كيف يولد الفوتون؟.. علماء الفيزياء يتتبعون تشكله عبر الزمان والمكان
© Fotolia / Chemtoddler
تابعنا عبر
طوّر باحثون من جامعة "آي تي إم إو" (ITMO) الروسية طريقة جديدة لتتبع كيفية تشكّل مجال الفوتون وانتشاره، كاشفين عن تفاصيل عادةً ما تقتصر الأوصاف الكمومية التقليدية على رصدها في مرحلتي ما قبل الانبعاث وما بعده فقط.
يستطيع علماء الفيزياء حساب احتمالية انبعاث فوتون من جسيم ما، كما يمكنهم التنبؤ بطاقة وزخم الجسيمات التي يتم رصدها لاحقاً، غير أن هذا الوصف الكمومي المألوف غالباً ما يغفل جزءاً مثيراً للاهتمام من القصة: ما الذي يحدث أثناء تشكّل الضوء نفسه؟
وقد طوّر الباحثون طريقة تعتمد على "فضاء الطور" (phase-space) لوصف تطور مجال الفوتون في كل من الزمان والمكان، وباستخدام هذا النهج، قاموا بدراسة إشعاع تشيرينكوف وتتبعوا تطوره بدءاً من لحظة تشكّله ووصولاً إلى انتشاره اللاحق داخل المادة.
نظير ضوئي لـ "دوي اختراق حاجز الصوت"
يظهر إشعاع "تشيرينكوف" عندما يتحرك جسيم مشحون عبر مادة ما بسرعة تفوق سرعة انتشار الضوء في تلك المادة.
وهذا لا يعني أن الجسيم يتجاوز سرعة الضوء في الفراغ؛ فالضوء يتحرك ببطء أكبر داخل مواد مثل الماء أو الزجاج، وإذا تحرك جسيم مشحون عبر الوسط بسرعة تفوق سرعة الضوء المخفّضة هذه، فإنه يُحدث استقطاباً في الذرات والجزيئات المجاورة، مما يؤدي إلى انبعاث الإشعاع منها.
تتعزز الموجات المتولدة على طول مسار الجسيم بعضها البعض عند زاوية محددة، مشكّلةً بذلك مخروط ضوء تشيرينكوف المميز.
ويمكن تقريب الصورة بمثال الطائرة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت؛ فعندما تطير الطائرة بسرعة أكبر من سرعة الصوت في الهواء، تتجمع موجات الضغط لتشكل موجة صدمية، ويشبه إشعاع تشيرينكوف هذه الظاهرة من حيث المبدأ، مع اختلاف جوهري يتمثل في أن الاضطراب هنا يتعلق بالضوء بدلاً من الصوت.
النظر فيما بين مرحلتي "قبل" و"بعد"
غالباً ما تركز الحسابات الكمومية التقليدية للإشعاع على الحالتين الابتدائية والنهائية؛ إذ يحسب الفيزيائيون احتمالية رصد إلكترون وفوتون بطاقات وزخوم محددة في نهاية المطاف، وهذا القدر كافٍ للعديد من التجارب.
لكن هذا النهج يعتمد بشكل أساسي على مقارنة النظام قبل الانبعاث وبعده، دون إظهار البنية المكانية والزمانية التفصيلية التي تتشكل في الفترة الفاصلة بينهما.
وقد عالج فريق جامعة "ITMO" هذا القصور باستخدام أداة رياضية تُعرف باسم دالة ويغنر (Wigner function)، التي تتيح تمثيل النظام الكمومي باستخدام معلومات مرتبطة بكل من الموقع والزخم. باستخدام هذا الإطار، تمكن الباحثون من تصور مجال الفوتونات في الزمان والمكان، وتتبع سلوكه في منطقة "المجال القريب" (near-field region) حيث لا يزال الإشعاع في طور التشكل، ودراسة كيفية تأثير المادة المحيطة على تطوره.
المادة تغير كيفية تشكل الفوتون
يتمثل أحد الجوانب المهمة في هذا العمل الجديد في أخذ التشتت (dispersion) بعين الاعتبار؛ وهي ظاهرة تعتمد فيها قيمة معامل الانكسار للمادة على تردد الضوء المار عبرها، وهذا يعني أن مكونات التردد المختلفة لا تنتشر بالضرورة عبر الوسط بالطريقة نفسها تماماً.
وقد وجد الباحثون أن بنية إشعاع تشيرينكوف (Cherenkov radiation) يمكن أن تعتمد بشكل كبير على هذا التشتت، وكذلك على الخصائص الكمومية لزخم الجسيم الباعث للإشعاع، ولا تقتصر نظريتهم على وصف احتمالية انبعاث الفوتون فحسب، بل تصف أيضاً شكل مجال الإشعاع، ومدة استمرار ومضة تشيرينكوف، وتوقيت وصول الفوتون إلى موقع معين، وكيفية تطور المجال أثناء انتشاره.
قد يحتفظ الضوء بمعلومات عن الإلكترون الذي ولّده
تظهر واحدة من أكثر النتائج إثارة للاهتمام بالقرب من المنطقة التي يتشكل فيها الإشعاع، إذ يظل التوزيع المكاني لمجال الفوتونات في تلك المنطقة مرتبطاً بتوزيع الإلكترون الذي أنتجه. ووفقاً للباحث ألكسندر ششيبكين، يمكن أن يوفر هذا ما يشبه "لقطة" للدالة الموجية للإلكترون، حيث تحتوي هذه اللقطة على معلومات حول خصائص مثل الحجم والتماسك المكاني للمصدر.
وبالتالي، فإن قياسات مدة نبضة تشيرينكوف قد توفر معلومات حول الحجم الطولي للإشارة التي ولّدتها.
وهذا يحول الإشعاع من مجرد نتيجة مرئية لحركة جسيم مشحون بسرعة عالية إلى شيء أكثر من ذلك؛ إذ قد تحمل بنيته التفصيلية معلومات حول الحالة الكمومية لمصدره.
هل يمكن للعلماء فعلا مشاهدة لحظة ولادة الفوتون؟
ليس بشكل مباشر بالمعنى التقليدي، اذ تكمن الصعوبة التجريبية الأساسية في أن رصد الفوتون يؤدي إلى تدميره؛ ولذلك لا يستطيع العلماء ببساطة مراقبة الفوتون نفسه بشكل متكرر في مراحل مختلفة من تطوره.
ومع ذلك، يمكن إعادة بناء "دالة ويغنر" الخاصة بالفوتون باستخدام التصوير المقطعي الكمومي (quantum tomography)، وهي تقنية مستخدمة بالفعل في أبحاث المعلومات الكمومية، فبدلاً من تتبع فوتون واحد بشكل مستمر، يقوم العلماء بإعادة بناء الحالة الكمومية إحصائيا استنادا إلى العديد من القياسات.
يشير الباحثون إلى إمكانية تعميم أفكار مماثلة مستقبلاً لتشمل الأنظمة المزدوجة التي تضم كلاً من الإلكترون والفوتون، مما يتيح للفيزيائيين استخلاص المزيد من المعلومات حول عملية الانبعاث.
