استشراف المستقبل باستخدام ليزر أشعة جاما

هل يُمكن أن يكون هناك أكوان أخرى، مُتطابقة أو مُختلفة عن كوننا؟ حسنًا، لا نعرف ذلك بعد.  

في حين أن نظرية تعدد الأكوان التي وضعها ستيفن هوكينج، والتي تعد مجموعة افتراضية من كل الأكوان مع مساحتها ووقتها ومادتها وطاقتها وقوانينها الفيزيائية، تعد مفهومًا بارزًا في عالم Marvel Cinematic Universe، إلا أنها لا تزال غير مثبتة، ولا توجد إلا في عالم الأفلام والفيزياء النظرية.

ما نحتاجه لإثبات وجوده هو جهاز كمي. إنه ببساطة نظام يستخدم التأثيرات الميكانيكية الكمومية للعمل، ويعتمد على التحكم والتلاعب بالتفاعلات الكمومية لتحقيق وظائف غير ممكنة في الأنظمة الكلاسيكية.

في الفيزياء، الكم هو الشكل المفرد لـ الكميات هي الحد الأدنى لكمية أي كيان مادي. على سبيل المثال، كمية الضوء هي الفوتون.

والآن، لنكتشف أسرار الكون، سوف نحتاج إلى جهاز كمي معين: ليزر أشعة جاما.

سيتمكن هذا الجهاز الافتراضي من إنتاج أشعة غاما متماسكة، تمامًا كما يُنتج الليزر العادي أشعة متماسكة من الضوء المرئي. أشعة غاما (الرمز γ) هي شكلٌ نافذ من الإشعاع الكهرومغناطيسي ينشأ من تفاعلات عالية الطاقة، مثل التحلل الإشعاعي لنوى الذرات. كما ينشأ من أحداث فلكية، مثل التوهجات الشمسية. 

تتكون أشعة غاما من أقصر الموجات الكهرومغناطيسية طولًا موجيًا، وهي أقصر من موجات الأشعة السينية. تردداتها أعلى من 30 إكساهرتز، وأطوالها الموجية أقل من 10 بيكومتر. كما تتمتع فوتونات أشعة غاما بأعلى طاقة فوتونية بين جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي.

قبل بضع سنوات، العلماء الكشف عن أشعة جاما ذات الطاقة الأعلى على الإطلاق، 20 تيرا إلكترون فولت، وهو ما يعادل حوالي عشرة تريليونات مرة طاقة الضوء المرئي، من نجم ميت يسمى النجم النابض. 

وفي أواخر العام الماضي، في هذه الأثناء، قام علماء الفيزياء الفلكية القبض صور لانفجارات أشعة جاما من الثقب الأسود الهائل M87.

مصدر الصورة: جامعة كاليفورنيا

في وقت سابق من هذا العام، تم الكشف عن وميض أشعة جاما مكثف بواسطة أجهزة استشعار متعددة. وكان ملاحظ عند اصطدام اثنين من قادة البرق¹كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها رصد وميض أشعة جاما الأرضية (TGF) بالتزامن مع التفريغ من البرق.

يتم ملاحظة أشعة جاما في العديد من الظواهر الكونية، كما يتم دراستها وإنشاءها بشكل نشط من خلال تجارب محددة.

تجارب ليزر أشعة جاما ودراسات الجدوى

أشعة جاما هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة الذي يتمتع بقدرة اختراق عالية ويوفر العديد من المزايافي مختلف المجالات. 

وتشمل تطبيقاتها المحتملة التصوير الطبي ودفع المركبات الفضائية، في الإصابة بالسرطاناتوالسفر بين النجوم. ونظرًا لإمكانياته الهائلة، يبحث العلماء حول العالم في صنع ليزر أشعة غاما، أو ما يُعرف بـ"جراسر"، لإنتاج أشعة غاما متماسكة. 

