وميض سائل

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.

لم يرَ أحدٌ المادة المظلمة، لكنها يجب أن تمر عبر الكواشف كما يمر الريح بين أوراق الشجر. أحيانًا، نادرًا جدًا، يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة — وعندها يجب أن يلتقط الكاشف هذه الصدمة. المشكلة أن جسيمات المادة المظلمة الخفيفة بالكاد تستطيع تحريك النوى الثقيلة: الأمر أشبه بمحاولة إسقاط لعبة البولينج برمي زغب صغير عليها. نحتاج إلى هدف من نوى خفيفة يسهل هزّها.

في يوليو 1969، بينما كانت مركبة «أبولو-11» متجهة إلى القمر، لاحظ رواد الفضاء شيئًا غير معتاد: ومضات ضوئية قصيرة تظهر حتى وأعينهم مغلقة. في البداية، عُزي الأمر إلى الإرهاق، لكن الومضات تكررت مع أطقم مختلفة. تدريجيًا، اتضح أن السبب هو الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة التي تندفع عبر الفضاء بسرعات هائلة. تمر هذه الجسيمات عبر المركبة، وعبر الجفون، وتصل إلى العين.

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.

عادةً، لا يحوّل الضوء العازل إلى موصل؛ إذ يتطلب ذلك نبضات ليزر قوية تدمر بنية المادة. لكن في الغرافين ثنائي الطبقة الملتوي بالزاوية السحرية غرافين — وهو مادة مكوّنة من طبقتين من شبكة الكربون، تدور إحداهما بالنسبة للأخرى بزاوية خاصة — الأمر مختلف تمامًا.

حوض ضخم مليء بسائل شفاف مخبأ في أعماق الأرض. لا يوجد فيه سوى «مرق» نقي للغاية يومض بضوء خافت عندما يمر عبره جسيم غير مرئي. هذا هو كاشف JUNO، 20 ألف طن من الومّاض السائل، المبني لاصطياد النيوترينوات. العدو الرئيسي لهذا الاصطياد ليس الظلام، بل الضوضاء الذاتية. فالسائل نفسه، وجدران الخزان، وحتى المسامير والحشوات قد «تشع» قليلًا — أي تُصدر جسيمات بسبب النشاط الإشعاعي الطبيعي.

في عالمٍ قُيّد في شبكة بلورية وبُرِّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعرف المادة كيف تخفي أسرارها الكبرى. السائل الكمومي المغزلي هو حالة لا تتجمد فيها اللفات المغزلية للإلكترونات أبداً حتى عند درجة حرارة الصفر، وتبقى في تراكب متلألئ أبدي.

عندما يستنفد نجم هائل وقوده، ينهار قلبه مولّدًا مستعرًا أعظم ومرسلاً وابلاً نافذًا من النيوترينوات. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي وفالتر بادي بولادة نجوم نيوترونية في مثل هذه الكوارث، بينما كشف هانز بيته عن عمليات الاندماج النووي…

تحتاج التقنيات الكمومية بشدة إلى "مترجم" عالمي بين لغة الموجات الميكروية ولغة الضوء. تتواصل الكيوبتات فائقة التوصيل باستخدام الموجات السنتيمترية، بينما تنتقل الفوتونات في الألياف البصرية بترددات ضوئية. ويمكن أن يكون الجسر هو الحالات الكمومية للماجنونات - وهي إثارات جماعية للسبينات في البلورات المغناطيسية.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

الليزر التقليدي يشبه أوركسترا يحتاج فيها العازفون إلى الإحماء قبل العزف بتناغم. يجب أولاً ضخ طاقة كافية إلى الذرات حتى "تنقلب" وتكون مستعدة لإصدار الضوء — وهذا ما يسمى انعكاس التعداد السكاني. عندها فقط ينطلق الشعاع. أما الليزر الإكسيتوني-الفوتوني فيعزف وفق قواعد مختلفة: "عازفوه" — مزيج من الضوء والمادة — يدخلون في العمل دون تحضير تقريبًا.

تعلق ذرة غبار في الهواء، ممسوكة بشعاع ضوء غير مرئي. حولها هواء عادي، لكن في بعض الأحيان يقفز شرارة صغيرة عبر ذرة الغبار. تمكن العلماء لأول مرة من فحص مثل هذه التفريغات عن قرب واكتشفوا أن ما يطلقها ليس ذرة الغبار نفسها، بل ضيوف غير مرئيين من الفضاء ومن الأرض. الملقط الضوئي (شعاع يمكنه حمل أجسام مجهرية) أمسك بذرة غبار بحجم بكتيريا.

الماء العادي في الكوب شفاف وهادئ. لكن إذا أضفت إليه نقاطاً كربونية صغيرة مصنوعة من السكر وحامض الستريك في ميكروويف عادي، يبدأ الماء بالتوهج عندما يمر عبره جسيم مشحون. النقاط الكربونية هي جسيمات كربون حجمها بضعة نانومترات، أصغر من الفيروس.

شعاع الليزر الملفوف حلزونيًا يشبه قمع الماء في الحوض: فالضوء لا يتحرك للأمام فقط، بل يدور أيضًا. هذه الأشعة الدوّارة تساعد بالفعل في تحريك جسيمات متناهية الصغر ونقل المزيد من البيانات. لكن بمجرد مرورها عبر وسط غير متجانس، تتفكك الدوّامة، مثل الماء المتسرب من دلو مثقوب. الفوتونيات — علم الضوء في الرقائق الدقيقة — وجدت طريقة لاحتواء الدوّامة.

تحت الأرض، في منجم ذهب سابق، يوجد خزان مملوء بالزينون السائل. إذا مرّ عبره جسيم من المادة المظلمة، يومض الزينون. لكنه يومض أيضًا من الجسيمات العادية — مثل النيوترينوات أو بقايا النشاط الإشعاعي. المهمة هي معرفة أي وميض ناتج عن المادة المظلمة وأي ناتج عن الضوضاء. وجد العلماء في تجربة المادة المظلمة LZ طريقة: للوميض شكل.

في خزانٍ مظلمٍ يتسع لثلاثين طنًا، يتوهج الماء عندما يعبره جسيمٌ شبحٌ. النيوترينو لا يتفاعل تقريبًا مع المادة، لكنه من حينٍ لآخر يصطدم بذرةٍ، وعندها يولد وميضٌ. لالتقاط هذا الوميض، يُضاف إلى الماء مادةٌ خاصة — وميضٌ سائل (liquid scintillator) — تعمل على تضخيم الضوء. الكاشفات التقليدية ترى إما نوعًا واحدًا من التوهج أو الآخر.

كرة زجاجية صغيرة تطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. بداخلها رصاص مشع يضمحل من وقت لآخر. كل اضمحلال يطرد جسيمات مشحونة، فتفقد الكرة أو تكتسب شحنة كهربائية ضئيلة. أجبر العلماء الكرة على الاهتزاز في مجال كهربائي متناوب، ومن هذه الاهتزازات حسبوا شحنتها ألف مرة في الثانية. وبجانبها كاشف يلتقط الجسيمات المنطلقة.

شعاع أخضر من مصباح يدوي يغوص في حوض السباحة ويصل إلى القاع دون أن يضعف كثيرًا. الماء شفاف للضوء الأخضر تحديدًا، لذلك يُستخدم للاتصال تحت الماء. لكن لنقل الفيديو أو البيانات من جهاز استشعار، يجب تشغيل الضوء وإطفاءه بسرعة فائقة — مليارات المرات في الثانية. الليزرات العادية بطيئة جدًا وغير مستقرة لهذا الغرض.

نقطة مضيئة بحجم جزيء. يمر بها تيار كهربائي فتنبعث منها وميضًا كلمبة صغيرة. هكذا تبدو تجربة مع جزيئات صبغة على سطح غشاء ملحي رقيق. عندما يصل التيار إلى الجزيء، يمنحه إلكترون واحد طاقة. يعيد الجزيء هذه الطاقة فورًا على شكل ضوء. إنها مثل الأرجوحة: دفعة واحدة فتهتز ثم تسكن. لكن الجزيء لا يضيء بشكل ثابت: ضوءه يرتجف لأن الجزيء نفسه يهتز.

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.

