ضوء بالغ الشدة

إن تبئير ضوء قدرته تقارب قدرة 1000 سد مثل سدّ هوڤر، في نقطة

حجمها كحجم نواة خلية، سيسرِّع الإلكترونات حتى سرعة

تقارب سرعة الضوء في مدة زمنية تبلغ فمتوثانية.

يطلق ليزر الطاولة نبضات قدرتها تيراواط (1012واط) عشر مرات في الثانية، ليصيب بترة قماش رقيقة في مقدمة الصورة. أُخذت الصورة في ثلاثة تعريضات للضوء كي تغطي مجال الشدات الواسع.

إن حلم تقوية (تكثيف) الضوء قديم قدم الحضارة. إذ تروي الأسطورة حتى أرخميدس باءر أشعة الشمس بمرآة ضخمة، مما أدى إلى إحراق الأسطول الروماني في سيراكوس عام 212 ق.م (قبل الميلاد). ومع حتى هذه السيرة خرافة، إلا أنه من المعروف حتى يونانيا آخر، هوديوكليس، اخترع أول عنصر تبئير بصري مثالي هوالمرآة الإهليلجية (البترية) عام 200 ق.م تقريبا. وبعد ألفي عام من ذلك، جُمعت المرايا والميكانيك الكمومي معا، لتصنيع أعلى المنابع الضوئية شدة وأكثرها مطواعية: الليزر. يعدّ ليزر نوڤا Nova مثالا نموذجيا جيدا لليزرات القدرة العالية، وقد عَمِل في مختبر لورنس ليڤرمور الوطني بين عامي 1985 و1999، وسمي كذلك لأن لمعانه يشبه لمعان نجم ينفجر. إذا نوڤا من أضخم الليزرات التي بنيت حتى الآن، إذ يضم عشر سلاسل متوازية من المضخمات الليزرية، تشغل حيزا قدره 300 قدم، وتوجه مرايا مصنوعة من كتل زجاجية تزن جميع منها 400 رطل حزم الليزر إلى أهداف بغية إحداث اندماج نووي وغير ذلك من التجارب. ولا يطلق ليزر نوڤا نبضاته أكثر من عدة مرات في اليوم، لتفادي التسخين المفرط. ومن الواضح حتى تحقيق قدرته الفائقة الارتفاع تطلب الكثير من الطاقة.

غير حتى القدرة ليست إلا معدل إعطاء الطاقة مع الزمن، لذلك هناك مقاربة أخرى للوصول إلى قدرة فائقة الارتفاع، هي إطلاق كمية متواضعة من الطاقة خلال مدة زمنية متناهية في الصغر. كان عرض نبضات ليزر نوڤا العادية واسعا نسبيا مقارنة بالليزرات الحالية السريعة جدا (كان قرابة ثلاثة نانوثوان) وتطلبت جميع نبضة عدة كيلوجول من الطاقة. وباستخدام نبضات عرضها أقل من ذلك بعشرة آلاف مرة نحصل على نوع حديث من الليزرات، يمكن حتى توضع على طاولة(3)، وتعطي قدرة مماثلة لتلك التي يعطيها ليزر نوڤا [انظر: «ليزرات النبضات البالغة القصر: فوائد جمة في ومضة»، مجلة العلوم ، العددان8/9(2001)، ص 62]. فمثلا تصل قدرة ليزر فائق القدرة، يعطي طاقة قدرها جول واحد في نبضة عرضها 100 فمتوثانية، إلى تريليون واط (1013W أوعشرة تيراواط)، وهذا أكبر من خرج جميع محطات توليد الطاقة في العالم مجتمعة.

يمكن لهذه الليزرات المدمجة حتى تطلق مائة مليون طلقة (نبضة) في اليوم، وتستطيع حتى هجرز قدرتها في بقعة حجمها ميكرون واحد، معطية أعلى شدة ضوئية عهدت على الأرض. ويرافق كثافات القدرة الهائلة هذه، أعلى حقل (مجال) كهربائي أمكن إنتاجه، إذ تبلغ شدته تريليون ڤلط في السنتيمتر. إذا تآثر ضوء ليزري شديد كهذا مع المادة، يُحدثُ الشروط الفيزيائية الحدية، التي يمكن حتى توجد فقط في لب النجوم، أوفي جوار ثقب أسود، حيث يوجد أعلى درجات الحرارة التي تصل إلى 1010 كلڤن، وأشد الحقول المغنطيسية التي تصل إلى109 گاوس، وأعلى التسارعات التي تَكْبر تسارع الثنطقة الأرضية بِـ 1025 مرة. ولما كانت كلفة هذه الليزرات بحدود مليون دولار، وليس بضع مئات من الملايين من الدولارات، فهي ستساعد، على إعادة «العلوم الكبيرة»(4)، إلى المختبرات الجامعية العيارية (القياسية) وإلى بلدان ذات ميزانية درس محدودة. وقد بني العشرات من مثل هذه النظم في مختلف دول العالم في السنوات القليلة الماضية، للاستخدام في فروع فيزيائية عدة، بما فيها الفيزياء النووية والفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات العالية الطاقة والنسبية العامة. وقد أدخل هذا الجيل الجديد من الليزرات تطبيقات عدة، مثل ليزر الأشعة السينية ومسرعات الجسيمات فوق المدمجة ultracompact والتصوير الشعاعي الطبي الدقيق. ويبدي هذا الجيل من الليزرات أملا كبيرا في إمكان استخدامها في المعالجة الإشعاعية وفي تحسين توليد الطاقة بالاندماج النووي.

