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.
إن حلم تقوية (تكثيف) الضوء قديم قدم الحضارة. إذ تروي الأسطورة أن أرخميدس باءر أشعة الشمس بمرآة ضخمة، مما أدى إلى إحراق الأسطول الروماني في سيراكوس عام 212 ق.م (قبل الميلاد). ومع أن هذه القصة خرافة، إلا أنه من المعروف أن يونانيا آخر، هو ديوكليس، اخترع أول عنصر تبئير بصري مثالي هو المرآة الإهليلجية (القطعية) 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 و 1999، وسمي كذلك لأن لمعانه يشبه لمعان نجم ينفجر. إن 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 كل 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 أن تحقيق قدرته الفائقة الارتفاع تطلب الكثير من الطاقة.
غير أن 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 3 نانوثوان) وتطلبت كل نبضة عدة كيلوجول من الطاقة. وباستخدام نبضات عرضها أقل من ذلك بعشرة آلاف مرة نحصل على نوع جديد من الليزرات، يمكن أن 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 أو 10 تيراواط)، وهذا أكبر من خرج جميع محطات توليد الطاقة في العالم مجتمعة.
يمكن لهذه الليزرات المدمجة أن تطلق مائة مليون طلقة (نبضة) في اليوم، وتستطيع أن تركز قدرتها في بقعة حجمها ميكرون واحد، معطية أعلى شدة ضوئية عرفت على الأرض. ويرافق كثافات القدرة الهائلة هذه، أعلى حقل (مجال) كهربائي أمكن إنتاجه، إذ تبلغ شدته تريليون ڤلط في السنتيمتر. إن تآثر ضوء ليزري شديد كهذا مع المادة، يُحدثُ الشروط الفيزيائية الحدية، التي يمكن أن توجد فقط في لب النجوم، أو في 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 الثقالة 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 بحث 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 أن يخرب مكوناتها. لكن في عام 1985 أمكن التغلب على مشكلة التخريب الضوئي، بالاستفادة من تقنية تضخيم النبضة المغردة chirped pulse amplification (CPA) ، التي اقترحتها مجموعة بحث يقودها أحدنا (مورو). عندئذ قفزت قدرة ليزرات الطاولة بمضروب يتراوح بين 103 و 105 مرة.
إن «تغريد» إشارة أو موجة، يعني إطالة أمدها الزمني. والخطوة 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. إن إرسال النبضة الأصلية، التي قدرتها 2 كيلوواط، من دون استخدام هذه التقنية، عبر مضخم طاولة، سيخرب المضخم ما لم نزد مساحة مقطعه بمعامل قدره 104 مرة، وننشر الحزمة على هذه المساحة. وهكذا 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 إن الأدوات النموذجية، التي تمط أو تضغط النبضات، لا تقوم بذلك بشكل خطي تماما، كما أن 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. فأعطى 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، عرف 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، أو انكساره 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 أن يكون متفقا بالطور مع الموجة الضوئية. إذ قد يكون اهتزاز الإلكترون متأخرا أو متقدما 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 جديد 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 000 10 مرة على معدل المسرعات القياسية (العادية).
- ▪ تشمل 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 أن الحقل المغنطيسي للموجة يبدأ بأخذ دور ملموس. إن 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 أن نهمل تآثر الضوء مع نوى الذرات، لأن الپروتونات أثقل من الإلكترونات بنحو 2000 مرة، وبذا فاهتزازها أضعف بكثير من اهتزاز الإلكترونات. لكن عند الشدات العالية يبدأ الضوء بتحريك الپروتونات بسرعات نسبوية عالية أيضا. ويمكن أن 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 هو تسريع الجسيمات. فلمسرعات الجسيمات المشحونة استخدامات عديدة، من أنابيب الأشعة المستخدمة في التلفاز إلى معالجة السرطان، إلى دراسة القوى الأساسية في الكون. وما تشترك فيه هذه المسرعات هو أن الجسيمات جميعا، كالإلكترونات أو الپروتونات، يجري تسريعها بتأثير حقول كهربائية أو مغنطيسية. ومع أن الموجات الضوئية، في نظام البصريات التقليدية، يمكن أن 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. وبالمقابل 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 القصة، 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.
== إن الليزرات الفائقة الشدة التي يمكن وضعها على طاولة، تعيد «العلم 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 3 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 أن يكون طول مسرع ستانفورد ثلاثة كيلومترات لبلوغ الطاقة المستهدفة للجسيمات، نظرا لمحدودية مجال التسريع في كل مجاوبة. ويمكن زيادة شدة الحقل باستخدام موجات ميكروية ذات أطوال موجية أقصر وشدات أعلى، لكن كلتا الخاصتين محدودة بالمجاوبة. إذ إن 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 أن تسرع الجسيمات مباشرة، بالنبضات الفائقة الشدة، بنفس طريقة 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) ذو مرحلة واحدة. غير أن المنظومة الليزرية تبلغ الطاقة نفسها بطول مليمتر واحد.
