भौतिकशास्त्री जो दावा करता है कि गुरुत्वाकर्षण को परिमाणित नहीं किया जा सकता | क्वांटा पत्रिका

अधिकांश भौतिक विज्ञानी उम्मीद करते हैं कि जब हम वास्तविकता के ताने-बाने पर ज़ूम करते हैं, तो क्वांटम यांत्रिकी की अचूक विचित्रता सबसे छोटे पैमाने तक बनी रहती है। लेकिन उन सेटिंग्स में, क्वांटम यांत्रिकी शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण के साथ बिल्कुल असंगत तरीके से टकराती है।

इसलिए लगभग एक सदी से, सिद्धांतकारों ने गुरुत्वाकर्षण की मात्रा निर्धारित करके, या क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार इसे ढालकर एक एकीकृत सिद्धांत बनाने की कोशिश की है। वे अभी भी सफल नहीं हुए हैं.

जोनाथन ओपेनहेमयूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में पोस्ट-क्वांटम विकल्पों की खोज करने वाला एक कार्यक्रम चलाने वाले को संदेह है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम बॉक्स में आसानी से निचोड़ा नहीं जा सकता है। हो सकता है, उनका तर्क हो, हमारी धारणा कि इसे परिमाणित किया जाना चाहिए, गलत है। उन्होंने कहा, ''वह दृष्टिकोण अंतर्निहित है।'' "लेकिन कोई नहीं जानता कि सच्चाई क्या है।"

क्वांटम सिद्धांत निश्चितताओं के बजाय संभावनाओं पर आधारित हैं। उदाहरण के लिए, जब आप किसी क्वांटम कण को ​​मापते हैं, तो आप सटीक रूप से यह अनुमान नहीं लगा सकते हैं कि आप इसे कहाँ पाएंगे, लेकिन आप इसकी संभावना का अनुमान लगा सकते हैं कि यह किसी विशेष स्थान पर पाया जाएगा। इसके अलावा, आप किसी कण के स्थान के बारे में जितना अधिक निश्चित होंगे, आप उसकी गति के बारे में उतना ही कम निश्चित होंगे। 20वीं शताब्दी में, भौतिकविदों ने धीरे-धीरे इस ढांचे का उपयोग करके विद्युत चुंबकत्व और अन्य बलों की समझ बनाई। 

लेकिन जब उन्होंने गुरुत्वाकर्षण को मापने की कोशिश की, तो वे अप्राकृतिक अनंतताओं में भाग गए जिन्हें अनाड़ी गणितीय चालों से दूर करना पड़ा।

 समस्याएँ इसलिए उत्पन्न होती हैं क्योंकि गुरुत्वाकर्षण स्वयं अंतरिक्ष-समय का परिणाम है, न कि कोई ऐसी चीज़ जो इसके शीर्ष पर कार्य करती है। इसलिए यदि गुरुत्वाकर्षण को परिमाणित किया जाता है, तो इसका मतलब है कि अंतरिक्ष-समय को भी परिमाणित किया जाता है। लेकिन यह काम नहीं करता है, क्योंकि क्वांटम सिद्धांत केवल शास्त्रीय अंतरिक्ष-समय पृष्ठभूमि के खिलाफ समझ में आता है - आप अनिश्चित आधार के शीर्ष पर क्वांटम राज्यों को जोड़ और फिर विकसित नहीं कर सकते हैं। 

इस गहरे वैचारिक संघर्ष से निपटने के लिए, अधिकांश सिद्धांतकारों ने स्ट्रिंग सिद्धांत की ओर रुख किया, जो कल्पना करता है कि पदार्थ और अंतरिक्ष-समय छोटे, कंपन वाले तारों से निकलते हैं। एक छोटे गुट ने लूप क्वांटम गुरुत्व पर ध्यान दिया, जो आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता के सहज स्थान-समय को इंटरलॉक किए गए लूप के नेटवर्क से बदल देता है। दोनों सिद्धांतों में, हमारी परिचित, शास्त्रीय दुनिया किसी तरह इन मौलिक क्वांटम बिल्डिंग ब्लॉक्स से उभरती है। 

ओपेनहेम मूल रूप से एक स्ट्रिंग सिद्धांतकार थे, और स्ट्रिंग सिद्धांतकार क्वांटम यांत्रिकी की प्रधानता में विश्वास करते हैं। लेकिन वह जल्द ही आधुनिक भौतिकी में सबसे कुख्यात समस्याओं में से एक से निपटने के लिए अपने साथियों द्वारा की गई विस्तृत गणितीय कलाबाजी से असहज हो गए: ब्लैक होल की जानकारी विरोधाभास. 

2017 में, ओपेनहेम ने उन विकल्पों की खोज शुरू की जो क्वांटम और शास्त्रीय दुनिया दोनों को आधार मानकर सूचना विरोधाभास से बचते थे। वह कुछ अनदेखी चीज़ों से टकरा गया अनुसंधान क्वांटम-शास्त्रीय पर संकर सिद्धांत 1990 के दशक से, जो वह रहा है का विस्तार और खोज तब से। शास्त्रीय और क्वांटम दुनिया कैसे परस्पर संबंधित हैं, इसका अध्ययन करके, ओपेनहेम एक गहरे सिद्धांत को खोजने की उम्मीद करते हैं जो न तो क्वांटम है और न ही शास्त्रीय, बल्कि किसी प्रकार का संकर है। "अक्सर हम अपने सभी अंडे कुछ टोकरियों में रख देते हैं, जब बहुत सारी संभावनाएँ होती हैं," उन्होंने कहा। 

अपनी बात स्पष्ट करने के लिए, ओपेनहेम ने हाल ही में एक शर्त लगाई साथ में ज्योफ पिंगटन और कार्लो रोवेली - स्ट्रिंग सिद्धांत और लूप क्वांटम गुरुत्व के अपने संबंधित क्षेत्रों में अग्रणी। अंतर? 5,000-से-1. यदि ओपेनहेम का अनुमान सही है और अंतरिक्ष-समय की मात्रा निर्धारित नहीं की गई है, तो वह आलू के चिप्स, रंगीन प्लास्टिक की बाल्टी भर जीत सकता है। बेज़िंगा बॉल्स, या जैतून के तेल के शॉट्स, उनकी इच्छा के अनुसार - जब तक कि प्रत्येक वस्तु की कीमत अधिकतम 20 पेंस (लगभग 25 सेंट) हो।

हम किताबों से भरे उत्तरी लंदन के एक कैफे में मिले, जहां उन्होंने शांति से क्वांटम गुरुत्व की यथास्थिति के बारे में अपनी चिंताओं को उजागर किया और इन हाइब्रिड विकल्पों की आश्चर्यजनक सुंदरता की प्रशंसा की। उन्होंने कहा, "वे सभी प्रकार के उल्लेखनीय सूक्ष्म प्रश्न उठाते हैं।" "मैं वास्तव में इन प्रणालियों को समझने की कोशिश में अपने होश खो बैठा हूँ।" लेकिन वह कायम है. 

"मुझे मेरी 5,000 बेज़िंगा गेंदें चाहिए।"

साक्षात्कार को स्पष्टता के लिए संघनित और संपादित किया गया है।

अधिकांश सिद्धांतकार इतने आश्वस्त क्यों हैं कि अंतरिक्ष-समय की मात्रा निर्धारित है?

यह हठधर्मिता बन गई है. प्रकृति के अन्य सभी क्षेत्र मात्राबद्ध हैं। ऐसा माना जाता है कि गुरुत्वाकर्षण के बारे में कुछ भी विशेष नहीं है - यह किसी भी अन्य क्षेत्र की तरह ही एक क्षेत्र है - और इसलिए हमें इसकी मात्रा निर्धारित करनी चाहिए।

क्या आपके विचार में गुरुत्वाकर्षण विशेष है?

हाँ। भौतिक विज्ञानी अन्य सभी बलों को अंतरिक्ष-समय में विकसित होने वाले क्षेत्रों के संदर्भ में परिभाषित करते हैं। गुरुत्वाकर्षण ही हमें अंतरिक्ष-समय की ज्यामिति और वक्रता के बारे में बताता है। अन्य कोई भी बल उस सार्वभौमिक पृष्ठभूमि ज्यामिति का वर्णन नहीं करता है जिसमें हम गुरुत्वाकर्षण की तरह रहते हैं।

फिलहाल, क्वांटम यांत्रिकी का हमारा सबसे अच्छा सिद्धांत अंतरिक्ष-समय की इस पृष्ठभूमि संरचना का उपयोग करता है - जिसे गुरुत्वाकर्षण परिभाषित करता है। और यदि आप वास्तव में मानते हैं कि गुरुत्वाकर्षण परिमाणित है, तो हम उस पृष्ठभूमि संरचना को खो देते हैं।

यदि गुरुत्वाकर्षण शास्त्रीय है और परिमाणित नहीं है तो आपको किस प्रकार की समस्याओं का सामना करना पड़ता है?

लंबे समय तक, समुदाय का मानना ​​था कि गुरुत्वाकर्षण का शास्त्रीय होना तार्किक रूप से असंभव है क्योंकि क्वांटम प्रणाली को शास्त्रीय प्रणाली के साथ जोड़ने से विसंगतियां पैदा होंगी। 1950 के दशक में, रिचर्ड फेनमैन ने एक ऐसी स्थिति की कल्पना की जिसने समस्या पर प्रकाश डाला: उन्होंने एक विशाल कण से शुरुआत की जो दो अलग-अलग स्थानों के सुपरपोजिशन में है। ये स्थान धातु की शीट में दो छेद हो सकते हैं, जैसा कि प्रसिद्ध डबल-स्लिट प्रयोग में होता है। यहाँ कण भी तरंग की तरह व्यवहार करता है। यह स्लिट के दूसरी तरफ प्रकाश और अंधेरे धारियों का एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाता है, जिससे यह जानना असंभव हो जाता है कि यह किस स्लिट से होकर गुजरा है। लोकप्रिय खातों में, कण को ​​कभी-कभी एक ही समय में दोनों स्लिटों से गुज़रने के रूप में वर्णित किया जाता है।

लेकिन चूँकि कण में द्रव्यमान होता है, यह एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र बनाता है जिसे हम माप सकते हैं। और वह गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र हमें उसका स्थान बताता है। यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र शास्त्रीय है, तो हम इसे अनंत परिशुद्धता से माप सकते हैं, कण के स्थान का अनुमान लगा सकते हैं, और यह निर्धारित कर सकते हैं कि यह किस भट्ठा से होकर गुजरा। तो हमारे सामने एक विरोधाभासी स्थिति है - हस्तक्षेप पैटर्न हमें बताता है कि हम यह निर्धारित नहीं कर सकते हैं कि कण किस भट्ठा से गुजरा है, लेकिन शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र हमें ऐसा करने देता है।

लेकिन यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र क्वांटम है, तो कोई विरोधाभास नहीं है - गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को मापते समय अनिश्चितता आती है, और इसलिए कण के स्थान को निर्धारित करने में हमारे पास अभी भी अनिश्चितता है।

इसलिए यदि गुरुत्वाकर्षण शास्त्रीय ढंग से व्यवहार करता है, तो आप बहुत अधिक जानने लगते हैं। और इसका मतलब यह है कि सुपरपोज़िशन जैसे क्वांटम यांत्रिकी के पोषित विचार टूट जाते हैं?

हाँ, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र बहुत कुछ जानता है। लेकिन फेनमैन के तर्क में एक खामी है जो शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण को काम करने की अनुमति दे सकती है।

वह खामी क्या है?