وقد حصل علماء من جامعة روتشستر على تمويل فيدرالي للقيام بذلك، وهو ما يقومون به دراسة جدوى مصادر الضوء المتماسكة.

في ثمانينيات القرن العشرين، اخترع جيرارد مورو ودونا ستريكلاند في جامعة روتشستر تضخيم النبض النقيق (CPA)، وهي تقنية تزيد من ذروة طاقة الليزر، وقد فازت لاحقًا بجائزة نوبل في الفيزياء عام ٢٠١٨. ومع ذلك، لم يتم تطوير ليزرات تنتج أشعة غاما بعد. ولمعالجة ذلك، يُجرون أبحاثًا خصائص التماسك للإشعاع المنبعث عندما تصطدم حزم كثيفة من الإلكترونات بحقل ليزر قوي، والتي ستساعدهم على فهم كيفية إنتاج أشعة جاما المتماسكة.

"إن القدرة على إنتاج أشعة جاما متماسكة من شأنها أن تشكل ثورة علمية في خلق أنواع جديدة من مصادر الضوء، على غرار الطريقة التي غير بها اكتشاف وتطوير مصادر الضوء المرئي والأشعة السينية فهمنا الأساسي للعالم الذري.

– المحقق الرئيسي أنتونينو دي بيازا وأستاذ فيزياء في الجامعة

ولدراسة كيفية تفاعل الإلكترونات مع الليزر لإصدار ضوء عالي الطاقة، سيبدأ الباحثون بالنظر في كيفية إصدار إلكترون أو اثنين للضوء قبل أن يبحثوا في مواقف أكثر تعقيدًا مع العديد من الإلكترونات لإنتاج أشعة جاما متماسكة. 

""نحن لسنا أول العلماء الذين حاولوا إنشاء أشعة جاما بهذه الطريقة"، قال دي بياتزا " في ذلك الوقت."لكننا نفعل ذلك باستخدام نظرية كمية كاملة - الديناميكا الكهربائية الكمية - وهو نهج متقدم لمعالجة هذه المشكلة."

يتضمن النهج الآخر لتطوير ليزر أشعة جاما إثارة الأيزومرات النووية. 

A ورقة بحثية² قبل شهرين، وضّح طريقة إثارة نوى بعض النظائر إلى حالة نووية ذات طاقة أعلى. باستخدام القصف النيوتروني، تُثار النوى المتماثلة إلى حالات متماثلة شبه مستقرة قبل تحفيز انبعاث أشعة غاما المحفز لتحقيق التماسك من النواة.

تهدف طريقتهم الجديدة و"غير التقليدية إلى حد ما" إلى حل "معضلة غراسر" عن طريق تحويل الشبكة البلورية أثناء قصف النيوترونات. 

"تتمتع هذه التقنية بالقدرة على إنشاء ليزر قوي للغاية يمكنه يستخدم في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك أسلحة الليزر،"أشار يوردان كاتساروف من قسم معدات وتقنيات الطيران، وهو جزء من أكاديمية جورجي بنكوفسكي للقوات الجوية البلغارية.

والآن نجح علماء من جامعة كولورادو دنفر في إنشاء شريحة يمكنها في يوم من الأيام أن تتمكن من فتح أشعة الليزر جاما.

هذا الجهاز الكمي الرائد، صغير الحجم بما يكفي ليناسب راحة اليد، قادر على توليد مجالات كهرومغناطيسية شديدة لم تكن ممكنة سابقًا إلا في مصادمات الجسيمات الضخمة. تتمتع هذه الشريحة، التي لا يتجاوز حجمها حجم الإبهام، بالقدرة على استبدال مصادمات الجسيمات التي يبلغ طولها أميالًا في مستقبل غير بعيد، ومساعدتنا في كشف أسرار كوننا العميقة، واختبار نظريات الأكوان المتعددة، وإنتاج ليزر أشعة غاما قوي لتدمير الخلايا السرطانية على المستوى الذري، وتمكين علاجات طبية ثورية أخرى.

