قانون مالوس

الضوء الناشئ عند دخول إلكترون سريع إلى مادة ما يُعتبر عادةً متناحيًا (Isotropic) — أي متماثلًا في جميع الاتجاهات. لكن في البلورات، حيث تعتمد الخصائص البصرية على الاتجاه، ليس الأمر كذلك. مرر يدك على قطعة مخمل: في اتجاه واحد يكون ناعمًا ولامعًا، وفي الاتجاه الآخر يكون داكنًا وخشنًا. هكذا تتفاعل البلورة مع الضوء بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاهها.

عندما يصطدم نبض ليزري بذرة، فإنه يقتلع إلكترونًا. في الصورة الكلاسيكية، الضوء هو موجة كهرومغناطيسية ناعمة، وكلما زادت شدته، زاد تسارع الإلكترون. لكن الليزرات الحديثة قادرة على إنتاج ضوء في حالات كمومية خاصة، مثل الضوء المضغوط، حيث يخضع المجال لتقلبات كمومية — انحرافات عشوائية عن القيمة المتوسطة، تشبه اهتزاز وتر مشدود.

تشبه الخلية الشمسية البيروفسكايتية رياضية شابة: تظهر أداءً مذهلاً في البداية، لكنها تتعب بسرعة. ففي غضون ثماني ساعات فقط، تنخفض كفاءتها بشكل ملحوظ، رغم عدم وجود عيوب ظاهرة — لا شقوق ولا غبار ولا انفصالات.

عندما يصطدم نواتان ثقيلتان في مسرّع الجسيمات، يتشكل كرة نارية صغيرة من بلازما كوارك-غلوون (Quark-Gluon Plasma) — وهي حالة خاصة من المادة حيث لا تكون الكواركات والغلوونات محبوسة داخل الجسيمات. تتمدد هذه الكرة وتبرد، وغالبًا ما تخرج الجسيمات منها وهي "ملفوفة": تتجه لفّاتها على طول اتجاه الحزمة.

على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.

الضوء في العدسة يغير اتجاهه — هذا معروف للجميع. الموجات الثقالية، عند مرورها بالقرب من جسم ضخم، تنحني أيضًا في مسارها. لكن مؤلفي هذا العمل نظروا أبعد: ماذا يحدث لـ«لون» الموجة نفسه — استقطابها، أي اتجاه التذبذبات.

موجة الضوء تشبه حبلًا هززته: تهتز في مستوى معين. هذه الخاصية — الاستقطاب — تكشف عن شكل الأجسام ومكوناتها. لكن التقاطها ليس سهلاً، خاصة إذا أردنا تغطية نطاق واسع من الألوان. عادةً، يتطلب ذلك تجميع أنظمة ضخمة من العدسات والمرشحات. اقترح الفيزيائيون الاكتفاء بشريحة رقيقة واحدة من المادة المغناطيسية CrCl3. فالبلورة وحدها، دون حيل خارجية، تستشعر اتجاه اهتزازات الضوء.

الموجات الثقالية هي اهتزازات في نسيج الزمكان نفسه، كما تنبأت النظرية النسبية العامة. حتى وقت قريب، كانت أجهزة الكشف مثل LIGO وVirgo تسجل فقط الشدة الكلية للإشارة، أي "جهارتها"، لكن لكل موجة أيضًا استقطاب، وهو الاتجاه الذي يهتز فيه الزمكان المنحني.

طبقتان رقيقتان للغاية، كل منهما بسماكة ذرة واحدة فقط، توضعان فوق بعضهما وتُلويان قليلًا. مثل ورقتين من ورق الكربون الملون: ما دامتا مستويتين، تكون الصورة واحدة، لكن بمجرد اللف يظهر نمط مواريه. هنا، النمط غير مرئي للعين، لكنه يغيّر تمامًا كيفية تعامل المادة مع الضوء.

شعاع مصباح يدوي ينزلق على زجاج غير مستوٍ. الزجاج هو تجمعات هائلة من المجرات، والمصباح هو ضوء قديم وُلد بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. عند مروره بالقرب من هذه التجمعات، لا ينحني الضوء حولها فحسب، مثل الماء حول الحجر. بل ينزاح مساره قليلاً إلى الجانب، ويعتمد مقدار الإزاحة على كيفية "التفاف" الضوء — يمينًا أو يسارًا. هذا يشبه كرة القدم التي تنحرف في الهواء بسبب دورانها.

