فوتون

الضوء في غرفة عادية يختفي في لحظة بمجرد إطفاء المصباح. أما في تجويف صغير من نيتريد السيليكون، فيمكن للفوتون — وهو كمّ الضوء — أن يرتد بين الجدران 80,000 مرة قبل أن يضيع. الأمر أشبه بكرة تُقذف في غرفة فترتد عن الجدران دون أن تفقد سرعتها تقريبًا. هذه التجاويف، التي تُسمى المرنانات الضوئية الدقيقة، تُصنع من مادة تشبه الزجاج لكنها تتحمل درجات حرارة عالية وتتوافق مع الإلكترونيات.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

الحجر الملقى في الماء يترك دوائر تنتشر. الموجة الثقالية هي تموّج مماثل، لكن في نسيج الزمكان. تُنتج، على سبيل المثال، عن اندماج ثقبين أسودين. في الفيزياء الكلاسيكية، هذا التموّج أبدي: بمجرد أن ينشأ، يطير عبر الكون دون أن يخمد. لكن الجاذبية تخضع للقوانين الكمومية. تتكون الموجة من حِزَم صغيرة تسمى الغرافيتونات (الجسيمات الحاملة للجاذبية).

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

راكب الأمواج ينزلق على سطح المحيط حتى تأتي موجة كبيرة - وهكذا يندفع إلى الأمام. بنفس الطريقة تقريبًا، يتفاعل الإلكترون الحر مع الضوء: عادة ما يكون تبادل الطاقة بالكاد ملحوظًا، ولكن إذا بدأ الوسط المحيط يتغير بشكل إيقاعي، فإن كل قمة موجة تدفع الجسيم بقوة أكبر. درس مؤلفو العمل التفاعل الكمومي بين الإلكترونات والفوتونات في وسط تتأرجح خصائصه بشكل دوري.

عند شدة ضوء منخفضة للغاية الفوتونات تصل إلى الكاشف واحدة تلو الأخرى — مثل قطرات من صنبور غير محكم الإغلاق، ولا تشكل أزواجًا أبدًا. هذه الظاهرة، المعروفة باسم مضادة التجميع، تم التنبؤ بها نظريًا من قبل روي غلاوبر وتم تأكيدها تجريبيًا لأول مرة من قبل ليونارد ماندل، لتصبح دليلًا مباشرًا على الطبيعة الجسيمية للضوء.

ستكون لعبة البلياردو غريبة لو كانت الكرات عديمة الكتلة. فلن تتصادم، بل ستمر عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ العوائق. هذا تقريبًا ما يبدو عليه محاولة تصور الضوء كتيار من الجسيمات الكلاسيكية، أي أجسام صغيرة مرنة تطير في خط مستقيم. البرهان الجديد يضع حدًا لهذه الصورة.

فهم فوتومتري — وهي الظاهرة التي يسقط فيها الضوء على مادة فيُخرج منها إلكترونات — يشبه تعلّم الطبخ دون وصفة. تأتي الأدوات الرقمية للنجدة: الألعاب تمنح حدسًا بديهيًا، والمحاكاة تمنح دقة كمية. أجرى الباحثون تجربة شارك فيها 55 طالبًا، قسموهم إلى مجموعتين.

عندما تتحرك شحنة كهربائية بتسارع، فإنها تبعث إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، أي ضوءًا — وهي ظاهرة مألوفة في الفيزياء. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أنه عند الحركة على مسار مُختار خصيصًا، يكتسب الإشعاع خصائص غير عادية. طاقة الفوتونات لا تتوزع بشكل عشوائي، بل تحتل مستويات منفصلة تمامًا، كما لو كان ركاب يمرون عبر بوابة دوارة واحدًا تلو الآخر.

يسقط ضوء الشمس على المادة، ويقذف كل فوتون إلكترونًا واحدًا. هذا هو الترتيب المألوف، ولهذا السبب لا تستطيع البطاريات العادية تحويل أكثر من ثلث الطاقة إلى كهرباء، والباقي يتبدد كحرارة. لكن هناك عملية تشبه لعبة البلياردو حيث تقسم كرة واحدة كرتين في آن واحد: مضاعفة الحاملات (carrier multiplication). فوتون واحد يولد ليس جسيمًا مشحونًا واحدًا بل عدة جسيمات.

