استخدم الباحثون الضوء الكمي لإنشاء مجال مغناطيسي بقوة تقاس بأرقام خيالية
لقد استخدم الفيزيائيون الضوء لجعل ما هو وهمي قابلاً للقياس
من المستحيل قياس رقم وهمي في المختبر، لكن مجموعة من الباحثين وجدوا طريقة للقيام بذلك. لقد أنتجوا ما يعادل مجالًا مغناطيسيًا ذا قوة خيالية، مما يعني أن الكميات التخيلية في تجربتهم كانت قابلة للقياس.
يتم تعريف الأرقام التخيلية على أنها الجذر التربيعي لعدد سالب، وهي قيمة لا ينبغي أن تظهر على أقراص أداة القياس. قد يجعل هذا الأعداد التخيلية تبدو غريبة غير عملية في الرياضيات، لكنها مكونات مهمة في العديد من نظريات الفيزياء، حيث تكون مفيدة، على سبيل المثال، في موازنة المعادلات.
قامت هويكسيا جاو من مركز أبحاث العلوم الحاسوبية في بكين ومعاونوها الآن ببناء تجربة يمكن من خلالها قياس هذه الأرقام التخيلية المهمة فعليًا.
شرعوا في دراسة نظام يتكون من صف من المغناطيسات الصغيرة. يمكن إما محاذاة جميعها لتكوين مغناطيس كبير واحد، أو يمكن توجيه كل منها بحيث تلغي مجالاتها المغناطيسية الفردية، ويصبح النظام بأكمله غير مغناطيسي. عند درجات الحرارة المرتفعة، يكون هذا النظام غير مغناطيسي عادةً، لكن تبريده يجعله يخضع لمرحلة انتقالية: هناك درجة حرارة تصطف عندها جميع المغناطيسات الفردية ويصبح النظام بأكمله مغناطيسيًا فجأة، تمامًا كما يمر الماء بمرحلة انتقالية إلى يصبح جليدًا عند درجة حرارة 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت).
ما أثار اهتمام جاو وزملائها هو أن المعادلات التي تلتقط هذا التحول في الطور المغناطيسي تحتوي على أرقام خيالية، أبرزها مجال مغناطيسي ذو قوة خيالية.
وبما أن جميع المغناطيسات الموجودة تنتج مجالات مغناطيسية حقيقية، فقد وجد الباحثون طريقة مختلفة لتحويل المعادلات إلى واقع. لقد استخدموا خدعة رياضية لترجمة نظام المغناطيس إلى نظام من الفوتونات، أو جسيمات الضوء. تم إرسال هذه الفوتونات عبر متاهة خاصة أدت إلى تغيير الخصائص الكمومية للفوتونات. ثم قام الباحثون بقياس هذه الخصائص عندما خرجت الفوتونات من المتاهة، مما قادهم إلى أحد الكاشفين. في هذه النسخة الضوئية من النظام المغناطيسي، كان إنشاء مجال مغناطيسي وهمي يعادل إجبار بعض الفوتونات على الضياع في المتاهة بطريقة معينة، مما يمنعها من الوصول إلى نهايتها.
تقول جاو إنه كان من الصعب ضبط كل عنصر من عناصر التجربة لتحقيق ذلك، لكن فريقها نجح في النهاية. وقد سمح لهم ذلك بقياس العديد من الكميات فعليًا والتي تعتبر عادةً رياضية بحتة. على سبيل المثال، أصبح ما يسمى بـ "وظيفة التقسيم" - وهي نقطة انطلاق المنظرين لفحص ما تفعله المغناطيسات أثناء المرحلة الانتقالية - شيئًا يمكن للفريق قياسه بدلاً من استخلاصه رياضيًا باستخدام قلم وورقة.
يقول كريستيان بينك من جامعة نبراسكا لينكولن: "إن الخط الفاصل بين التجربة والنظرية يصبح ضبابيًا للغاية هنا". لقد درس مشكلة مماثلة في عام 1998، لكنه يقول إن الخط في ذلك الوقت كان أشبه بـ "جدار من الطوب".
يقول كريستيان فليندت من جامعة آلتو في فنلندا إن عددًا قليلًا جدًا من التجارب تمكنت حتى الآن من الوصول إلى الكميات الرياضية بهذه الطريقة، وتتفوق عليها التجربة الجديدة في عدد التجارب التي أصبحت متاحة تجريبيًا.
يقول كل من بينك وفليندت إن الطريقة الجديدة يمكن أن تكون وسيلة قوية لدراسة التحولات الطورية الغريبة التي لم يتم فهمها جيدًا من الناحية النظرية بعد - على سبيل المثال، تلك الموجودة في نماذج المغناطيس الأكثر تعقيدًا - أو لاختبار جوانب النظريات التي بدت سابقًا غير قابلة للاختبار.
المصدر: