نظرية كمية الضوء.. هل كان أينشتاين وراء اختراع الليزر؟

أينشتاين

كتب محمد عبد الرحمن

الإثنين، 14 نوفمبر 2022 10:00 م

تمر اليوم الذكرى الـ 114 على إعلان عالم الفيزياء ألبرت أينشتاين عن نظرية كمية الضوء وهي النظرية التي ساعدت على تطوير تكنولوجيا الليزر، وقد كانت هذه النظرية الأساس لتطوير تكنولوجيا الليزر، فحتى ذلك الوقت لم يكن أحد يتعامل مع الضوء باعتباره مادة يمكن قياسها كمياً والتعامل معها على هذا الأساس.

واقترح العالم الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين فى سنة 1905 نموذجًا للضوء، وهو مفيد تمامًا مثل النموذج الموجي، يتصرف الضوء فى بعض التجارب كما لو أنه جسيمات، وتسمّى هذا النوع من الجسيمات الآن الفوتونات.

وفى نموذج أينشتاين فإن شعاع الضوء هو المسار الذى يسلكه الفوتون، فمثلاً عندما يرسل المصباح شعاعًا من الضوء خلال غرفة مظلمة فإن شعاع الضوء يتألف من عدد كبير من الفوتونات، وكل واحد منها يسير فى خط مستقيم، فهل الضوء موجات أو جسيمات؟ فيما يبدو، لا يمكن أن يكون النموذجان معًا، لأن النموذجين مختلفان تمامًا.

وأفضل إجابة أن الضوء لا هذا ولا ذاك، ويتصرف الضوء فى بعض التجارب كما لو أنه موجة، وفى بعضها الآخر كما لو أنه جسيمات، وللضوء فى الفراغ سرعة واحدة، بعكس الأنواع الأخرى من الموجات، وهى أقصى سرعة ممكنة لأى شيء، ولا يفهم العلماء كنه هذه الحقيقة، والحقيقة التى تنص على أن الضوء فى الفراغ يملك سرعة واحدة وهى واحدة من أسس النظرية النسبية لأينشتاين.

طرح آينشتاين فكرة ثورية فى وقته، إذ اقترح أن الضوء يتكون من حزم صغيرة جدًا من الطاقة تُسمّى الفوتونات، وأضاف أن هذه الفوتونات تمتلك خاصيتين: خاصية الجُسيم وخاصية الموجة. فضلًا عن ذلك، اجتهد هذا العبقرى فى مراقبة سلوك الإلكترونات وهى تنبعث من المعادن بعد تعريضها لضربات كهربائية كبيرة، مثل البرق، ومن هنا توسّع فى مفهوم التأثير الكهروضوئي.

على الرغم من أن اينشتاين لم يبتكر الليزر إلا أن أطروحاته ونظرياته قادت إلى وضع اللبنات الأولى لتطويره، وكان السباق إلى ايضاح أن الانبعاث المستحث للشعاع يمكن أن يحدث.

واستخدم رياضيات الفوتون فى فحص حالة تتجمع فيها الذرات الخاصة بالطاقة الفائضة بصورة كاملة وقادرة على إطلاق فوتون فى زمن واتجاه عشوائيين، ورأى اينشتاين أن الفوتون الضال إذا مر بذرات يمكن تحريضها عن طريق وجودها لتطلق فوتونات فى مرحلة مبكرة، والفوتونات المنطلقة تتخذ الاتجاه ذاته وتتوفر فيها ترددات متطابقة كما الفوتون الأصلي.

وفى خطوة لاحقة وبينما تتحرك زحمة الفوتونات المتطابقة لتمر خلال الذرات المتبقية فإن المزيد من الفوتونات ستغادر ذراتها مبكرا للانضمام إلى العرض الجانبى للذرات.