کیا روشنی، روشنی سے ٹکرا کر پلٹ سکتی ہے؟

دو ٹارچوں کو اس طرح روشن کریں کہ ان کی شعاعیں ایک دوسرے کو کاٹیں: ہر شعاع ایسے آگے بڑھتی ہے جیسے دوسری وہاں موجود ہی نہ ہو۔ یہ اصولِ انطباق (superposition principle) ہے، جو بصریات کی بنیاد میں ہے۔ یہ اس لیے درست ہے کہ برقی مقناطیسیت کی مساواتیں خطی ہیں، اور یہ روزمرہ تجربے سے مطابقت رکھتا ہے۔

1930 کی دہائی میں Euler، Heisenberg اور Kockel کے کام کے بعد سے، ماہرینِ طبیعیات جانتے ہیں کہ یہ اصول بالکل قطعی نہیں۔ کوانٹم طبیعیات خلا کو عارضی اتار چڑھاؤ سے بھر دیتی ہے — کوانٹم برقی حرکیات (quantum electrodynamics) میں، الیکٹرانوں اور پوزیٹرانوں کے مجازی جوڑے (virtual pairs)۔ ان کے ذریعے روشنی، روشنی کو محسوس کر سکتی ہے۔ اس کے دو نتائج نکلتے ہیں: روشنی سے روشنی کا بکھراؤ (light-by-light scattering)، جس میں ایک شعاع دوسری شعاع کے فوٹونز کو موڑ دیتی ہے، اور خلا کا دوہرا انعطاف (vacuum birefringence)، جس میں خلا کسی طاقتور میدان سے گزرنے والی روشنی کی تقطیب (polarization) بدل دیتا ہے۔ کم توانائی پر، جہاں فوٹونز کی توانائی الیکٹران کی کمیت سے کہیں کم ہوتی ہے، ان دونوں میں سے کسی کی بھی ابھی تک تجرباتی تصدیق نہیں ہوئی۔

ایک شدید لیزر کے مقابل ایکس رے

BIREF@HIBEF اشتراک — تقریباً 80 محققین، جن میں Helmholtz Institute Jena اور Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf کی ٹیمیں شامل ہیں — نے یہ ٹکراؤ جرمنی کے شہر شینیفیلڈ (Schenefeld) میں European X-Ray Free-Electron Laser پر ترتیب دیا:

• پمپ (pump): ReLaX لیزر، 23 فیمٹو سیکنڈ کی قریب زیریں سرخ (near-infrared) پلسز جو 4 جول توانائی لیے ہوتی ہیں، تقریباً 1.1 ضرب 1.4 مائیکرومیٹر کے نقطے پر مرکوز، اور 7.7 × 10²¹ واٹ فی مربع سینٹی میٹر تک پہنچتی ہوئی؛
• پروب (probe): 8.766 keV کی ایکس رے پلسز، ہر ایک میں تقریباً 100 ارب فوٹون، جو آمنے سامنے پمپ پر داغی جاتی ہیں۔

پمپ کے شدید میدان کو خلا کو ہلکا سا مستقطب (polarize) کرنا چاہیے، اور چند ایکس رے فوٹونز کو اپنی تقطیب پلٹی ہوئی حالت میں باہر نکلنا چاہیے۔ مثالی حالات میں بھی یہ تقریباً 10¹³ میں سے ایک فوٹون ہے — اور یہ فوٹون باقی 100 ارب فوٹونز کی سمت ہی میں سفر کرتے ہیں۔

تاریک میدان (dark-field) والا سیٹ اپ: ایک تار ایکس رے شعاع میں سایہ ڈالتا ہے، ٹکراؤ پر پیدا ہونے والا کوانٹم خلا کا سگنل روزن سے گزرتا ہے، اور ایک شعاع تقسیم کار اس کی دو تقطیبوں کو الگ کرتا ہے۔ — شکل 1، Matheron، Šmíd et al. (2026)، arXiv:2611.04531۔

