشعة بشكل عشوائي. أما جناح الفراشة فيتلألأ بالأزرق والأخضر دون قطرة صبغة واحدة — فسطحه مغطى بأخاديد مجهرية تطفئ بعض موجات الضوء وتضخّم أخرى. لطالما حلم المهندسون بتكرار هذه الحيلة: صنع مادة تلون نفسها بنفسها، فقط بحبس الضوء في الأماكن المناسبة. في العمل الجديد، صنع العلماء حفرًا صغيرة في رقاقة سيليكون.

بلورة سيلينيد البزموت (Bi₂Se₃) في حد ذاتها متناظرة، مثل شطيرة مرتّبة بدقة: اقلبها فلن يتغير شيء. ولكن بمجرد إمالة طبقة قليلاً بالنسبة للأخرى، ينكسر التناظر. تبدأ المادة في «الإحساس» من أي جهة يسقط الضوء، وتستجيب بتيار كهربائي. اختبر مؤلفو العمل ثلاث طرق لكسر التناظر: تدوير الطبقات بزاوية 21.78 درجة، إضافة عيب نقطي (إزالة ذرة سيلينيوم)، وتطبيق مجال كهربائي خارجي.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

الغشاء الدمعي على العين هو أنحف طبقة سائلة تحمي القرنية وتحافظ على حدة الرؤية. عادةً ما يُتصوَّر كسطح أملس تمامًا، لكن القرنية الحقيقية، حتى السليمة منها، مغطاة بتفاوتات مجهرية. في الدراسة الجديدة، بنى العلماء نموذجًا يأخذ في الاعتبار هذه الخشونة، بالإضافة إلى انزلاق السائل على السطح، وقوى التجاذب الجزيئية، وانتقال الدهون عند الحدود مع الهواء.

شعاع الليزر الثابت كوتر مشدود: إذا اهتز قليلًا، تتحول الموسيقى إلى نشاز. في الحاسوب الكمومي، يحبس الليزر الذرات في مصيدة، وأي اهتزاز في التردد يكسر الحساب. لذلك، كانت أنظمة الليزر سابقًا تشغل طاولات كاملة، وكان ضبطها يستغرق أسابيع. الآن، نجحت مجموعة من المهندسين في ضغط كل هذه البصريات في خزانة خادم واحدة — مثل تلك الموجودة في مراكز البيانات.

تخيل نهرًا: الماء يتدفق في اتجاه، بينما تتحرك الموجة على سطحه في الاتجاه المعاكس. هذه المفارقة هي المفتاح لفهم سلوك الضوء في المواد الزائدية. ففي هذه المواد، تتباعد طاقة الموجة الضوئية وجبهاتها الموجية في اتجاهات مختلفة، مما يفسد التركيز ويمنع صنع عدسة واضحة.

طحلب أخضر صغير يُدعى الكلاميدوموناس يقضي حياته كلها مجذفًا بسوطين نحو الضوء، مثل سباح يتجه نحو الشاطئ. يستشعر الضوء عبر بروتين مستقبل ضوئي، وخلفه توجد بقعة حمراء صغيرة — "عين" تلقي بظل وتساعد على تحديد مصدر الضوء. لكن في الطفرات التي تفتقر إلى هذه البقعة، ينعكس السلوك: فهي تسبح بعيدًا عن الضوء رغم أن البروتين موجود.

موجات الجاذبية هي تموجات في نسيج الزمكان تنتشر من المصادر كالدوائر التي تتكون على سطح الماء عند رمي حجر. عندما تنحني الموجة حول مجرة، يتقوس مسارها، كما تلتقي تموجات الماء بصخرة تحت الماء. تعمل كتل المادة المظلمة غير المرئية داخل المجرات كمجموعة من الحصى الصغيرة — كل منها يحدث اضطرابًا ضئيلاً.

كرة زجاجية في كوب ماء تكاد تكون غير مرئية، لكن إذا نظرت عبرها إلى مفرش منقّط، فإن الخطوط خلفها تنحني. الخلايا الشفافة تتصرف بالمثل: الضوء يمر عبرها، لكنه يتباطأ قليلاً ويغيّر اتجاهه. المجهر العادي لا يستطيع التقاط هذا التغيير، لذا نحتاج إلى صبغات غالباً ما تقتل الخلية الحية. صنع المهندسون لوحاً أرقّ من شعرة الإنسان، وغطّوه بنمط من أعمدة صغيرة جداً.