أول تصور علمي دقيق لـ”الجسيم المستحيل”

نجح علماء الفيزياء في جامعة برمنغهام الإنجليزية في تحقيق إنجاز علمي جديد، بتصميم أول تصور دقيق لشكل الفوتون، الجسيم المسؤول عن الضوء، رغم استحالة تصويره بالوسائل التقليدية. إذ حسب العلماء وظيفة الموجة الخاصة بالفوتون لإنتاج صورة تمثل توزيعه الكمي عند انبعاثه.

ما هو الفوتون؟

الفوتونات هي الجسيمات التي تتيح لنا الرؤية بالعين المجردة أو عبر الكاميرات. عند وصولها إلى شبكية العين أو مستشعر الكاميرا، تحمل معلومات عن المصدر الذي أطلقها أو عن الأجسام التي ارتدت عنها، مما يمكننا من تشكيل صورة.

ومع ذلك، لا يمكن للفوتونات أن تلتقط صورًا لجسيمات فوتونية أخرى لأنها لا تتفاعل مع بعضها البعض.

تصور الفوتون رياضيًا

تمكن الباحثون من تطوير تمثيل رياضي دقيق لتوزيع شدة الفوتون. يقول بن يوان، أحد الباحثين المشاركين في الدراسة، لموقع New Atlas: “التصور يمثل محاكاة دقيقة للفوتون أثناء انبعاثه من ذرة موجودة على سطح جسيم نانوي.. الجسيم النانوي يؤثر بعمق على شكل الفوتون، مما يزيد من احتمالية انبعاثه آلاف المرات، بل ويجعله قابلًا لإعادة الامتصاص من قبل الذرة نفسها عدة مرات”.

التحدي في تحديد شكل الفوتون

لا يشير شكل الفوتون إلى شكله الفيزيائي المعتاد، بل هو توزيع كثافة يوضح الأماكن التي يحتمل أن يظهر فيها الفوتون في لحظة زمنية محددة. ويوضح يوان: “المناطق الأكثر سطوعًا في التصور تشير إلى احتمالية أعلى لظهور الفوتون عند قياس موقعه”.

كيف تحقق الإنجاز؟

بدأ الفريق بدراسة كيفية انبعاث الفوتونات من الذرات والجزيئات وتأثير البيئة المحيطة على هذه العملية. وطوروا نظرية فيزياء كمومية تضمنت التفاعل بين الفوتونات وجسيم نانوي من السيليكون. وللتغلب على تعقيد الاحتمالات اللانهائية لتفاعل الجسيم مع طيف الضوء المستمر، استخدم العلماء فرعًا رياضيًا يعرف بالتحليل المركب لتبسيط المشكلة.

تطبيقات الاكتشاف

تفتح هذه الدراسة آفاقًا جديدة لفهم تفاعل الضوء مع المادة، وهو ما يمكن أن يسهم في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية وتطوير الحوسبة الكمومية وأجهزة الاستشعار. علق يوان على ذلك، قائلًا: “نتائجنا لم تقتصر على كشف شكل الفوتون فحسب، بل قدمت تفاصيل دقيقة حول كيفية انتشار الضوء وتوزيع كثافة الفوتونات”.