بنادق الليزر

‏في أعقاب النجاح المدوي لتجارب أسبكت - التي بينت على نحو مؤكد (لأغلب عقول الفيزيائيين) حقيقة التعالق . تواصل باطراد دراسة هذه الظاهرة، وفي حين أن آلان أسبكت وزملاءه في أورسيه، علاوة على الباحثين الذين أجروا تجارب سابقة، استخدموا طريقة شلال الذرات لإنتاج حالات متعالقة، وبعد الانتهاء من هذه التجارب مباشرة، وفي أوائل ثمانينيات القرن العشرين بدأ علماء الفيزياء التجريبيون في استخدام وسيلة جديدة. وهذه الطريقة، التي مازالت هي التكنيك المفضل لإنتاج فوتونات متعالقة في الوقت الحالي، تسمى Spontaneous Parametric down - conversion ‏التحويل لأدنى ‏اللحظي البارامتري عليها اختصارا (SPDC).

لنتخيل أن هناك بلورة شفافة من ضوعة على منضدة، وأن شخصا ما يسقط ضوء على هذه البلورة، في البداية، سنرى فحسب الضوء الذي يمر في البلورة، وهو يضيء خارجا من الجانب الآخر، لكن مع زياد الضوء الساقط، فجأة نرى تأثيرا ‏إضافيا : هالة باهتة تحيط بالبلورة. وبالنظر إليها عن قرب نلاحظ أن هذه الهالة الشاحبة تومض بجميع ألوان قوس قزح. وتنجم هذه الظاهرة الجميلة عن تأثير فيزيائي مهم. والثابت في نهاية الأمر أنه في حين أن معظم الضوء الساقط على البلورة ينفذ خلالها ليصل إلى الجعة المقابلة، فإن نسبة ضئيلة جدا من الضوء المار بالبلورة لا يسير في خطوط مستقيمة. إذ إن هذه القلة من الفوتونات يحدث لها تحول عجيب: فالفوتون الذي لا يتخذ خطا مستقيما في مساره خلال البلورة "ينقسم" إلى فوتونين. وكل فوتون ناجم عن هذه الطريقة يتفاعل مع الشبكة البلورية، على نحو ليس مفهوما تماما في العلم، وهذا التفاعل يسفر عن زوج من الفوتونات. وما أن يحدث هذا التحول للفوتون، فإن مجموع ترددي الفوتونين الناتجين يساوي تردد الفوتون الأصلي. كما أن الفوتونات المزدوجة الناتجة عن هذه الطريقة تصبح متعالقة. 

‏وفي طريقة التحويل لأدنى للحصول على فوتونات متعالقة، يستخدم العلماء شعاع ليزر من أجل "قذف" البلورة بالضوء، ويلزم أن تكون البلورات المستخدمة لهذا الفرض من نوع خاص يتمتع بخاصية توليد أزواج الفوتونات. والمستخدم في هذا من بين أنواع البلورات يودات الليثيوم Lithium Iodate ، وبورات الباريوم barium borate. ويسمى هذا النوع من البلورات: البلورات اللاخطية. ويرجع السبب في ذلك أنه عندما تستثار ذرات الشبكة البلورية، فإن الطاقة الناجمة التي تحدثها الشبكة يمكن التعبير عنها بواسطة معادلة تحتوي على حد لاخطي (مربع). وقد استخدم علماء الفيزياء طريقة التحويل لأدنى منذ عام 1970 ‏. إذ اكتشف في تلك السنة كل من بيرنهام D.C. Burnham ، وواينبرج و، D.L. Weinberg ‏هذه الظاهرة أثناء فحصهما لطبيعة الضوء الثانوي، الناجم عن مبرور شعاع ليزر قوي، خلال بلورة لاخطية، وعلى نحو مفاجئ بدا أن البلورة تستحم في ألوان باهتة لقوس قزح. واكتشف العالمان: أن معظم الضوء ينفذ من البلورة، إلا أن جزءا من مائة بليون جزء من الفوتونات يتولد عنه زوج من الفوتونات، ونظرا لأن تردد كل فوتون من زوج الفوتونات الناتجة يضاف إلى قرينه ليساوي تردد ‏الفوتون المفرد الأصلي (بما يعني أن كل فوتون منها انخفض تردده إلي النصف)، لذلك أطلق العلماء على هذه العملية التحول لأدنى. فكل فوتون انقسم تردده إلى ترددين حاصل مجموعها يساوي، تردد الفوتون الأصلي. إلا أن الباحثين لم يصلوا إلى تأكيد بأن الفوتونين الحادثين بهذه الطريقة قد تعالقا فعليا ، لكنهم قالوا بأنهم اكتشفوا وسيلة ذات قيمة لإنتاج الفوتونات المتعالقة. ولا يقتصر تعالق أزواج الفوتونات فقط في حالة استقطابهما ، بل يتعدى ذلك إلى التعالق في الاتجاه أيضا، وهو أمر ذو فائدة للدراسات ألتي تتضمن تداخل interference زوج من الفوتونات.

‏وقد لاحظ العلماء التجريبيون- في مجال التعالق - الذين يستخدمون طريقة شلال الذرات القديمة، وجود فتحة تجميع فعالة collection efficiency loophole. وينجم هذا التأثير عن الارتداد الذري . فعندما ترتد الذرات، تفقد بعض كمية الحركة من الاعتبار. لذلك فإن الزوايا التي تصنعها الفوتونات المتعالقة الناتجة لم تكن معروفة بدقة، مما يتعذر معه تحديد الاتجاه الذي يترافق فيه الفوتون مع فوتون أخر في زوج متعالق. وتتميز طريقة التحويل لأدني بأنها أكثر دقة بكثير. وفي الشكل التالي توضيح لها :

‏وكان أول عالم يستفيد من طريقة التحويل لأدني لدراسة التعالق هو ليونارد مندل Leonard Mandel ، وقد ولد مندل في برلين عام ١٩٢٧ ‏، لكنه انتقل مع أسرته إلي إنجلترا وهو طفل صغير. وحاز شهادة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة لندن عام 1951‏، وأصبح محاضرا أساسيا في الفيزياء في الإمبريال كولدج بجامه´ لندن، حيث ظل يمارس التدريس حتي عام 1964‏. وفي تلك السنة، دعي ماندل للانضمام إلي كلية الفيزياء ‏بجامعة روشستر، في نيويورك. وفي أمريكا أجري ماندل أبحاثا علي الأشعة الكونية Cosmic rays ، التي تطلبت منه تسلق قمم الجبال الشاهقة ومعه أجهزة التجارب التي يمكنها كشف وقياس هذه الجسيمات عالية الطاقة وهي تنفذ من الغلاف الجوي للأرض. وعلي هذه ‏الذري العالية كانت توجد مثل هذه الجسيمات بوفرة بحيث يمكن قياسها علي نحو أفضل مما علي المستويات الأدنى. وبعد عدة سنوات من البحوث، غدا مندل مفتونا بعلوم الضوء إضافة إلي نظرية الكم، التي تتحكم في سلوك الجسيمات التي كان يدرسها .

‏وفي أواخر سبعينيات القرن العشرين، باشر ليونارد مندل سلسلة من التجارب، بعضها مع جيف كمبلH. Jeff Kimble، تشرح التأثيرات الكمية مع أشعة الليزر. وبعض هذا التجارب كانت تبحث الفوتونات المرتدة من ذرات الصوديوم المنفردة. وتناول عدد من هذه التجارب مبدأ التكاملية Complementarity: حيث بافتراض ازدواجية الموجة - الجسيم للضوء وفكرة الميكانيكا - الكمية فإنه يمكن البرهنة من خلال تجربة منفردة علي مظهر واحد من مظهري الضوء، وليس المظهرين. وأثبتت تجارب مندل بعض أهم الخواص الكمية البارزة للضوء. ففي بعض التجارب، أوضح مندل أنه إذا أتاح تصميم التجربة للتجريبي إمكانية القياس فقط، فإن ذلك يعد كافيا لتغيير نتيجة التجربة من سلوك الشكل الموجي إلي الطبيعة الجسيمية.

‏وفي ثمانينيات القرن العشرين، بدأ ليونارد مندل وزملاؤه استخدام تقنية التحويل البارامتري لأدني لتوليد فوتونات متعالقة. وإحدى هذه التجارب التي نشرت نتائجها عام ١٩٨٧ ‏في ورقة قدمها..، ومندل في مجلة Physical Review Letters ‏توضح حقيقة مثيرة حول التعالق، والشكل التالي يوضح تصميم تجربة غوش ومندل.

‏وفي التجربة الواردة أعلاه: تم قذف بلورة لاخطية بشعاع ليزر، لتسفر عن إنتاج أزواج من الفوتونات المتعالقة. نظرا لأن الفوتون المار بالبلورة يمكنه إنتاج زوج من الفوتونات بأي طريقة من الطرق الكثيرة اللانهائية (لأن كل ما هو مطلوب لذلك أن يكون مجموع ترددات هذا النتاج مساويا لتردد الفوتون الأصلي)، بالتالي من الممكن وجود فوتونات تتعالق معا على بعد معين من الشاشة.

‏وفي التجربة الموضحة في الجزء العلوي من الشكل السابق، يتحرك كاشف دقيق، بمفرده علي امتداد الشاشة. والمثير في الأمر، اكتشاف جوش ومندل عدم وجود تداخل. وبالتالي فإن الفوتون الوحيد لا يمكن أن يسفر عن التداخل الذي من المتوقع حدوثه طبقا لتجربة يانج المعروفة عن الشق المزدوج. وفي التجربة الثانية، الموضحة في الجزء السفلي من الشكل السابق، تم استخدام كاشفين، عند نقطتين منفصلتين على الشاشة. ومرة أخري، عندما يتحرك كل كاشف علي حدة علي امتداد الشاشة، لا يحدث أي تداخل، وحين علق جوش ومندل الكاشفين في عداد متزامن: أي عداد لا يسجل القراءة إلا إذا أضاء الكاشفان معا ثم قاما بتثبيت أحد الكاشفين وحركا الآخر علي طول الشاشة - وجدا أن العداد المتزامن سجل حدوث تداخل واضح مماثلا للتداخل الحادث من تجربة يانج ذات الشق المزدوج.

‏ويعزي السبب في هذه النتيجة المفاجئة إلي أنه في حين يتبين أن الفوتون المفرد في نظرية الكم يمر في المسارين ويمكنه التداخل مع نفس، كما اتضح من تجربة يانج، فإن الوضع يختلف في حالة الفوتونات المتعالقة. إذ إن زوج الفوتونات المتعالقة يؤلف كيانا واحدا حتي لو كانت تفصل بينما مسافة. وما يحدث هنا أن كيان زوج الفوتونات المتعالق يمثل تراكبا لناتج حالتين، وبالتالي يكون هو المكيان الذي يتداخل مع نفسه: وهذا هو السبب في حدوث التداخل عندما نعرف فقط بما يحدث في اللحظة نفسها في موضعين منفصلين علي الشاشة - بمعني، حين نتعقب الفوتونين المتداخلين بوصفهما كيانا واحدا - وفي هذا الإطار فقط سنري القمم والقيعان المعتادة المعبرة عن شدة التداخل، بالنسبة لزوج من الفوتونات باعتبارهما عنصرا واحدا . وهنا ، يتعين وجود جهتين للمراقبة تفصل بينهما مسافة، كل واحدة منهما تصاحب أحد الكاشفين، لمقارنة نتائجهما من أجل أن نرصد ما يحدث - إذ إن كل كاشف بمفرده يرصد فحسب وصولا عشوائيا للفوتونات، ولا تتكون أشكال بمعدل قياس متوسط ثابت. وتبين هذه النتيجة فكرة مهمة عن التعالق: أنه من غير الصحيح التفكير في الجسيمات المتعالقة ككيانات منفصلة. وفي بعض الأحيان، لا يكون للجسيمين المتعالقين الخواص نفسها وهما منفردان لكنهما يسلكان ككيان منفرد.