जैसा कि यह खड़ा है, हम केवल यह जानते हैं कि कण ने कौन सा मार्ग अपनाया क्योंकि यह एक निश्चित गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र उत्पन्न करता है जो अंतरिक्ष-समय को मोड़ता है और हमें कण का स्थान निर्धारित करने की अनुमति देता है। 

लेकिन अगर कण और अंतरिक्ष-समय के बीच की बातचीत यादृच्छिक है - या अप्रत्याशित है - तो कण स्वयं गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को पूरी तरह से निर्देशित नहीं करता है। जिसका अर्थ है कि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को मापने से हमेशा यह निर्धारित नहीं होगा कि कण किस भट्ठा से गुजरा है क्योंकि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र कई स्थितियों में से एक में हो सकता है। यादृच्छिकता घर कर जाती है और अब आपके पास कोई विरोधाभास नहीं है।

तो अधिक भौतिक विज्ञानी यह क्यों नहीं सोचते कि गुरुत्वाकर्षण शास्त्रीय है?

खैर, तार्किक रूप से ऐसा सिद्धांत होना संभव है जिसमें हम सभी क्षेत्रों का परिमाणीकरण न करें। लेकिन गुरुत्वाकर्षण के शास्त्रीय सिद्धांत के लिए परिमाणित की जा रही हर चीज़ के अनुरूप होने के लिए, गुरुत्वाकर्षण को मौलिक रूप से यादृच्छिक होना होगा। बहुत से भौतिकविदों के लिए यह अस्वीकार्य है।

क्यों?

भौतिक विज्ञानी यह पता लगाने में बहुत समय बिताते हैं कि प्रकृति कैसे काम करती है। तो यह विचार कि बहुत गहरे स्तर पर, स्वाभाविक रूप से अप्रत्याशित कुछ है, कई लोगों को परेशान कर रहा है।

क्वांटम सिद्धांत के भीतर माप का परिणाम संभाव्य प्रतीत होता है। लेकिन कई भौतिक विज्ञानी यह सोचना पसंद करते हैं कि जो यादृच्छिकता के रूप में प्रकट होता है वह सिर्फ क्वांटम प्रणाली और पर्यावरण के साथ बातचीत करने वाला मापने वाला उपकरण है। वे इसे वास्तविकता की किसी मूलभूत विशेषता के रूप में नहीं देखते हैं।

इसके बजाय आप क्या प्रस्ताव दे रहे हैं?

मेरा सबसे अच्छा अनुमान यह है कि गुरुत्वाकर्षण का अगला सिद्धांत कुछ ऐसा होगा जो न तो पूरी तरह से शास्त्रीय होगा और न ही पूरी तरह से क्वांटम, बल्कि पूरी तरह से कुछ और होगा।

भौतिक विज्ञानी केवल ऐसे मॉडल ही लेकर आ रहे हैं जो प्रकृति का अनुमान लगाते हैं। लेकिन निकट सन्निकटन के प्रयास के रूप में, मेरे छात्रों और मैंने एक पूरी तरह से सुसंगत सिद्धांत का निर्माण किया जिसमें क्वांटम सिस्टम और शास्त्रीय अंतरिक्ष-समय परस्पर क्रिया करते हैं। हमें बस क्वांटम सिद्धांत को थोड़ा संशोधित करना था और आवश्यक पूर्वानुमानशीलता को तोड़ने की अनुमति देने के लिए शास्त्रीय सामान्य सापेक्षता को थोड़ा संशोधित करना था।

आपने इन मिश्रित सिद्धांतों पर काम करना क्यों शुरू किया?

मैं ब्लैक होल सूचना विरोधाभास से प्रेरित था। जब आप एक क्वांटम कण को ​​ब्लैक होल में फेंकते हैं और फिर उस ब्लैक होल को वाष्पित होने देते हैं, तो आपको एक विरोधाभास का सामना करना पड़ता है यदि आप मानते हैं कि ब्लैक होल जानकारी को संरक्षित करते हैं। मानक क्वांटम सिद्धांत की मांग है कि आप जो भी वस्तु ब्लैक होल में फेंकते हैं वह कुछ क्रमबद्ध लेकिन पहचानने योग्य तरीके से वापस विकिरणित हो जाती है। लेकिन यह सामान्य सापेक्षता का उल्लंघन है, जो हमें बताता है कि आप ब्लैक होल के घटना क्षितिज को पार करने वाली वस्तुओं के बारे में कभी नहीं जान सकते।

लेकिन यदि ब्लैक होल की वाष्पीकरण प्रक्रिया अनिश्चित है तो कोई विरोधाभास नहीं है। हम कभी नहीं जान पाते कि ब्लैक होल में क्या डाला गया था क्योंकि पूर्वानुमेयता टूट जाती है। सामान्य सापेक्षता सुरक्षित है.