السبيل إلى ذلك

إن تطور ليزرات الطاولة في السنوات الخمس التي تلت اختراع الليزر عام 1960 كان على شكل سلسلة من الوثبات التقنية، حتى وصلت إلى قدرة مقدارها جيكاواط (109 واط). ثم تراخى التقدم في القدرة خلال العشرين عاما التالية. ولم تزد القدرة الأعظمية لليزرات الطاولة كثيرا. فكانت الطريقة الوحيدة لزيادة القدرة هي بناء ليزرات أكبر وأكبر. وكانت محاولة تشغيل الليزر، بعد الشدة الحدية، ستؤدي إلى تأثيرات لاخطية غير مرغوب فيها، في عناصره الضوئية، مما يفسد جودة الحزمة، حتى إنه يمكن حتى يخرب مكوناتها. لكن في عام 1985 أمكن التغلب على معضلة التخريب الضوئي، بالاستفادة من تقنية تضخيم النبضة المغردة chirped pulse amplification (CPA) ، التي اقترحتها مجموعة درس يقودها أحدنا (مورو). عندئذ قفزت قدرة ليزرات الطاولة بمضروب يتراوح بين 103 و105 مرة.

إن «تغريد» إشارة أوموجة، يعني إطالة أمدها الزمني. والمستوى الأولى، في تقنية تضخيم النبضة المغردة، هي إنتاج نبضة في هزاز، ثم مطها زمنيا بما يعادل 103 إلى 105 مرة مدتها الزمنية (انظر الشكل في الصفحة 59). وتُضعف هذه العملية شدة النبضة بالمقدار نفسه، مما يمكّن من تطبيق تقنيات تضخيم الليزر العادية على هذه النبضة. وفي النهاية، يمكن إعادة ضغط النبضة إلى زمنها الأصلي، بوساطة أداة عَتِيَّة شديدة، مثل زوج من شبيكات الانعراج في الخلاء، مما يزيد من قدرة النبضة بمقدار 103 إلى 105 مرة من القدرة الحدية للمضخم. ويبدأ المثال النموذجي بنبضة أولية تستمر 100 فمتوثانية وتملك طاقة قدرها 0.2 نانوجول. نمطُّها بمعامل قدره 104 حتى تصل إلى النانوثانية (مما يؤدي إلى تخفيض قدرتها من 2 كيلوواط إلى 0.2 واط). ثم نضخمها بمقدار عشر مراتب لتصبح طاقتها 2 جول وقدرتها 2 جيگاواط. وعند إعادة ضغط النبضة إلى 100 فمتوثانية تزداد قدرتها إلى 20 تيراواط. إذا إرسال النبضة الأصلية، التي قدرتها 2 كيلوواط، من دون استخدام هذه التقنية، عبر مضخم طاولة، سيخرب المضخم ما لم نزد مساحة مبتره بمعامل قدره 104 مرة، وننشر الحزمة على هذه المساحة. إلى غير ذلك فإن تقنية تضخيم النبضة المغردة، تجعل من الممكن استخدام المضخمات الليزرية التقليدية، مع البقاء دون مستوى حدوث التأثيرات اللاخطية.

لم يكن إتقان تقنية تضخيم النبضة المغردة بالسهولة التي نعرضها. إذ إذا الأدوات النموذجية، التي تمط أوتضغط النبضات، لا تقوم بذلك بشكل خطي تماما، كما حتى النتيجة ستفشل ما لم تتوافق صفات المغرِّد والضاغط توافقا مضبوطا.

وقد حدثت زيادة في الشدات الضوئية في السنوات الأخيرة الماضية، مع تطور البصريات المصحِّحة corrective optics، التي تسمح بتبئير الحزم الليزرية في بقع أصغر كثيرا مما في السابق. فمنح هذا التطور، إلى جانب التحسينات الإضافية في تقنيات ضغط النبضات، نبضات لها أعظم شدة ممكنة من طاقة ضوئية معطاة.