عاصفة رعدية بعيدة، وعداد غايغر (Geiger counter) يزداد نقرة. هكذا تذكّرنا الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من أعماق الفضاء — بوجودها. عندما تصطدم بالغلاف الجوي، تولّد زخات من جسيمات ثانوية، من بينها الميونات: أقارب الإلكترونات الأثقل، القادرة على الوصول إلى الأرض. التقاطها يعني رؤية كيف يتنفس الكون.

في قاعة مظلمة ضخمة، يبحثون عن شخص واحد لا يصدر أي صوت تقريبًا. هكذا يطارد الفيزيائيون النيوترينوات العقيمة (sterile neutrinos) — جسيمات شبحية تخترق المادة دون أن تترك أثرًا يذكر. في مركز المسرع الياباني J-PARC، يعمل جهاز JSNS². يختبر هذا الجهاز لغزًا قديمًا: في تسعينيات القرن الماضي، شاهدت التجربة الأمريكية LSND تلميحًا لنيوترينوات زائدة لم يكن من المفترض أن توجد.

النجم النشط (blazar) هو مجرة بعيدة تنبعث من مركزها نفاثة بلازما موجهة نحونا تقريبًا. داخل هذه النفاثة، تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء وتصدر إشعاعًا قويًا. عندما يتوهج النجم النشط، يتغير سطوعه عشرات المرات خلال ساعات أو أيام، ومن شكل هذا التوهج يمكننا استنتاج ما الذي سرّع الجسيمات.

في أعماق نجم يحتضر، أثقل من الشمس بثماني مرات، وقبل أيام قليلة من الانفجار النهائي، يبدأ حمّى صامتة. ينضغط قلب النجم ويسخن، وتنبعث منه نيوترينوات — جسيمات صغيرة لا تكاد تتفاعل مع المادة. هذا التدفق يشبه همسًا خافتًا قبل صرخة مدوية: المستعر الأعظم لم ينفجر بعد، لكنه يرسل إشارة عن موته الوشيك. على الأرض توجد كاشفات قادرة على التقاط هذا الهمس.

مادة بسمك ذرة واحدة وبنقاء قياسي — ذرة غريبة واحدة فقط لكل مليون — تصبح مسرحًا لظاهرة مذهلة. عند تبريدها حتى درجة قريبة من الصفر المطلق، تتجمد الإلكترونات في الداخل، مثل عازفي أوركسترا، في نظام صارم لتشكل بلورة. هذه الحالة، التي تنبأ بها يوجين ويغنر قبل قرن تقريبًا، أصبح من الممكن الآن فحصها بالتفصيل.

بعض المستعرات العظمى فائقة اللمعان المستعرات العظمى تُظهر بصمة أكسجين ساطعة في ضوئها وتتوسع بسرعة، بينما لا تفعل ذلك أخرى. بدا وكأنها ظواهر مختلفة. لكن المستعر الأعظم PTF12dam خرق القواعد: فمع تزايد السطوع، تغيرت بصمة الأكسجين، منتقلة من نوع إلى آخر.

في الهيليوم فائق السيولة هيليوم — وهي حالة يتدفق فيها السائل دون احتكاك — تنشأ تلقائيًا دوامات كمية: قمع مجهرية تشبه الدوامات في الماء العادي، لكنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكم.

الانبعاث الفائق (superfluorescence) هو "زفير" ضوئي متزامن من البلورة، حيث تنبعث الفوتونات من العديد من الجسيمات المثارة في وقت واحد. وقد رصد الباحثون مؤخرًا لأول مرة صورته المرآتية: الامتصاص الفائق (superabsorption) — وهو "شهيق" منسق تبتلع فيه البلورة الضوء بشكل جماعي، وكأن الزمن يعود إلى الوراء.

في مختبر جيفرسون، تُسرَّع الإلكترونات إلى 12 GeV وتصطدم بالبروتونات لانتزاع أسرارها. لكن الكواشف الحالية تشبه كاميرات ذات مجال رؤية ضيق: إما أن ترى الكثير ولكن بشكل باهت، أو ترى بوضوح ولكن جزءًا صغيرًا جدًا. التشتت الإلكتروني هو الأداة الرئيسية، لكن الإحصائيات غير كافية للتأثيرات الدقيقة. المطياف الجديد SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) يغير قواعد اللعبة.