“أشباه الجسيمات” الأسرع من الضوء توصف بأنها مصدر ضوء مستقبلي

لا شيء يستطيع السفر أسرع من الضوء، أو 299,792,458 مترًا في الثانية. لكن مجموعة معينة من الجسيمات تتصرف كما لو كانت قادرة على ذلك، كما خلص فريق من الفيزيائيين مؤخرًا، مما قد يمهد الطريق لمصدر ضوء قوي يمكن أن يكشف عن أنواع جديدة من العلوم.

عندما يتم إثارة الإلكترونات ودفعها، فإنها تنتج ضوءًا ذو طاقات مختلفة يمكن استخدامه لدراسة الظواهر التي تتجاوز حدود العين المجردة أو المجاهر النموذجية. لقد تعلم العلماء كيفية توليد الإلكترونات وتجميعها في الآلات، لجعل الجزيئات تنتج ضوءًا ذو طاقات عالية. تسمح مصادر الضوء هذه – من السنكروترونات والسيكلوترونات إلى المسرعات الخطية – للعلماء برؤية أشياء صغيرة بشكل لا يصدق، مثل بنية الجزيء. وقد مكنت الأفكار المستمدة من هذه التكنولوجيا من تطوير أدوية جديدة، وإنشاء رقائق كمبيوتر أفضل، وإجراء أبحاث غير مدمرة في الحفريات. تسلط الموجات المنبعثة من الإلكترونات الضوء حرفيًا على ما قد يكون غير مرئي.

لكن مصادر الضوء هذه ليست شائعة. إن بناءها مكلف، ويتطلب مساحات كبيرة من الأراضي، ويمكن للعلماء حجزها قبل أشهر. الآن، يفترض فريق من الفيزيائيين أن أشباه الجسيمات – مجموعات من الإلكترونات التي تتصرف كما لو كانت جسيمًا واحدًا – يمكن استخدامها كمصادر للضوء في المختبرات الأصغر حجمًا وإعدادات الصناعة، مما يسهل على العلماء تحقيق الاكتشافات أينما كانوا. بحث الفريق الذي يصف النتائج التي توصلوا إليها هو نشرت اليوم في طبيعة الضوئيات.

وقال جون بالاسترو، الفيزيائي في مختبر طاقة الليزر بجامعة روتشستر والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة: “لا توجد جسيمات فردية تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن الميزات الموجودة في مجموعة الجسيمات يمكنها ذلك، وتفعل ذلك”. الدراسة، في مكالمة فيديو مع Gizmodo. “هذا لا ينتهك أي قواعد أو قوانين الفيزياء.”

وأضاف بالاسترو: “أعتقد أن تخفيف تلك المتطلبات على شعاع الإلكترون والابتعاد عن فكرة أن كل إلكترون يجب أن يتحرك في انسجام تام لإنتاج هذا الإشعاع المتماسك للغاية، يضفي طابعًا ديمقراطيًا على هذه المصادر، ويجعلها متاحة على نطاق أوسع”.

يستكشف الفريق في ورقته البحثية إمكانية جعل مصادر الضوء المعتمدة على مسرعات البلازما ساطعة مثل أشعة الليزر الأكبر حجمًا، وذلك من خلال جعل ضوءها أكثر تماسكًا، مقابل أشباه الجسيمات. أجرى الفريق عمليات محاكاة لخصائص أشباه الجسيمات في البلازما باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي أتاحتها المؤسسة الأوروبية المشتركة للحوسبة عالية الأداء (EuroHPC JU)، وفقًا لجامعة روتشستر. يطلق.