لقد فتحت هذه الزيادة في القدرة والشدة، في التسعينات، آفاقا جديدة في نظم التآثر بين الضوء والمادة، عهد باسم البصريات النسبوية، حيث يسرِّع الضوء الإلكترونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء. ولم يكن من الممكن الوصول إلى ذلك قبل تقنية تضخيم النبضة المغردة إلا بمنظومات ليزرية ضخمة وغالية الثمن.

البصريات النسبوية

إن البصريات، هي دراسة كيفية استجابة الإلكترونات للضوء. وقد لا يتوافق هذا التعريف ظاهريا مع ما يعتقده الناس عن البصريات، كانعكاس الضوء عن المرايا، أوانكساره عن ماء بركة السباحة. لكن مع ذلك، فإن جميع الخواص الضوئية للمادة هي نتائج لكيفية تآثر الضوء مع الإلكترونات في المادة. فالضوء موجة مؤلفة من حقلين كهربائي ومغنطيسي مترابطين يهتزان بشكل متزامن بترددات عالية جدا. ويهتز هذان الحقلان بشكل يعامد أحدهما الآخر، وكلاهما يعامد اتجاه انتشار الضوء [انظر الشكل في الصفحة 60]. وعندما يصادف إلكترون موجة ضوئية ذات قدرة عادية، فإن حقلها الكهربائي يطبق قوة على الإلكترون، فيجعله يهتز. ويكون هذا الاهتزاز باتجاه مواز للمجال الكهربائي وبنفس تردده، لكنه ليس من الضروري حتىقد يكون متفقا بالطور مع الموجة الضوئية. إذ قد يحدث اهتزاز الإلكترون متأخرا أومتقدما عن الموجة الضوئية بحسب ارتباطه بذرات المادة. وبدورها فإن سعات وأطوار هذه الاهتزازات الإلكترونية هي التي تحدد كيفية انتشار الموجة الضوئية عبر المادة، مضفيا على المادة خواصها الضوئية.

نظرة إجمالية إلى الضوء البالغ الشدة

▪ مكَّنت طريقة لتضخيم الليزر اختُرعت في منتصف الثمانينات من ظهور جيل حديث من ليزرات الطاولة التي تعطي نبضات قصيرة جدا ذات شدة ضوئية بالغة.

▪ يتآثر الضوء الذي له تلك الشدة مع المادة بطرق جديدة فيعطي الإلكترونات دفعا مباشرا يوصلها إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، خلال فمتوثوان. وتسرع هذه الليزرات الجسيمات بمعدل يزيد بمقدار 000عشرة مرة على معدل المسرعات القياسية (العادية).

▪ تضم التطبيقات المحتملة التصويرَ الطبي العالي الميز، والمعالجة الإشعاعية الدقيقة الرخيصة، والاندماج النووي، والأبحاث في مجالات فيزيائية فرعية عدة.

تكون السعات، في البصريات التقليدية، صغيرة بما يكفي لأن تكون سرعات اهتزاز الإلكترونات صغيرة جدا دائما مقارنة بسرعة الضوء. لكن مع ابتكار شدات ليزرية تزيد على 1018 واط لكل سنتيمتر مربع، قاربت سرعة اهتزاز الإلكترونات سرعة الضوء، ومن ثم ستغير التأثيرات النسبوية كيفية استجابة الإلكترونات للضوء بصورة جذرية.

أولا، ستزيد السرعة العالية من كتلة الإلكترون، مما يؤثر في سعة اهتزازاته وطورها. والأهم من ذلك حتى الحقل المغنطيسي للموجة يبدأ بأخذ دور ملموس. إذا الحقل المغنطيسي لا يطبق قوة على الشحنة الكهربائية إلا إذا كانت متحركة. وتكون هذه القوة ضئيلة في مجال البصريات التقليدية. لكن من أجل الإلكترونات التي تكون سرعة اهتزازها قريبة من سرعة الضوء فإنها ستعقص curl مسارات الإلكترونات معطية إياها زخما (اندفاعا) هائلا في اتجاه الحزمة الضوئية. ويؤدي هذا المفعول دورا مركزيا في البصريات النسبوية.

ثانيا، يمكننا عادة حتى نهمل تآثر الضوء مع نوى الذرات، لأن الپروتونات أثقل من الإلكترونات بنحو2000 مرة، وبذا فاهتزازها أضعف بكثير من اهتزاز الإلكترونات. لكن عند الشدات العالية يبدأ الضوء بتحريك الپروتونات بسرعات نسبوية عالية أيضا. ويمكن حتى نطلق على ذلك النظام اسم البصريات النووية، نظرا للتنوع الكبير للعمليات النووية الممكنة الحدوث، كالاندماج النووي.

