प्रकाश प्रकाशावर आदळून उसळू शकतो का?

दोन टॉर्च असे लावा की त्यांचे झोत एकमेकांना छेदतील: प्रत्येक झोत जणू दुसरा तिथे नाहीच अशा प्रकारे पुढे जातो. हे अध्यारोपणाचे तत्त्व (superposition principle) आहे, प्रकाशशास्त्राच्या केंद्रस्थानी असलेले. ते खरे ठरते कारण विद्युतचुंबकत्वाची समीकरणे रेषीय आहेत, आणि ते दैनंदिन अनुभवाशी जुळते.

1930 च्या दशकातील Euler, Heisenberg आणि Kockel यांच्या कार्यापासून, भौतिकशास्त्रज्ञांना माहीत आहे की हे तत्त्व पूर्णपणे अचूक नाही. पुंज भौतिकी निर्वाताला क्षणभंगुर चढउतारांनी भरते — पुंज विद्युतगतिकीत (quantum electrodynamics), इलेक्ट्रॉन आणि पॉझिट्रॉनच्या आभासी जोड्यांनी. त्यांच्यामार्फत, प्रकाशाला प्रकाश जाणवू शकतो. याचे दोन परिणाम होतात: प्रकाश-प्रकाश प्रकीर्णन (light-by-light scattering), ज्यात एक झोत दुसऱ्या झोताचे फोटॉन विचलित करतो, आणि निर्वात द्विअपवर्तन (vacuum birefringence), ज्यात तीव्र क्षेत्रातून जाणाऱ्या प्रकाशाचे ध्रुवीकरण निर्वात बदलतो. कमी ऊर्जेवर, जिथे फोटॉनकडे इलेक्ट्रॉनच्या वस्तुमानापेक्षा खूप कमी ऊर्जा असते, यांपैकी कोणताही परिणाम अद्याप प्रयोगाने पडताळला गेलेला नाही.

तीव्र लेसरविरुद्ध क्ष-किरण

BIREF@HIBEF सहयोग — सुमारे 80 संशोधक, ज्यात Helmholtz Institute Jena आणि Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf येथील पथकांचा समावेश आहे — यांनी ही धडक जर्मनीतील Schenefeld येथील European X-Ray Free-Electron Laser येथे घडवून आणली:

• पंप (pump): ReLaX लेसर, 4 ज्यूल वाहून नेणारे 23 फेम्टोसेकंदांचे निकट-अवरक्त स्पंद, सुमारे 1.1 बाय 1.4 मायक्रोमीटरच्या ठिपक्यावर केंद्रित, 7.7 × 10²¹ वॅट प्रति चौरस सेंटिमीटर गाठणारे;
• प्रोब (probe): 8.766 keV चे क्ष-किरण स्पंद, प्रत्येकी सुमारे 100 अब्ज फोटॉन असलेले, पंपवर समोरासमोर डागलेले.

पंपच्या तीव्र क्षेत्राने निर्वाताचे किंचित ध्रुवीकरण केले पाहिजे, आणि काही क्ष-किरण फोटॉन उलटलेल्या ध्रुवीकरणासह बाहेर पडले पाहिजेत. आदर्श परिस्थितीतही, हे प्रमाण सुमारे 10¹³ पैकी एक फोटॉन इतके आहे — आणि हे फोटॉन इतर 100 अब्ज फोटॉनच्याच दिशेने प्रवास करतात.

अंधार-क्षेत्र (dark-field) रचना: एक तार क्ष-किरण झोतात सावली टाकते, धडकेच्या ठिकाणी निर्माण झालेला पुंज निर्वाताचा संकेत छिद्रातून पार होतो, आणि एक किरण-विभाजक त्याची दोन ध्रुवीकरणे वेगळी करतो. — आकृती 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

झोताला सावलीत लपवणे

युक्ती आहे अंधार-क्षेत्र (dark field). केंद्रित होण्यापूर्वी क्ष-किरण झोतात 250 मायक्रोमीटर जाडीची, पॉलिश केलेली टंगस्टनची तार ठेवली जाते. ती सावली टाकते. केंद्रबिंदूवर सावली नाहीशी होते; त्यानंतर ती पुन्हा दिसते — पण धडकेतून निर्माण झालेला संकेत तिच्यात पसरतो. मग 40 मायक्रोमीटरचे छिद्र मुख्य झोत अडवते आणि सावलीतील भाग पार होऊ देते, आणि एक जर्मेनियम स्फटिक दोन ध्रुवीकरणांना फोटॉन मोजणाऱ्या दोन शोधकांवर (detectors) वेगळे करतो. मुख्य झोतातील केवळ सुमारे एक ट्रिलियनपैकी 4 क्ष-किरण फोटॉन उलटलेल्या ध्रुवीकरणाच्या मार्गिकेत (channel) गळले.

पंप 0.5 हर्ट्झवर आणि प्रोब 10 हर्ट्झवर डागला जातो, त्यामुळे प्रत्येक धडकेसोबत पंपशिवायचे 19 संदर्भ-शॉट येतात. 2,751 धडका आणि 52,441 संदर्भ-शॉटमध्ये, उलटलेल्या मार्गिकेने पंपसह प्रति शॉट 0.4649 फोटॉन मोजले, पंपशिवाय 0.4636: कोणताही फरक नाही. पार्श्वभूमी वजा केल्यानंतर, अतिरेक प्रति शॉट −0.0024 फोटॉन होता, शून्याशी सुसंगत.

दहा अब्ज पट अधिक बोलकी शांतता

शांततेचा अर्थ जाणून घेण्यासाठी, पथकाने संपूर्ण प्रयोगाचे सिम्युलेशन केले, झोत-दर-झोत आणि भिंग-दर-भिंग, प्रत्येक शॉटच्या मोजलेल्या असंरेखनासह (misalignment). पुंज विद्युतगतिकी संपूर्ण मोहिमेसाठी उलटलेल्या मार्गिकेत एकूण केवळ 0.0008 फोटॉन भाकीत करते: या फेरीला शोधता येईल त्यापेक्षा कितीतरी खाली.

हा निकाल एक उच्च मर्यादा आहे. 95% विश्वासार्हतेवर, प्रकाश-प्रकाश प्रकीर्णन पुंज विद्युतगतिकीने भाकीत केलेल्या मूल्याच्या जास्तीत जास्त 70,000 पट आहे, 116 इलेक्ट्रॉनव्होल्टच्या धडक-ऊर्जेवर. 2,751 धडकांमध्ये 56 हून अधिक फोटॉनचा संकेत उठून दिसला असता. कमी ऊर्जेवरील आधीच्या प्रयोगांनी केवळ सुमारे दहा अब्ज पट कमकुवत मर्यादा गाठल्या होत्या.

पुंज भाकिताच्या तुलनेत (1 वरील तुटक लाल रेषा) प्रकाश-प्रकाश प्रकीर्णनावरील उच्च मर्यादा: हा प्रयोग, 70,000 वर, कमी ऊर्जेवरील आधीच्या प्रयोगांविरुद्ध. — आकृती 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

दरी भरून काढणे

लेखकांच्या मते, 70,000 चे अंतर आवाक्याबाहेर नाही. ReLaX ला त्याच्या प्रकाशित 8 ज्यूल आणि 1 हर्ट्झवर चालवल्यास त्याच वेळेत 8 पट अधिक संकेत मिळेल; सध्याच्या सुविधेच्या मर्यादांपासून मुक्त अंधार-क्षेत्र भूमिती पार्श्वभूमी नाकारण्याची क्षमता हजार पटीहून अधिक सुधारेल; अधिक जलद शोधक आणखी दहा पट किंवा अधिक वाढ देतील. एकत्रितपणे, या सुधारणांमुळे प्रकाशाचे प्रकाशावरून होणारे प्रकीर्णन प्रयोगशाळेत पहिल्यांदाच थेट निरीक्षित करता यावे — आणि मग पुंज विद्युतगतिकी निर्वाताच्या प्रतिसादाला देत असलेल्या a आणि b या दोन संख्या मोजता याव्यात.