क्या प्रकाश, प्रकाश से टकराकर उछल सकता है?

दो टॉर्च इस तरह चमकाइए कि उनकी किरणें एक-दूसरे को काटें: हर किरण ऐसे आगे बढ़ती है मानो दूसरी वहाँ हो ही नहीं। यही अध्यारोपण सिद्धांत (superposition principle) है, जो प्रकाशिकी के केंद्र में है। यह इसलिए सही है क्योंकि विद्युतचुंबकत्व के समीकरण रैखिक हैं, और यह रोज़मर्रा के अनुभव से मेल खाता है।

1930 के दशक में ऑयलर (Euler), हाइज़ेनबर्ग (Heisenberg) और कॉकेल (Kockel) के काम के बाद से, भौतिकविदों को पता है कि यह सिद्धांत पूरी तरह सटीक नहीं है। क्वांटम भौतिकी निर्वात को क्षणभंगुर उतार-चढ़ावों से भर देती है — क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (quantum electrodynamics) में, इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉनों के आभासी युग्मों (virtual pairs) से। इनके माध्यम से प्रकाश, प्रकाश को महसूस कर सकता है। इसके दो परिणाम होते हैं: प्रकाश-से-प्रकाश प्रकीर्णन (light-by-light scattering), जिसमें एक किरण दूसरी किरण के फ़ोटॉनों को विक्षेपित करती है, और निर्वात द्विअपवर्तन (vacuum birefringence), जिसमें निर्वात किसी प्रबल क्षेत्र से गुज़रते प्रकाश के ध्रुवण (polarization) को बदल देता है। निम्न ऊर्जा पर, जहाँ फ़ोटॉन इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान से बहुत कम ऊर्जा ले जाते हैं, इनमें से किसी की भी अभी तक प्रयोगों से पुष्टि नहीं हुई है।

एक तीव्र लेज़र के विरुद्ध एक्स-रे

BIREF@HIBEF सहयोग (collaboration) — लगभग 80 शोधकर्ता, जिनमें हेल्महोल्ट्ज़ इंस्टीट्यूट येना (Helmholtz Institute Jena) और हेल्महोल्ट्ज़-ज़ेंट्रुम ड्रेसडेन-रोसेनडॉर्फ़ (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) की टीमें शामिल हैं — ने यह टक्कर जर्मनी के शेनेफ़ेल्ड (Schenefeld) में स्थित यूरोपीय एक्स-रे फ़्री-इलेक्ट्रॉन लेज़र (European X-Ray Free-Electron Laser) पर करवाई:

• पंप (pump): ReLaX लेज़र, 23 फ़ेम्टोसेकंड के निकट-अवरक्त (near-infrared) स्पंद जो 4 जूल ले जाते हैं, लगभग 1.1 गुणा 1.4 माइक्रोमीटर के एक बिंदु पर फ़ोकस किए गए, और 7.7 × 10²¹ वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक पहुँचते हुए;
• प्रोब (probe): 8.766 keV के एक्स-रे स्पंद, हर एक में लगभग 100 अरब फ़ोटॉन, जो पंप पर आमने-सामने से दागे गए।

पंप के तीव्र क्षेत्र को निर्वात को थोड़ा ध्रुवित कर देना चाहिए, और कुछ एक्स-रे फ़ोटॉनों को पलटे हुए ध्रुवण के साथ बाहर आना चाहिए। आदर्श परिस्थितियों में भी, यह लगभग 10¹³ में एक फ़ोटॉन है — और ये फ़ोटॉन बाक़ी 100 अरब फ़ोटॉनों की ही दिशा में चलते हैं।

डार्क-फ़ील्ड व्यवस्था: एक तार एक्स-रे किरण में छाया डालता है, टक्कर पर बना क्वांटम निर्वात संकेत छिद्र से होकर गुज़रता है, और एक किरण-विभाजक उसके दो ध्रुवणों को अलग करता है। — चित्र 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