तो क्या इन क्वांटम-शास्त्रीय संकर सिद्धांतों में शोर जानकारी को खोने की अनुमति देता है?

बिल्कुल सही. 

लेकिन क्वांटम यांत्रिकी में सूचना संरक्षण एक प्रमुख सिद्धांत है। इसे खोकर कई सिद्धांतकार आसानी से नहीं बैठ सकते।

यह सच है। हाल के दशकों में इस बारे में बड़ी बहसें हुईं और लगभग सभी लोग यह मानने लगे कि ब्लैक होल का वाष्पीकरण नियतिवादी है। मैं हमेशा इससे हैरान रहता हूं।

क्या प्रयोगों से कभी यह समाधान निकलेगा कि गुरुत्वाकर्षण की मात्रा निर्धारित की गई है या नहीं?

किन्हीं बिंदुओं पर। हम अभी भी सबसे छोटे पैमाने पर गुरुत्वाकर्षण के बारे में लगभग कुछ भी नहीं जानते हैं। इसका परीक्षण मिलीमीटर पैमाने पर भी नहीं किया गया है, प्रोटॉन के पैमाने की तो बात ही छोड़ दें। लेकिन ऑनलाइन कुछ रोमांचक प्रयोग आ रहे हैं जो ऐसा करेंगे।

एक है एक आधुनिक संस्करण "कैवेंडिश प्रयोग" का, जो दो सीसे के गोले के बीच गुरुत्वाकर्षण आकर्षण की ताकत की गणना करता है। यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में यादृच्छिकता है, जैसा कि इन क्वांटम-शास्त्रीय संकरों में है, तो जब हम इसकी ताकत मापने की कोशिश करेंगे तो हमें हमेशा एक ही उत्तर नहीं मिलेगा। गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र चारों ओर घूमेगा। कोई भी सिद्धांत जिसमें गुरुत्वाकर्षण मौलिक रूप से शास्त्रीय है, उसमें गुरुत्वाकर्षण शोर का एक निश्चित स्तर होता है।

आप कैसे जानते हैं कि यह यादृच्छिकता गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के लिए अंतर्निहित है और पर्यावरण से आने वाला कोई शोर नहीं है?

आप ऐसा नहीं करते. गुरुत्वाकर्षण इतना कमजोर बल है कि सर्वोत्तम प्रयोगों में भी पहले से ही बहुत अधिक कंपन होता है। इसलिए आपको शोर के इन सभी अन्य स्रोतों को जितना संभव हो सके ख़त्म करना होगा। रोमांचक बात यह है कि मैंने और मेरे छात्रों ने दिखाया कि यदि ये मिश्रित सिद्धांत सत्य हैं, तो गुरुत्वाकर्षण शोर की कुछ न्यूनतम मात्रा होनी चाहिए। इसे डबल-स्लिट प्रयोग में सोने के परमाणुओं का अध्ययन करके मापा जा सकता है। ये प्रयोग पहले से ही इस बात पर सीमाएं लगा देते हैं कि गुरुत्वाकर्षण मौलिक रूप से शास्त्रीय है या नहीं। हम धीरे-धीरे अनुमत अनिश्चितता की मात्रा को बंद कर रहे हैं।

शर्त के दूसरे पहलू पर, क्या ऐसे कोई प्रयोग हैं जो साबित करेंगे कि गुरुत्वाकर्षण परिमाणित है?

वहां प्रस्तावित प्रयोग जो गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र द्वारा मध्यस्थ उलझाव की तलाश करता है। चूँकि उलझाव एक क्वांटम घटना है, यह गुरुत्वाकर्षण की क्वांटम प्रकृति का प्रत्यक्ष परीक्षण होगा। ये प्रयोग बहुत रोमांचक हैं, लेकिन शायद दशकों दूर हैं।