كيف تبطئ الضوء؟

تصدرت لينا ويسترجور هاو عناوين الأخبار عندما أبطأت ضوءًا إلى أقل من سرعة السيارة. والآن أصبح المشعوذ الضوئي قادرًا على إيقافه وإيقاف تشغيله وإحيائه من جديد - وبالتالي إعطاء المعلومات الكمومية مظهرًا جديدًا

الوقت المفضل لدى لينا فيسترجور هاو في العام هو ليلة منتصف الصيف، وهو الوقت الذي تأخذ فيه السماء في موطنها الدنمارك لونًا معدنيًا مزرقًا وتبقى الشمس تحت الأفق لبضع ساعات فقط. تقول في صباح أحد أيام شهر مايو في مكتبها المشمس بجامعة هارفارد: "إن الظلام لا يحل أبدًا". "لديك مثل هذه الليالي الطويلة والواضحة. هذا هو الوقت الرائع من السنة. وهذا ما أفتقده حقًا هنا".

جاء هاو إلى الولايات المتحدة للحصول على درجة ما بعد الدكتوراه قبل عشرين عامًا، وقفز إلى عالم جديد من الفيزياء، وأشعل عالمًا آخر، وظل هناك منذ ذلك الحين، مما أجبر العالم على التفكير في صفات الضوء بطريقة مختلفة.

سرعة عالية بشكل لا يصدق

ويقول هاو إن سرعة الضوء - 299,792,458 مترًا في الثانية في الفراغ - "هي سرعة عالية لا يمكن تصورها". "إذا كان من الممكن تقييدها بطريقة ما وإعادتها إلى أبعاد إنسانية، فسيكون ذلك عديم الفائدة على الإطلاق." وهذا هو بالضبط ما فعلته الفيزيائية البالغة من العمر 47 عامًا: لقد أجبرت الضوء على أن ينسج طريقه، ويتراكم في أكوام ويضغط في قفص صغير، ويبقى مطيعًا في هذا القفص، بل ويختفي - ويعود للظهور على مسافة ما.

يتباطأ الضوء طوال الوقت: تتباطأ الفوتونات التي تمر عبر الماء إلى سرعة تبلغ حوالي 224,844,344 مترًا في الثانية، وتتوقف وتختفي عندما تصطدم بأسطح معتمة. لكن قبل عمل هاو، لم يتباطأ الضوء أبدًا إلى 17 مترًا في الثانية، وبالمثل لم ينطفئ أبدًا ثم يعود إلى الحياة سليمًا.

تتحرك الفوتونات بسرعة وعلى مسافات طويلة دون أن تتلاشى، ولهذا السبب تركز الأبحاث على تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية وتحسين الاتصال البصري. لا يمكن تطبيق عمل هاو بشكل مباشر، لأن تجاربها أجريت في مكثفات بوز-آينشتاين - وهي مجموعات من ذرات ذات درجة حرارة منخفضة للغاية تتصرف كمجموعة واحدة ضخمة منسقة.

ومع ذلك، فإن بحثها يتناول جذور التحدي المتمثل في استخدام الضوء لأغراض تخزين المعلومات ومعالجتها. ومن خلال إيقاف الضوء، نقوم بتخزين البت الكمي. يقول سيث لويد، عالم فيزياء الكم من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT): "من الناحية النظرية، يوجد هنا نوع جديد من وحدات الذاكرة".

لم يكن هاو، الذي حصل على زمالة ماك آرثر في عام 2001، يخطط لأن يصبح فيزيائيًا تجريبيًا. كان تدريبها على المستوى النظري، على الرغم من أنها عملت في موطنها الأصلي الدنمارك في الثمانينيات، ثم في مختبرات المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) بالقرب من جنيف، على مادة مكثفة.

تتذكر قائلة: "خلال هذه العملية، اكتشفت أن الناس بدأوا في استخدام تقنيات جديدة تستخدم الليزر لتبريد الذرات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية". في عام 1988، سافرت هاو إلى الولايات المتحدة لمقابلة الباحثين وإلقاء المحاضرات وإشباع رغبتها في "معرفة ما إذا كان هذا البلد كما هو الحال في الأفلام". وقررت أن الأمر كان هكذا بالفعل: كبيرة، بها سيارات كبيرة وأشخاص منفتحون وثرثارون.

