وفي مقال نشر في مجلة Nature Physics، أظهر فريق من الباحثين من بريطانيا والولايات المتحدة وألمانيا وأستراليا لأول مرة تجربة الشقين في الجدول الزمني. بدلاً من التشتت المكاني على الشاشة، أحدث الشق الزمني تشتتًا في طيف الضوء، ومن مزيج صدع آخر تم إنشاء نمط تداخل مشابه للنمط المكاني من التجربة الكلاسيكية. تفتح التجربة نافذة لبناء أدوات بصرية متغيرة بمرور الوقت بطريقة موثوقة ومستقرة
تقليديا، تعتمد البصريات على الهياكل الفيزيائية والظواهر المكانية. على سبيل المثال، يعتمد الدليل الموجي البصري على المناطق ذات نسبة معامل الانكسار العالية لالتقاط أشعة الضوء في الألياف. في السنوات الأخيرة، تم تطوير نهج جديد في تطوير الأدوات البصرية: بدلا من هندسة الأنماط المكانية، يقوم الفيزيائيون بإنشاء أنماط زمنية تؤثر على خصائص الضوء. يؤدي هذا التغيير إلى إنشاء "سطح مؤقت" يتفاعل معه الضوء بشكل مشابه لـ "السطح" الذي يفصل بين مادتين لهما مؤشرات انكسار مختلفة. وفي مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Nature Physics المرموقة، طور الفيزيائي رومان تيرول من جامعة إمبريال كوليدج لندن وشركاؤه نظامًا تجريبيًا أنشأوا فيه صدعًا مؤقتًا لفحص تجربة يانغ الشهيرة في الجدول الزمني. أظهرت تجربة يونغ أولاً الخصائص الموجية للضوء، ثم أصبحت فيما بعد بمثابة نظام تجريبي نموذجي يوضح الخصائص الكمومية للجسيمات في الطبيعة. فكرة الأجهزة الزمنية ليست جديدة - في الماضي، توقع العلماء أنه سيكون من الممكن التنبؤ بمساعدتهم بالانكسار الزمني والانعكاس الزمني للضوء، وانعكاس الضوء المستقطب مؤقتًا (زاوية بروستر) والمزيد. وإلى جانب التوقعات النظرية، هناك عدد قليل من البراهين التجريبية، وذلك في ظل صعوبة بناء أداة مستقرة وموثوقة تغير خصائصها بسرعة كبيرة. وفي أحدث تجربة أجراها باحثون من المملكة المتحدة وألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية وأستراليا، ارتقى الباحثون إلى مستوى التحدي وقاموا بتطوير شرخ مؤقت، وهو جهاز يغير معامل الانكسار بسرعة عالية. وبمساعدته، أجروا تجربة استبدلت دور التردد المكاني لموجات الضوء بالتردد الزمني وأعادوا إنشاء تجربة يانغ في الجدول الزمني.
تجربة يونغ المكانية ذات الشقين
في تجربة يانغ الشهيرة المعروفة بتجربة الشقين، تم إنشاء نمط تداخل فريد يؤكد الخصائص الموجية للضوء. وبشكل أكثر دقة، توضح التجربة ظاهرتين، تشتت الضوء وتداخله، ومن خلال الجمع بين هاتين الظاهرتين يتم إنشاء النمط الفريد.
يظهر بوضوح تشتت الضوء من خلال شق واحد. وفي الشاشة خلف الفتحة، سيتم رؤية الضوء من الريح، وسيكون في مناطق لن يسمح لها الحاجز بالوصول إليها إذا كانت تتحرك في خط مستقيم. تحدث عملية التشتت عندما يلتقي الضوء بالشق ويتحرك بزوايا مختلفة. يمكن تفسير التشتت باستخدام ميكانيكا الكم ومبدأ عدم اليقين: بمجرد أن يضرب الضوء الشق، فإنه يقتصر على مساحة صغيرة جدا (عادة ما تتناسب مع طوله الموجي)، لأنه لا يمكن معرفة موضع الضوء وزخمه عند وفي نفس الوقت وبدقة عالية، سيتعين على الضوء تغيير زخمه. لماذا يتغير اتجاه الزخم وليس مقداره؟السبب في ذلك يأتي من الارتباط بين قوانين الحفظ والتناظر في الطبيعة. الأنظمة التي تظهر التناظر في التحولات في الزمن، أي الأنظمة التي لا تغير خصائصها كدالة للوقت، تحافظ على طاقتها الداخلية. ولذلك فإن الضوء لن يغير مقدار تردده، بل سيغير اتجاه حركته فقط. (دا، في الفراغ، التردد المكاني، الذي يحدد الشكل المكاني للموجة، والتردد الزمني للضوء، الذي يحدد مدى سرعة تغير قيمته في كل لحظة، متطابقان حتى سرعة الضوء. لن يشير إلى هذه الحقيقة هنا، ولكن التغير في حجم الزخم، وليس اتجاهه فقط هو الذي يسبب تغيراً في التردد الزمني، وبالتالي الطاقة التي يحملها الضوء معه).
