تمكن العلماء في جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة من قياس تأثير غريب في فيزياء الكم، والذي بموجبه من المفترض أن يتم "الضغط" على جزيئات الضوء - وهو الإنجاز الذي كتبته الكتب المدرسية في هذا المجال كان ميئوسا منه
تمكن فريق من العلماء من قياس كيفية "ضغط" الفوتونات - جزيئات الضوء - في تجربة حيث مكتوب في الكتب المدرسية أنه من المستحيل قياس النتيجة في التجربة.
الابتزاز هو ظاهرة غريبة في فيزياء الكم تستخدم شكلاً معينًا من الضوء يعاني من "ضوضاء خلفية" أقل ويمكن أن يكون لها استخدام محتمل في التقنيات المصممة لاكتشاف الإشارات الضعيفة - مثل موجات الجاذبية.
الطريقة القياسية لضغط الضوء هي إطلاق شعاع ليزر قوي على مادة، عادة ما تكون بلورة غير خطية، وينتج الاصطدام بينهما التأثير المطلوب. على مدار أكثر من 30 عامًا، ظهرت نظريات تشير إلى وجود تقنية أخرى محتملة. تتضمن هذه الطريقة إثارة ذرة واحدة باستخدام كمية صغيرة جدًا من الضوء. وترى النظرية أن الضوء المتناثر من اصطدام هذه الذرة يجب أن يتم تشويهه بطريقة تعرف باسم ضغط مضان الرنين، ويكيبيديا - إنتاج الضوء من الذرة أو الجزيء عن طريق القصف الجزيئي، حيث يكون تردد الضوء المنبعث هو نفس تردد الضوء الذي تمتصه الذرة أو الجزيء).
على الرغم من أن النظرية تمت صياغتها في عام 1981، إلا أن التجربة المصممة لمراقبة هذه الظاهرة كان من الصعب تنفيذها لدرجة أن المؤلف يخلص للأسف في واحد على الأقل من كتب الفيزياء المهمة إلى أنه "يبدو من الميئوس منه قياس الظاهرة حتى لو كان وجودها موجودًا". ثبت حتى الآن".
وفي مقال نشر في مجلة الطبيعة، أفاد الفيزيائيون أنهم نجحوا في إثبات ضغط جزيئات الضوء الفردية - الفوتونات. لقد استخدموا تجربة مع ذرة منتجة صناعيًا - نقطة كمومية من مادة شبه موصلة (نقطة كمومية لأشباه الموصلات). وبفضل الخصائص البصرية المحسنة لهذا النظام، والتقنية التي استخدموها في أداء المهام، تمكنوا من ملاحظة الضوء أثناء تبعثره وإثبات أنه تم ضغطه.
وقال البروفيسور ميتي أتاتور من كلية سانت جون بجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة والذي قاد البحث: "هذه إحدى الحالات التي طرحت فيها النظرية سؤالا أساسيا، والذي بعد سنوات من التجارب، بدأ الناس يشككون في مدى جدواه". القدرة على ملاحظته - يتم الرد عليه رغم كل شيء."
"لقد نجحنا في ذلك لأنه أصبح بين أيدينا اليوم ذرات اصطناعية ذات خصائص بصرية تفوق خصائص الذرات الطبيعية. وهذا يعني أنه يمكننا الوصول إلى الشروط اللازمة لملاحظة هذه الخاصية الأساسية للفوتونات وإثبات أن ظاهرة الانضغاط الغريبة موجودة بالفعل على مستوى الفوتون الواحد. وهذه ظاهرة غريبة جدًا تتعارض مع حواسنا وتوقعاتنا حول دور الفوتونات".
يتطلب تفسير سبب حدوث هذه الظاهرة معرفة معقدة بفيزياء الكم. وهذا في الأساس نتيجة لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. ووفقا لهذا المبدأ، في أي حالة يكون للجسيم خاصيتين، ولكن يمكن قياس إحداهما فقط بينما تكون الأخرى في حالة عدم يقين.
في عالم الفيزياء الكلاسيكية، لا تنطبق هذه القواعد. إذا كان الجسم متحركًا، فيمكننا قياس موضعه وزخمه وبالتالي معرفة مكان تحركه والوقت الذي سيستغرقه للوصول إلى هناك. زوج من هذه الخصائص - الموضع والزخم مرتبطان. في عالم فيزياء الكم الغريب الوضع مختلف. ذكر هايزنبرغ أنه يمكن قياس جزء واحد فقط من زوج الخاصيتين، ويجب أن يظل الجزء الآخر غير مؤكد.
وفي تجربة كامبريدج، استخدم الباحثون هذه القاعدة لصالحهم عندما أوجدوا بديلاً بين ما يمكن قياسه وما لا يمكن قياسه. ومن خلال تشتيت ضوء الليزر الباهت من النقطة الكمومية، تم تقليل ضوضاء المجال الكهرومغناطيسي إلى مستوى منخفض دقيق، تحت خط الأساس للتقلبات الكمومية. تم إسكات الضوضاء الخلفية الكهرومغناطيسية على حساب جعل أجزاء أخرى من المجال الكهرومغناطيسي أقل قابلية للقياس، مما يعني أنه سيكون من المستحيل إنشاء مستوى ضوضاء أقل من الصفر دون انتهاك مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ وبالتالي أيضًا قوانين فيزياء الكم. .
يؤدي تسجيل أوجه عدم اليقين في التقلبات في المجال الكهرومغناطيسي على الرسم البياني إلى إنشاء شكل حيث يتم تقليل عدم اليقين من جانب واحد بينما يتم توسيعه في الأماكن الأخرى. يؤدي هذا إلى إنشاء شكل مضغوط، ومن هنا جاء مصطلح "الضوء المضغوط".
وأضاف أتاتور أن النقطة الرئيسية في البحث كانت ببساطة محاولة قياس هذه الخاصية لفوتون واحد، لأنه لم يتم رؤيتها من قبل. "هذا هو بالضبط ما أردنا أن نرى كيف يبدو بلوتو عن قرب." ليس لأي من هذه الأشياء تطبيقات فورية، لكننا نعرف أكثر مما كنا نعرفه من قبل. نحن نفعل هذا لأننا فضوليون ونريد اكتشاف أشياء جديدة. وهذا هو جوهر العلم."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 3
سؤال للعلماء:
لماذا الضوء عبارة عن موجة وجسيم في نفس الوقت؟ . أحب أن أعرف الجواب.
لأنه إذا لم يكن هناك إجابة على هذا، فأنا أملك الإجابة ويسعدني أن أعرضها على منتدى الفيزيائيين لمعرفة ما إذا كان هناك أي منطق في تفكيري.
لقد كنت فني إلكترونيات لمدة 47 عامًا.
يحب التعمق أكثر في حل المشكلات، وإصلاح الأخطاء الغريبة.
כן
إصلاحات طفيفة:
في شرح مبدأ عدم اليقين، بدلا من الزخم كتبت ذات مرة الزخم الزاوي.
وبعد ذلك بقليل كتبت القوانين بدلاً من الباحثين.