إحدى الزيارات التي قام بها هاو كانت إلى معهد رولاند في كامبريدج، ماساتشوستس، وهو مؤسسة صغيرة غير ربحية اندمجت مع جامعة هارفارد قبل خمس سنوات. هناك التقت بالفيزيائيين مايكل بيرنز وجين أ. جولوفتشينكو. وقد شجعها كلاهما على دراسة المادة الباردة، رغم أنهما لم يعملا في هذا المجال الذي كان في ذلك الوقت في بداياته. وقال هاو: "كان بإمكاني الذهاب إلى مكان أكثر مؤسسية، لكن بدا لي أن الأمر سيكون متوقعا للغاية".

بدأ هاو في تطوير طريقة للحصول على إمدادات ثابتة من ذرات الصوديوم في الفراغ. لذلك بدأت بتبريد ذرات الصوديوم لديها نحو الصفر المطلق، وفي إحدى ليالي منتصف الصيف عام 1997، صنعت بعض مكثفات بوز-آينشتاين - "كبيرة وسمينة، كما ينبغي أن تكون".

تم افتراض هذا الشكل من المادة، لكنه لم يتم خلقه أبدًا حتى تمكن ثلاثة علماء - الحائزون على جائزة نوبل الآن - من خلقه في عام 1995. كان هاو ينوي استخدام الضوء لاستكشاف خصائص المخلوق الجديد، لكنه قرر بدلاً من ذلك استخدام التكثيف للعب بالضوء. في عام 1999، اكتشفت هاو شيئًا معروفًا ومشهورًا الآن: حيث قامت بتسليط ضوء ليزر على التكاثف، مما تسبب في زحف الفوتونات داخله. وتقول: "لقد كانت تجربة حساسة للغاية، لأنها وقفت على حدود الممكن".

وهذا ما يحدث هناك: يحتوي التكثيف على ذرات صوديوم مثبتة في مكانها بواسطة مجال مغناطيسي ويتم تشعيعها باستخدام ليزر "اقتران" يجعل التكثيف شفافًا للضوء عند ترددات معينة.

عندما تضرب الفوتونات بهذا التردد، المنبعثة في نبضة قصيرة من ليزر "المسبار"، حالة التكثيف، فإنها تحرض حالة كمومية مظلمة. وهذا يعني أن ذرات الصوديوم تدخل في حالة التداخل (التراكب) - فهي في مستويين للطاقة في نفس الوقت. وبمجرد أن تلتقي الفوتونات بهذه الذرات فإنها تتشابك فيها. تتباطأ مقدمة نبضة الضوء، وتلحق النهاية الخلفية للنبضة بالواجهة الأمامية، وبالتالي يتم ضغط الضوء مثل الأكورديون في عملية التكثيف التي يبلغ سمكها 100 ميكرون.

وقبل ذلك نجحوا في تجربة خفض سرعة الضوء 165 مرة (إلى نحو 1,816,923 مترا في الثانية) بمساعدة تقنية الشفافية التي استخدمها هاو. لكن "تباطؤ الضوء إلى 17 مترًا في الثانية دفع إلى بذل جهد بحثي عالمي في هذا الاتجاه"، كما يقول ستيفن أ. هاريس من جامعة ستانفورد، الذي تعاون مع هاو وكان أول من أظهر ظاهرة الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا والضوء البطيء باستخدام ذلك في أوائل التسعينيات. واليوم، تمكن الباحثون من إبطاء الضوء في الغازات الساخنة وكذلك في البلورات والمواد شبه الموصلة في درجة حرارة الغرفة.

