آرثر آشكين: إيقاف الحياة بضوء

في سن العاشرة، في بروكلين إبان فترة الكساد الكبير، فُتن آرثر آشكين (Arthur Ashkin) بمقياس إشعاع كروكس (Crookes radiometer)، وهو المصباح الزجاجي الصغير ذو الريشات السوداء والبيضاء التي تدور عند تسليط الضوء عليها. توصل إلى أن الحرارة، وليس الضوء بحد ذاته، هي التي تقوم بالدفع، ولاحظ أن الريشات تعكس اتجاهها إذا قمت بتدفئة المصباح من الخارج. وبعد ستين عاماً، منحت لجنة نوبل نصف جائزة الفيزياء للنسخة الناضجة من ذلك السؤال الطفولي: هل يمكن لشعاع من الضوء أن يمسك بالمادة فعلياً؟ كان ذلك ممكناً. كان في السادسة والتسعين من عمره عندما أخبروه بذلك، وقال إنه لم يستطع الشعور بالكثير من الإثارة حيال الأمر.

بروكلين، والرادار، وأخ سبق إلى هناك

ولد آشكين في 2 سبتمبر 1922 في بروكلين، نيويورك، وهو ابن إيسادور آشكين (Isadore Ashkin)، الذي هاجر من أوديسا (Odesa) في سن الثامنة عشرة وأنشأ مختبراً للأسنان في مانهاتن، وآنا فيشمان (Anna Fishman). كان هناك ثلاثة أطفال بقوا على قيد الحياة: أخ أكبر يدعى جوليوس (Julius)، وآرثر، وأخت أصغر تدعى روث (Ruth). حدد جوليوس وتيرة مخيفة، حيث حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة كولومبيا في سن الثانية والعشرين وترأس في النهاية قسم الفيزياء في معهد كارنيجي للتكنولوجيا (Carnegie Tech).

تبع آرثر أخاه إلى جامعة كولومبيا في عام 1940، بعد تخرجه من مدرسة جيمس ماديسون الثانوية. قاطعت الحرب مسيرته؛ حيث قضى وقت الحرب كفني في مختبر الإشعاع يبني أجهزة المغنطرون للرادار العسكري، تحت إشراف مشرف يدعى سيد ميلمان (Sid Millman) والذي أثبت أنه حاسم مرتين. أنهى آشكين درجة البكالوريوس في الفيزياء عام 1947 وحصل على مفتاح فاي بيتا كابا (Phi Beta Kappa)، ثم ذهب إلى جامعة كورنيل بموجب قانون جي آي (G.I. Bill)، وحصل على الدكتوراه في الفيزياء النووية عام 1952 بأطروحة حول تشتت الإلكترون والبوزيترون. في كورنيل التقى بألين (Aline)، التي تزوجها عام 1954 وبقي متزوجاً منها لأكثر من ستين عاماً.

أربعون عاماً في مختبرات بيل

أوصى ميلمان، الذي كان يعمل آنذاك في مختبرات بيل (Bell Laboratories)، بفنيه القديم. وصل آشكين في عام 1952 وبقي أربعين عاماً. خصص العقد الأول للموجات الدقيقة وأنابيب الإلكترون، وهو عمل محترم ولكنه غير ملحوظ. ثم جاء الليزر، وفي عام 1960 تقريباً تحول آشكين بالكامل إلى مجالات البصريات غير الخطية، والألياف الضوئية، والمذبذبات والمضخمات البارامترية. خلال الستينيات كان من بين المكتشفين المشاركين لتأثير الانكسار الضوئي في بلورات البيزوكهربائية. وفي النهاية حصل على سبعة وأربعين براءة اختراع.