تعد المسرعات الخطية الكبيرة من أقوى مصادر الضوء على وجه الأرض. خذ بعين الاعتبار ترقية بقيمة مليار دولار لمصدر الضوء Linac Coherent Light Source التابع لمختبر التسريع الوطني SLAC – والذي يطلق عليه ببساطة LCLS-II – والذي حقق الضوء الأول الشهر الماضي. يستطيع LCLS-II توليد مليون نبضة من الأشعة السينية في الثانية، مقارنة بـ LCLS الأصلي البالغ 120 نبضة في الثانية. إن نبضات الأشعة السينية الجديدة أكثر سطوعًا بمقدار 10000 مرة من تلك التي ينتجها LCLS، مما يمهد الطريق أمام العلماء للنظر في ظواهر لم تكن مرئية سابقًا، بدءًا من الجزيئات الموجودة في الخلايا النباتية وحتى كيفية تغير مراحل المواد. يتم إنتاج كل هذه الأشعة السينية عن طريق مجموعات متذبذبة (أو متموجة) من الإلكترونات سريعة الحركة، باستخدام مغناطيسات كبيرة. يمكنك قراءة تفاصيل كاملة حول كيفية عمل المسرعات الخطية مثل LCLS-II هنا.

قال برناردو مالاكا، عالم الفيزياء في المعهد العالي التقني في البرتغال والمؤلف الرئيسي للدراسة، في مكالمة فيديو مع جيزمودو: “في المعجل الخطي، “يقوم كل إلكترون بنفس الشيء الذي يفعله الإلكترون الجماعي”. “لا يوجد إلكترون متموج في حالتنا، لكننا ما زلنا نصنع طيفًا يشبه التموج.”

ويشبه الباحثون أشباه الجسيمات بـ موجة المكسيكيةوهو سلوك جماعي شائع يقوم فيه عشاق الرياضة بالوقوف والجلوس بالتسلسل. يمكن للملعب المليء بالناس أن يعطي الوهم بوجود موجة تموج حول الملعب، على الرغم من عدم تحرك أي شخص بشكل جانبي.

“من الواضح أن المرء قادر على رؤية أن الموجة يمكن أن تنتقل من حيث المبدأ بشكل أسرع من أي إنسان، بشرط تعاون الجمهور. يقول المؤلف المشارك خورخي فييرا، وهو أيضًا فيزيائي في المعهد العالي للتكنولوجيا، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى جيزمودو: “أشباه الجسيمات متشابهة جدًا، لكن الديناميكيات يمكن أن تكون أكثر تطرفًا”. “على سبيل المثال، لا يمكن للجسيمات المفردة أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن يمكن لأشباه الجسيمات أن تنتقل بأي سرعة، بما في ذلك السرعة الفائقة للضوء.”

وأضاف فييرا: “نظرًا لأن أشباه الجسيمات هي نتيجة لسلوك جماعي، فلا توجد حدود لتسارعها”. “من حيث المبدأ، يمكن أن يكون هذا التسارع قويًا كما هو الحال في محيط الثقب الأسود، على سبيل المثال”.

لنكن واضحين: الإلكترونات الموجودة في المجموعة التي تتكون منها شبه الجسيم لا تتحرك بشكل أسرع من الضوء. لكن الباحثين يقولون إن شبه الجسيم يمكنه السفر بشكل أسرع من الضوء، إذا كانت الأطوال الموجية المعنية أكبر من شبه الجسيم نفسه.

وقال مالاكا إن الفرق بين ما يحدث إدراكيًا وما يحدث فعليًا فيما يتعلق بالسفر بسرعة أسرع من الضوء هو “تمييز غير ضروري”. “هناك أشياء فعلية تنتقل بسرعة أكبر من الضوء، وهي ليست جسيمات فردية، ولكنها موجات أو أشكال تيار. إنها تنتقل بسرعة أكبر من الضوء ويمكن أن تنتج تأثيرات حقيقية أسرع من الضوء. لذا فإنك تقيس الأشياء التي تربطها فقط بالجسيمات فوق الضوئية.

وقد وجدت المجموعة أن الجودة الجماعية للإلكترونات لا يجب أن تكون نقية مثل الحزم التي تنتجها المنشآت الكبيرة، ويمكن تنفيذها عمليا في إعدادات أكثر “سطحية”، على حد قول بالاسترو. بمعنى آخر، يمكن للعلماء إجراء تجارب باستخدام مصادر ضوء ساطعة جدًا في الموقع، بدلاً من الاضطرار إلى انتظار وجود فرصة في مسرع خطي مطلوب.

أكثر: مشيت داخل أحدث مسرع الجسيمات في أمريكا