الظلام بداخله: ScienceAlert

لأول مرة، لاحظ الفيزيائيون أن “الثقوب” في الضوء يمكن أن تتحرك بشكل أسرع من الضوء نفسه.

تُعرف باسم تفردات الطور أو الدوامات الضوئية، و منذ السبعينياتتوقع العلماء أنه مثلما يمكن للدوامات الموجودة في النهر أن تتحرك بشكل أسرع من المياه المتدفقة حولها، كذلك يمكن للدوامات في موجة من الضوء أن تتفوق على الضوء الموجود داخلها.

وهذا لا يخالف النسبية التي تنص على أنه لا يوجد شيء يمكنه السفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء. وذلك لأن الدوامات لا تحمل أي كتلة أو طاقة أو معلومات، وتعتمد حركتها على الهندسة المتطورة لنمط الموجة بدلاً من أي حركة فيزيائية عبر الفضاء.

ومع ذلك، كان من الصعب تحقيق هذه الظاهرة، لأنها تتكشف على نطاقات صغيرة للغاية من المكان والزمان. الإنجاز هو انتصار المجهر الإلكتروني.

إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ مشاركة الويب” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>

“يكشف اكتشافنا عن قوانين الطبيعة العالمية التي تتقاسمها جميع أنواع الموجات، من الموجات الصوتية وتدفقات السوائل إلى الأنظمة المعقدة مثل الموصلات الفائقة.” يقول إيدو كامينر، فيزيائي في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا.

“يزودنا هذا التقدم بأداة تكنولوجية قوية: القدرة على رسم خريطة لحركة الظواهر النانوية الدقيقة في المواد، والتي تم الكشف عنها من خلال طريقة جديدة (قياس التداخل الإلكتروني) تعمل على تحسين وضوح الصورة.”

على الرغم من أن الضوء يبدو متجانسًا لأعيننا، إلا أنه يحدث الكثير مما لا يمكننا تمييزه بسهولة. يمكن أن يتعرض الضوء لاضطرابات مشابهة لتلك التي تظهر في الأنظمة الأخرى التي تهيمن عليها ديناميكيات التدفق، بما في ذلك نوع من تفرد الطور يسميه العلماء الدوامات الضوئية.

يمكن للضوء أن يتصرف كجسيم وموجة؛ تتشكل دوامة بصرية عندما تلتوي الموجة أثناء انتقالها، مثل المفتاح. في منتصف هذا الالتواء، يلغي الضوء نفسه، تاركًا نقطة ذات شدة صفر – نوع من الظلام “فتحة“في الضوء.

من المفهوم رياضيًا أن المتفردين في الإطار المرجعي سيتم رسمهما معًا، ويكتسبان السرعة عند اقترابهما، ويصلان إلى سرعات تبدو وكأنها تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ.

“عندما تقترب المتفردات المشحونة المتضادة من بعضها البعض، فإن مساراتها في الزمكان يجب أن تشكل منحنى مستمرًا عند نقطة الفناء، مما يجبرها على التسارع إلى سرعات غير محدودة قبل الفناء مباشرة.” يشرح الباحثون في ورقتهم.

وقد تمت ملاحظة ذلك في أنظمة أخرى، لكن دراسة كيفية تنفيذ هذا السيناريو في مجال الضوء أكثر صعوبة إلى حد ما. لقد تم القيام بالكثير من العمل في مختبرات الفيزياء لدراستها، لكن عمليات رصد الدوامات الضوئية كانت محدودة بسبب عدم قدرة التكنولوجيا على مواكبة السرعة التي تتكشف بها عملية تكوين الدوامة وحركتها واصطدامها.

وللتغلب على هذه القيود، سجل كامينر وزملاؤه سلوك الدوامات الضوئية في مادة ثنائية الأبعاد تسمى نيتريد البورون السداسي.

تدعم هذه المادة موجات ضوئية غير عادية تسمى بولاريتونات فونون – هجينة من الاهتزازات الضوئية والذرية – التي تتحرك بشكل أبطأ بكثير من الضوء وحده ويمكن تقييدها بإحكام. وهذا يخلق أنماط تداخل معقدة مليئة بالعديد من الدوامات، مما يسمح للباحثين بتتبع حركتها بالتفصيل.

أما الجزء الثاني الحاسم فكان التقاط تلك الديناميكيات في الوقت الفعلي. استخدم الفريق مجهرًا إلكترونيًا متخصصًا عالي السرعة بدقة مكانية وزمانية غير مسبوقة، والذي سجل الأحداث التي تتكشف خلال 3 أجزاء من كوادريليون من الثانية فقط.

متعلق ب: السرعات الأعلى من الضوء يمكن أن تكون السبب وراء ظهور انفجارات أشعة جاما وكأنها ترجع إلى الوراء في الزمن

لقد أجروا التجربة عدة مرات، وفي كل مرة سجلوا بتأخير طفيف مقارنة بالتجربة السابقة. من خلال تجميع مئات الصور التي تم إنشاؤها بهذه الطريقة، أنشأ الباحثون تسلسلًا زمنيًا للدوامات أثناء اندفاعها نحو بعضها البعض وإبادة بعضها البعض، ووصلت سرعاتها لفترة وجيزة جدًا إلى سرعات فائقة السرعة في هذه العملية.

أجريت التجربة في سياق ثنائي الأبعاد. ويقول الباحثون إن الخطوة التالية هي محاولة توسيع نطاق عملهم إلى أبعاد أعلى لمراقبة السلوك الأكثر تعقيدًا. ويقولون أيضًا إن التقنيات التي طوروها يمكن أن تساعد في معالجة بعض القيود الحالية للمجهر الإلكتروني.

“نعتقد أن تقنيات الفحص المجهري المبتكرة هذه ستمكن من دراسة العمليات الخفية في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا.” يقول كامينر“يكشف لأول مرة كيف تتصرف الطبيعة في أسرع لحظاتها وأكثرها مراوغة.”

وقد تم نشر البحث في طبيعة.