للمرة الأولى على الإطلاق: صورة تظهر ازدواجية الضوء كجسيم وكموجة

يسلك الضوء مسلك الجسيمات والموجات على حد سواء. ويحاول العلماء منذ عهد اينشتاين رصد ازدواجية الضوء بطريقة مباشرة. أما الآن، فقد نجح علماء بجامعة (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) في التقاط الصورة الأولى من نوعها لهذه الطبيعة المزدوجة للضوء.
إن ميكانيكا الكم تخبرنا أنه من الممكن للضوء أن يتصرف كموجة وكجسيم في وقت واحد. ومع ذلك، لم يتم عمل تجربة تظهر الطبيعتين المختلفتين للضوء معًا; إذ إن أقرب ما توصلنا إليه هو رؤية الضوء إما كموجة أو كجسيم، ولكن دائمًا في أوقات مختلفة وليس في نفس اللحظة. أما العلماء بجامعة (EPFL) فقد استطاعوا أخذ أول صورةٍ للضوء يظهر فيها كموجةٍ وكجسيم عن طريق اتباع نهجٍ تجريبي مختلف جذريًا.
عندما تصطدم الأشعة فوق البنفسجية بسطح معدني فإنها تتسبب في انبعاث الإلكترونات. فسر اينشتاين هذه الظاهرة الكهروضوئية من خلال اقتراح أن الضوء -والذي كان يُعتقد أنه موجة-هو تيار من الجسيمات أيضًا. من التجارب المختلفة والتي رصدت الضوء كموجة وكجسيم، لم يتم مطلقًا رصد ازدواجية الضوء.
قام فريق بحثي بقيادة فابريزيو كاربون في جامعة (EPFL) بعمل تجربة تحتوي على حيلة ذكية، وهي استخدام الإلكترونات لتصوير الضوء. إذ قام الباحثون للمرة الأولى على الإطلاق بأخذ صورة للضوء كموجة وكتيار من الجسيمات في وقت واحد.
قاموا بعمل التجربة كالتالي: تم إطلاق نبضة من شعاع الليزر على سلك نانوي معدني. ويضيف الليزر طاقة على الجسيمات المشحونة في السلك النانوي، مما يتسبب باهتزاز الجسيمات. وينتقل الضوء على طول هذا السلك الصغير في اتجاهين مختلفين، كتحرك السيارات في الطريق العام. وعندما تلتقي الموجات التي تتحرك في اتجاهين متعاكسين فإنهم يكوّنون موجةً جديدةً تبدو ساكنةً في مكانها. هذه الموجة الساكنة تصبح مصدر الضوء للتجربة، وتشع حول السلك النانوي. وهنا تكمن الخدعة: إذ يُطلق العلماء تيارًا من الإلكترونات بالقرب من السلك ويتم استخدام هذه الإلكترونات لتصوير الموجة الضوئية الساكنة.
وعند تتفاعل الإلكترونات مع الضوء المحتجز على السلك فإنها إما أن تسرع أو تبطئ. وعن طريق استخدام مجهر فائق السرعة لتصوير الموقع الذي اختلفت فيه السرعة، يستطيع فريق كاربون تجسيد الموجة الساكنة والتي هي بمثابة البصمة للطبيعة الموجية للضوء.
على الرغم من أن هذه الظاهرة توضح طبيعة الضوء كموجة فإنها أيضًا تظهر الجانب الآخر. أثناء مرور الإلكترونات بالقرب من الموجة الساكنة للضوء فإنها تصطدم بجسيمات الضوء، ألا وهي الفوتونات. وكما ذُكر سابقًا، فإن ذلك يؤثر على سرعة الإلكترونات مما يجعلها تتحرك بشكلٍ أسرع أو أبطأ. ويظهر هذا التغير في السرعة كتبادل في حزم الطاقة “الكوانتا” بين الإلكترونات والفوتونات وإن ظهور هذه الحزم من الطاقة يوضح أن الضوء على السلك يتصرف كالجسيمات.
يقول فابريزيو كاربون:”إن هذه التجربة تثبت أن بإمكاننا تصوير ميكانيكا الكم، وطبيعتها المتناقضة، مباشرة”. بالإضافة إلى أن أهمية هذا العمل الرائد يمكن أن تتجاوز العلوم الأساسية إلى التقنيات المستقبلية. وكما يوضح كاربون: “إن القدرة على تصوير الظواهر الكمية والتحكم بها بمقياس النانو بهذه الطريقة، يفتح لنا أبوابًا جديدةً نحو الحوسبة الكمومية.”