عندما يندمج اثنان من الثقوب السوداء، فإنهما يهزان نسيج الزمكان نفسه. العملاق الوليد لا يهدأ فورًا، بل يرن كجرس كوني، باعثًا نمطًا مميزًا من الموجات الثقالية المتضائلة - ما يُسمى بالرنين. في هذه التذبذبات تتشفّر كتلة الثقب ودورانه وبارامترات أخرى، لكن التقاطها مباشرة صعب للغاية.

الكون ليس فراغًا، بل كرة بلورية هائلة تخترقها حدود غير مرئية — جدران المجال — تجمّدت بعد تحولات طورية. هذه الندوب على جسد الفراغ قد تكون أرقّ من شعرة، لكن عندما يعبر فوتون الخلفية الكونية مثل هذا الجدار، يدور استقطابه — كأن الضوء يلتف على خيط غير مرئي خلّفه القطاع المظلم.

قطرة الماء في مجال كهربائي قوي تتمدد. وكذلك تفعل نواة الديوتيريوم — زوج مرتبط من بروتون ونيوترون — لكن المجال هنا ينشأ عن كمية غاما عابرة، وبدلاً من التمدد، قد تتفكك النواة ببساطة إلى أجزاء. في مختبر SLEGS بشانغهاي، تمت دراسة هذه العملية لأول مرة على شبكة كثيفة من الطاقات — من 2.33 إلى 19.65 ميغا إلكترون فولت — وسجلوا عدد المرات التي لا تتحمل فيها النواة.

في أعماق الفضاء، نجم نيوتروني سريع الدوران، نجم نابض يُلقّب بـ«المنارة»، يندفع عبر غاز متخلخل. وكأنه زورق سريع يشق الماء، يترك خلفه أثرًا مضيئًا من الجسيمات المشحونة. يُرى هذا الأثر في الأشعة السينية كذيل ساطع وخيط رفيع يمتد لسنوات ضوئية عديدة. النجم النابض هو بقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر، يدور عشرات المرات في الثانية ويطلق حزمًا ضيقة من الإشعاع.

في غرفة مظلمة، يلتقط شعاع المصباح اليدوي من العتمة شريطًا ضيقًا فقط. وبنفس الطريقة تقريبًا، اقترح روجر بنروز النظر إلى الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنتقل بسرعة سرعة الضوء. لقد ابتكر حد بنروز: عدسة رياضية تكبّر جوارًا صغيرًا على طول الشعاع الطائر وتُظهر هندسة مبسطة "للموجة المستوية".

الضوء الصادر عن طبقات رقيقة من أشباه الموصلات قد يكون مستقطبًا — أي أن موجاته تهتز في مستوى واحد. في السابق، كان يُعتقد أن اتجاه الاهتزاز يُحدد بواسطة إضاءة العينة. لكن تجارب جديدة على طبقتين من مادتين مختلفتين (WSe2 و WS2) أظهرت خلاف ذلك: عند التبريد إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض، لا يتغير استقطاب الضوء تقريبًا مهما كانت طريقة الإضاءة. السبب هو تشوه الشبكة البلورية.

إذا سلطت الضوء على بلورة FePS3، فإنها تستجيب بتوهج خاص بها — مثل لوحة نيون، لكن أضعف بكثير وفي نطاق الأشعة تحت الحمراء. هذا التوهج ليس عشوائيًا: فهو يعتمد على اتجاه البلورة. أخذ العلماء عينات من قطعة سميكة إلى طبقة بسماكة ذرة واحدة ورصدوا أربعة نطاقات ضوئية — عند 1.24 إلكترون فولت، و1.79، و2.3، و2.56.

الضوء العادي ينتشر في كل الاتجاهات، مثل الماء المنسكب من كأس مكسور. لكن في بعض البلورات، تستطيع موجات الضوء أن تتجمع في أشعة ضيقة وتتدفق في اتجاه واحد فقط — مثل الماء في ميزاب. درس الفيزيائيون مثل هذه المادة: أكسيد الفاناديوم الطبقي α-V2O5. في هذه البلورة، تهتز الذرات بشكل مختلف على طول الطبقات وعبرها.

تبدو ورقة الفوسفور الأسود العادية وكأنها كعكة طبقات من الذرات. إذا سلطت عليها ضوء مصباح عادي، فلن يحدث شيء مميز: تبقى الإلكترونات في أماكنها بهدوء، مثل جمهور في قاعة مظلمة. لكن وميض ليزر قصير، يدوم أجزاء من المليون من مليار الثانية، يهز هذه القاعة. الضوء المستقطب على طول «المقعد» — وهو أحد الاتجاهات في البلورة — يزيح السحب الإلكترونية للحظات.

أثناء العاصفة الرعدية تعمل السماء كبطارية عملاقة: تتراكم الشحنة الكهربائية في السحابة، ويُفرّغها البرق. هذه الشحنة غير مرئية، لكن الجسيمات الكونية — الميونات التي تتساقط باستمرار على الأرض من الفضاء — تشعر بها. فعندما يمر الميون عبر سحابة مشحونة، يتسارع أو يتباطأ قليلًا، ومن هذه التغيرات يمكن استنتاج الجهد الكهربائي في السحابة.

يمكن جعل شعاع الضوء يبدو كزهرةٍ ذات عدة بتلات. إذا مُرِّر هذا الشعاع عبر سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة وشُغِّل المجال المغناطيسي، تبدأ البتلات بالدوران. ترتبط زاوية الدوران ارتباطًا مباشرًا بقوة المجال. عادةً، لقياس المجال المغناطيسي بالضوء، نحتاج إلى مستقطبات — ألواح خاصة تسمح بمرور الموجات ذات اتجاه اهتزاز محدد فقط. هنا لم تكن هناك حاجة إليها: فدوران البتلات يُرى حتى بدونها.

ضوء الشمس عادةً غير مستقطب: موجاته تهتز في جميع الاتجاهات، مثل حشد يلوّح كل فرد فيه بيديه كيفما يشاء. لكن في 3 مايو 2023، لاحظ علماء الفلك في لوكارنو (سويسرا) أنه أثناء التوهج، أصبح ضوء الهيليوم منظمًا — اصطفت الموجات في اتجاه واحد، مثل جنود في عرض عسكري.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور أسرع من خلاط المطبخ ويقذف الجسيمات حوله. يتشكل حوله سحابة مضيئة تسمى الهالة النابضة (pulsar halo). يعتمد شكل هذه السحابة على الحقول المغناطيسية غير المرئية التي توجه الجسيمات مثل التيارات في المحيط. اتضح أن اثنتين من هذه الهالات، حول النجمين النابضين جيمينجا ومونوجيم، غير متماثلتين، وكان هذا مفتاح الحل.

الشمس ليست كرة هادئة. ففي داخلها تنتشر موجات باستمرار، كما في الجرس بعد قرعه. تصل هذه الاهتزازات إلى السطح وتكشف ما يحدث على الجانب البعيد غير المرئي. لطالما أتقن علماء الفلك «الاستماع» إلى هذا الرنين وتمكنوا من العثور على مجموعات كبيرة من البقع هناك. لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا قول الشيء الأهم: أين يقع القطب المغناطيسي الشمالي للبقعة وأين يقع الجنوبي. يقترح العمل الجديد طريقة لتصحيح هذا الأمر.

النجم النابض بالأشعة السينية قنطورس X-3 هو نجم نيوتروني يدور بسرعة ويصدر نبضات من الأشعة السينية مثل المنارة. وجّه العلماء إليه ثلاثة تلسكوبات فضائية ودرسوا استقطاب الإشعاع — أي كيفية اهتزاز المجال الكهربائي لموجة الضوء. وتبين أن هذا الاستقطاب يتصرف بشكل متقلب للغاية: زاويته تتغير مع طاقة الفوتونات ومع طور النبض.

عندما يمر الضوء عبر بلورة رقيقة، يمكن أن يغيّر لونه واتجاه اهتزازه. في صفيحة من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم بسماكة مئات الذرات، يتحول شعاع تحت الأحمر إلى شعاع أخضر، ويخضع استقطابه — أي طريقة اهتزاز موجة الضوء — لهندسة البلورة.

في مسرع جسيمات ضخم، حيث تصطدم البروتونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء بهدف من النيون، تولد الباريونات المفتونة — جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. تمكن علماء تعاون LHCb لأول مرة من قياس كيفية «دوران» هذه الجسيمات — بتعبير أدق، اتجاه سبينها — واكتشفوا فرقًا غير متوقع بين الجسيمات ونظيراتها المرآتية.

في السحابة المظلمة L43، حيث تولد النجوم، تدور حبيبات الغبار مثل بوصلات صغيرة. ضوء النجم الشاب يدفعها، بينما المجال المغناطيسي يصطفها في اتجاه معين. عندما تكون الحبيبة موجهة نحونا بجانبها، يصلنا دفؤها مستقطبًا — مثل الضوء الذي يمر عبر شق ضيق. من خلال هذا الاستقطاب، يقرأ علماء الفلك خريطة الخطوط المغناطيسية.

يمر ضوء النجم HD 163296 عبر القرص الغباري المحيط به، كما يمر شعاع مصباح يدوي عبر ماء عكر. تعمل جزيئات القرص على تشتيت الضوء، فيكتسب خاصية خاصة وهي الاستقطاب (polarization): تبدأ الموجات بالاهتزاز في مستوى واحد، مثل حبل يُهزّ عموديًا تمامًا.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. فهو يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه يتوقف عند الماء والمعادن. لذلك تُستخدم هذه الموجات في أجهزة المسح الأمني ومراقبة جودة المواد. لكن لهذا الإشعاع خاصية أخرى وهي الاستقطاب، أي اتجاه اهتزاز الموجة. العديد من المواد تنقل الموجات ذات الاستقطابات المختلفة بطرق مختلفة، ويمكن استخدام ذلك لدراستها.

يسقط شعاع ضوء مستقطب دائريًا على بلورة بيروفسكايت MAPbI3. تبدأ الإلكترونات داخل البلورة في التصرف مثل قمم دوارة صغيرة، تستوي محاورها على طول الشعاع. تُعرف هذه الظاهرة بالتوجيه البصري للسبينات. عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (أي 269 درجة مئوية تحت الصفر)، طبق العلماء مجالًا مغناطيسيًا ورأوا كيف تفقد السبينات اتجاهها.

تشبه الموجة الضوئية حشدًا من الناس، كل شخص يلوّح بعلمه في اتجاه مختلف. لكي يمر هذا الحشد عبر ممر ضيق دون أن يفقد النظام، نحتاج إلى موجّهات. في الألياف البصرية، يلعب الاستقطاب (polarization) دور الموجّهات — وهو الاتجاه الصارم لاهتزاز الموجة الضوئية. الألياف المجوفة العادية المملوءة بالغاز تسمح بمرور الضوء، لكنها لا تتحكم في استقطابه: عند الخرج نحصل على خليط فوضوي.

كرة القدم التي تُركل بلفّة لا تطير في خط مستقيم، بل ينحني مسارها جانبًا. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف شعاع الضوء إذا تم تركيزه بشدة: يبدأ بدفع الذرة ليس فقط إلى الأمام، بل أيضًا إلى الجانب. الفيزيائيون قاسوا هذا الإزاحة على أيون كالسيوم مفرد محبوس في مصيدة ضوئية. كان الشعاع موجّهًا نحو الذرة مثل كشاف ضوئي على حبة رمل.

يمر الضوء القادم من المجرات البعيدة عبر عدسات التلسكوب كما يمر عبر كومة من زجاج النوافذ. كل زجاجة مغطاة بغشاء رقيق لتقليل الانعكاس. لكن هذا الغشاء يعمل كمرشح استقطاب: أحد مركبي موجة الضوء يمر بسهولة أكبر قليلًا، والآخر يمر بصعوبة أكبر قليلًا. ونتيجة لذلك، تدور الموجة قليلًا، ويرى التلسكوب صورة مختلفة عما هو موجود في السماء.

الضوء الذي يسير عبر الألياف البصرية يشبه حشدًا في ممر ضيق: كل فوتون يسلك طريقه الخاص، وإذا اختلطت المسارات، تكون النتيجة فوضى عند الخروج. في الألياف المجوفة العادية — وهي أنابيب زجاجية رفيعة ينتقل فيها الضوء عبر الهواء وليس عبر الزجاج — يسير الاستقطابان (اتجاها اهتزاز الموجة الضوئية) مختلطين. أي اهتزاز أو حرارة أو انحناء في الألياف يغير نسبتهما، فتتدهور الإشارة. التصميم الجديد يحل هذه المشكلة.

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.

في عام 1976، طرح الفيزيائي الكندي بيل أونروه سؤالًا بسيطًا: ماذا يرى المراقب الذي يتسارع في الفراغ؟ وكان الجواب غريبًا: الفراغ يتوقف عن كونه فارغًا. المراقب المتسارع ينغمس في إشعاع حراري بدرجة حرارة تتناسب مع التسارع. لتسارع مقداره $$10^{20}$$ g، أي أكبر بمليارات المرات من تسارع الجاذبية الأرضية، تبلغ هذه الدرجة حوالي 4000 كلفن، مثل سطح نجم أحمر. لكنها تولد من فراغ خالص.