مرر للتمرير →

شريحة صغيرة تجعل أحلام الليزر جاما في متناول اليد

نُشرت في مجلة Advanced Quantum Technologies، وهي مجلة تغطي الأبحاث النظرية والتجريبية في علوم الكم والمواد والتقنيات، الدراسة الاخيرة³ كان على غلاف عدد يونيو.

وكما أشارت الدراسة، فإن حصر الطاقة الكهرومغناطيسية على مستوى النانو أمر ممكن باستخدام البلازمونات.

البلازمون هو كمية من تذبذب البلازما، والتي هو تذبذب سريع لكثافة الإلكترون في البلازما أو المعادن. تتشكل هذه الجسيمات شبه الذرية من خلال تذبذبات جماعية لغاز الإلكترون في نطاق التوصيل. 

وتطلق البلازمونات المتطرفة إمكانيات لا مثيل لها، بما في ذلك الوصول إلى حقول غير مسبوقة تبلغ بيتافولت لكل متر (حقول PV/m)، وهي قوى مجال كهربائي عالية للغاية، والتي أشارت الدراسة إلى أنها "تفتح إمكانيات جديدة واسعة النطاق، بما في ذلك تلك الموجودة في فيزياء الجسيمات وعلوم الفوتون من خلال الحبس النانومتري للطاقة الكهرومغناطيسية واسعة النطاق".

لذلك، قام الباحثون بتطوير نموذج تحليلي لهذه الفئة من البلازمونات بالاعتماد على إطار الحركية الكمومية.

لقد تم تحقيق هذا الاختراق الأخير في جامعة كولورادو دنفر بهدف إحداث ثورة في فهمنا للفيزياء والكيمياء.

"إنه أمر مثير للغاية لأن هذه التكنولوجيا ستفتح مجالات جديدة بالكامل للدراسة وسيكون لها تأثير مباشر على العالم."

– عكاش ساهاي، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية في جامعة كاليفورنيا في دنفر

يقترب ساهاي، إلى جانب كاليان تيرومالاسيتي، وهو طالب في مختبره يعمل معه على هذه التكنولوجيا، من توفير أداة جديدة للمجتمع العلمي لمساعدتهم على تحويل الخيال العلمي إلى حقيقة.

في الماضي، شهدنا اختراقات تكنولوجية دفعتنا إلى الأمام، مثل البنية دون الذرية التي أدت إلى ظهور الليزر ورقائق الكمبيوتر ومصابيح LED. هذا الابتكار، الذي ويستند أيضا وأضاف ساهاي: "إن ما يحدث في مجال العلوم المادية هو نفس الشيء". حاصل على درجة الدكتوراه في فيزياء البلازما من حصل على درجة الدكتوراه من جامعة ديوك ودرجة الماجستير في الهندسة الكهربائية من جامعة ستانفورد.

ماذا لديه تم تحقيقه في هذه الدراسة طريقة لإنشاء مجالات كهرومغناطيسية متطرفة في المختبر والتي كانت مستحيلة في السابق.

هذه المجالات الكهرومغناطيسية تغذي كل شيء بدءا من رقائق الكمبيوتر لدينا وحتى مصادمات الجسيمات الفائقة، التي تعمل على تسريع وتصادم الجسيمات دون الذرية عند طاقات عالية للغاية للحصول على رؤى حول طبيعة المادة والطاقة والكون المبكر. 

يحدث ذلك عندما تهتز الإلكترونات في مادة ما وترتد بسرعات عالية للغاية، فتنشأ هذه المجالات الكهرومغناطيسية تم انشاؤها.

ومع ذلك، فإن إنشاء مجالات قوية بما يكفي لإجراء تجارب متقدمة يتطلب مرافق ضخمة ومكلفة.

