क्वांटम अजीबता के दशकों-पुराने स्पष्टीकरण के लिए प्रयोग जादू कयामत

क्वांटम यांत्रिकी द्वारा आपूर्ति की जाने वाली संभावनाओं के पैलेट से वस्तुनिष्ठ वास्तविकता कैसे उभरती है? वह प्रश्न - सिद्धांत द्वारा प्रस्तुत सबसे गहरा और सबसे पेचीदा मुद्दा - अभी भी एक सदी पुराने तर्कों का विषय है। दुनिया के अवलोकन कैसे निश्चित, "शास्त्रीय" परिणाम देते हैं, इसके लिए संभावित स्पष्टीकरण, क्वांटम यांत्रिकी के विभिन्न व्याख्याओं पर चित्रण करते हुए, केवल उन सौ या इतने वर्षों में गुणा किया गया है।

लेकिन अब हम प्रस्तावों के कम से कम एक सेट को खत्म करने के लिए तैयार हो सकते हैं। हाल के प्रयोगों ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए कण भौतिकी उपकरणों की अत्यधिक संवेदनशीलता को जुटाया है कि क्वांटम संभावनाओं का एकल शास्त्रीय वास्तविकता में "पतन" केवल एक गणितीय सुविधा नहीं है बल्कि एक वास्तविक भौतिक प्रक्रिया है - एक विचार जिसे "भौतिक पतन" कहा जाता है। प्रयोगों में इन पतन मॉडल की कम से कम सरलतम किस्मों द्वारा अनुमानित प्रभावों का कोई सबूत नहीं मिला।

अभी भी निश्चित रूप से यह कहना जल्दबाजी होगी कि शारीरिक पतन नहीं होता है। कुछ शोधकर्ताओं का मानना ​​​​है कि प्रयोगों के शून्य परिणामों द्वारा उन पर लगाए गए बाधाओं से बचने के लिए मॉडलों को अभी भी संशोधित किया जा सकता है। लेकिन जबकि "किसी भी मॉडल को बचाना हमेशा संभव होता है," ने कहा सैंड्रो डोनाडि, इटली के ट्राइस्टे में नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर फिजिक्स (INFN) के एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी, जिन्होंने एक प्रयोग का नेतृत्व किया, उन्हें संदेह है कि "समुदाय मॉडल को [अनिश्चित काल के लिए] संशोधित करता रहेगा, क्योंकि सीखने के लिए बहुत कुछ नहीं होगा। ऐसा करने से।" क्वांटम थ्योरी के सबसे बड़े रहस्य को सुलझाने की इस कोशिश पर नकेल कसती नजर आ रही है.

पतन का कारण क्या है?

भौतिक पतन मॉडल का उद्देश्य पारंपरिक क्वांटम सिद्धांत की केंद्रीय दुविधा को हल करना है। 1926 में इरविन श्रोडिंगे इस बात पर जोर क्वांटम ऑब्जेक्ट का वर्णन एक गणितीय इकाई द्वारा किया जाता है जिसे वेव फंक्शन कहा जाता है, जो उस वस्तु और उसके गुणों के बारे में कही जा सकने वाली सभी बातों को समाहित करता है। जैसा कि नाम का तात्पर्य है, एक तरंग फ़ंक्शन एक प्रकार की तरंग का वर्णन करता है - लेकिन भौतिक नहीं। बल्कि, यह एक "प्रायिकता तरंग" है, जो हमें वस्तु पर किए गए माप के विभिन्न संभावित परिणामों और किसी दिए गए प्रयोग में उनमें से किसी एक को देखने की संभावना की भविष्यवाणी करने की अनुमति देती है।

यदि ऐसी वस्तुओं पर समान तरीके से तैयार होने पर कई माप किए जाते हैं, तो तरंग फ़ंक्शन हमेशा परिणामों के सांख्यिकीय वितरण की सही भविष्यवाणी करता है। लेकिन यह जानने का कोई तरीका नहीं है कि किसी एकल माप का परिणाम क्या होगा - क्वांटम यांत्रिकी केवल संभावनाएं प्रदान करता है। एक विशिष्ट अवलोकन क्या निर्धारित करता है? 1932 में, गणितीय भौतिक विज्ञानी जॉन वॉन न्यूमैन ने प्रस्तावित किया कि, जब एक माप किया जाता है, तो तरंग फ़ंक्शन संभावित परिणामों में से एक में "ढह" जाता है। प्रक्रिया अनिवार्य रूप से यादृच्छिक है, लेकिन उन संभावनाओं से पक्षपाती है जो इसे एन्कोड करते हैं। क्वांटम यांत्रिकी स्वयं पतन की भविष्यवाणी नहीं करता है, जिसे गणना में मैन्युअल रूप से जोड़ा जाना है।

एक तदर्थ गणितीय चाल के रूप में, यह काफी अच्छी तरह से काम करता है। लेकिन कुछ शोधकर्ताओं के लिए ऐसा लग रहा था (और लगता है) हाथ की असंतोषजनक नींद। आइंस्टीन ने प्रसिद्ध रूप से इसकी तुलना भगवान के पासा खेलने के लिए की थी ताकि यह तय किया जा सके कि "वास्तविक" क्या है - हम वास्तव में अपनी शास्त्रीय दुनिया में क्या देखते हैं। डेनिश भौतिक विज्ञानी नील्स बोहर ने अपनी तथाकथित कोपेनहेगन व्याख्या में, इस मुद्दे को सीमा से बाहर करते हुए कहा कि भौतिकविदों को क्वांटम और शास्त्रीय शासनों के बीच एक मूलभूत अंतर को स्वीकार करना था। इसके विपरीत, 1957 में भौतिक विज्ञानी ह्यूग एवरेट ने जोर देकर कहा कि वेव फंक्शन का पतन सिर्फ एक भ्रम है और वास्तव में सभी परिणामों को लगभग अनंत संख्या में शाखाओं वाले ब्रह्मांडों में महसूस किया जाता है - जिसे भौतिक विज्ञानी अब कहते हैं "कई दुनिया".

सच्चाई यह है कि "लहर समारोह के पतन का मूल कारण अभी तक अज्ञात है," ने कहा इनवूक किमकैलिफोर्निया में लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी में एक भौतिक विज्ञानी। "क्यों और कैसे होता है?"

1986 में, इतालवी भौतिक विज्ञानी जियानकार्लो घिरार्डी, अल्बर्टो रिमिनी और टुलियो वेबर सुझाव एक जवाब। क्या होगा, उन्होंने कहा, श्रोडिंगर का तरंग समीकरण पूरी कहानी नहीं थी? उन्होंने कहा कि क्वांटम सिस्टम लगातार किसी अज्ञात प्रभाव से उत्पन्न होता है जो इसे सिस्टम के संभावित अवलोकन योग्य राज्यों में से एक में स्वचालित रूप से कूदने के लिए प्रेरित कर सकता है, एक समय पर जो इस बात पर निर्भर करता है कि सिस्टम कितना बड़ा है। एक छोटी, पृथक प्रणाली, जैसे कि क्वांटम सुपरपोजिशन में एक परमाणु (एक ऐसी स्थिति जिसमें कई माप परिणाम संभव हैं), बहुत लंबे समय तक इस तरह रहेगा। लेकिन बड़ी वस्तुएं - एक बिल्ली, कहते हैं, या एक परमाणु जब यह एक मैक्रोस्कोपिक मापने वाले उपकरण के साथ बातचीत करता है - लगभग तुरंत एक अच्छी तरह से परिभाषित शास्त्रीय अवस्था में ढह जाता है। यह तथाकथित जीआरडब्ल्यू मॉडल (तीनों के आद्याक्षर के बाद) पहला भौतिक-पतन मॉडल था; बाद में शोधन निरंतर स्वतःस्फूर्त स्थानीयकरण (सीएसएल) मॉडल के रूप में जाना जाता है जिसमें अचानक उछाल के बजाय क्रमिक, निरंतर पतन शामिल है। भौतिक विज्ञानी ने कहा कि ये मॉडल क्वांटम यांत्रिकी की इतनी व्याख्या नहीं हैं जितना कि इसके अतिरिक्त मगदलीना ज़िक ऑस्ट्रेलिया में क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के।

यह क्या है जो तरंग समारोह के पतन के माध्यम से इस सहज स्थानीयकरण का कारण बनता है? GRW और CSL मॉडल नहीं कहते हैं; वे सिर्फ इसका वर्णन करने के लिए श्रोडिंगर समीकरण में गणितीय शब्द जोड़ने का सुझाव देते हैं। लेकिन 1980 और 90 के दशक में, ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के गणितीय भौतिक विज्ञानी रोजर पेनरोज़ और बुडापेस्ट में ईटवोस लोरंड विश्वविद्यालय के लाजोस डिओसी ने स्वतंत्र रूप से पतन का एक संभावित कारण प्रस्तावित किया: गुरुत्वाकर्षण। संक्षेप में, उनका विचार यह था कि यदि एक क्वांटम वस्तु स्थानों की एक सुपरपोजिशन में है, तो प्रत्येक स्थिति राज्य दूसरों को उनके गुरुत्वाकर्षण संपर्क के माध्यम से "महसूस" करेगा। यह ऐसा है जैसे कि यह आकर्षण वस्तु को खुद को मापने का कारण बनता है, जिससे वह ढह जाता है। या यदि आप इसे सामान्य सापेक्षता के दृष्टिकोण से देखते हैं, जो गुरुत्वाकर्षण का वर्णन करता है, तो इलाकों का एक सुपरपोजिशन अंतरिक्ष-समय के कपड़े को एक ही बार में दो अलग-अलग तरीकों से विकृत कर देता है, एक ऐसी परिस्थिति जिसे सामान्य सापेक्षता समायोजित नहीं कर सकती है। जैसा कि पेनरोज़ ने कहा है, क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता के बीच गतिरोध में, क्वांटम पहले टूट जाएगा।

सत्य की परीक्षा

ये विचार हमेशा अत्यधिक सट्टा रहे हैं। लेकिन, कोपेनहेगन और एवरेट व्याख्याओं जैसे क्वांटम यांत्रिकी के स्पष्टीकरण के विपरीत, भौतिक-पतन मॉडल में अवलोकन योग्य भविष्यवाणियां करने का गुण होता है - और इस प्रकार परीक्षण योग्य और गलत साबित होता है।

यदि वास्तव में एक पृष्ठभूमि गड़बड़ी है जो क्वांटम पतन को भड़काती है - चाहे वह गुरुत्वाकर्षण प्रभाव से आती है या कुछ और - तो सभी कण इस गड़बड़ी के साथ लगातार बातचीत करेंगे, चाहे वे एक सुपरपोजिशन में हों या नहीं। परिणाम सिद्धांत रूप में पता लगाने योग्य होना चाहिए। आईएनएफएन की भौतिक विज्ञानी कैटालिना कुरसीनु ने कहा कि बातचीत से ब्राउनियन गति की तुलना में "अंतरिक्ष में कणों का स्थायी ज़िगज़ैगिंग" बनाना चाहिए।

वर्तमान भौतिक-पतन मॉडल बताते हैं कि यह विवर्तनिक गति केवल बहुत मामूली है। फिर भी, यदि कण विद्युत आवेशित है, तो गति ब्रेम्सस्ट्रालंग नामक प्रक्रिया में विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्पन्न करेगी। इस प्रकार पदार्थ की एक गांठ लगातार फोटॉन की एक बहुत ही धुंधली धारा का उत्सर्जन करती है, जो मॉडल के विशिष्ट संस्करण एक्स-रे रेंज में होने की भविष्यवाणी करते हैं। दोनाडी और उनके सहयोगी एंजेलो बस्सी है दिखाया डायोसी-पेनरोज़ मॉडल सहित, गतिशील स्वतःस्फूर्त पतन के किसी भी मॉडल से इस तरह के विकिरण के उत्सर्जन की उम्मीद की जाती है।