‏وظهرت تجربة من نوع أخر في عام ١٩٨٩ ‏عرضها جيمس فرانسون James Franson  من جامعة جونز هوبكنز. فقد أشار إلي أن هدب التداخل لجسيمين يمكن أن تنشأ ونحن لا نعلم متي تم إنتاج الجسيمين. وقد أعد ريمون شنياو Raymond Chiao من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وزملاؤه تجربة تعتمد علي تصميم فرانسون، وكذلك مندل وزملائه. ويستخدم هذا النوع من تجهيزات التجارب مسارا قصيرا وأخر طويلا علي كل ذراع من الذراعين، تفصل بينهما مرايا نصف مفضضة. ما هو المسار الذي اتخذه كل فوتون؟ إذ ينتج الفوتونان المتعالقان في حالة التحويل لأدني في اللحظة نفسها ، ويصلان معا . لكن نظرا لأننا لا نعلم متي تم إنتاجهما ، فإننا نحصل علي تراكب للمسار الطويل لكلا الفوتونين وكذلك للمسار القصير لكليهما . وينتج عن هذا تنظيم زمني للشق ألمزدوج.

‏واستفاد فيزيائي أخر هو يانهوا شيه Yanhua shih ‏من جامعة ميريلاند من تقنية SPDC في تجربة موسعة لإنتاج فوتونات متعالقة، وقد بدأ منذ عام ٩٨٧ ‏ سلسلة من التجارب تهدف إلي اختبار متباينة جون بل. وتميزت تجاربه بالدقة البالغة وأسفرت عن نتائج جاءت متفقة تماما مع ميكانيكا الكم كما أضاف تعديلا لمتباينة بل. واستطاع شيه وزملاؤه إثبات انتهاك لمتباينة جون بل بلغ عدة مئات من الانحرافات المعيارية. وكانت هذه النتائج بالغة الأهمية من الناحية الإحصائية. وأجري فريق شيه كذلك عدة تجارب باستخدام تجهيزات الخيار المتأخر، ومن خلالها ، أيضا ، استطاعوا البرهنة علي الاتفاق مع ميكانيكا الكم بدرجة عالية من الدقة.

‏ثم درس شيه تأثيرات ظاهرة معقدة تسمي الماسح الكمي quantum eraser. فعندما نستطيع أن نحدد، باستخدام كاشف في تجربة، أي المسارين اتخذه أحد الفوتونين، حينئذ لا ‏يحدث التداخل. ولذلك عند تصميم تجربة لتحديد ´´أي مسار´´، نتمكن من رصد طبيعة الضوء الجسيمية. واذا كان تصميم التجربة لا يتيح للتجريبي القدرة علي معرفة أي مسار من الاثنين اتخذه فوتون معين، نصبح في إطار التصميم الكمي _ "كلا المسارين". وفي هذه الحالة، نعتبر أن الفوتون وكأنه يتخذ المسارين كليهما في اللحظة نفسها . وهنا ، نلاحظ حدوث ألتداخل، وبالتالي تبين التجربة أن الضوء ذو طبيعة موجية. وبالوضع في الاعتبار مبدأ بوهر للتكاملية، يغدو من غير الممكن في التجربة ذاتها ملاحظة الطبيعة الموجية والجسمية للضوء معا.