تضخيم النبضة المغردة
إن السبيل إلى الحصول على ليزرات الطاولة الفائقة الشدة هو تقنية 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 يرفع شدتها بمقدار 104 مرة من الشدة العظمى التي كان يمكن أن 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 (هو في الواقع تركيز 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 أن 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 أن ذلك غير مرغوب فيه في بعض التطبيقات. يُضاف إلى ذلك أن النظم التقليدية تربط معا عددا من مراحل المسرع، كما في مصادم SLAC، والتيڤاترون Tevatron في مختبر فِرمي الذي يبلغ محيط حلقته الأساسية 7 كيلومترات. بالمقابل فإن الأبحاث الحالية على منظومات المسرعات الليزرية تركز 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.
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. إن انفصال الشحنات هذا، والحقل الكهربائي المرافق، يقتفي أثر مخر الضوء ويمكنه أن يُسرع جسيمات مشحونة أخرى حتى يوصلها إلى طاقة عالية جدا.
تخوم الطاقة العالية
إننا لا نتوقع أن 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 أن 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 وهو مصادم 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. وبالمقابل 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 أن تسريعها يواجه 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 أن تعمل عمل شمعة الاحتراق،
فتقدح الاندماج النووي الحراري في محطات توليد الطاقة. ==
وثمة نوع جديد آخر من تجارب فيزياء الجسيمات، التي أصبحت ممكنة بوجود الليزرات الفائقة القدرة، وهو مصادم گاما-گاما gamma-gamma collider. إن أشعة گاما هي فوتونات ذات طاقة عالية جدا، أو بصورة مكافئة هي ضوء ذو ترددات 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 هو ارتداد 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 نحو 1 إلكترون ڤلط (الضوء المرئي) إلى نحو GeV200.
وعندما تتصادم حزمتان من أشعة گاما من هذا النوع، ستكون التآثرات «أنظف» مما هي عليه في حالة تصادم الإلكترون بالپوزيترون، أو تصادم 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 كل 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 كل 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 أو الحزم الجسيمية، يمكن أن 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، وهو المصعد في هذه الحالة، الذي يقارب قطره 100 ميكرون، لذا فإن قطر أصغر ورم يمكن كشفه بنظام كهذا هو بحدود المليمتر. يمكن أن 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 أن 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 العلمية 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 أو الحبل 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 تبقى 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 معرف 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 أهم العوائق التي تحول دون انتشار المعالجة بالجسيمات على نطاق واسع، هو الكلفة العالية لمسرعات الجسيمات التقليدية. فمثلا، بلغت كلفة بناء المسرّع الطبي للأيونات الثقيلة، في تشيبا باليابان، نحو 300 مليون دولار. ويمكنه أن يعالج نحو 200 مريض سنويا فقط، وهو جزء صغير من الحالات التي يمكن أن تستفيد من مثل هذه المعالجة السرطانية. وفي الوقت الحاضر، يمكن للمسرعات المسيّرة بالليزر أن تعطي طاقات للأيونات، أصغر بنحو خمس 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 المرضى.
تعطي نبضة من ليزر فائق الشدة قدرة تعادل ما تعطيه كل مولدات الطاقة في العالم. وفي المستقبل يمكن أن 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 أن 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 أو مئات 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 أن 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، يتطلب انفجارا نحو الداخل 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 تبقى من الكرية pellet. وينبغي أن 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 أن 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 نحو 1.5 مليون كيلوواط، ويوفر الطاقة لولايات أريزونا ونيڤادا وجنوب كاليفورنيا.
(2) =femto-second10-15 ثانية .
(3) Tabletop lasers: ليزرات لا تشغل أكثر من سطح مكتب أو طاولة.
(4) يقصد بها العلوم العالية التكلفة والطاقة التي تشارك بها مجموعات كبيرة من العلماء، كما في المسرعات الضخمة. (التحرير)
(5) الموجات التي تظهر خلف سفينة أو قارب 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. مورو مدير المركز، هو أستاذ في الهندسة الكهربائية. أما أومستاتر فهو أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية والنووية. وعندما لا 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:
www.eecs.umich.edu/USL-HFS/
Scientific American, May 200
<A .G. مورو> ـ <D. أُمْستاتر>
مجلة العلوم الأميريكية يناير2003 / المجلد 19