على سبيل المثال، يستخدم العلماء الذين يبحثون في المادة المظلمة آلات مثل مصادم الهدرونات الكبير (LHC). في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، سيرن، والتي أكبر مختبر لفيزياء الجسيمات في العالم يقع في سويسرا. LHC هو أقوى مسرع جسيمات في العالم، يتضمن المشروع حلقة من المغناطيسات الفائقة التوصيل بطول 16.7 ميلاً (27 كيلومترًا) مع العديد من الهياكل المتسارعة لتعزيز طاقة الجسيمات على طول الطريق.

يتطلب إجراء تجارب بهذا الحجم موارد هائلة. ليس فقط أنها مكلفة للغاية، بل قد تكون شديدة التقلب أيضًا.

وللتغلب على هذه المشكلة، قام مختبر ساهاي ببناء مادة شبيهة بالرقاقة تعتمد على السيليكون (Si)، بحجم الإبهام.

السيليكون هو شبه موصل يمكن تغيير خصائصه (التوصيل الكهربائي) عن طريق إضافة الشوائب (التنشيط) ويُستخدم في تصنيع الرقائق الدقيقة الموجودة في الأجهزة اليومية مثل الهواتف المحمولة، وكذلك السيارات ذاتية القيادة.

تستطيع هذه المادة الجديدة الشبيهة بالرقاقة التعامل مع حزم الجسيمات عالية الطاقة والتحكم في تدفقها. كما تتيح للعلماء والباحثين الوصول إلى المجالات الكهرومغناطيسية التي يتم إنتاجها من خلال اهتزازات أو تذبذبات غاز الإلكترون الكمومي. ويتحقق كل هذا في مساحة صغيرة.

إن الحركة السريعة (التذبذبات) تخلق المجالات الكهرومغناطيسية، في حين تمكن تقنية ساهاي المادة من إدارة تدفق الحرارة الناتج عن الاهتزاز وتساعد في الحفاظ على العينة مستقرة وسليمة.

إن التحكم بتدفق الطاقة العالي هذا مع الحفاظ على البنية الأساسية للمادة هو الإنجاز الكبير. هذا الإنجاز التكنولوجي يُمكن أن يُحدث تغييرًا حقيقيًا في العالم. يتعلق الأمر بفهم كيفية عمل الطبيعة. واستخدام تلك المعرفة لإحداث تأثير إيجابي على العالم."

- تيرومالاسيتي

يمكن لتكنولوجيتهم يحتمل تقليص حجم المصادمات الطويلة إلى شريحة وتمكين العلماء من رؤية النشاط بشكل لم يسبق له مثيل من قبل.

وقد تقدمت الجامعة بالفعل بطلبات للحصول على براءات اختراع مؤقتة لهذه التكنولوجيا، وحصلت عليها، سواء في الولايات المتحدة أو على الصعيد الدولي.

ومع ذلك، فإن التطبيقات العملية لهذه التكنولوجيا في العالم الحقيقي سوف تستغرق سنوات حتى تتحقق. 

في الواقع، بدأت بعض الأعمال التأسيسية للتكنولوجيا منذ سبع سنوات في عام ٢٠١٨، عندما نشر سهاي بحثه عن مسرعات المادة المضادة، قال:

"سيستغرق الأمر بعض الوقت، ولكن خلال حياتي، من المحتمل جدًا أن يحدث ذلك."

وقد قلت ذلك، إنها تمتلك إمكانات كبيرة لمساعدتنا على فهم أفضل للطريقة التي يعمل بها الكون على نطاقه الأساسي وبالتالي تحسين الحياة. وكما أشار ساهاي، فإن هذا من شأنه أن يجعل من أشعة جاما ليزرًا واقعيًا.

يمكننا تصوير الأنسجة بدقة، ليس فقط حتى نواة الخلايا، بل حتى نواة الذرات الكامنة وراءها. هذا يعني أن العلماء والأطباء سيتمكنون من رؤية ما يحدث على المستوى النووي، مما قد يُسرّع فهمنا للقوى الهائلة المسيطرة على هذه المقاييس الصغيرة، ويؤدي في الوقت نفسه إلى تحسين العلاجات والأدوية الطبية. وفي نهاية المطاف، يمكننا تطوير ليزر أشعة غاما لتعديل نواة الخلايا وإزالة الخلايا السرطانية على المستوى النانوي.

يمكن لتقنية "البلازمونات المتطرفة"، والتي هي أيضًا عنوان الدراسة، أن تساعدنا أيضًا في اختبار إمكانية وجود تعدد الأكوان.

لم ينتهِ العمل على الشريحة الصغيرة بعد. سيركز كلٌّ من ساهي وتيرومالاسيتي الآن على تحسين مادة شريحة السيليكون وتقنية الليزر في مختبر SLAC الوطني للمسرّعات، وهو منشأة عالمية المستوى تديرها جامعة ستانفورد وتمولها وزارة الطاقة الأمريكية، حيث تم اختبار التكنولوجيا.

محاكاة الفراغ الكمومي باستخدام الليزر فائق القوة

وكما رأينا، من الكون إلى المختبر، فإن فهمنا للضوء الأكثر تطرفًا في الكون يتطور بسرعة. 

لقد قمنا بتصوير انفجارات أشعة جاما من النجوم النابضة البعيدة، وشهدنا انفجارات هائلة توهج الثقوب السوداء في مجدٍ عالٍ الطاقة، حتى أننا سجّلنا تصادماتٍ شبيهةً بالبرق تُنتج ومضات غاما الأرضية. والآن، نتعلم إعادة خلق ظروفٍ مماثلة هنا على الأرض. 

قبل بضعة أشهر، قام علماء الفيزياء في جامعة أكسفورد بمحاكاة مدى قدرة أشعة الليزر الشديدة على توليد الضوء حيث لا يوجد شيء من هذا القبيل، محولين المفهوم النظري إلى حقيقة واقعة. 

ما تمكن الفيزيائيون من فعله هو أنهم تمكنوا، لأول مرة على الإطلاق، من إنشاء محاكاة ثلاثية الأبعاد لكيفية تأثير أشعة الليزر الشديدة على الفراغ الكمومي وتغييره.

نُشرت في مجلة Communications Physics، دراسة⁴ التفاصيل باستخدام النمذجة الحسابية المتقدمة لمحاكاة مدى قوة تفاعل الليزر مع الفراغ الكمومي، وكشف في هذه العملية كيف ترتد الفوتونات عن بعضها البعض وتنتج حزمًا جديدة من الضوء.

أعادت عمليات المحاكاة إنشاء عملية خلط الموجات الأربع في الفراغ (FWM)، وهي ظاهرة تنبأت بها الفيزياء الكمومية التي تنص على أن المجال الكهرومغناطيسي المشترك لثلاث نبضات ليزر مركزة يمكن أن يستقطب أزواج الإلكترون والبوزيترون الافتراضية في الفراغ، مما ينتج شعاع ليزر جديد في ما يسمى بعملية "الضوء من الظلام". 

"هذا ليس مجرد فضول أكاديمي، بل هو خطوة كبيرة نحو التأكيد التجريبي للتأثيرات الكمومية التي كانت حتى الآن نظرية في الغالب."

- المؤلف المشارك في الدراسة بيتر نوريس، أستاذ في جامعة أكسفورد

المحاكاة تم تشغيلها باستخدام نسخة متقدمة من برنامج المحاكاة (OSIRIS)، الذي يقوم بمحاكاة الليزر تفاعل الحزم مع البلازما أو المادة.

