اكتشافُ شكلٍ جديدٍ للضوء

استمع على ساوندكلاود 🎧

اكتشف فيزيائيون من مدرسة دبلن للفيزياء Dublin's School of Physics ومن معهد CRANN التابعان لكلية ترينيتي Trinity College شكلًا جديدًا للضوء سيؤثر على فهمنا للطبيعة الأساسية للضوء.

يُعتبر العزمُ الزاويُّ من الخصائص المُميِّزة والقابلة للقياس للشعاع الضوئي. وساد الاعتقاد بأن العزمُ الزاويُّ للفوتون* في جميع أشكال الضوء يأخذ قيمةَ أحد مضاعفات ثابت بلانك**.

لكن مؤخرًا اكتشف مجموعة من الفيزيائيين، وهم حاملة شهادة الدكتوراه كايل بالانتاين Kyle Ballantine الأستاذ باول إيستام Paul Eastham (وكلاهما من مدرسة دبلن للفيزياء) مع الأستاذ جون دونيجان John Donegan من معهد CRANN، شكلًا جديدًا للضوء يأخذ فيه العزمُ الزاويُّ للفوتون نصف قيمته المفترضة (أيّ نصف مضاعفات ثابت بلانك). وهذا الفارق على ضآلته إلا أنه عميقُ الأثر***.

يُعلق البروفيسور باول على العمل الذي قام به الفريق: «نحن مهتمون بإيجاد طريقةٍ نجعل فيها الضوء يغير من تصرفه، وإيجاد وسائل نجعل بها هذا التغير مفيدًا. أعتقد أن هذه النتائج مثيرةٌ جدًا وذلك ﻷن هذه القيمة التي تُعتبر من الخصائص الأساسية للضوء، والتي ظن الفيزيائيون أنها ثابتة، يمكن تغييرها».

ويُضيف البروفيسور جون: «كان بحثي يركِّز على البصريات النانويَّة، التي تدرس كيف يتصرف الضوء على المستوى النانومتري. فالشّعاعُ الضوئيُّ يتميَّز بلونه أو طول موجته، وقليلًا من يستخدم عزمه الزاويُّ في تمييزه. يقيس العزمُ الزاويُّ كم يدور شيءٌ ما، وعلى الرغم من أن الشعاع الضوئي ينتقل بخطٍ مستقيمٍ، إلا أنه يدور حول محوره، ولهذا فإن الضوء المُسلَّط على عينيك الوارد من المرآة في الصباح، يعمل كل فوتونٍ فيه على تدوير عينك، باتجاهٍ أو بآخر».

ويُكمل قائلًا: سوف يكون لاكتشافنا آثارٌ على دراسة الأمواج الضوئية في مجالاتٍ عدة، منها الاتصالات الضوئية الآمنة secure optical communication****.

يقول البروفيسور ستيفانو سانفيتو Stefano Sanvito، مدير معهد CRANN: «لطالما كان الضوء محط اهتمام الفيزيائيين، وكان أيضًا مصنفًا على أنه أحد أكثر المجالات في الفيزياء التي يفهمها الفيزيائيون. ولكن هذا الاكتشاف الأخير غيّر كل شيءٍ بالنسبة للفيزياء والعلم على حدٍ سواء. لقد سرَّتني رؤية علماء CRANN والفيزياء في ترينيتي عمومًا، وهم يقدمون بحثًا علميًّا أساسيًا يتحدى مفهومنا للضوء».

اعتمد الفريق بتحقيق هذا الاكتشاف على أثرٍ اكتُشف قبل مئتي عامٍ تقريبًا في الجامعة نفسها. ففي ثلاثينيات القرن التاسع عشر، اكتشف الفيزيائيّ همفري للويد Humphrey Lloyd والرياضيّ ويليام روان هاملتون William Rowan Hamilton أنه عند تمرير الضوء عبر بلوراتٍ معينةٍ فإن الضوء يأخذ شكل اسطوانةٍ مجوَّفة. واستخدم الفريق هذه الظاهرة لتوليد حزمةٍ ضوئيةٍ لها شكلٌ لولبي (أي على شكل البرغي).

واستطاع الفريق بتحليل هذه الأشعة بحسب ميكانيك الكم التنبؤَ بأن العزمَ الزاويَّ لفوتونٍ ما يمكن أن يكون نصف عددٍ صحيح، فابتكروا تجربةً تسمح لهم باختبار النتيجة التي وصلوا إليها. وباستخدام آلةٍ مخصصةٍ بَنَوْها لغرضِ قياسِ العزمِ الزاويِّ، استطاع الفريق حساب تدفق العزم الزاويّ لحكةٍ ضوئية، واستطاعوا أيضًا قياس التغيُّرات في هذا التدفقِ الناجمةِ عن التأثيرات الكمومية. وأظهرت التجربة انزياحًا طفيفًا في العزم الزاوي لكل فوتون، بلغ نصف ثابت بلانك.

تفكَّر بعض الفيزيائيين النظريين في ثمانينيات القرن العشرين بكيفية تطبيق ميكانيك الكم على جُسيماتٍ حرةِ الحركةِ في بُعدين من أصل الأبعاد الثلاثة للمكان. واكتشفوا بأن هذا يمكن له السماح بوقوع إمكانياتٍ جديدةٍ خارجةٍ عن المألوف، كأن تأخذ الأعداد الكمومية للجسيمات قيمًا كسرية بدلًا من تلك المتوقعة. العمل الذي قام به الفريق، أثبت وللمرة الأولى أن هذه التكهنات حقيقية، ويمكن مشاهدتها مباشرةً لدى الضوء.

-----------------------

*الفوتونات: تُعّرف الفوتونات على أنها كمّات من الطاقة، تحمل طاقة الشعاع الضوئي (إذا فكرنا بالضوء على أنه طاقة)

** ثابت بلانك: دخل هذا الثابت عالم الفيزياء عام 1900 عندما حاول الفيزيائي ماكس بلانك "" (والذي سُمي الثابت باسمه) أن يقدم تفسيرًا نظريًا لظاهرة إشعاع الجسم الأسود. تبلغ قيمة ثابت بلانك 6.626070040×10-34.

*** نُشرت نتائج هذا الاكتشاف في مجلة Science Advances.

**** الاتصالات الضوئية هي الاتصالات التي تستخدم الضوء المنقول عبر أليافٍ ضوئية.

المصدر: هنا