فيزيائيون من جامعة تومسك يقترحون "هولوغرام فوتوني"
© youtube/تأملات كونية
تابعنا عبر
طور فيزيائيون من جامعة تومسك الحكومية طريقة نظرية لاستكشاف الحالة الكمية للضوء باستخدام فوتونات أخرى ذات طاقة أعلى. وتشير حساباتهم إلى أنه عند مرور فوتونات "المسبار" عبر غاز من الفوتونات، فإن تغيرات طفيفة في الشدة والاستقطاب قد تخلق نمط تداخل أو "هولوغرام فوتوني" يحمل معلومات لا يمكن رصدها عبر قياسات شدة الضوء التقليدية.
ورغم أن هذا النهج لا يزال نظرياً، يرى الباحثون أن مصادر وكواشف الفوتونات المتاحة حالياً قد تتيح إجراء اختبار تجريبي، مع تطبيقات محتملة تتراوح من فيزياء الطاقة العالية إلى الفيزياء الفلكية.
كيف يمكن للضوء أن يتفاعل مع الضوء؟
في الحياة اليومية، تمر حزمتان من الضوء عبر بعضهما البعض ببساطة دون أي تأثير ملحوظ.إلا أن الديناميكا الكهربائية الكمية، تتنبأ بظاهرة أكثر دقة: إذ يمكن للفوتونات أن تتفاعل مع فوتونات أخرى، رغم أن هذا التأثير ضعيف للغاية ولم يتم رصده أو إعادة إنتاجه مباشرة في المختبر بالشكل الذي درسه هؤلاء الباحثون.
بيتر أوليغوفيتش كازينسكي، الأستاذ في قسم نظرية المجال الكمي والباحث الرئيسي في مختبر الفيزياء النظرية والرياضية بجامعة تومسك الحكومية، وأليكسي أليكسييفيتش سوكولوف، المساعد في قسم الرياضيات والفيزياء الرياضية بجامعة تومسك للفنون التطبيقية وطالب الدراسات العليا في قسم نظرية المجال الكمي بجامعة تومسك الحكومية، قاما بدراسة نوع المعلومات التي يمكن استخلاصها إذا استُخدمت مجموعة من الفوتونات لاستكشاف مجموعة أخرى.
استندت حساباتهما إلى مبادئ الديناميكا الكهربائية الكمية، وهي النظرية التي تصف كيفية تفاعل الضوء مع الجسيمات المشحونة كهربائياً.
"هولوغرام فوتوني" ناتج عن تشتت الضوء
تبدأ التجربة المقترحة بـ غاز فوتوني مستهدف، يتم تسليط حزمة من فوتونات المسبار عالية الطاقة عليه. ستمر معظم فوتونات المسبار دون تغيير يُذكر، لكن جزءاً صغيراً منها سيتفاعل مع فوتونات الغاز المستهدف، مما يؤدي إلى تغيير طفيف في شدتها واتجاهها واستقطابها.
بعد ذلك، تتداخل المكونات غير المتغيرة مع المكونات المشتتة، منتجةً نمطاً يطلق عليه الباحثون اسم "الهولوغرام الفوتوني"، وذلك قياساً على تقنية الهولوغرام التقليدية. تكمن النقطة المهمة في أن هذا النمط قد يكشف عن معلومات تفوق بكثير مجرد تحديد الموضع الذي يكون فيه الضوء المستهدف في أقصى درجات سطوعه.
ووفقاً للنموذج، يمكن أن يحمل هذا النمط معلومات حول عدد الفوتونات التي تشغل مناطق مختلفة، وحالة استقطابها، ومدى ترابط حالاتها الكمومية، ويصف"الترابط الكمومي" (Quantum coherence) مدى ثبات الأجزاء المختلفة من النظام الكمومي في الحفاظ على أطوارها النسبية؛ ويتعلق الأمر بما إذا كانت هذه الأجزاء تتصرف كأجزاء من حالة كمومية واحدة متناغمة، أم كجسيمات مستقلة لا رابط بينها.
رصد فروق قد تغفل عنها القياسات التقليدية
لتوضيح أهمية ذلك، قام الباحثون بوضع نماذج لشبكتين من الفوتونات تتشابهان إلى حد كبير في توزيع الشدة الضوئية، لكنهما تختلفان في حالاتهما الكمومية.