किरण को एक छाया में छिपाना

तरकीब है एक डार्क फ़ील्ड (dark field)। टंगस्टन का एक पॉलिश किया हुआ, 250 माइक्रोमीटर मोटा तार एक्स-रे किरण के फ़ोकस होने से पहले उसके रास्ते में रखा जाता है। यह एक छाया डालता है। फ़ोकस पर छाया ग़ायब हो जाती है; उसके बाद छाया फिर प्रकट होती है — लेकिन टक्कर से बना संकेत उसमें फैल जाता है। फिर 40 माइक्रोमीटर का एक छिद्र मुख्य किरण को रोक देता है और छाया वाले क्षेत्र को गुज़रने देता है, और एक जर्मेनियम क्रिस्टल दोनों ध्रुवणों को फ़ोटॉन गिनने वाले दो डिटेक्टरों पर अलग-अलग भेज देता है। मुख्य किरण के केवल लगभग एक लाख करोड़ में 4 एक्स-रे फ़ोटॉन पलटे हुए ध्रुवण वाले चैनल में रिसे।

पंप 0.5 हर्ट्ज़ पर दागा जाता है और प्रोब 10 हर्ट्ज़ पर, इसलिए हर टक्कर के साथ पंप के बिना 19 संदर्भ शॉट (reference shots) मिलते हैं। 2,751 टक्करों और 52,441 संदर्भ शॉटों में, पलटे हुए चैनल ने पंप के साथ प्रति शॉट 0.4649 फ़ोटॉन गिने, उसके बिना 0.4636: कोई अंतर नहीं। पृष्ठभूमि (background) घटाने के बाद, अधिकता प्रति शॉट −0.0024 फ़ोटॉन थी, जो शून्य के अनुरूप है।

दस अरब गुना अधिक अर्थपूर्ण मौन

यह जानने के लिए कि इस मौन का क्या अर्थ है, टीम ने पूरे प्रयोग का सिमुलेशन किया, किरण-दर-किरण और लेंस-दर-लेंस, जिसमें हर शॉट का मापा गया असंरेखण (misalignment) भी शामिल था। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स पूरे अभियान के लिए पलटे हुए चैनल में कुल केवल 0.0008 फ़ोटॉन की भविष्यवाणी करती है: यह इस दौर (run) की पहचान-क्षमता से बहुत नीचे है।

परिणाम एक ऊपरी सीमा है। 95% विश्वास-स्तर पर, 116 इलेक्ट्रॉनवोल्ट की टक्कर-ऊर्जा पर, प्रकाश-से-प्रकाश प्रकीर्णन क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स द्वारा अनुमानित मान का अधिकतम 70,000 गुना है। 2,751 टक्करों में 56 से अधिक फ़ोटॉन का संकेत अलग से दिख जाता। निम्न ऊर्जा पर पहले के प्रयोग केवल लगभग दस अरब गुना कमज़ोर सीमाओं तक पहुँचे थे।

प्रकाश-से-प्रकाश प्रकीर्णन की ऊपरी सीमाएँ, क्वांटम भविष्यवाणी के सापेक्ष (1 पर लाल टूटी रेखा): 70,000 पर यह प्रयोग, निम्न ऊर्जा के पहले के प्रयोगों के मुक़ाबले। — चित्र 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

अंतर को पाटना

लेखकों के अनुसार, 70,000 का अंतर पहुँच से बाहर नहीं है। ReLaX को उसके प्रकाशित 8 जूल और 1 हर्ट्ज़ पर चलाने से उतने ही समय में 8 गुना अधिक संकेत मिलेगा; मौजूदा सुविधा की बाधाओं से मुक्त एक डार्क-फ़ील्ड ज्यामिति पृष्ठभूमि-अस्वीकरण (background rejection) को एक हज़ार गुना से अधिक सुधार देगी; तेज़ डिटेक्टर दस या उससे अधिक का एक और गुणक जोड़ेंगे। मिलकर, इन उन्नयनों से प्रयोगशाला में प्रकाश के प्रकाश से प्रकीर्णन का पहला प्रत्यक्ष अवलोकन संभव हो जाना चाहिए — और फिर उन दो संख्याओं, a और b, का मापन भी, जिन्हें क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स निर्वात की प्रतिक्रिया के लिए निर्धारित करती है।