مقياس التداخل ماخ-زيندر

حالتا ذرة السترونشيوم — الأساسية والمثارة — تتصرفان كتوأمين يركضان على نفس المضمار، لكن أحدهما أعلى قليلًا من الآخر. عادةً، الضوء المستخدم للتحكم في الذرات يدفع أحد "التوأمين" بقوة أكبر والآخر بقوة أقل. هنا تم اختيار طول موجي قدره 813 نانومتر — وهو "سحري" — حيث تتلقى الحالتان دفعة متساوية.

يجري الضوء في كاشف الموجات الثقالية عبر أنفاق يبلغ طولها كيلومترات متعددة، منعكسًا عن المرايا. الشعاع المستقيم تمامًا يشبه ملاءة ناعمة تُمسك من أطرافها. ولكن بمجرد أن تميل إحدى المرايا بمقدار عرض ذرة — تظهر في الملاءة ثنيات: تستيقظ في الشعاع أنماط «طفيلية»، وهي بقع ضوئية أكثر تعقيدًا — تُسمى الأنماط العليا. في السابق، كانت هذه الثنيات تُعتبر نفايات.

يلتقي فوتونان على مرآة نصف شفافة. إذا وصلا في نفس اللحظة تمامًا، فإنهما يخرجان معًا دائمًا — كتفًا بكتف، مثل توأمين لا يريدان الانفصال. هذا التأثير، الذي اكتُشف عام 1987، أصبح أساس مسطرة كمومية لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. لكن كان لهذه المسطرة عيب: بمجرد أن يتجاوز التأخير الزمني عمر الفوتون الواحد، تختفي الدقة تمامًا، مثل تموجات تختفي على سطح الماء.

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.

شعاع ضوء يدخل زجاجًا معتمًا وينطفئ — أمر عادي. لكن الفيزيائيين يعرفون منذ زمن كيف يجعلون الضوء يعبر دون فقدان فوتون واحد. هذه الحيلة تسمى الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا: موجتان ضوئيتان تلغيان بعضهما عند نقطة معينة، فيختفي الامتصاص. الآن طُبِّقت حيلة مشابهة على الذرات.

ألقِ حصاتين في بركة في الوقت نفسه — ستنتشر الدوائر في الماء بانضباط وانسجام. هكذا الحال في مقياس التداخل الكمومي (quantum interferometer): يُقسَّم الجسيم إلى موجتين تسيران في مسارين مختلفين ثم تلتقيان. في الحالة المثالية، تتطابق قممهما. لكن إذا مرّ شيء غير مرئي عبر إحدى الموجتين — مثل جسيم من المادة المظلمة — فإن التطابق يختل.

الضوء بطبيعته متناظر: في القناة المفتوحة، يتدفق في كلا الاتجاهين بالتساوي. لدفعه في اتجاه واحد، غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المغناطيس. نهج جديد يستغني عنها، باستخدام الدوران — بسرعة تكفي لقرص فينيل — وتداخل ذرّتين. يغيّر الدوران «حدّة» الضوء للاتجاهات المختلفة — مثلما تعتمد نغمة صفارة الإنذار على ما إذا كانت السيارة تقترب أم تبتعد.

جهاز الأشعة السينية المزود بشبكات يلتقط ليس صورة واحدة بل ثلاث صور في آن واحد: صورة عادية، وخريطة لانحناءات الشعاع غير المرئية بالعين، وصورة للبنى الدقيقة التي تشتت الضوء. معًا تساعد هذه الصور في رؤية، على سبيل المثال، انتفاخ الرئة أو تليف الرئتين. لكن هناك عقبة: لفصل هذه الطبقات الثلاث، نحتاج إلى تقنية رياضية ذكية.

كاميرا فائقة السرعة قادرة على تصوير حركة الإلكترونات هي مقياس التداخل الأتوثاني (attosecond interferometer). يرسل نبضتي ليزر إلى المادة بفاصل زمني ضئيل. الأولى، فوق البنفسجية، مثل وميض، تنزع إلكترونًا من الجزيء. الثانية، تحت الحمراء، كيد خفية، تدفع أو تبطئ هذا الإلكترون أثناء طيرانه.

داخل كل خلية توجد محطات طاقة صغيرة تسمى الميتوكوندريا. تحرق هذه المحطات المواد الغذائية وتخزن الطاقة. وتتابع هذه العملية جزيئان مساعدان: NADH و FAD. في السابق، كان يتم رصدهما من خلال توهج خافت، لكن هذا التوهج كان ضعيفًا وكانت الإشارات من الجزيئات المختلفة تختلط معًا. أما المجهر الجديد فيعمل بطريقة مختلفة. فهو يرسل شعاعين من الضوء إلى الخلية ويلتقط الحرارة الضئيلة التي تنشأ عندما يمتص الجزيء الضوء.