يمنحنا برنامجنا الحاسوبي نافذةً ثلاثية الأبعاد، مُحددة زمنيًا، على تفاعلات الفراغ الكمومي التي كانت بعيدة المنال سابقًا. بتطبيق نموذجنا على تجربة تشتت ثلاثية الحزم، تمكنا من التقاط النطاق الكامل للبصمات الكمومية، بالإضافة إلى رؤى تفصيلية لمنطقة التفاعل والمقاييس الزمنية الرئيسية.

- زيكسين (ليلي) تشانغ، المؤلف الرئيسي للدراسة وطالب دكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد

ويستخدم الباحثون هذه النماذج لتصميم تجارب في العالم الحقيقي، مثل أشكال الليزر وتوقيتات النبضات. علاوة على ذلك، يمكن أن توفر عمليات المحاكاة رؤى جديدة حول كيفية تأثير حتى التباينات الصغيرة في هندسة الشعاع على النتيجة وكيفية تقدم التفاعلات في الوقت الفعلي.

وبالإضافة إلى المساعدة في التخطيط لتجارب الليزر عالية الطاقة في المستقبل، يعتقد الفريق أن الأداة يمكن أن تساعد أيضًا في البحث عن علامات على وجود جسيمات دون ذرية افتراضية مثل الأكسيونات، وهو مرشح رائد للمادة المظلمة.

"سيتم إجراء مجموعة واسعة من التجارب المخطط لها في مرافق الليزر الأكثر تقدمًا سيتم مساعدته بشكل كبير قال لويس سيلفا، الباحث المشارك في الدراسة والأستاذ في المعهد التقني العالي بجامعة لشبونة: "بفضل طريقتنا الحسابية الجديدة المُطبّقة في نظام أوزيريس، نجحنا في تحقيق ذلك". وأضاف: "إن الجمع بين الليزر فائق الكثافة، وأحدث تقنيات الكشف، والنمذجة التحليلية والعددية المتطورة، يُشكّل أساسًا لعصر جديد في تفاعلات الليزر والمادة، مما سيفتح آفاقًا جديدة للفيزياء الأساسية".

الاستثمار في تقنية الليزر

نظرًا لأن ليزر أشعة جاما لم يتم تطويره بعد تم تحقيقهاسوف ننظر في إمكانات الاستثمار لشركة تعمل في مجال تكنولوجيا الليزر العامة. 

L3 هاريس تكنولوجيز (LHX ) شركة رائدة في مجال الفوتونيات المتقدمة وأنظمة الليزر عالية الطاقة للدفاع والفضاء. تُنتج الشركة مجموعة متنوعة من أنظمة الليزر، المعروفة بحجمها الصغير وأدائها العالي. 

بقيمة سوقية تبلغ 50.7 مليار دولار أمريكي، يُتداول سهم LHX حاليًا عند 272.31 دولارًا أمريكيًا، بارتفاع نسبته 29% منذ بداية العام. في وقت سابق من هذا الشهر، بلغ سعر سهم الشركة مستوى قياسيًا جديدًا عند 280.52 دولارًا أمريكيًا، بارتفاع تجاوز 45% منذ أدنى مستوى له في أبريل. وبذلك، يبلغ ربح السهم الواحد (لآخر 8.96 سنوات) 30.27 دولارًا أمريكيًا، ونسبة السعر إلى الربحية (لآخر XNUMX سنوات) XNUMX دولارًا أمريكيًا.

يمكن لمساهمي LHX الاستمتاع بعائد أرباح بنسبة 1.77%.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، أعلنت شركة L3Harris Technologies عن إيرادات بلغت 5.4 مليار دولار أمريكي وطلبيات بقيمة 8.3 مليار دولار أمريكي للربع الثاني من عام 2. وبلغ هامش الربح التشغيلي للشركة 2025%، بينما بلغ هامش الربح التشغيلي المعدل للقطاع 10.5%. في الوقت نفسه، بلغ ربح السهم المخفف 15.9 دولار أمريكي، بينما بلغ ربح السهم المخفف غير المتوافق مع مبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 2.44 دولار أمريكي، بزيادة قدرها 16%.