أدى التباطؤ الطفيف إلى قيام Howe بإيقافه وإعادة تشغيله. وفي عام 2001، قامت هي وزملاؤها بإيقاف تشغيل ليزر الاقتران واكتشفوا اختفاء نبض الضوء في عملية التكثيف؛ ومع ذلك، فإن شكلها المميز، وسعتها، ومرحلتها كانت محفوظة في ذرات الصوديوم. عندما تم تشغيل ليزر الاقتران مرة أخرى، تسبب انفجار الطاقة الوارد في تحول ذرات الصوديوم المدمجة إلى مستوى طاقة مختلف، مما أدى إلى إطلاق نبضة من الضوء في العملية بنفس الطور والسعة تمامًا مثل تلك التي أرسلها المسبار سابقًا الليزر.

دخل الضوء مع المعلومات، ونقل المعلومات إلى المادة واختفى. ثم أنتجت المادة ضوءًا بنفس المعلومات تمامًا. "هذه هي الطريقة التي نحتفظ بها بالمعلومات في النظام. يقول هاو: "إنها ليست مجرد شيء عشوائي ليس لدينا سيطرة عليه".

كيف عملت؟

في عام 2007، أخذت هاو واثنان من الباحثين من مختبرها، ناعومي إس جينسبيرج وشون آر جارنر، الأمور خطوة أخرى إلى الأمام من خلال نقل خصائص نبضات الضوء من تكاثف إلى آخر. لقد أرسلوا نبضة من ليزر المسبار إلى منطقة التكثيف الأولى، حيث تباطأت، كما هو متوقع. ثم قاموا بإيقاف تشغيل ليزر الاقتران.

اختفت نبضة الضوء الأصلية، ولكن فقط بعد أن نقلت المعلومات المتعلقة بسعتها وطورها إلى ذرات الصوديوم. تلقت هذه الذرات أيضًا زخمًا من الاصطدام الفوتوني، وهو الزخم الذي دفعها للخروج من التكثيف الأول، على مسافة قصيرة إلى التكثيف الثاني. بمجرد وصول الذرات - وهي نسخة مادية من نبض الضوء المنقطع - تم تشغيل ليزر الاقتران مرة أخرى. قامت الذرات، الحريصة على الانضمام إلى عملية التكثيف الثانية، بتبادل مستويات الطاقة وإطلاق فوتونات في نفس الطور والسعة تمامًا مثل الفوتونات التي دخلت عملية التكثيف الأولى.

ويضيف هاو ولويد أن انتقال الضوء إلى المادة والعودة إليها يعني إمكانية معالجة المعلومات الكمومية. يوضح هاو: "في الأساس، سيحمل ضوء الليزر المسبار المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة في الألياف الضوئية". "وبعد ذلك، إذا كنت تريد أن تفعل شيئًا ما، فاحتفظ به في المادة. يمكننا استخدام ديناميكيات المادة لتغيير المعلومات البصرية."

أنتجت تفاعلات الضوء داخل مكثفات بوز-آينشتاين أيضًا ظواهر غير متوقعة: على سبيل المثال، العواصف الشبيهة بالإعصار في المكثفات تتناثر أحيانًا مثل كرات البلياردو، وأحيانًا تعكس بعضها البعض. يقول هاو بحماس: "إنها حديقة حيوانات كاملة". "تظهر التجارب تفاصيل أكثر بكثير مما كشفت عنه الحسابات."

لقد أبعدتها تجارب هاو العديدة عن اللون الأزرق الخاص بليلة منتصف الصيف هذا العام أيضًا. لكنها أحضرت الدول الاسكندنافية إلى مجموعة مختبراتها الجديدة: الجدران مطلية باللونين الأصفر والبرتقالي، وهناك الكثير من الخشب الفاتح. وتقول: "الألوان مهمة جدًا". "الألوان والضوء هي الطريقة التي تشعر بها بمدى سعادتك." يبدو أن هاو والشاعر روبرت فروست يتفقان على ما يلي: "لأن الأمر برمته كان مضاءً / لن أدخل إذا لم يرحل / لن يغادر حتى أدخل".

مقال: كاثلين دوهر.
ساينتفيك أمريكان إسرائيل
تاريخ النشر: 11.12.07، 11:20