هل يمكن للضوء في شروط خاصة أن يكسر قانون الفعل ورد الفعل

في قاعدة تعلمناها من زمان بالاعدادي وصرنا نطبقها بكل نواحي الحياة مو بس بالفيزياء: لكل فعل رد فعل يساويه في الشدة ويعاكسه في الجهة. اكترنا بيعرفها وما بيعرف انو اسمها القانون الثالث لنيوتن. لكن ممكن ياترى حتى هالقانون يكون في الو حالات استثنائية بالفيزياء؟

هل خدع الضوءُ العالمَ الكبير اسحق نيوتن؟ 

حسب المبدأ الثالث لنيوتن ، عند تصادم كرتين ككرتي بلياردو مثلاً أو كرتي هزازة نيوتن الموضحة في الصورة ، فإن كلا الكرتين سترتدان مبتعدةً إحداهما عن الأخرى ، ولكن إن إمتلكت إحداهما كتلةً سالبة ، فإنّ كلا الكرتين ستتسارعان بنفس الإتجاه . ولكن استحالة ذلك تنتج من النظرية الكموميّة ، حيث تؤكد هذه النظرية أنه لا وجود لكتلة سالبة ، وحتى المادة المضادة التي تملك جسيماتها شحنة كهربائية مخالفة لنظيراتها في المادة العادية ، وكذلك عزم دوران معاكس لعزم دوران المادة العادية ، إلا أنها تبقى موجبة الكتلة .

عدا عن أن معادلات نظرية الحقل الكمومية لا تمككنا من تمييز حالة الكتلة الموجبة عن السالبة في حال وجودها حيث تحوي المعادلات مربع الكتلة وكما نعلم :مربع اي عدد سالب او موجب هو عدد موجب دوما.

تمكن فريق من الباحثين من جامعة إرلانغن نورمبيرغ في ألمانيا من الالتفاف على الموضوع عند تطبيق ذلك على الضوء وجعل جسيماته تبدو وكانها تتحرك ببطأ ضمن وسط خاص وتتفاعل من جسيمات ضوء ثانية لتعطي تأثيرا وكانها تملك كتلة سالبة. فمن المعلوم وحسب النسبية الخاصة أنّ الفوتون المتحرك بسرعة الضوء لابد ان يكون عديم الكتلة ، ولكن في حالة إنتشار الضوء ضمن بلورات المادة ، فإن بعض الفوتونات سوف ترتد لتنعكس مرة أخرى من على إحدى الطبقات ، مما يؤدي إلى تداخل الأمواج المنعكسة مع الأمواج التالية الواردة ، وهذا ما يؤدي إلى تأخر الأمواج التي تعاني من الإنعكاسات ضمن المادة البلورية.و بالتالي ستبدو فوتونات الضوء وكأنها ذات كتلة (ندعوها كتلة فعالة في هذه الحالة) ، لكننا سنحتاج في هذه الحالة لبلورة طويلة جداً ، واستخدام مثل تلك البلورات ، سيؤدي إلى إمتصاص الموجة الضوئية ذات الكتلة الفعالة السالبة قبل أن يحدث الاصطدام. 

للتغلب على ذلك ، تم الاستعاضة عن المادة البلورية بحلقتين من الألياف البصرية تنتشر فيهما نبضات ليزرية، النبضات تنتشر في كلا الحلقتين وبنفس الإتجاه إنطلاقاً من نقطة إتصال تربط بين الحلقتين ، النقطة الحاسمة تكمن في جعل أحد الحلقتين أطول من الأخرى قليلاً ، فالضوء المنتشر في الحلقة الطويلة، سيعاني عندئذ من تأخير مقارنة بالموجة المنتشرة في الحلقة الأخرى ، وعندما تكمل الموجة الضوئية دورتها في الحلقة وتقترب من نقطة الإتصال بين الحلقتين ، فإن بعض فوتوناتها ستجد لنفسها طريقاً في الحلقة الاخرى لتتلاقى مع فوتونات النبضات المنتشرة هناك، وبعد عدة دورات ، سوف يحدث تداخل بين النبضات مما يعطي لفوتوناتها كتلة فعالة.

فريق الباحثين صنعوا نبضات ضوئية إحداها ذات كتلة فعالة موجبة والاخرى سالبة ، وعند تصادمهما تسارعتا بنفس الإتجاه والتقط الكاشف مرور النبضات قبل زمنها الطبيعي كونها اسرع .

وبالمثل فإنًّ الإلكترونات في أنصاف النواقل يمكن لها أن تمتلك كتلة فعّالة أيضاً ، لذا يأمل الباحثون في استخدام الحلقات لزيادة سرعة الإلكترونات وبالتالي قوّة المعالجات الحاسوبية ، وكذا الأمر في زيادة عرض المجال الترددي في الاتصالات البصرية ، ولكنهم يُقرُّون بصعوبة تطويع تلك الحلقات لتتناسب مع تطبيقات عملية .

المصدر: هنا;

البحث المنشور في مجلة Nature: doi:10.1038/nphys2777 هنا