من «0 إلى 60» ميگاإلكترون ڤلط في المليمتر

إن أكثر التطبيقات وضوحا للقوة النسبوية الناتجة من حزمة ليزرية فائقة الشدة هوتسريع الجسيمات. فلمسرعات الجسيمات المشحونة استخدامات عديدة، من أنابيب الأشعة المستخدمة في التلفاز إلى معالجة السرطان، إلى دراسة القوى الأساسية في الكون. وما تشهجر فيه هذه المسرعات هوحتى الجسيمات جميعا، كالإلكترونات أوالپروتونات، يجري تسريعها بتأثير حقول كهربائية أومغنطيسية. ومع حتى الموجات الضوئية، في نظام البصريات التقليدية، يمكن حتىقد يكون لها حقول كهربائية شديدة تقارب في شدتها الشدة الناتجة من وميض برقي، فإن هذه الحقول في حد ذاتها غير فعالة في تسريع الجسيمات، لأنها تهتز بشكل مستعرض. وباللقاء عندما تصطدم نبضة ضوئية فائقة الشدة بالپلازما (غاز مكوّن من إلكترونات وأيونات موجبة)، فإنها تدفع الإلكترونات إلى الأمام بسرعة تقترب من سرعة الضوء كما ذكرنا آنفا. لكن ذلك ليس نهاية السيرة، فالأيونات الموجبة الشحنة للپلازما، بسبب كونها أثقل بآلاف المرات من الإلكترونات، فإنها ستتخلف متأخرة عنها. وسيؤدي انفصال الشحنات الموجبة عن السالبة إلى نشوء حقل كهربائي شديد، يمكن استخدامه لتسريع جسيمات أخرى. وتنتشر منطقة الحقل الكهربائي الشديد، خلال الپلازما، كموجة تقتفي أثر النبضة الضوئية، وستُسرِّع الجسيمات المشحونة كي تبلغ طاقات عالية في مجالات المخْر(5) الليزرية laser wake fields، تماما كما تكتسب الدلافين الطاقة عن طريق السباحة بالتوافق (بالتزامن) مع مخْر سفينة. وقد اقترح <T. تاجيما> و<M .J. دوسون> مسرعات مجال المخْر الليزرية للمرة الأولى عام 1979، عندما كانا في جامعة كاليفورنيا بلوس أنجلوس.

== إذا الليزرات الفائقة الشدة التي يمكن وضعها على طاولة، تعيد «الفهم الكبير» إلى المختبرات الجامعية النموذجية. ==

إن عملية تحويل الحقل الكهربائي المهتز للموجة الضوئية إلى حقل مخْر يتجه باتجاه واحد دائما تسمى التقويم rectification، بالمشابهة مع المقوِّمات في الإلكترونيات التي تحوِّل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC). تستخدم المسرعات التقليدية، مثل مسرع ستانفورد الخطي الذي يبلغ طوله ثلاثة كيلومترات، مجاوبات معدنية لتقويم الموجات الراديوية، كي تدفع kick الشحنات بصورة متكررة على طول خط الحزمة (إن الموجات الراديوية هي موجات كهرمغنطيسية، مثل الضوء، لكن تردداتها أصغر منها بكثير وأطوال موجاتها أكبر)، وكان لا بد من حتىقد يكون طول مسرع ستانفورد ثلاثة كيلومترات لبلوغ الطاقة المستهدفة للجسيمات، نظرا لمحدودية مجال التسريع في جميع مجاوبة. ويمكن زيادة شدة الحقل باستخدام موجات ميكروية ذات أطوال موجية أقصر وشدات أعلى، لكن كلتا الخاصتين محدودة بالمجاوبة. إذ إذا حجم المجاوبة يحدّ من طول الموجة، وتؤدي الشدة العالية إلى انهيار إلكتروني (شرارة) لجدران المجاوبة المعدنية. لكن مسرعات حقل المخْر الليزرية تتفادى هذه الحدود بإلغاء المجاوبة. لذا يمكن حتى تسرع الجسيمات مباشرة، بالنبضات الفائقة الشدة، بنفس كيفية توليد الإلكترونات النسبوية من قبل الحزمة، مما يسمح بالاستغناء عن الپلازما.

في السنوات القليلة الماضية، ولدت مسرعات الإلكترونات والپروتونات العاملة بالليزر حزما ذات طاقات تزيد على 50 مليون إلكترون ڤلط، وهذا يقارب ما يعطيه مسرّع تقليدي (طوله بضعة أمتار) ذوفترة واحدة. غير حتى المنظومة الليزرية تبلغ الطاقة نفسها بطول مليمتر واحد.

تضخيم النبضة المغردة

إن السبيل إلى الحصول على ليزرات الطاولة الفائقة الشدة هوتقنية تدعى «تضخيم النبضة المغردة». حيث تمط نبضة أولية، أي تزداد فترة تغريدها، بمقدار 104 مرة، بوساطة زوج من شبيكات الانعراج مثلا. تمتلك النبضة الممطوطة شدة ضعيفة، مما يسمح بتضخيمها بمضخم ليزري صغير. ويقوم زوج ثان من شبكات الانعراج بإعادة ضغط النبضة، مما يحمل شدتها بمقدار 104 مرة من الشدة العظمى التي كان يمكن حتى يتحملها المضخم.