لكنه لم يترك سؤال مقياس الإشعاع أبداً. الضوء يحمل زخماً. هذا ليس مثيراً للجدل، فقد قال ماكسويل (Maxwell) ذلك، وضغط الإشعاع هو السبب في أن ذيول المذنبات تشير بعيداً عن الشمس. المشكلة هي أن القوة صغيرة بشكل سخيف. لم يتوقع أحد أن تكون مفيدة لدفع أي شيء يمكنك رؤيته.

ماذا تفعل الملاقط الضوئية في الواقع

كانت رؤية آشكين هي أن الليزر لا يدفع فقط. ركز شعاعاً بشدة وسيخلق تدرجاً حاداً في الكثافة، ساطعاً جداً عند نقطة التركيز، وأكثر قتامة بكسر من المليمتر بعيداً. تعمل جسيمات شفافة موجودة في هذا التدرج مثل عدسة صغيرة، ثنية الضوء المار عبرها. ووفقاً لقانون نيوتن الثالث، فإن ثني مسار الضوء يدفع الجسيم، والنتيجة النهائية هي قوة تسحب الجسيم نحو النقطة الأكثر سطوعاً وتثبته هناك.

لذا هناك قوتان تعملان: قوة التشتت، التي تدفع الجسيم على طول الشعاع، وقوة التدرج، التي تسحبه جانباً إلى قلب الشعاع. وازن بينهما وستحصل على فخ. اجعل التركيز حاداً بما يكفي ويمكن لقوة التدرج وحدها أن تمسك بجسيم ضد الدفع، في الأبعاد الثلاثة، بشعاع واحد. هذا هو الملقط الضوئي: عقدة من الضوء مع شيء عالق بداخلها.

نشر آشكين أول ورقة بحثية عن الاصطياد الضوئي في عام 1970. رفضها قسم الفيزياء النظرية في مختبرات بيل في البداية؛ وتجاوزهم رئيسه رودي كومبنر (Rudi Kompfner) وأخبره أن يرسلها فقط. أصبحت الورقة الأكثر استشهاداً في عامها وتجاوزت منذ ذلك الحين خمسة آلاف استشهاد. في عام 1971 قام برفع كرات زجاجية صغيرة ضد الجاذبية. جاء فخ التدرج أحادي الشعاع، الملقط الحقيقي، في الثمانينيات، مع تأريخ التقنية تقليدياً لعام 1986.

من الخرز الزجاجي إلى الخلايا الحية

الخطوة التي جعلت آشكين مشهوراً خارج الفيزياء كانت بيولوجية. وجد أنه يستطيع التقاط ليس فقط كرات اللاتكس ولكن البكتيريا، والفيروسات، وفي النهاية خلايا حية كاملة، والأهم من ذلك، أنه بالتحول إلى الضوء تحت الأحمر يمكنه القيام بذلك دون طهيها. فجأة أصبح لدى علماء الأحياء زوج من الأيدي الصغيرة بما يكفي للإمساك بعضية واحدة. استخدمت الملاقط الضوئية لقياس القوى التي تولدها المحركات الجزيئية مثل كينيسين (kinesin) الذي يسير على طول الأنيبيب الدقيق، ولتمديد جزيئات الحمض النووي المفردة، وللتلاعب بالخلايا الفردية دون لمسها.

كان هناك إرث موازٍ في الفيزياء. شكل عمل آشكين في الاصطياد الأساس لتبريد واصطياد ذرات ستيفن تشو (Steven Chu) بالليزر، والذي فاز بسببه تشو بنصيب من جائزة نوبل عام 1997، ومن هناك غذى مباشرة في تكثيف بوز-أينشتاين وليزر الذرة.

الجائزة، متأخرة عشرين عاماً

في 2 أكتوبر 2018، في سن السادسة والتسعين، حصل آشكين على نصف جائزة نوبل في الفيزياء لاختراعه الملاقط الضوئية التي تلتقط الجسيمات والذرات والفيروسات والخلايا الحية الأخرى بأصابع شعاع الليزر الخاصة بها. تقاسم جيرار مورو (Gérard Mourou) ودونا ستريكلاند (Donna Strickland) النصف الآخر عن تضخيم النبضات المتزقزقة. كان أكبر شخص يحصل على جائزة نوبل في وقت الجائزة، وهو رقم قياسي استمر لمدة عام واحد فقط حتى حصل جون جوديناف (John Goodenough) على جائزة الكيمياء في سن السابعة والتسعين.

