نظرية جديدة تكشف عن شكل الفوتون الواحد

الفوتونات هي قطع الضوء الصغيرة، تحمل طاقة وكمية حركة رغم أنها لا تملك كتلة ثابتة. ظلت تصنّف على أنها نقاط صغيرة يحدد مكانها احتمال رياضي وفق ميكانيكا الكم، لكن معرفة وجودها في الزمان والمكان ظلت صعبة بسبب طريقة تفاعل الضوء مع المادة.

"شكل الفوتون" يعني كيف ينتشر وجوده في الزمان والمكان، وليس حجمه الفيزيائي، بل الخريطة الاحتمالية التي يظهر فيها ويتفاعل. الجانب المكاني يوضح انتشاره في الفضاء، والزماني يوضح تغير طاقته مع مرور الوقت.

حقق فريق من جامعة برمنغهام خطوة واضحة باستخدام الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED)، حيث استطاع لأول مرة تحديد شكل الفوتون بدقة. الدراسة التي نشرتها مجلة Physical Review Letters أوضحت كيف يتولد الفوتون من تفاعل المصدر المحيط، مثل الذرات والجزيئات، وهو التفاعل الذي يغيّر بنيته. هذا التداخل يصعّب النمذجة، لكن الفريق وضع نموذجًا يوضح انتقال الطاقة ويمنح صورة واضحة للفوتون.

أظهر العلماء أن طريقة الإصدار، سواء كانت فلورة أو انبعاثًا تلقائيًا، تحدد الشكل النهائي للفوتون. كما أن البيئة المحيطة، مثل الحقول الكهرومغناطيسية، تعدل خصائصه المكانية والزمانية. باستخدام أدوات رياضية خاصة، وصفوا الفوتون ككيان ملموس يملك شكلًا يُقاس.

أبرز ما توصلت إليه الدراسة: شكل الفوتون يرتبط بالانتقال الكمومي داخل المصدر، وليس بالضرورة متماثلًا مع الوقت، كما أن شكله يعكس درجة تماسكه الكمومي، وهي صفة أساسية في الحوسبة والاتصالات الكمومية.

أكدت التجارب النتائج باستخدام تقنيات بصرية متقدمة، منها تداخل الفوتونات، وأجهزة الكشف أحادية الفوتون، والتصوير المقطعي الكمومي. سمحت تلك الأدوات بإعادة بناء شكل الفوتون المكاني والزماني بدقة عالية.

تكمن قيمة الإنجاز في إمكانية تحسين تصميمات الأنظمة البصرية النانوية، وشبكات الاتصالات الكمومية، والاستجابة الضوئية في تقنيات متعددة. كما يُتاح تطوير خلايا ضوئية ومجسات أكثر كفاءة، وتعزيز التصوير الطبي عبر التفاعل الموجه بين الفوتونات والأنسجة.