Next
क्वांटम गुंतागुंतीचे छायाचित्र काय सांगते?
डॉ. अमोल दिघे
Friday, September 06 | 02:30 PM
15 0 0
Share this story


रोजच्या व्यवहारात आपण ज्या गोष्टी अनुभवतो त्यांना भौतिकशास्त्राच्या भाषेत ‘क्लासिकल’ म्हटले जाते. म्हणजे वस्तू वरून खाली पडणे, होडी पाण्यावर तरंगणे, गरम वस्तू हळूहळू थंड होणे या क्लासिकल घटना. अगदी मानवनिर्मित बरीचशी यंत्रे- पेडल मारल्यावर पुढे जाणारी सायकल, बटण दाबल्यावर लागणारा दिवा, अगदी चंद्रावर जाणारे यानदेखील क्लासिकल सिद्धांतांवर चालते. परंतु विसाव्या शतकात आपल्या लक्षात आले, की या साऱ्यांच्या मुळाशी क्वांटम तत्त्वे आहेत. प्रकाशलहरी हे प्रकाशकणांचेच दुसरे रूप आहे. साऱ्या रासायनिक अभिक्रियांच्या- अगदी स्वयंपाकाच्याही- मुळाशी अणुरेणूंची क्वांटम रचना आहे. वीज वाहून नेणाऱ्या इलेक्ट्रॉनसारख्या मूलकणालादेखील कण व लहरी अशा दोन बाजू आहेत. एवढेच काय, १ किलोग्रॅम म्हणजे काय याची नुकतीच बदललेली नवी व्याख्या ही क्वांटम सिद्धांतातील प्लँकच्या स्थिरांकावर बेतलेली आहे. थोडक्यात म्हणजे क्वांटम विश्व हे आता आपल्या दैनंदिन जीवनाचा अविभाज्य भाग झालेले आहे.
मात्र मानवी मन या क्वांटम विश्वाला अजून तितकेसे सरावलेले नाही. या विश्वातील बऱ्याच घटना व निसर्गनियम हे अनपेक्षित, व कधी कधी तर अविश्वसनीय वाटावेत एवढे विचित्र आहेत. एकच प्रयोग केला तरीही त्याची निरीक्षणे कधी कधी वेगवेगळी असू शकतात. दोन लहरी एकत्र आल्या, तर कधी त्यांची बेरीज, तर कधी वजाबाकी होते. एखादा क्षणभंगुर कण हा एकाच वेळी त्याच्या मूळ रूपात व विघटित रूपातही असू शकतो. पदार्थाची जागा व त्याची गती एकाच वेळी मोजता येत नाही. किती म्हणून उदाहरणे सांगावीत. असे असले तरीही शास्त्रज्ञांनी या साऱ्यातूनही या विश्वाचे नियम शोधून काढलेले आहेत व गेल्या शतकभरच्या कसोट्यांमधून हे नियम तावून सुलाखूनदेखील निघालेले आहेत. एवढेच नाही तर या क्वांटम नियमांतूनच नेहमीचे परिचित क्लासिकल नियम कसे उगम पावतात, हेसुद्धा आपल्याला बऱ्याच अंशी कळलेले आहे. आज आपण सूर्याचे अंतरंग जाणू शकतो ते याच क्वांटम नियमांचा आधार असल्यामुळे. क्वांटम नियम अधिकाधिक कठोर कसोट्यांवर पारखून घेण्याचे व त्यांचे मूळ शोधून काढण्याचे प्रयत्न आजही सुरू आहेत.
असाच एक अविश्वसनीय वाटणारा क्वांटम नियम म्हणजे, वेगवेगळ्या ठिकाणी असलेले पदार्थदेखील एकमेकांशी ‘क्वांटम सहसंबंधां’नी (quantum correlations) जोडलेले असू शकतात. अशा वेळी, या पदार्थांचे काही गुणधर्म वेगवेगळे मोजणे अशक्य असते. (हे गुणधर्म म्हणजे स्थान, वेग, स्पिन, विद्युतप्रवाह, चुंबकीय प्रतिसाद, अशा बऱ्याच प्रकारचे असू शकतात.) इतके की एकाच पदार्थाचे गुणधर्म वेगवेगळ्या वेळी वेगवेगळे मोजले जाऊ शकतात; मात्र एकदा का एका पदार्थाचे एक मोजमाप केले, की दुसऱ्या पदार्थाच्या त्याच गुणधर्माचे मोजमाप निश्चित होते. क्वांटम सहसंबंधांनी जोडलेले असे पदार्थ एकाच ‘शुद्ध क्वांटम स्थिती’त आहेत किंवा त्यांच्या क्वांटम स्थिती एकमेकांत गुंतलेल्या आहेत (entanglement) असे म्हटले जाते.