फिर भी "जबकि विचार सरल है, व्यवहार में परीक्षण इतना आसान नहीं है," किम ने कहा। पूर्वानुमानित संकेत अत्यंत कमजोर है, जिसका अर्थ है कि एक प्रयोग में पता लगाने योग्य संकेत प्राप्त करने के लिए भारी संख्या में आवेशित कणों को शामिल करना चाहिए। और पृष्ठभूमि शोर - जो कि ब्रह्मांडीय किरणों और पर्यावरण में विकिरण जैसे स्रोतों से आता है - को कम रखा जाना चाहिए। उन स्थितियों को केवल अत्यंत संवेदनशील प्रयोगों से संतुष्ट किया जा सकता है, जैसे कि डार्क मैटर सिग्नल या न्यूट्रिनो नामक मायावी कणों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया।

1996 में, न्यू यॉर्क में हैमिल्टन कॉलेज के किजिया फू - तब सिर्फ एक स्नातक - प्रस्तावित एक्स-रे उत्सर्जन के सीएसएल हस्ताक्षर का पता लगाने के लिए जर्मेनियम-आधारित न्यूट्रिनो प्रयोगों का उपयोग करना। (अपना पेपर जमा करने के कुछ हफ़्तों बाद, वह था बिजली द्वारा मारा गया यूटा में एक लंबी पैदल यात्रा की यात्रा पर और मारे गए।) विचार यह था कि जर्मेनियम में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को सहज विकिरण का उत्सर्जन करना चाहिए, जिसे अल्ट्रासेंसिटिव डिटेक्टर उठा लेंगे। फिर भी हाल ही में आवश्यक संवेदनशीलता वाले उपकरण ऑनलाइन आए हैं।

2020 में, हंगरी में डियोसी के साथ डोनाडी, बस्सी और कुरसेनु सहित इटली की एक टीम ने इस तरह के एक जर्मेनियम डिटेक्टर का उपयोग डियोसी-पेनरोज़ मॉडल का परीक्षण करने के लिए किया। IGEX नामक न्यूट्रिनो प्रयोग के लिए बनाए गए डिटेक्टरों को इटली के एपेनाइन रेंज में एक पर्वत ग्रैन सासो के नीचे उनके स्थान के आधार पर विकिरण से परिरक्षित किया जाता है।

शेष पृष्ठभूमि संकेत को ध्यान से घटाने के बाद - चट्टान से ज्यादातर प्राकृतिक रेडियोधर्मिता - भौतिक विज्ञानी कोई उत्सर्जन नहीं देखा संवेदनशीलता के स्तर पर जिसने डायोसी-पेनरोज़ मॉडल के सबसे सरल रूप को खारिज कर दिया। वे भी मजबूत सीमा रखी उन मापदंडों पर जिनके भीतर विभिन्न सीएसएल मॉडल अभी भी काम कर सकते हैं। मूल जीआरडब्ल्यू मॉडल इस तंग खिड़की के भीतर है: यह एक मूंछ से बचा हुआ है।

में इस अगस्त में प्रकाशित पेपर, 2020 के परिणाम की पुष्टि मेजराना डिमॉन्स्ट्रेटर नामक एक प्रयोग द्वारा की गई थी, जिसे मुख्य रूप से मेजराना न्यूट्रिनो नामक काल्पनिक कणों की खोज के लिए स्थापित किया गया था (जिनमें अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल्स होने की जिज्ञासु संपत्ति होती है)। प्रयोग सैनफोर्ड अंडरग्राउंड रिसर्च फैसिलिटी में रखा गया है, जो दक्षिण डकोटा में एक पूर्व सोने की खदान में लगभग 5,000 फीट भूमिगत है। इसमें IGEX की तुलना में उच्च शुद्धता वाले जर्मेनियम डिटेक्टरों की एक बड़ी सरणी है, और वे एक्स-रे को कम ऊर्जा में पता लगा सकते हैं। टीम के एक सदस्य किम ने कहा, "पिछले काम की तुलना में हमारी सीमा बहुत अधिक कठोर है।"