تراكمت الأوسمة الأخرى بثبات: انتخابه للأكاديمية الوطنية للهندسة في عام 1984 والأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 1996، وميدالية تشارلز هارد تاونز (Charles Hard Townes Medal) في عام 1988، وميدالية فريدريك آيفز (Frederic Ives Medal) في عام 1998، وجائزة جوزيف ف. كيثلي (Joseph F. Keithley Award) في عام 2003، وجائزة هارفي (Harvey Prize) في عام 2004، وإدخاله في قاعة مشاهير المخترعين الوطنية في عام 2013. تقاعد من مختبرات بيل في عام 1992 واستمر في العمل، في مختبر في قبو منزله في رومسون، نيوجيرسي.

لماذا يسمى آرثر عبقرياً

الجودة المعروضة في مسيرة آشكين ليست قوة تحليلية خام، فهو لم يكن منظراً، وكانت فيزياء ضغط الإشعاع راسخة قبل أن يلمسها. إنه شيء أندر وأصعب في التدريس: خيال حرفي بشكل غير عادي، مقترن بالصبر لمطاردة سؤال واحد لمدة خمسين عاماً دون تشجيع مؤسسي.

كان الجميع يعرف أن الضوء يحمل زخماً. كان آشكين هو الذي سأل عما سيحدث إذا حاولت فعلياً التقاط شيء به، ثم استمر في بناء الجهاز حتى نجح. رفضت ورقة عام 1970 من قبل مجموعة النظرية في مؤسسته الخاصة. قيل له، في الواقع، أن التأثير كان ضعيفاً جداً بحيث لا يهم. كان محقاً وكانوا مخطئين، والشيء الذي جعله محقاً هو حدس فيزيائي حول كيفية انكسار حبة شفافة لشعاع، صورة ذهنية، وليس معادلة.

الحالة المضادة الصادقة: لم يكتشف فيزياء جديدة. الملاقط الضوئية هي تطبيق رائع لمبادئ مفهومة، وجاءت نوبل، في النهاية، لجهاز. كانت مختبرات بيل في ذلك العصر آلة استثنائية لتحويل الأشخاص الجيدين إلى أشخاص منتجين، وكان لدى آشكين أربعون عاماً من ذلك، مع رئيس مستعد لتجاهل المتشككين. تم إنجاز الكثير من علم الأحياء الذي جعل التقنية لا غنى عنها من قبل الآخرين. ما يخصه حقاً هو عناد الفكرة الأصلية، وحقيقة أن تقنية تستخدم الآن في المختبرات في جميع أنحاء العالم جاءت من رجل واحد رفض ترك سؤال طرحه لأول مرة كصبي، يحدق في لعبة دوارة.

الإرث

توفي آشكين في 21 سبتمبر 2020، عن عمر يناهز الثامنة والتسعين. أطفاله الثلاثة، مايكل (Michael)، أستاذ الفن في كورنيل، وجوديث (Judith)، مدربة تاي تشي، ودانيال (Daniel)، عالم السيراميك، لم يتبعه أي منهم في الفيزياء. أداؤه أداته بشكل أفضل. الملاقط الضوئية الآن معدات قياسية في بيولوجيا الخلية، والفيزياء الحيوية، والفيزياء الذرية، والقدرة على الاحتفاظ ببكتيريا حية واحدة بلا حراك في شعاع من الضوء، والتي بدت كخدعة سحرية في عام 1970، هي الآن شيء يجهزه طالب الدراسات العليا قبل الغداء.