إن للتسريع الفوري ذي التدرج العالي فوائد عدة. فمثلا، حصل أحدنا <D. أومستاتر> على حزم إلكترونية طاقتها عدة ملايين إلكترون ڤلط، ولها سطوع brightness (هوفي الواقع هجريز الجسيمات في الحزمة)، يفوق سطوع الحزم الناتجة من المسرعات التقليدية لأن الشحنات التي تحزم في نبضة واحدة لا يتاح لها مدة زمنية كافية لتعصف بها قواها الكهرسكونية الذاتية مفرقة إياها. إضافة إلى ذلك، فقد بيَّن باحثون حتى المسرعات الليزرية الرخيصة مناسبة للكثير من التطبيقات المماثلة لما تقوم به المسرعات التقليدية، مثل إنتاج نظائر مشعة قصيرة العمر تستخدم في التشخيص الطبي، وتوليد حزم نيوترونية وپوزيترونية لدراسة المواد. تولد المنظومات الليزرية حزما ذات توزع عريض نسبيا من طاقات الجسيمات، إلا حتى ذلك غير مرغوب فيه في بعض التطبيقات. يُضاف إلى ذلك حتى النظم التقليدية تربط معا عددا من مراحل المسرع، كما في مصادم SLAC، والتيڤاترون Tevatron في مختبر فِرمي الذي يبلغ محيط حلقته الأساسيةسبعة كيلومترات. باللقاء فإن الأبحاث الحالية على منظومات المسرعات الليزرية هجرز على إنقاص توسع طاقة الحزمة، وعلى تحقيق مراحل متعددة لزيادة طاقتها. ويتحرى الباحثون أيضا إمكان استخدام أدلة الموجة waveguides، لزيادة المسافة التي يواصل حقل المخْر تسريع الجسيمات على طولها.

تآثر الضوء مع المادة

البصريات النسبوية يجبر الحقل الكهربائي للضوء العادي الشدة (الموجات الحمراء في الشكل a) الإلكترونات على الاهتزاز بسرعات صغيرة نسبيا. أما عند الشدات البالغة القوة، فإن الإلكترونات تهتز عند سرعة تقترب من سرعة الضوء، ويسبب الحقل المغنطيسي للضوء (الموجات الزرقاء) اندفاع إلكترونات إلى الأمام بزخم عالٍ جدا.

تقوم نبضة ليزرية فائقة الشدة (مضافة باللون الأزرق) مبأرة على نفثة من غاز الهليوم بوساطة مرآة إهليلجية، بتسريع الإلكترونات من الغاز إلى 60 ميگاإلكترون ڤلط في مليمتر واحد. وتكشف لوحة فلوريسينية (الجزء العلوي في اليمين) عن هذه الحزمة من الإلكترونات العالية الطاقة

التسريع بحقل المخْر عندما يضرب ضوء عالي الشدة پلازما سيدفع بالإلكترونات حتى تصل إلى سرعات عالية جدا، تاركة الأيونات الموجبة الثقيلة (اللون الأخضر) وراءها، فيتولد حقل كهربائي قوي (اللون الأحمر) بين هذه الشحنات المتباعدة. إذا انفصال الشحنات هذا، والحقل الكهربائي المرافق، يقتفي أثر مخر الضوء ويمكنه حتى يُسرع جسيمات مشحونة أخرى حتى يوصلها إلى طاقة عالية جدا.

تخوم الطاقة العالية

إننا لا نتسقط حتى تحل المسرعات الليزرية محل المسرعات التقليدية في منشآت فيزياء الجسيمات العالية الطاقة، مثل التيڤاترون. وإنما ستكمل وتعاضد النظم الحالية، بما لها من مميزات تجعلها مفيدة في تطبيقات نوعية، وفي أنواع جديدة من التجارب يمكن حتىقد يكون تسريع الجسيمات اللامستقرة أحدها.

يمثل التيڤاترون حدود الطاقة العالية المتوافرة اليوم: حيث تتصادم پروتونات طاقتها من مرتبة تريليون إلكترون ڤلط. وكذلك المسرع الذي خلَفه في سيرن CERN وهومصادم الهادرونات الكبير Large Hadrdon Collider، الذي سيستخدم الپروتونات أيضا. وتكون مثل هذه التصادمات معقدة جدا ومشوشة messy، لأن الپروتونات بحد ذاتها هي تجمع agglomerations من جسيمات شديدة التآثر تسمى الكواركات والگلوونات. وباللقاء فإن للإلكترونات والپوزيترونات بنية أكثر بساطة من الپروتونات، وبالتالي فإنها تعطي تصادمات أكثر «نظافة» من سابقتها، مما يسمح بإجراء دراسات تفصيلية وذات دقة عالية. غير حتى تسريعها يقابل مشكلة؛ وهي فقدان الإلكترونات والپوزيترونات الخفيفة الكثير من طاقتها على شكل ما يسمى الإشعاع السنكروتروني، أثناء مسارها حول المنحنيات في المسرعات الدائرية.