एक गन्दा अंत

हालांकि भौतिक-पतन मॉडल बुरी तरह से बीमार हैं, वे पूरी तरह से मृत नहीं हैं। "विभिन्न मॉडल प्रकृति और पतन के गुणों के बारे में बहुत अलग धारणाएं बनाते हैं," किम ने कहा। प्रायोगिक परीक्षणों ने अब इन मूल्यों के लिए सबसे प्रशंसनीय संभावनाओं को बाहर कर दिया है, लेकिन अभी भी आशा का एक छोटा सा द्वीप है।

निरंतर सहज स्थानीयकरण मॉडल का प्रस्ताव है कि तरंग फ़ंक्शन को परेशान करने वाली भौतिक इकाई किसी प्रकार का "शोर क्षेत्र" है, जिसे वर्तमान परीक्षण मानते हैं कि सफेद शोर है: सभी आवृत्तियों पर समान। यह सबसे सरल धारणा है। लेकिन यह संभव है कि शोर "रंगीन" हो, उदाहरण के लिए कुछ उच्च-आवृत्ति कटऑफ होने से। Curceanu ने कहा कि इन अधिक जटिल मॉडलों के परीक्षण के लिए अब तक की तुलना में उच्च ऊर्जा पर उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को मापने की आवश्यकता होगी।

मेजराना डिमॉन्स्ट्रेटर प्रयोग अब बंद हो रहा है, लेकिन टीम एक प्रयोग के साथ एक नया सहयोग बना रही है जिसे कहा जाता है Gerda, ग्रैन सासो पर आधारित, न्यूट्रिनो द्रव्यमान की जांच करने वाला एक और प्रयोग करने के लिए। बुलाया किंवदंती, इसमें अधिक विशाल और इस प्रकार अधिक संवेदनशील जर्मेनियम डिटेक्टर सरणियाँ होंगी। "किंवदंती सीएसएल मॉडल पर सीमाओं को और आगे बढ़ाने में सक्षम हो सकती है," किम ने कहा। वे भी हैं प्रस्तावों एसटी परीक्षण अंतरिक्ष-आधारित प्रयोगों में ये मॉडल, जो पर्यावरणीय कंपनों द्वारा उत्पन्न शोर से ग्रस्त नहीं होंगे।

मिथ्याकरण कठिन काम है, और शायद ही कभी एक सुव्यवस्थित अंत बिंदु तक पहुँचता है। अब भी, कर्सिएनु के अनुसार, रोजर पेनरोज़ - जिन्हें इस पुरस्कार से सम्मानित किया गया था 2020 भौतिकी में नोबेल पुरस्कार सामान्य सापेक्षता पर अपने काम के लिए - डायोसी-पेनरोज़ मॉडल के एक संस्करण पर काम कर रहा है जिसमें बिल्कुल भी सहज विकिरण नहीं है।

फिर भी, कुछ लोगों को संदेह है कि क्वांटम यांत्रिकी के इस दृष्टिकोण के लिए, लेखन दीवार पर है। ज़िच ने कहा, "हमें यह करने की ज़रूरत है कि ये मॉडल क्या हासिल करने की कोशिश कर रहे हैं," और देखें कि क्या प्रेरक समस्याओं का एक अलग दृष्टिकोण के माध्यम से बेहतर जवाब नहीं हो सकता है। जबकि कुछ लोग तर्क देंगे कि माप की समस्या अब कोई मुद्दा नहीं है, हमने बहुत कुछ सीखा है, जब से पहले पतन मॉडल प्रस्तावित किए गए थे, क्वांटम मापन के बारे में क्या होता है। "मुझे लगता है कि हमें इस सवाल पर वापस जाने की जरूरत है कि ये मॉडल दशकों पहले क्या बनाए गए थे," उसने कहा, "और इस बीच हमने जो सीखा है उसे गंभीरता से लें।"