في ميكانيكا الكم، الضوء والمادة في تبادل مستمر للطاقة. لفترة طويلة، وُصف تفاعلهما بشكل ثابت — كسلسلة من الأوضاع الجامدة، حالات كمومية منفصلة. النهج الجديد يركز على الديناميكية نفسها: على الانتقالات بين الحالات باعتبارها تسلسلاً مستمراً من الحركات.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً. فذراته تشبه الهوائيات: تشع وتمتص الضوء عند ترددات محددة بدقة. تنبأ أينشتاين بأن الزمكان يمكن أن يتموج - هذه هي الموجات الثقالية.

قبل تجميع أحجية ضخمة، يجب ختم القطع — وإلا فلن تكتمل الصورة. في الحواسيب الكمومية القائمة على الاندماج، تلعب كتل صغيرة من الضوء دور هذه القطع — وهي الحالات الموردية الفوتونية. تُصطدم هذه الكتل وتُقاس لتنمو نسيج الحوسبة تدريجياً. لكن مصنع هذه الأحاجي الضوئية يعمل بشكل متقطع: ولادة كل قطعة حدث احتمالي، ويكون الإنتاج التالف أكثر من القطع الصالحة.

يشبه الثقب الأسود خزنةً مثالية: كل ما يسقط داخله يختفي دون أثر. لكن في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف يعقوب بيكينشتاين وستيفن هوكينغ أن للأفق "ملصقًا" لا يُمحى — الإنتروبيا (مقياس المعلومات الخفية عن المادة المبتلعة).

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

في كل خريف، يقلع طائر الشحرور الذي يزن مثل قطعة زبدة من غصن في مكان ما قرب سانت بطرسبرغ، ويتجه جنوبًا نحو البحر الأبيض المتوسط، دون أن يراجع خريطة ولو مرة واحدة. يُعتقد أن في عينه بوصلة مغناطيسية مدمجة، والجزء الرئيسي من هذا الجهاز هو البروتين cryptochrome 4a.

الضوء هو أسرع رسول، لكنه لا يجيد الانتظار. لكي تتمكن الحواسيب الكمومية من تبادل الرسائل، نحتاج إلى ذاكرة تلتقط الفوتون وتحتفظ به حتى يتفرغ المستلم. في بخار المعدن الدافئ، تندفع الذرات كالنحل في الخلية، وكل حركة منها تفسد التسجيل. ولهذا، يتحول الضوء الذي تمكنا من إيقافه بسرعة إلى فوضى. وجد العلماء طريقة لـ«إرجاع» هذه الفوضى إلى الوراء.

المظروف البريدي العادي له شكل مستطيل، والرسالة بداخله لا تغيّر خصائص المظروف. أما مع الفوتونات — جسيمات الضوء — فالأمر مختلف: فـ«شكلها» الزمني يمكن أن يكون مختلفًا، وهذا الشكل بحد ذاته يحمل معلومات.

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.

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.

عادةً ما يدفع الضوء الذرة في مسار مستقيم، مثل الريح التي تدفع الشراع. لكن إذا لُفَّ الشعاع على هيئة برغي، يتغير المشهد: قد تنحرف الذرة جانبًا، وكأن عجلة دوّارة علقت بها. في دراسة جديدة، حسب الفيزيائيون أن مثل هذا الفوتون الدوّار قادر على نقل دوره إلى الذرة بالكامل تقريبًا — حتى 100 بالمئة.

صنبور لا يتدفق منه الماء كتيار، بل قطرة قطرة بدقة — هكذا يمكن وصف مصدر الفوتونات المفردة الذي يتحدث عنه المؤلفون. في الضوء العادي، تطير الفوتونات في جماعات، مثل الماء من صنبور مفتوح. أما بالنسبة للتقنيات الكمومية، فنحن بحاجة إلى فوتونات مفردة — «قطرات» من الضوء يمكن استخدامها ككيوبتات أو كرسل للاتصالات الآمنة.

يسقط شعاعان ليزريان بلونين مختلفين على بلورة، وداخلها تولد من حين لآخر ثلاثيات من جسيمات الضوء – مثل ثلاث عملات معدنية تخرج من فتحة واحدة في آلة بيع. هذا هو أول مرة يتمكن فيها الباحثون من إجراء هذه العملية بكفاءة كافية: في كل ثانية، حصلوا على 11.6 ثلاثية. كان الشعاعان أخضر وأشعة تحت حمراء غير مرئية. داخل البلورة، تجمعت طاقتهما وتحولت إلى ثلاثة جسيمات جديدة تتناثر في اتجاهات مختلفة.

في الليل، داخل غرفة مظلمة، يتوهج جسم الإنسان بشكل خافت بالكاد يُلاحَظ. هذا الضوء ضعيف جدًا لدرجة أن الأجهزة شديدة الحساسية فقط هي التي تلتقطه. ظن بعض العلماء أن هذا التوهج الصادر من الرأس قد يخبرنا عن نشاط الدماغ — دون الحاجة إلى أجهزة التصوير المقطعي أو الأسلاك. لكن الفحص أظهر خلاف ذلك. عندما قيس الضوء المنبعث من الرأس في ظروف مظلمة حقًا، اتضح أنه أضعف بعدة مرات مما كان عليه في التجارب السابقة.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

في بلورة تيتانات الباريوم يوجد مجال كهربائي مدمج — مثل المغناطيس الدائم، لكن للشحنات. عندما يصل وميض ضوء إلى هناك، يقتلع الإلكترونات، فتبدأ في التخبط وتصطدم بالذرات. لكن البلورة ليست متشابهة في جميع الاتجاهات: لها محور يكون فيه المجال أقوى.

وفقًا للميكانيكا التقليدية، يجب أن يدور الإلكترون حول النواة ويسقط عليها بسرعة — مثل متزلج الأمواج الذي يفقد سرعته ويسقط عن لوحه. لكن الذرات تعيش مليارات السنين. لأن الفضاء ليس فارغًا. حتى في الفراغ المطلق، يتلاطم بحر كهرومغناطيسي غير مرئي — يُعرف بحقل النقطة الصفرية. أمواجه تدفع الإلكترون باستمرار. سر الاستقرار يكمن في الإيقاع.

الضوء هو تيار من الفوتونات، وعادةً لا يمتلك الفوتون عزمًا مغناطيسيًا: فهو لا ينحرف بالمغناطيس مثل برادة الحديد. لكن في مجال مغناطيسي قوي جدًا، يقارن بالمجال الحرج لشفينغر (حوالي 4.4×$$10^{13}$$ غاوس — أقوى بمليارات المرات من مغناطيس الثلاجة)، يكتسب الفوتون عزمًا مغناطيسيًا شاذًا.

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.

الضوء ليس مجرد شعاع، بل هو موجة لها مجال كهربائي يتغير بسرعة لا يمكن تصورها بالساعات العادية. حتى الآن، كان يُقاس هذا المجال في نقطة واحدة فقط، مثل قياس درجة الحرارة بميزان حرارة واحد. الآن، ابتكر الباحثون طريقة تُظهر المجال كله دفعة واحدة، مثلما يُظهر جهاز التصوير الحراري خريطة الحرارة.

لا يمكن رؤية البروتون ككرة بسيطة. إذا ضربته بفوتون، فقد يمتص الطاقة ويدخل في حالة مثارة — مثل الجرس الذي يبدأ بالرنين بتردد معين بعد الضربة. تسمى هذه الحالات بالرنينات النووية (nucleon resonances)، وهي تعيش لفترة قصيرة جداً قبل أن تتحلل إلى جسيمات أخرى.

عندما يسقط شعاع الشمس على ورقة، يبدأ سباق تتابع داخلها. تنتقل طاقة الضوء من جزيء كلوروفيل إلى آخر حتى تصل إلى مركز التفاعل، وهو المكان الذي تنطلق فيه كيمياء الحياة. يجري هذا التتابع بدقة مدهشة: كل كمّ من الضوء تقريباً يجد طريقه. أراد العلماء معرفة كيف تتمكن الجزيئات من نقل الطاقة بهذا التناغم. درسوا بروتينات البكتيريا الأرجوانية التي تلتقط الضوء.

ذرة الهيدروجين تشبه ساعة صغيرة تدق بدقة يحلم بها المهندسون. عندما يقفز الإلكترون بين المدارات، فإنه يمتص أو يصدر ضوءًا بتردد محدد بدقة، وهذه هي "النبضة". في العمل الجديد، التقط الفيزيائيون أحد هذه الانتقالات، بين الحالتين 2S و6P، وقاسوا تردده بهامش خطأ أقل من جزء من المليار من المئة. الرقم الناتج هو 730 690 248 610.79 كيلوهرتز، والخطأ 0.48 كيلوهرتز فقط.

يمكن تشبيه تدفق الإلكترونات بحزمة ضوء من مؤشر ليزري: إذا تباعدت، فإن البقعة على الحائط سرعان ما تتلاشى. في المختبر، صنع الفيزيائيون حزمة ضيقة لدرجة أنها ظلت رفيعة على مسافة كبيرة، مثل شعاع مؤشر جيد. للقيام بذلك، قاموا بتسريع الإلكترونات في مسرع بلازما، حيث تلتقط الجسيمات موجة في غاز مؤين، ثم ضغطوا التدفق بمغناطيس دائم على شكل ملف لولبي.

طبقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون تشبه قرص العسل. تتحرك الإلكترونات فيها بسرعة كبيرة وكأنها عديمة الكتلة، تمامًا مثل الضوء. عندما تسقط نبضة ليزر قوية على هذه الطبقة، تتلقى الإلكترونات ركلة وتبدأ في التسارع. يمكن تشبيه مسارها بطريق تظهر فيه أحيانًا حواجز — وهي النطاقات المحظورة.

لو أمكن تعبئة الضوء في زجاجات، لحصل العلماء على خط إنتاج مثالي: كل زجاجة تحتوي فوتونًا واحدًا بالضبط، دون أي قطرات زائدة. هذه الجسيمات الضوئية المفردة ضرورية للحواسيب الكمومية والاتصالات الآمنة: فهي تحمل معلومات لا يمكن التنصت عليها دون أن يُكتشف الأمر. لكن إصدار الفوتونات واحدًا تلو الآخر وفي الوقت المحدد مهمة أصعب مما تبدو.

تدخل نبضة ليزر إلى تجويف صغير جدًا مصنوع من بلورة شفافة. داخل التجويف، يرتد الضوء بين المرايا، وأحيانًا ينقسم فوتون واحد إلى زوج: أحدهما يتجه في اتجاه، والآخر في اتجاه آخر. يصبح أحدهما إشارة، بينما يعمل الآخر بمثابة "جرس" يخبرنا بأن الفوتون المفرد جاهز. هذا المصدر لا يُصدر الفوتونات وفق جدول زمني، لكنه يخبرنا بدقة متى ظهر الفوتون المفرد.

البروتون ليس كرة ملساء، بل هو كتلة متشابكة من جسيمات أصغر تتحرك باستمرار. للنظر إلى داخله، يطلق الفيزيائيون إلكترونات على البروتون ويراقبون كيف ترتد. الجهاز الجديد، مصادم الإلكترون-أيون، سيفعل ذلك بدقة غير مسبوقة. اختبر العلماء مسبقًا ما سيحدث إذا جمعوا بيانات من هذا المصادم عند طاقات مختلفة. وتبين أن ثلاثة إعدادات للطاقة بدلاً من اثنين تعطي نتائج أكثر دقة بشكل ملحوظ.

الضوء في حلقة صغيرة يشبه الماء في قناة مغلقة: إذا أطلقت تيارًا قويًا جدًا، ستبدأ الجدران بالاهتزاز وتتغير شكل القناة. في الحلقات الضوئية الدقيقة، يلعب شعاع الليزر دور الماء، بينما تلعب بلورة رقيقة أرق من الشعرة دور الجدران. عادةً، الضوء القوي "يحرق" المادة: يغير خصائصها، يزيح التردد، ويفسد الضبط.