هل يمكن للضوء أن يرتدّ عن الضوء؟

سلّط مصباحين يدويين بحيث يتقاطع شعاعاهما: يمضي كل شعاع كأن الآخر غير موجود. هذا هو مبدأ التراكب (superposition principle)، في صميم علم البصريات. وهو صحيح لأن معادلات الكهرومغناطيسية خطية، ويتفق مع التجربة اليومية.

ومنذ أعمال أويلر (Euler) وهايزنبرغ (Heisenberg) وكوكل (Kockel) في ثلاثينيات القرن العشرين، يعرف الفيزيائيون أن هذا المبدأ ليس دقيقًا تمامًا. فالفيزياء الكمومية تملأ الفراغ بتقلبات عابرة — وهي في الإلكتروديناميكا الكمومية أزواج افتراضية من الإلكترونات والبوزيترونات. ومن خلالها، يمكن للضوء أن يشعر بالضوء. وينتج عن ذلك أمران: تشتت الضوء بالضوء (light-by-light scattering)، حيث يحرف شعاعٌ فوتوناتِ شعاع آخر، والانكسار المزدوج للفراغ (vacuum birefringence)، حيث يغيّر الفراغ استقطاب الضوء المار عبر حقل قوي. ولم يُتحقق من أي منهما تجريبيًا بعدُ عند الطاقة المنخفضة، حيث تحمل الفوتونات طاقة أقل بكثير من كتلة الإلكترون.

أشعة سينية في مواجهة ليزر شديد

أعدّ تعاون BIREF@HIBEF — نحو 80 باحثًا، منهم فرق في معهد هلمهولتز في ينا (Helmholtz Institute Jena) ومركز هلمهولتز درسدن-روسندورف (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) — هذا التصادم في ليزر الإلكترونات الحرة الأوروبي للأشعة السينية (European X-Ray Free-Electron Laser) في شينيفيلد (Schenefeld) بألمانيا:

• المضخّة (pump): ليزر ReLaX، نبضات في الأشعة تحت الحمراء القريبة مدتها 23 فمتوثانية تحمل 4 جول، مركّزة في بقعة أبعادها نحو 1.1 في 1.4 ميكرومتر، وتبلغ شدتها 7.7 × 10²¹ واط لكل سنتيمتر مربع؛
• المسبار (probe): نبضات أشعة سينية طاقتها 8.766 كيلو إلكترون فولت، يحمل كل منها نحو 100 مليار فوتون، تُطلق وجهًا لوجه نحو المضخّة.

ينبغي أن يستقطب الحقل الشديد للمضخّة الفراغَ قليلًا، وأن يخرج عدد قليل من فوتونات الأشعة السينية وقد انقلب استقطابها. وحتى في الظروف المثالية، يعني ذلك نحو فوتون واحد من كل 10¹³ — وهذه الفوتونات تسير في الاتجاه نفسه الذي تسير فيه المئة مليار الأخرى.

تجهيز الحقل المظلم: يلقي سلك ظلًا في شعاع الأشعة السينية، وتمر إشارة الفراغ الكمومي الناشئة عند التصادم عبر الفتحة، ويفصل مقسّم شعاع بين استقطابيها. — الشكل 1، Matheron، Šmíd وآخرون (2026)، arXiv:2611.04531.

إخفاء الشعاع في ظل

الحيلة هي الحقل المظلم (dark field). يوضع سلك مصقول من التنغستن، سمكه 250 ميكرومترًا، في شعاع الأشعة السينية قبل تركيزه. فيلقي ظلًا. وعند البؤرة يختفي الظل؛ وبعدها يعود إلى الظهور — لكن الإشارة الناشئة عن التصادم تنتشر داخله. ثم تحجب فتحة بعرض 40 ميكرومترًا الشعاع الرئيسي وتسمح بمرور المنطقة المظللة، وتفصل بلورة من الجرمانيوم الاستقطابين نحو كاشفين يعدّان الفوتونات. ولم يتسرب إلى قناة الاستقطاب المنقلب سوى نحو 4 فوتونات أشعة سينية من كل تريليون من الشعاع الرئيسي.

تُطلق المضخّة بتردد 0.5 هرتز والمسبار بتردد 10 هرتز، لذا تصحب كل تصادمٍ 19 طلقة مرجعية دون المضخّة. وعلى مدى 2,751 تصادمًا و52,441 طلقة مرجعية، سجّلت القناة المنقلبة 0.4649 فوتون لكل طلقة مع المضخّة، و0.4636 دونها: لا فرق. وبعد طرح الخلفية، كان الفائض −0.0024 فوتون لكل طلقة، وهو ما يتسق مع الصفر.

صمت أبلغ بعشرة مليارات مرة

ولمعرفة ما يعنيه هذا الصمت، حاكى الفريق التجربة كاملة، شعاعًا بشعاع وعدسةً بعدسة، بما في ذلك عدم المحاذاة المقيس في كل طلقة. وتتنبأ الإلكتروديناميكا الكمومية بما مجموعه 0.0008 فوتون فقط في القناة المنقلبة للحملة بأكملها: أي أقل بكثير مما يمكن لهذه الجولة من القياسات رصده.

والنتيجة حدّ أعلى. فبمستوى ثقة 95%، لا يتجاوز تشتت الضوء بالضوء 70,000 مرة القيمة التي تتنبأ بها الإلكتروديناميكا الكمومية، عند طاقة تصادم قدرها 116 إلكترون فولت. وكانت أي إشارة تزيد على 56 فوتونًا على مدى التصادمات الـ2,751 ستبرز بوضوح. ولم تبلغ التجارب السابقة عند الطاقة المنخفضة إلا حدودًا أضعف بنحو عشرة مليارات مرة.

الحدود العليا على تشتت الضوء بالضوء، نسبةً إلى التنبؤ الكمومي (الخط الأحمر المتقطع عند 1): هذه التجربة، عند 70,000، مقابل التجارب السابقة عند الطاقة المنخفضة. — الشكل 4، Matheron، Šmíd وآخرون (2026)، arXiv:2611.04531.

سدّ الفجوة

بحسب المؤلفين، فإن فجوة الـ70,000 ليست بعيدة المنال. فتشغيل ReLaX بمواصفاته المنشورة، 8 جول و1 هرتز، سيعطي إشارة أكبر بـ8 مرات في الزمن نفسه؛ وهندسة حقل مظلم متحررة من قيود المنشأة الحالية ستحسّن رفض الخلفية بأكثر من ألف مرة؛ وكواشف أسرع ستكسب عاملًا آخر قدره عشرة أو أكثر. ومجتمعةً، ينبغي أن تتيح هذه التحسينات أول رصد مخبري مباشر لتشتت الضوء عن الضوء — ثم قياس العددين، a وb، اللذين تنسبهما الإلكتروديناميكا الكمومية إلى استجابة الفراغ.