النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة كوانتا.
لإلقاء نظرة خاطفة على الجسيمات السريعة الحركة التي لا يمكن تصورها في العالم دون الذري، تحتاج إلى إنتاج ومضات ضوئية قصيرة لا يمكن تصورها. تقاسمت آن لويلير، وبيير أغوستيني، وفيرينك كراوس جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 لعملهم الرائد في تطوير القدرة على إلقاء الضوء على الواقع على فترات زمنية قصيرة بشكل لا يمكن تصوره.
بين الثمانينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، طور الفيزيائيون الثلاثة تقنيات لإنتاج نبضات ليزر تدوم لأتوثانية فقط، وهي فترات أقصر بمليارات المليارات من الثانية. عندما ينظر إليها في مثل هذه الومضات القصيرة، فإن العالم يتباطأ. يصبح خفقان جناحي الطائر الطنان أبدية. حتى طنين الذرات المستمر يصبح بطيئًا. على مقياس الأتو ثانية، يستطيع الفيزيائيون الكشف مباشرة عن حركة الإلكترونات نفسها أثناء تحليقها حول الذرات، والقفز من مكان إلى آخر.
“لقد فتحت القدرة على توليد نبضات ضوئية من الأتوثانية الباب على نطاق زمني صغير للغاية. وقالت إيفا أولسون، رئيسة لجنة نوبل للفيزياء وعالمة الفيزياء في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا: “لقد فتح هذا الباب أيضًا أمام عالم الإلكترونات”.
بالإضافة إلى كونها طريقة جديدة بشكل أساسي لدراسة الإلكترونات، فإن هذه الطريقة لمشاهدة العالم بحركة بطيئة للغاية قد تؤدي إلى مجموعة من التطبيقات. ونسب ماتس لارسون، عضو لجنة نوبل، الفضل إلى هذه التقنية في إطلاق مجال “الكيمياء الذرية”، أو القدرة على التعامل مع الإلكترونات الفردية باستخدام الضوء. وتابع قائلاً: أطلق نبضات ليزر الأتو ثانية على شبه موصل، فتتحول المادة على الفور تقريبًا من منع تدفق الكهرباء إلى توصيل الكهرباء، مما قد يسمح بإنتاج أجهزة إلكترونية فائقة السرعة. ويحاول كراوس، أحد الفائزين بالجائزة هذا العام، أيضًا تسخير قوة نبضات الأتو ثانية للكشف عن التغيرات الطفيفة في خلايا الدم التي يمكن أن تشير إلى المراحل المبكرة من السرطان.
إن عالم السرعة الفائقة يختلف تمامًا عن عالمنا، ولكن بفضل أعمال لولييه وأجوستيني وكراوس وغيرهم من الباحثين، فقد بدأ هذا العالم في الظهور للتو.
ما هو الأتو ثانية؟
واحد أتوثانية هو واحد على خمسة من الثانية، أو 0.000000000000000001 ثانية. إن عدد الأتو ثانية التي تمر خلال ثانية واحدة أكبر من عدد الثواني التي مرت منذ ولادة الكون.
لقياس حركة الكواكب، فإننا نفكر بالأيام والأشهر والسنوات. لقياس إنسان يركض مسافة 100 متر، نستخدم ثواني أو أجزاء من مائة من الثانية. ولكن عندما نغوص في أعماق العالم تحت المجهر، تتحرك الأجسام بشكل أسرع. لقياس الحركات شبه اللحظية، مثل رقصة الإلكترونات، نحتاج إلى ساعات توقيت ذات علامات دقيقة للغاية: الأتوثانية.
في عام 1925، قال فيرنر هايزنبرغ، أحد رواد ميكانيكا الكم، إن الوقت الذي يستغرقه الإلكترون للدوران حول ذرة الهيدروجين غير قابل للملاحظة. بمعنى ما، كان على حق. لا تدور الإلكترونات حول نواة الذرة بالطريقة التي تدور بها الكواكب حول النجوم. بل إن الفيزيائيين يفهمونها على أنها موجات من الاحتمالية تعطي احتمالات ملاحظتها في مكان وزمان معينين، لذلك لا يمكننا قياس إلكترون يطير حرفيًا عبر الفضاء.
ولكن بمعنى آخر، قلل هايزنبرج من تقدير براعة فيزيائيي القرن العشرين مثل لويلير، وأجوستيني، وكراوسز. إن احتمالات وجود الإلكترون هنا أو هناك تتغير من لحظة إلى أخرى، من أتوثانية إلى أتوثانية. ومع القدرة على إنشاء نبضات ليزر الأتوثانية التي يمكنها التفاعل مع الإلكترونات أثناء تطورها، يمكن للباحثين استكشاف سلوكيات الإلكترون المختلفة مباشرة.
كيف ينتج الفيزيائيون نبضات الأتو ثانية؟
في الثمانينيات، طوَّر أحمد زويل، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، القدرة على جعل أشعة الليزر تتوهج بنبضات تدوم بضعة فيمتوثانية، أي آلاف الأتو ثانية. وكانت هذه الومضات، التي أكسبت زويل جائزة نوبل في الكيمياء عام 1999، كافية للسماح للباحثين بدراسة كيفية حدوث التفاعلات الكيميائية بين الذرات في الجزيئات. تم وصف التقدم بأنه “أسرع كاميرا في العالم”.
لبعض الوقت، بدت الكاميرا الأسرع بعيدة المنال. ولم يكن من الواضح كيفية جعل الضوء يتأرجح بسرعة أكبر. لكن في عام 1987، قدمت آن لويلير ومعاونوها ملاحظة مثيرة للاهتمام: إذا قمت بتسليط الضوء على غازات معينة، فإن ذراتها سوف تصبح مثارة وتعيد إطلاق ألوان إضافية من الضوء تتأرجح بشكل أسرع عدة مرات من الليزر الأصلي – وهو التأثير المعروف باسم “إيحاءات.” وجدت مجموعة لويلير أنه في غازات مثل الأرجون، تبدو بعض هذه الألوان الإضافية أكثر سطوعًا من غيرها، ولكن بنمط غير متوقع. في البداية، لم يكن الفيزيائيون متأكدين مما يجب عليهم فعله بشأن هذه الظاهرة.