شعاع کو سائے میں چھپانا

ترکیب ایک تاریک میدان (dark field) ہے۔ ٹنگسٹن کا ایک پالش شدہ تار، 250 مائیکرومیٹر موٹا، ایکس رے شعاع کے مرکوز ہونے سے پہلے اس کے راستے میں رکھا جاتا ہے۔ یہ ایک سایہ ڈالتا ہے۔ ماسکہ (focus) پر سایہ غائب ہو جاتا ہے؛ اس کے بعد سایہ دوبارہ نمودار ہوتا ہے — لیکن ٹکراؤ سے پیدا ہونے والا سگنل پھیل کر اس میں آ جاتا ہے۔ پھر 40 مائیکرومیٹر کا ایک روزن مرکزی شعاع کو روک دیتا ہے اور سائے والے حصے کو گزرنے دیتا ہے، اور جرمینیئم کا ایک کرسٹل دونوں تقطیبوں کو الگ کر کے فوٹون گننے والے دو ڈیٹیکٹرز پر بھیج دیتا ہے۔ مرکزی شعاع کے ایک ٹریلین میں سے صرف تقریباً 4 ایکس رے فوٹون پلٹی ہوئی تقطیب والے چینل میں رِس کر پہنچے۔

پمپ 0.5 ہرٹز پر چلتا ہے اور پروب 10 ہرٹز پر، اس لیے ہر ٹکراؤ کے ساتھ پمپ کے بغیر 19 حوالہ جاتی شاٹس (reference shots) ہوتے ہیں۔ 2,751 ٹکراؤ اور 52,441 حوالہ جاتی شاٹس کے دوران، پلٹی ہوئی تقطیب والے چینل نے پمپ کے ساتھ فی شاٹ 0.4649 فوٹون گنے، اور اس کے بغیر 0.4636: کوئی فرق نہیں۔ پس منظر منہا کرنے کے بعد، اضافہ فی شاٹ −0.0024 فوٹون تھا، جو صفر سے مطابقت رکھتا ہے۔

ایک خاموشی جو دس ارب گنا زیادہ بتاتی ہے

یہ جاننے کے لیے کہ اس خاموشی کا کیا مطلب ہے، ٹیم نے پورے تجربے کی سمولیشن کی، شعاع بہ شعاع اور عدسہ بہ عدسہ، جس میں ہر شاٹ کی ناپی گئی صف بندی کی خرابی (misalignment) بھی شامل تھی۔ کوانٹم برقی حرکیات پوری مہم کے دوران پلٹی ہوئی تقطیب والے چینل میں کُل صرف 0.0008 فوٹون کی پیش گوئی کرتی ہے: جو اس دور کی پیمائشوں کی پکڑ سے کہیں نیچے ہے۔

نتیجہ ایک بالائی حد ہے۔ 95% اعتماد کے ساتھ، روشنی سے روشنی کا بکھراؤ زیادہ سے زیادہ کوانٹم برقی حرکیات کی پیش گوئی کردہ قدر کا 70,000 گنا ہے، 116 الیکٹران وولٹ کی ٹکراؤ توانائی پر۔ 2,751 ٹکراؤ کے دوران 56 سے زیادہ فوٹونز کا سگنل نمایاں ہو جاتا۔ کم توانائی پر پچھلے تجربات صرف ایسی حدود تک پہنچ پائے تھے جو تقریباً دس ارب گنا کمزور تھیں۔

کوانٹم پیش گوئی کی نسبت روشنی سے روشنی کے بکھراؤ کی بالائی حدود (1 پر سرخ ٹوٹی لکیر): یہ تجربہ، 70,000 پر، کم توانائی کے پچھلے تجربات کے مقابلے میں۔ — شکل 4، Matheron، Šmíd et al. (2026)، arXiv:2611.04531۔

فرق کو پاٹنا

مصنفین کے مطابق 70,000 کا فرق پہنچ سے باہر نہیں۔ ReLaX کو اس کی شائع شدہ صلاحیت، یعنی 8 جول اور 1 ہرٹز، پر چلانے سے اتنے ہی وقت میں 8 گنا زیادہ سگنل ملے گا؛ موجودہ سہولت کی پابندیوں سے آزاد تاریک میدان کی ترتیب پس منظر کو رد کرنے کی صلاحیت کو ہزار گنا سے زیادہ بہتر بنا دے گی؛ تیز تر ڈیٹیکٹرز مزید دس گنا یا اس سے زیادہ کا فائدہ دیں گے۔ توقع ہے کہ یہ بہتریاں مل کر لیبارٹری میں روشنی کے روشنی سے ٹکرا کر بکھرنے کا پہلا براہِ راست مشاہدہ ممکن بنا دیں گی — اور پھر ان دو اعداد، a اور b، کی پیمائش بھی، جو کوانٹم برقی حرکیات خلا کے ردِعمل سے منسوب کرتی ہے۔