عند استخدام القياسات التقليدية للسطوع، سيبدو النظامان متطابقين تقريباً، غير أن أنماط التشتت المتوقعة لكل منهما كانت مختلفة بشكل ملحوظ، وهذايشير إلى أن الصورة المجسمة (الهولوغرام) المقترحة قد تكشف عن معلومات تتعلق بالتنظيم الكمومي الداخلي للضوء، وهي معلومات لا يمكن استخلاصها بمجرد قياس الشدة الضوئية، وهو ما يجعل هذا النهج مفيداً -من حيث المبدأ- كشكل جديد من أشكال التشخيص الكمومي للضوء.
حتى الفوتون الواحد يمكن أن يتصرف كوسط بصري
أفضى هذا العمل أيضاً إلى نتيجة نظرية غير مألوفة، فقدحسب الباحثون السماحية العازلة (dielectric permittivity) -وهي تعبير عن الاستجابة البصرية أو السلوك الانكساري- ليس فقط لغاز من الفوتونات، بل حتى لفوتون واحد مُعدّ في حالة كمومية محددة، فعادةً ما ترتبط مفاهيم مثل "معامل الانكسار" بمواد عادية كالزجاج أو البلورات أو البلازما، أما هنا، فتشير الحسابات إلى أن الحالة الكمومية للضوء بحد ذاتها يمكن أن تتصرف -من منظور فوتون عالي الطاقة يمر عبرها- وكأنها وسط بصري.
وعند مستويات الطاقة العالية للفوتون المُستخدَم للفحص (probe-photon)، وجد الباحثون أن هذا السلوك العازل الفعّال يشبه سلوك البلازما مزدوجة الانكسار (birefringent plasma)، رغم أن الهدف لا يحتوي على أي ذرات أو إلكترونات أو أيونات عادية.
كما تعتمد الاستجابة المتوقعة على الاستقطاب؛ إذ تولّد الفوتونات المستهدفة ذات الاستقطاب الخطي انكساراً مزدوجاً خطياً، بينما تولّد الفوتونات ذات الاستقطاب الدائري انكساراً مزدوجاً دائرياً، ويمكنها تعديل استقطاب شعاع الفحص.
لماذا تُعد الفوتونات عالية الطاقة مهمة؟
يرى الباحثون أن استخدام فوتونات مسبار (probe photons) عالية الطاقة قد يسهّل رصد التفاعل الضعيف للغاية بين الفوتونات، ويحسب نموذجهم التغيرات المتوقعة في احتمالية الرصد، واتجاه الانتشار، والاستقطاب الخاص بفوتون المسبار بعد مروره عبر غاز الفوتونات المستهدف.
وقد أجرى الباحثون الحسابات التحليلية والتحققات العددية باستخدام برمجية كُتبت خصيصاً لهذا الغرض في بيئة "وولفرام ماثيماتيكا" (Wolfram Mathematica).
لا توجد حالياً تجارب مقررة يشارك فيها المؤلفون، لكن الفريق يشير إلى توفر أجهزة الكشف ومصادر الفوتونات عالية الطاقة المناسبة بالفعل، ويخططون الآن لإعداد مقترح أكثر تفصيلاً يصف المعدات والظروف التجريبية اللازمة لاختبار هذه النظرية.
أداة جديدة للفيزياء الفلكية
تُعد الفيزياء الفلكية واحدة من أهم مجالات التطبيق المحتملة، حيث تقطع الفوتونات ذات الطاقة العالية جداً مسافات هائلة عبر الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفضاء، بما في ذلك إشعاع الخلفية الكونية الميكروي والإشعاع الصادر عن النوى المجرية النشطة، وأثناء رحلتها، قد تتغير خصائص استقطابها وطيف طاقتها.
اعتاد الفيزيائيون وصف هذه التأثيرات باستخدام تقريب خاص بالطاقات المنخفضة يُنسب إلى فيرنر هايزنبرغ وهانز أويلر؛ غير أن كازينسكي وسوكولوف يوضحان أن هذا التقريب يفقد موثوقيته بشكل متزايد كلما اقتربت طاقة الفوتونات من العتبة اللازمة لإنتاج زوج إلكترون-بوزيترون، بل وقد يصبح مشكوكاً في دقته عند مستويات طاقة تبلغ بضعة جيجا إلكترون فولت.
صُمم الإطار النظري الجديد ليعمل سواء دون تلك العتبة أو فوقها، مما قد يتيح لعلماء الفيزياء الفلكية تفسير سلوك الفوتونات فائقة الطاقة بدقة أكبر، ويشير الباحثون إلى أن علماء الفلك يرصدون بالفعل فوتونات تتجاوز طاقتها 100,000 جيجا إلكترون فولت، مما يجعل وجود نظرية صالحة عبر نطاق طاقة أوسع بكثير أمراً بالغ الأهمية.