‏وقام شيه وزملاؤه بتصميم تجارب تتسم بالغرابة يمكنها "محو – مسح" المعلومات. والاكثر مدعاة للدهشة، أنهم استخدموا ماسح الخيار - المتأخر.. وفي هذا السياق، نتج تعالق لزوج من الفوتونات وتم إدخاله في نظام معقد من مقسمات "مجزئات" الأشعة (مرايا نصف مفضضة إما أن تعكس الفوتون أو تسمح له بالمرمر باحتمال يساوي النصف). وبعد أن تم فعليا تسجيل فوتون واحد، بمعرفة موضعه على الشاشة، تم تشغيل مفتاح الجهاز عشوائيا بحيث يتمكن التجريبي في بعض الأحيان من معرفة أي مسار تم اتخاذه، ولا يتمكن من ذلك في أحيان أخري. وبالتالي أمكن بعد اصطدام الفوتون الأول بالشاشة تحديد ما إذا كانت له طبيعة موجية أو جسيمية اعتمادا علي معرفة في أي جزء من الثانية تم تسجيل الفوتون الآخر عن طريق توأمه الذي مازال لم يكمل مساره.

‏إلا أن أكثر التجارب إثارة للاهتمام التي أجراها شيه وزملاؤه من وجهة نظر هذا الكتاب الذي بين يدينا ، وكذلك عن طرق التطبيقات التكنولوجية، كانت تجربة "الصورة الشبحية" Ghost Image Experiment. فقد استخدمت هذه التجربة عنصرا واحد من كل زوج متعالق من الفوتونات ليجعل العنصر الآخر البعيد من الزوج نفسه يساعد في خلق صورة ´´شبحية´´ في الموضع البعيد. والشكل التالي يوضح التجربة.

‏

وكما نري من الشكل، ثمة شعاع ليزر يقذف بلورة لاخطية (بورات الباريوم)، مما يسفر عن إنتاج فوتونات متعالقة في حالة التحويل اللحظي البارامتري لأدنى، التي تمر بعدها في منشور، ثم إلي مقسم أشعة يقوم بتقسيمها حسب اتجاه استقطابها . وبالتالي يتجه فوتون من كل زوج متعالق إلى أعلى، من خلال عدسة، ويلتقي بمرشح به فتحة. وهذه الفتحة علي شكل حروف UMBC ‏ (الحروف الأولى من جامعة ميريلاند بمقاطعة بالتيمور - وهي جامعة شيه University of Maryland Baltimore County ، ويتم منع مرور بعض الفوتونات، أما الفوتونات التي تمر من خلال فتحات الحروف فيتم تجميعها عن طريق عدسة ويتم الكشف عنها بالكاشف. ويتصل الكاشف الأول بعداد متزامن بالإضافة إلي الكاشف الثاني، الذي يجمع الفوتونات التوائم المارة من المرشح. وتمضي هذه التوائم مباشرة من خلال مقسم الأشعة. وتصطدم بمرشح وألياف فحص تسجل مواضعها علي الشاشة. وما يتم تسجيله فحسب هو تلك الفوتونات التي تتزامن مع التوائم التي تمر من خلال فتحات UMBC ، وهي تشكل الصورة الشبحية الخاصة بـ UMBC على الشاشة. والشكل التالي يوضح هذه الصورة الشبحية:

‏وهكذا، باستخدام الفوتونات المتعالقة، تم نقل الصورة UMBC إلى موضع يبعد عنها عن طريق توائم الفوتونات، التي مرت من خلال الحروف، بما يوفر تفسيرا حيا لجانب مثير من جوانب التعالق. وتنتقل الصورة لتصنع الشكل الشبحي باستخدام عنصرين: أولا: نحن لدينا الفوتونات التي وصلت إلى الشاشة ذات ألياف الفحص، دون أن يتم حساب كل الفوتونات التي تصل. ثانيا: لدينا وسيلة اتصال دائمة بمن يلاحظ التوائم باستخدام عداد التزامن، وهي الفوتونات التي تعالقت مع الفوتونات الواصلة إلي الشاشة. ونحن لا نحصي من فوتونات الشاشة إلا التي تنتج "نقرة مزدوجة" مع توأمها الذي مر من فتحة الحروف. إن هذا الاتحاد لتعالق "أنبوبة كلاسيكية" للمعلومات هو الذي يتيح لنا إيجاد الصورة الشبحية.