تتحرك الذرات في الحزمة بسرعات مختلفة، مثل العدائين في الملعب. النبضة الليزرية العادية تدفع فقط أولئك الذين يتحركون بسرعة واحدة، بينما الجديدة تعمل مثل مدرب يعطي أوامر للمجموعة بأكملها في وقت واحد. هذا النهج يُشرك عددًا أكبر من الذرات في القياس. في تجربة باستخدام مقياس تداخل ماخ-تسندر الذري، كان توزع السرعات أكبر بـ 17 مرة من عرض الخط الليزري.

تعمل الحواسيب الكمومية وأجهزة الاستشعار على ترددات الموجات الدقيقة، ولكن من الملائم نقل إشاراتها لمسافات طويلة عبر الألياف البصرية، حيث يُستخدم الضوء. لربط هذين العالمين، نحتاج إلى وسيط — جهاز يترجم الموجات الدقيقة إلى فوتونات بصرية والعكس، دون تدمير المعلومات الكمومية الهشة. في العمل الجديد، كان هذا الوسيط عبارة عن بلورة طبقية CrSBr.

النقطة الكمومية تشبه مصباحًا مفردًا يُضاء ويُطفأ بأمر من الليزر، ويصدر فوتونًا واحدًا بالضبط في كل مرة. لكن لهذا الضوء خصوصية: الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها، بل تطير باستقلالية، مثل قطرات عشوائية من صنبور. مرّر العلماء هذا الضوء عبر جهاز من مرآتين وفاصلَي حزمة — مقياس ماخ-تسندر التداخلي.

المادة المظلمة هي كتلة غير مرئية تمسك المجرات معًا. طبيعتها غير معروفة، لكن أحد المرشحين المحتملين هو الأكسيون، وهو جسيم فائق الخفة لا يكاد يتفاعل مع المادة. للإمساك به، ابتكر الفيزيائيون مصيدة هجينة. اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين في سبعينيات القرن الماضي أن النجوم عند أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جدًا.

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.

مؤشر الليزر يضيء بقعة منتظمة: كل موجات الضوء فيه تسير بتناغم، مثل جنود في عرض عسكري. هذا النوع من الضوء يسمى متماسكًا (coherent). لكن في الطبيعة والتقنية يوجد ضوء آخر — «أشعث»، حيث الموجات غير منسقة، مثل حشد في سوق. يسمى ضوءًا متماسكًا جزئيًا (partially coherent). لفترة طويلة كان يُعتبر مجرد إزعاج، لكن اكتُشف مؤخرًا أنه في بعض خطوط الاتصال يعمل بشكل أفضل من الضوء المنتظم.

في غرفة مظلمة، يسلط مصباحان يدويان الضوء على جدار واحد. عادةً، تتراكب أشعتهما ببساطة، وتصبح البقعة أكثر سطوعًا. لكن إذا أصدر المصباحان الضوء في دفعات خاصة — فوتونات — فإنهما قد يتصرفان بشكل مختلف في ظروف معينة. بدلاً من أن يصلا بشكل مستقل إلى أماكن مختلفة، فإن الفوتونين «يتفقان» ويخرجا معًا فقط، كزوج، من مخرج واحد. هذا التأثير بالضبط شوهد لأول مرة للأشعة السينية.

يمكن جعل الضوء الصادر من مصدر واحد "يلتقي" بنفسه، فتظهر على الشاشة أهداب — مثل تموجات حجرين أُلقيا في الماء. لطالما أتقن الفيزيائيون فعل ذلك مع فوتونين، لكن جعل أربعة جسيمات ضوئية تندمج في آن واحد كان صعبًا: فقد كانت مصادر الفوتونات المفردة تفقد الكثير من الجسيمات في الطريق.

نظرية الجاذبية الكلاسيكية لأينشتاين — النظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية بانحناء الزمكان — وفيزياء الكم نادرًا ما تلتقيان في تجارب مباشرة. في هذا العمل، أنشأ العلماء على طاولة المختبر مقياس تداخل: متاهة من الألياف الزجاجية بطول 50 كيلومترًا ملفوفة في ملف مضغوط.

لقد اعتدنا على إدراك الزمن كتدفق لا رجعة فيه، موجه من الماضي إلى المستقبل. ومع ذلك، تسمح القوانين الكمومية بسيناريو يصبح فيه الزمن تراكبًا — تمامًا مثل عملة معدنية تُظهر الوجه والكتابة في نفس الوقت. لنأخذ جسيمًا يمتلك عزم دوران ذاتي — السبين. في مجال مغناطيسي، يسبق سبينه مثل قمة دوارة.

في الفوتومتري — وهو المجال المعني بقياس الضوء — ظلت مهمة رصد فوتونات الميكروويف المفردة غير محلولة لفترة طويلة. السبب هو أن طاقة مثل هذا الكم مماثلة لطاقة الاهتزاز الحراري للذرات، مما يجعل الإشارة تغرق في الضوضاء.