إن أحد الحلول يتمثل في تسريع الميونات، التي تزيد كتلتها على كتلة الإلكترون بمئتي مرة، لذا فإن فقدها للطاقة السنكروترونية يقل ببليون مرة. لكن لسوء الحظ فإن الميونات غير مستقرة وتضمحل خلال زمن يزيد قليلا على 2 ميكروثانية وسطيا. غير أنه يمكن لليزرات العالية الشدة تسريع هذه الميونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء خلال جزء من زمن الاضمحلال ذاك. وعندها يقوم التمدد الزمني النسبوي بدوره، فيمدد زمن حياة الميون بصورة متناسبة مع الطاقة المستحصل عليها، مما يسمح بإعطاء مزيد من الزمن للمسرعات التقليدية لتقوم بعملها. وستكون فائدة التسريع الليزري الفوري أفضل في حالة جسيمات كالپايونات، التي تضمحل خلال زمن لا يتجاوز 26 نانوثانية في المتوسط.

== يمكن لليزرات صغيرة فائقة القدرة حتى تعمل عمل شمعة الاحتراق، فتقدح الاندماج النووي الحراري في محطات توليد الطاقة. ==

وثمة نوع حديث آخر من تجارب فيزياء الجسيمات، التي أصبحت ممكنة بوجود الليزرات الفائقة القدرة، وهومصادم گاما-گاما gamma-gamma collider. إذا أشعة گاما هي فوتونات ذات طاقة عالية جدا، أوبصورة مكافئة هي ضوء ذوترددات عالية جدا تقع بعد طيف الأشعة السينية. فعندما تصطدم حزمة ضوئية عالية القدرة مع حزمة إلكترونية عالية الطاقة، سينتج من ذلك حزمة ضيقة من أشعة گاما. وما يحدث أساسا هوارتداد فوتونات الليزر عن الإلكترونات وفق سيرورة تسمى تشتت كومتون. وتتوقف طاقة أشعة گاما على طاقة الحزمة الإلكترونية بصورة رئيسية، فتضرب الحزمة الإلكترونية التي طاقتها GeV250 الفوتونات، لتقفز طاقتها من نحو1 إلكترون ڤلط (الضوء المرئي) إلى نحوGeV200.

وعندما تتصادم حزمتان من أشعة گاما من هذا النوع، ستكون التآثرات «أنظف» مما هي عليه في حالة تصادم الإلكترون بالپوزيترون، أوتصادم الميون بمضاده. وهذه السيرورة هي عكس سيرورة فناء المادة مع ضدها، حيث تندمج الجسيمات في بعضها لتصبح ومضة إشعاع، ففيها تبزغ إلى الحياة أزواج من المادة ومضادها نتيجة تصادم الفوتونات. ولا يتوفر عدد من الفوتونات في جميع نبضة يكفي لإحداث عدد كبير من تصادمات گاما-گاما إلا في الليزرات الفائقة الشدة. وقد حقق باحثون [من جامعة روشستر وجامعة پرنستون وجامعة تنسي ومركز SLAC عام 1977] شكلا من هذه المنظومة، فأنتجوا أزواجا من الإلكترون-پوزيترون، من تصادم أشعة گاما بفوتونات الليزر. والآن يمتلك جميع مسرعِ جسيماتٍ خَطِّي خططا لإجراء تجارب على تصادم گاما-گاما، تكمل الأبحاث القائمة على تصادمات الإلكترون-الپوزيترون المعروفة.