يحدث التشابك عندما تتداخل موجتان أو أكثر في موضعهما. على سبيل المثال، في تجربة الشقين، تلتقي الموجات المنتشرة من كل شق على الشاشة. ستكون شدة الضوء المقاسة على الشاشة مساوية لمجموع اتساع الموجة المربعة. يُعرف هذا المبدأ بالتراكب. بمعنى آخر، عندما تلتقي الموجات في مرحلة معاكسة لبعضها البعض، أي عندما تلتقي النقطة العليا والدنيا لكل موجة، لن يُرى أي ضوء. وفي الحالة المعاكسة عندما تلتقي أشعة الضوء في نفس المرحلة، على سبيل المثال يلتقي الحد الأقصى مع الحد الأقصى، سيتم قياس الضوء.
تجربة يونغ العابرة
يستبدل القياس الزمني لتجربة يونغ للكراك موقع الضوء وتردده المكاني بالفترة الزمنية التي يتم قياسه فيها وتردده الزمني. في الواقع، في تجربة تيرول، يضرب الضوء سطحًا يصبح شفافًا للحظة وجيزة. يقوم الجهاز بإجبار الضوء على الظهور على الشاشة في فترة زمنية محددة جداً. ومن مبدأ عدم اليقين بين الوقت والطاقة، كلما كانت الفترة الزمنية المقاسة أقصر، كلما زاد عدم اليقين في الطاقة. في هذه الحالة، ستتغير الطاقة أو التردد الزمني للضوء ونتيجة لذلك ستظهر مجموعة واسعة من الألوان على الشاشة. هذه المرة، يغير النظام خصائصه بمرور الوقت، وبالتالي يمكن أن تتغير الطاقة. بعد ذلك، أجرى الباحثون تجربة أحدثوا فيها شقين مؤقتين، أي فتحوا وإغلاق الحاجز مرتين بفترات زمنية قصيرة. وبدلاً من رؤية نمط التداخل المكاني، رأى الباحثون نمط التداخل في التردد الزمني، أو بمعنى آخر في طيف التردد المقاس.
كانت التحديات التكنولوجية التي واجهها المجربون كثيرة. ولإنشاء صدع مؤقت، استخدم الباحثون تأثير كير غير الخطي الذي يغير معامل انكسار الضوء اعتمادًا على الجهد الكهربائي المستحث عليه. كان السطح الذي ضربه الضوء مصنوعًا من طبقة من الإنديوم وأكسيد القصدير مع طبقة من الذهب تحتها. وقام الباحثون بمعايرة طبقة الأكسيد حول معامل انكسار صفر (في الحالة التي لا يخترق فيها الضوء المادة على الإطلاق) وتحت إشعاع نبضات الضوء، تغير معامل الانكسار قليلاً. وبينما تغير معامل الانكسار قيمته، ضربت موجة الضوء السطح وعادت إلى أدوات القياس.
تعتبر تجربة الكراك التي أجراها يونج تجربة كلاسيكية، وقد تصبح تجربة تيرول تجربة كلاسيكية إذا تبنى المجتمع العلمي الوعود العديدة التي يمكن أن تنشأ من الأنظمة البصرية المتغيرة بمرور الوقت.
هل لديك سؤال في الفيزياء أو فكرة لموضوع يجب أن أكتب عنه؟ اتصل بي على عنوان البريد الإلكتروني - noamphysics@gmail.com
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
