آیا نور می‌تواند به نور بخورد و کمانه کند؟

دو چراغ‌قوه را چنان روشن کنید که پرتوهایشان از هم بگذرند: هر پرتو چنان به راه خود ادامه می‌دهد که گویی دیگری وجود ندارد. این اصل برهم‌نهی (superposition principle) است، در قلب اپتیک. این اصل برقرار است چون معادله‌های الکترومغناطیس خطی‌اند، و با تجربهٔ روزمره همخوانی دارد.

از زمان کارهای اویلر (Euler)، هایزنبرگ (Heisenberg) و کوکل (Kockel) در دههٔ 1930، فیزیک‌دانان می‌دانند که این اصل کاملاً دقیق نیست. فیزیک کوانتومی خلأ را از افت‌وخیزهای گذرا پر می‌کند — در الکترودینامیک کوانتومی، جفت‌های مجازی الکترون و پوزیترون. از راه آن‌ها، نور می‌تواند نور را حس کند. دو پیامد از این برمی‌آید: پراکندگی نور از نور (light-by-light scattering)، که در آن یک پرتو فوتون‌های پرتوی دیگر را منحرف می‌کند، و دوشکستی خلأ (vacuum birefringence)، که در آن خلأ قطبش نوری را که از یک میدان قوی می‌گذرد تغییر می‌دهد. هیچ‌یک هنوز در انرژی پایین، جایی که فوتون‌ها انرژی‌ای بسیار کمتر از جرم یک الکترون دارند، به‌طور تجربی تأیید نشده است.

پرتو ایکس در برابر لیزری شدید

همکاری BIREF@HIBEF — حدود 80 پژوهشگر، از جمله گروه‌هایی در مؤسسهٔ هلمهولتز ینا (Helmholtz Institute Jena) و مرکز هلمهولتز درسدن-روسندورف (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) — این برخورد را در لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا (European X-Ray Free-Electron Laser) در شوننفلد (Schenefeld) آلمان برپا کرد:

• پمپ (pump): لیزر ReLaX، تپ‌های فروسرخ نزدیک به طول 23 فمتوثانیه که 4 ژول انرژی حمل می‌کنند، متمرکز در لکه‌ای به ابعاد حدود 1.1 در 1.4 میکرومتر، که به 7.7 × 10²¹ وات بر سانتی‌متر مربع می‌رسند؛
• کاوشگر (probe): تپ‌های پرتو ایکس با انرژی 8.766 کیلوالکترون‌ولت (keV)، هر یک با حدود 100 میلیارد فوتون، که رودررو به درون پمپ شلیک می‌شوند.

میدان شدید پمپ باید خلأ را اندکی قطبیده کند، و چند فوتون پرتو ایکس باید با قطبشی وارونه‌شده بیرون بیایند. حتی در شرایط آرمانی، این حدود یک فوتون در 10¹³ است — و آن فوتون‌ها در همان جهتی حرکت می‌کنند که 100 میلیارد فوتون دیگر.

چیدمان میدان تاریک: یک سیم در پرتو ایکس سایه می‌اندازد، سیگنال خلأ کوانتومی که در محل برخورد پدید می‌آید از روزنه می‌گذرد، و یک شکافندهٔ پرتو دو قطبش آن را از هم جدا می‌کند. — شکل 1، Matheron، Šmíd و همکاران (2026)، arXiv:2611.04531.

پنهان‌کردن پرتو در یک سایه

ترفند کار، میدان تاریک (dark field) است. سیمی صیقلی از تنگستن، به ضخامت 250 میکرومتر، پیش از متمرکزشدن پرتو ایکس در مسیر آن قرار داده می‌شود. این سیم سایه می‌اندازد. در کانون، سایه ناپدید می‌شود؛ پس از کانون، سایه دوباره پدیدار می‌شود — اما سیگنالی که از برخورد پدید آمده به درون آن پخش می‌شود. سپس روزنه‌ای 40 میکرومتری پرتو اصلی را مسدود می‌کند و ناحیهٔ سایه‌دار را عبور می‌دهد، و یک بلور ژرمانیم دو قطبش را از هم جدا می‌کند و روی دو آشکارساز فوتون‌شمار می‌فرستد. تنها حدود 4 فوتون پرتو ایکس از هر یک تریلیون فوتون پرتو اصلی به کانال قطبش وارونه نشت کرد.

پمپ با بسامد 0.5 هرتز و کاوشگر با بسامد 10 هرتز شلیک می‌کند، پس هر برخورد با 19 شلیک مرجع بدون پمپ همراه است. در 2,751 برخورد و 52,441 شلیک مرجع، کانال وارونه با پمپ 0.4649 فوتون در هر شلیک شمرد، و بدون پمپ 0.4636: هیچ تفاوتی. پس از کسر پس‌زمینه، مازاد برابر −0.0024 فوتون در هر شلیک بود، سازگار با صفر.

سکوتی ده میلیارد برابر گویاتر

برای دانستن اینکه این سکوت چه معنایی دارد، گروه کل آزمایش را، پرتو به پرتو و عدسی به عدسی، شبیه‌سازی کرد، از جمله ناهم‌راستایی اندازه‌گیری‌شدهٔ هر شلیک. الکترودینامیک کوانتومی برای کل این دورهٔ آزمایش در مجموع تنها 0.0008 فوتون در کانال وارونه پیش‌بینی می‌کند: بسیار کمتر از آنچه این اجرا می‌توانست آشکار کند.

نتیجه یک حد بالاست. با اطمینان 95%، پراکندگی نور از نور حداکثر 70,000 برابر مقداری است که الکترودینامیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند، در انرژی برخورد 116 الکترون‌ولت. سیگنالی بیش از 56 فوتون در طول 2,751 برخورد، خود را نشان می‌داد. آزمایش‌های پیشین در انرژی پایین تنها به حدهایی رسیده بودند که حدود ده میلیارد برابر ضعیف‌تر بودند.

حدهای بالای پراکندگی نور از نور، نسبت به پیش‌بینی کوانتومی (خط‌چین قرمز در 1): این آزمایش، با 70,000، در برابر آزمایش‌های پیشین در انرژی پایین. — شکل 4، Matheron، Šmíd و همکاران (2026)، arXiv:2611.04531.

بستن شکاف

به گفتهٔ نویسندگان، شکاف 70,000 برابری دست‌نیافتنی نیست. به کار انداختن ReLaX با 8 ژول و 1 هرتزِ اعلام‌شده‌اش، در همان مدت 8 برابر سیگنال بیشتر می‌دهد؛ هندسهٔ میدان تاریکی که از محدودیت‌های تأسیسات کنونی رها باشد، حذف پس‌زمینه را بیش از هزار برابر بهتر می‌کند؛ آشکارسازهای سریع‌تر ضریب ده یا بیشتری به دست می‌دهند. این ارتقاها با هم باید نخستین مشاهدهٔ مستقیم آزمایشگاهی پراکندگی نور از نور را ممکن کنند — و سپس اندازه‌گیری دو عدد، a و b، که الکترودینامیک کوانتومی به پاسخ خلأ نسبت می‌دهد.