الكشف عن السرطان وعلاجه

وبسبب توليدها إشعاعا عالي النفوذية كالأشعة السينية أوالحزم الجسيمية، يمكن حتى تستخدم مسرعات الجسيمات المشحونة المستخدِمة لليزر لتشخيص السرطان ومعالجته. وبالطبع، فقد استخدمت الأشعة السينية طوال قرن كأداة أساسية للسبر والتشخيص. فأنابيب الأشعة السينية التقليدية تسرع الإلكترونات في حقل كهربائي مطبق بين مصعد ومهبط. وعندما تصدم الإلكترونات المصعد فإنها تُبَطَّأ بعنف، مما يؤدي إلى إصدار أشعة سينية غزيرة. ويحد ميزَ resolution الأشعة السينية كِبَرُ منبع الأشعة السينية، وهوالمصعد في هذه الحالة، الذي يقارب قطره 100 ميكرون، لذا فإن قطر أصغر ورم يمكن كشفه بنظام كهذا هوبحدود المليمتر. يمكن حتى يُطلِق الليزر الفائق الشدة أشعة سينية، بمجرد تبئيره على هدف معدني مناسب، حيث تُسرِّع الحزمة الإلكترونات قرب سطح المعدن إلى طاقات عالية. لكن هذه الإلكترونات تُبَطَّأ عند عبورها خلال المعدن لتصدر أشعة سينية غزيرة مرة أخرى. وبتبئير الليزر في بقعة أبعادها بضعة ميكرونات نحصل على منبع أشعة سينية صغير جدا، مما يسمح بالكشف عن تكتلات للخلايا السرطانية صغيرة جدا، وهذا يتيح بدء المعالجة في مراحل مبكرة من تطور السرطان. ومن حيث المبدأ، يمكن حتى يصل الميز إلى حدود الميكرون الواحد، الذي يعتبر أكبر قليلا من الطول الموجي لليزر المستخدم. وقد بيَّنت مجموعات البحث في جامعة ستانفورد وجامعة لوند في السويد والمعهد الوطني للأبحاث الفهمية في كِيبِك، صلاحية نظم الأشعة السينية هذه. وللدقة أهمية كبرى أيضا في المعالجة الإشعاعية. فالهدف، زيادة الجرعة المطلوب إيصالها للورم إلى حدها الأقصى، وفي الوقت نفسه جعل مقدار الأذى للنسج السليمة المحيطة به أقل ما يمكن. وعند معالجة ورم في أمكنة حساسة، مثل الدماغ أوالحبل الشوكي فإن القدرة على إيداع كميات متحكم فيها من الطاقة في مساحات صغيرة محددة تحديدا جيدا أمر حاسم. والجسيمات، مثل الپروتونات وأيونات الكربون مناسبة جدا لهذا الغرض. ولكن بعكس الإلكترونات والفوتونات، تعاني هذه الجسيمات الثقيلة تشتتا جانبيا صغيرا، لذا تظل الحزمة ضيقة. وتفقد الجسيمات طاقتها بمعدل مطرد صغير جدا على طول مسارها، ثم تفرغ معظم طاقتها في نهايته. وبالنسبة إلى طاقة بدئية محددة يحدث هذا ضمن مجال معهد جيدا عبر النسيج؛ لذا فإن للأيونات الثقيلة هذه دقة تفوق دقة الإلكترونات والفوتونات في إيصال الجرعة إلى الأورام العميقة.

هناك محاولات سريرية كثيرة لاستخدام حزم الپروتونات والكربون في دول عدة. وأحد أبرز العوائق التي تحول دون انتشار المعالجة بالجسيمات على نطاق واسع، هوالكلفة العالية لمسرعات الجسيمات التقليدية. فمثلا، بلغت كلفة بناء المسرّع الطبي للأيونات الثقيلة، في تشيبا باليابان، نحو300 مليون دولار. ويمكنه حتى يعالج نحو200 مريض سنويا فقط، وهوجزء صغير من الحالات التي يمكن حتى تستفيد من مثل هذه المعالجة السرطانية. وفي الوقت الحاضر، يمكن للمسرعات المسيّرة بالليزر حتى تعطي طاقات للأيونات، أصغر بنحوخمس مرات من طاقة المسرعات التقليدية ولها مدى انتشار طاقي أكبر مما ينبغي. لكن إذا أمكن التغلب على هاتين المشكلتين، ستصبح المعالجة الإشعاعية الأيونية للورم ممكنة بكلفة أقل بكثير، مما يجعلها ميسرة لعدد أكبر من السقمى.

تُظهر صورة الأشعة الراديوية (الإشعاعية) لفأرٍ الميزَ العالي جدا الذي يمكن الحصول عليه باستخدام أشعة سينية ناجمة عن بقعة پلازمية صغيرة عند بؤرة ليزر طاولة فائق الشدة.