हे समजून घेण्यासाठी एक काल्पनिक उदाहरण घेऊ. समजा, रंग व चव हे असे गुणधर्म आहेत की एखाद्या पदार्थाचा रंग दिसला तर त्याची चव कळू शकत नाही, आणि चव कळली तर रंग ओळखता येत नाही. मात्र रंग पाहायचा की चव घ्यायची, हे आपण ठरवू शकतो (व त्यानुसार योग्य ती उपकरणे वापरू शकतो.) आता एका बंदिस्त खोक्यात दोन कण एका शुद्ध क्वांटम स्थितीत तयार केले गेलेले आहेत. त्यांचे रंग लाल व हिरवा आहेत, तर चवी गोड व खारट आहेत. मात्र कोणत्या कणाला कोणता रंग किंवा चव याची आपल्याला कल्पना नाही. आता हे कण काळजीपूर्वक (त्यांच्यातील सहसंबंधांना धोका न पोहोचवता) एकमेकांपासून दूर घेऊन जाऊ, व दोन निरीक्षकांना एकेका कणाचे गुणधर्म मोजण्याचे काम देऊ. पहिल्याने रंग पाहिला व तो लाल दिसला, तर दुसऱ्याने पाहिलेला रंग हिरवाच असणार. परंतु दुसऱ्याने चव घेण्याचे ठरवले, तर त्याला कधी गोड तर कधी खारट चव मिळू शकते. इथपर्यंत सारे समजण्याजोगे, ‘क्लासिकल’ आहे. आता क्वांटम गुंता म्हणजे, पहिल्याने त्याचा विचार बदलून अचानक चव पाहण्याचे ठरवले (व त्याला खारट चव मिळाली), तर दुसऱ्याला नेहमीच गोड चव मिळू लागेल. परंतु आता त्याला लाल व हिरवा यातील कोणताही रंग दिसू शकतो. थोडक्यात, दुसऱ्याला निश्चित चव मिळणार की निश्चित रंग दिसणार, हे दूरवर बसलेल्या पहिल्याच्या लहरीवर ठरते. या विचित्र वाटणाऱ्या क्वांटम निसर्गनियमाला ‘दूरलक्षी कृती’ (action at a distance) म्हणता येईल. आइनस्टाइन-पोडोल्स्की-रोझेन यांनी मांडलेल्या  ‘EPR paradox’ या विरोधाभासाचे हे एक रूप आहे.
क्वांटम सिद्धांताच्या गणितानुसार वरील विरोधाभासाचे समाधानकारक निराकरण करता येते. परंतु त्यासाठी, पदार्थांच्या काही गुणधर्मांचे निश्चित अस्तित्व अमान्य करावे लागते किंवा एकमेकांपासून दूर असलेल्या कणांमध्येही क्वांटम सहसंबंध असू शकतात हे मान्य करावे लागते. (याउलट, नेहमीच्या ‘क्लासिकल’ अनुभवानुसार प्रत्येक पदार्थाला त्याचे त्याचे गुणधर्म असतात व एकमेकांपासून दूर असलेल्या पदार्थांचा परस्परांवर फार परिणाम होत नाही.) ही नवी क्वांटम विचारसरणी आवश्यक आहे का, की आपल्याला आजवर माहीत नसलेल्या काही ‘छुप्या गुणधर्मांचा’ (hidden variables) हा परिणाम असू शकेल, याचा माग शास्त्रज्ञ कित्येक वर्षे काढत आहेत. महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे हा केवळ तात्विक चर्चेचा प्रश्न नाही, तर त्याचे उत्तर ठरावीक प्रयोग करून ठरवता येऊ शकते. ही गणिती शक्यता जॉन बेल या ब्रिटिश शास्त्रज्ञाने प्रथम दाखवून दिली, जिला बेलची असमानता (Bell’s inequality) म्हटले जाते. छुपे गुणधर्म कोणतेही का असेनात, जोपर्यंत ते क्लासिकल आहेत, तोपर्यंत बेलची असमानता अबाध्य राहते; पण क्वांटम विश्वात या असमानतेचा भंग होऊ शकतो. त्यामुळे, बेलच्या असमानतेची कसोटी पाहणारे प्रयोग विकसित करण्यावर मूलभूत क्वांटम शास्त्रज्ञांनी लक्ष केंद्रित केलेले आहे, व त्यात त्यांना बरेचसे यशही आलेले आहे. आजतरी, क्वांटम विश्वनियम हे छुप्या गुणधर्मांमधून उद्भवलेले नाहीत यावर बहुतेक शास्त्रज्ञांची सहमती आहे.


मात्र आजवर, बेलच्या असमानतेचा भंग छायाचित्राच्या माध्यमातून दाखवून देणारा प्रयोग केला गेला नव्हता. हा नावीन्यपूर्ण प्रयोग नुकताच ग्लासगो विद्यापीठातील शास्त्रज्ञांनी करून दाखवला. यात त्यांनी दोन प्रकाशकणांमधील क्वांटम गुंतागुंतीचे निरीक्षण केले. सर्वप्रथम हे कण शुद्ध क्वांटम स्थितीत असावेत यासाठी एकाच लेझर स्रोतातून बाहेर आलेल्या क्षीण प्रकाशझोतापासून, ‘झोतविभाजक’ (beam splitter) वापरून हे दोन सहसंबंधी प्रकाशकण तयार केले गेले. एका कणाला एका वर्तुळाकृती छिद्रातून नेले गेले, व दुसऱ्या कणाचा मार्ग ठरावीक कोनात (०, ४५, ९० किंवा १३५ अंश) ठेवलेल्या पोलरायझरमधून जाईल अशी रचना केली गेली. (ठरावीक कोनातील पोलारायझर हा ठरावीक प्रकारच्याच प्रकाशलहरी आरपार पाठवतो.) या दोन्ही कणांचे मार्ग एकमेकांपासून पूर्ण वेगळे होते. पहिला कण सापडलेला असेल आणि दुसरा कण पोलरायझरमधून आरपार गेला असेल तरच छायाचित्राचा ठिपका नोंदवला जाईल, अशी व्यवस्था होती. अशा हजारो ठिपक्यांमधून, पोलरायझरच्या प्रत्येक कोनाशी निगडित एक छायाचित्र तयार होते. या चार छायाचित्रांच्या संयोगातून बेलच्या असमानतेची कसोटी शक्य होते. (तो गणिती भाग सध्या सोडून देऊ.) अत्यंत अचूकता आवश्यक असलेल्या या प्रयोगाच्या निरीक्षणांमधून, बेलच्या असमानतेचा भंग आढळून आलेला आहे. अर्थातच, छुपे गुणधर्म पुरेसे नाहीत, तर क्वांटम नियम कितीही विचित्र  वाटले तरी ते आपल्या विश्वाला लागू पडतात, या सिद्धांताला यामुळे बळ मिळते.
आपण ज्या जगात राहतो, त्याचे मूलभूत निसर्गनियम समजून घेण्याकडे टाकलेले हे एक महत्त्वाचे पाऊल आहे.
 
15 0 0
Share this story

Post Your Comment
मराठी English
Your Name *
Email
  Notify me once my comment is published
Comment *
Content limited to 1000 characters,1000 characters remaining.

Select Language
Share Link