تعطي نبضة من ليزر فائق الشدة قدرة تعادل ما تعطيه جميع مولدات الطاقة في العالم. وفي المستقبل يمكن حتى تقلب هذه المعادلة عندما تصبح مثل هذه الليزرات عنصرا مهما في محطات الطاقة المعتمدة على الاندماج النووي، مزوِّدة العالم ببعض من احتياجاته للطاقة. وعلى مدى عقود، تَواصَل السعي إلى توليد الطاقة من اندماج نووي متحكم فيه، إلا حتى النتائج كانت مخيبة للآمال وبعيدة التحقيق. وقد لاقت طريقة الاندماج بالحصر العطالي استحسانا في السنوات الأخيرة، حيث تُصدم كبسولات من الوقود، مثل مزيج من الدوتريوم والتريتيوم (نظائر ثقيلة للهدروجين)، من جميع الجهات وفي الوقت نفسه بعشرات أومئات من النبضات الليزرية الشديدة. عندئذ تضغط الليزرات الكبسولات إلى كثافات ودرجات حرارة عالية، مما يسمح بدمج نوى الدوتريوم والتريتيوم معا ليشكلا الهليوم، وليطلقا كميات كبيرة من الطاقة. وكان ليزر Nova الضخم في ليڤرمور إحدى الأدوات التجريبية الرائدة التي استخدمت في الأبحاث للوصول إلى ذلك الهدف. لا يمكن لليزرات الطاولة الفائقة الشدة حتى تزودنا بطاقة كلية تكفي لتسيير اندماج نووي حراري، لكنها إذا ما عملت بالتضافر مع ليزرات من أبناء عمومتها، التي لها أبعاد الليزر Nova، قد يمكنهما جعل العملية مجدية اقتصاديا وتقنيا. فتحقيق الشروط اللازمة لإشعال الاندماج، بضغط الكبسولات، يحتاج انفجارا نحوالداخل متناظرا بصورة غير عادية. ويؤدي أي نقص إلى إخفاقات. وفي التقنيات الجديدة المقترحة من قبل الباحثين في ليڤرمور، ستظل الليزرات الكبيرة تقوم بالعمل الشاق، أي ضغط الوقود إلى كثافة عالية، لكن ليس المطلوب منها الوصول إلى درجة حرارة القدح الكاملة أيضا. وبدلا من ذلك، فإنه عند نقطة الكثافة العظمى، تصدم نبضةٌ فائقة القصر من الأيونات المسرعة بليزر CPA مدمج ذي قدرة فائقة الكبسولةَ المتفجرة، فتقوم النبضة بدور شمعة الاحتراق في محرك السيارة، أي تولد بقعة شديدة السخونة مما يقدح موجة من الاندماج التي تحرق ما تظل من الكرية pellet. وينبغي حتى تخفض هذه التقنية كثيرا المتطلبات التقنية البالغة الصعوبة اللازمة لقدح الاندماج بالانضغاط الداخلي وحده، وأن تزيد كثيرا النسبة بين الطاقة الناتجة وتلك المستخدمة.

لقد أوضح الباحثون في مختبر رذرفورد أپلتون الواقع في أكسفورد ببريطانيا وفي جامعة أوساكا باليابان، بعض أساسيات تقنية القدح السريع. لكن، كما هي الحال دائما في أبحاث الاندماج، يجب تحقيق المزيد للبرهان على حتى تطبيق الطريقة لتوليد الطاقة عملي واقتصادي. وسواء أصبح هذا التطبيق بعينه مادة أسطورية أوْ لا، فإن للضوء الفائق الشدة مستقبلا مذهلا ومتنوعا يتجاوز أشد أحلام العالمين أرخميدس ودايوكليس جموحا.

(1) سد هوڤر Hoover Dam: سد ضخم أقيم على نهر كولورادو(1931-1936)، يولد نحو1.5 مليون كيلوواط، ويوفر الطاقة لولايات أريزونا ونيڤادا وجنوب كاليفورنيا.

(2) =femto-second10-15 ثانية .

(3) Tabletop lasers: ليزرات لا تشغل أكثر من سطح مخط أوطاولة.

(4) يقصد بها العلوم العالية التكلفة والطاقة التي تشارك بها مجموعات كبيرة من الفهماء، كما في المسرعات الضخمة. (التحرير)

(5) الموجات التي تظهر خلف سفينة أوقارب أثناء حركته.

المؤلفان

Gérard A. Mourou - Donald Umstadter

من مؤسسي مركز علوم البصريات الفائقة السرعة التابع لجامعة ميتشيگان في آن آربر، الذي تموله المؤسسة الوطنية للعلوم. مورومدير المركز، هوأستاذ في الهندسة الكهربائية. أما أومستاتر فهوأستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية والنووية. وعندما لاقد يكونان مشغولين بتسريع الجسيمات بليزرات شديدة، تجدهما يتسارعان على منحدرات التزلج، حتى يصلا إلى سرعات «فائقة».

مراجع للاستزادة

Terawatt Lasers Produce Faster Electron Acceleration. D. Umstadter in Laser Focus World, pages 101-104; February 1996.

Ultrahigh-Intensity Lasers: Physics of the Extreme on a Tabletop. G. A. Mourou, C. P. J. Barty and M. D. Perry in Physics Today, Vol. 51, No. i, pages 22-28; January 1998.

Review of Physics and Applications of Relativistic Plasmas Driven by Ultra-Intense Lasers. D. Umstadter in Physics of Plasmas, Vol. 8, No. S, pages 1774-1785; May 2001.

High Field Science Research at the University of Michigan Center for Ultrafast Optical Science: