تجربات اسپیل ڈوم فار کوانٹم ویریڈنس کی دہائیوں پرانی وضاحت

کوانٹم میکینکس کے ذریعہ فراہم کردہ امکانات کے پیلیٹ سے معروضی حقیقت کیسے ابھرتی ہے؟ یہ سوال - نظریہ کے ذریعہ پیدا ہونے والا سب سے گہرا اور سب سے زیادہ پریشان کن مسئلہ - ایک صدی پرانا اب بھی دلائل کا موضوع ہے۔ کوانٹم میکانکس کا کیا مطلب ہے اس کی مختلف تشریحات پر روشنی ڈالتے ہوئے، دنیا کے مشاہدات سے یقینی، "کلاسیکی" نتائج کیسے نکلتے ہیں، اس کی ممکنہ وضاحتیں صرف ان سو سالوں میں کئی گنا بڑھی ہیں۔

لیکن اب ہم تجویز کے کم از کم ایک سیٹ کو ختم کرنے کے لیے تیار ہو سکتے ہیں۔ حالیہ تجربات نے ذراتی طبیعیات کے آلات کی انتہائی حساسیت کو اس خیال کی جانچ کرنے کے لیے متحرک کیا ہے کہ کوانٹم امکانات کا ایک ہی کلاسیکی حقیقت میں "گر جانا" صرف ایک ریاضیاتی سہولت نہیں ہے بلکہ ایک حقیقی جسمانی عمل ہے - ایک خیال جسے "جسمانی خاتمے" کہا جاتا ہے۔ تجربات میں ان گرنے والے ماڈلز کی کم از کم آسان ترین اقسام کے ذریعہ پیش گوئی کی گئی اثرات کا کوئی ثبوت نہیں ملا۔

یہ ابھی بھی قطعی طور پر کہنا قبل از وقت ہے کہ جسمانی تباہی واقع نہیں ہوتی ہے۔ کچھ محققین کا خیال ہے کہ تجربات کے کالعدم نتائج کے ذریعہ ان پر پڑی رکاوٹوں سے بچنے کے لیے ماڈلز کو ابھی تک تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ لیکن جب کہ "کسی بھی ماڈل کو بچانا ہمیشہ ممکن ہے،" کہا سینڈرو ڈوناڈیٹریسٹی، اٹلی میں نیشنل انسٹی ٹیوٹ فار نیوکلیئر فزکس (INFN) کے ایک نظریاتی طبیعیات دان، جنہوں نے ایک تجربات کی قیادت کی، انہیں شک ہے کہ "کمیونٹی ماڈلز میں ترمیم کرتی رہے گی [غیر معینہ مدت تک]، کیونکہ سیکھنے کے لیے بہت کچھ نہیں ہوگا۔ ایسا کرنے سے۔" ایسا لگتا ہے کہ کوانٹم تھیوری کے سب سے بڑے اسرار کو حل کرنے کی اس کوشش پر پھندا تنگ ہوتا جا رہا ہے۔

گرنے کا کیا سبب ہے؟

جسمانی خاتمے کے ماڈل کا مقصد روایتی کوانٹم تھیوری کے مرکزی مخمصے کو حل کرنا ہے۔ 1926 میں ایرون شروڈنگر زور دیا کہ ایک کوانٹم آبجیکٹ کو ایک ریاضیاتی ہستی کے ذریعہ بیان کیا جاتا ہے جسے لہر فعل کہا جاتا ہے، جو اس چیز اور اس کی خصوصیات کے بارے میں کہی جانے والی تمام چیزوں کو سمیٹتا ہے۔ جیسا کہ نام سے ظاہر ہوتا ہے، لہر کا فنکشن ایک قسم کی لہر کو بیان کرتا ہے - لیکن جسمانی نہیں۔ بلکہ، یہ ایک "امکانی لہر" ہے، جو ہمیں آبجیکٹ پر کی جانے والی پیمائش کے مختلف ممکنہ نتائج، اور دیے گئے تجربے میں ان میں سے کسی ایک کو دیکھنے کے امکانات کی پیشین گوئی کرنے کی اجازت دیتی ہے۔

اگر ایسی اشیاء پر بہت سی پیمائشیں کی جاتی ہیں جب وہ یکساں انداز میں تیار کی جاتی ہیں، تو لہر کا فنکشن ہمیشہ نتائج کی شماریاتی تقسیم کی صحیح پیشین گوئی کرتا ہے۔ لیکن یہ جاننے کا کوئی طریقہ نہیں ہے کہ کسی ایک پیمائش کا نتیجہ کیا ہو گا - کوانٹم میکینکس صرف امکانات پیش کرتا ہے۔ کیا ایک مخصوص مشاہدے کا تعین کرتا ہے؟ 1932 میں، ریاضی کے ماہر طبیعیات جان وان نیومن نے تجویز پیش کی کہ، جب کوئی پیمائش کی جاتی ہے، تو لہر کا فعل ممکنہ نتائج میں سے ایک میں "منتشر" ہو جاتا ہے۔ یہ عمل بنیادی طور پر بے ترتیب ہے لیکن اس کے انکوڈ ہونے والے امکانات کے لحاظ سے متعصب ہے۔ کوانٹم میکینکس خود بھی گرنے کی پیشین گوئی نہیں کرتا، جسے حساب میں دستی طور پر شامل کرنا پڑتا ہے۔

ایک ایڈہاک ریاضیاتی چال کے طور پر، یہ کافی اچھی طرح سے کام کرتا ہے۔ لیکن ایسا لگتا تھا (اور لگتا ہے کہ جاری ہے) کچھ محققین کو ہاتھ کی ایک غیر تسلی بخش احتیاط ہے۔ آئن سٹائن نے مشہور طور پر اس کا موازنہ خدا سے ڈائس کھیلنے سے کیا تاکہ یہ فیصلہ کیا جا سکے کہ "حقیقی" کیا بنتا ہے - جو ہم اپنی کلاسیکی دنیا میں حقیقت میں دیکھتے ہیں۔ ڈنمارک کے ماہر طبیعیات نیلز بوہر نے اپنی نام نہاد کوپن ہیگن کی تشریح میں، اس مسئلے کو حد سے باہر کہہ دیا، اور کہا کہ طبیعیات دانوں کو صرف کوانٹم اور کلاسیکی حکومتوں کے درمیان ایک بنیادی فرق کو قبول کرنا ہوگا۔ اس کے برعکس، 1957 میں ماہرِ طبیعیات ہیو ایوریٹ نے زور دے کر کہا کہ لہروں کے فعل کا خاتمہ محض ایک وہم ہے اور درحقیقت تمام نتائج کا ادراک تقریباً لامحدود شاخوں والی کائناتوں میں ہوتا ہے - جسے اب طبیعیات دان کہتے ہیں "بہت سی دنیایں".

سچ یہ ہے کہ "لہر فنکشن کے خاتمے کی بنیادی وجہ ابھی تک نامعلوم ہے،" نے کہا انوک کمکیلیفورنیا میں لارنس لیورمور نیشنل لیبارٹری میں ماہر طبیعیات۔ "یہ کیوں اور کیسے ہوتا ہے؟"

1986 میں، اطالوی طبیعیات دان گیان کارلو گھرارڈی، البرٹو رمینی اور ٹولیو ویبر تجویز پیش کی ہے ایک جواب. کیا ہوگا اگر، انہوں نے کہا، شروڈنگر کی لہر کی مساوات پوری کہانی نہیں تھی؟ انہوں نے موقف اختیار کیا کہ کوانٹم سسٹم کو کسی نامعلوم اثر و رسوخ کے ذریعے مستقل طور پر فروغ دیا جاتا ہے جو اسے نظام کی ممکنہ قابل مشاہدہ حالتوں میں سے کسی ایک میں بے ساختہ چھلانگ لگانے پر آمادہ کر سکتا ہے، اس وقت کے پیمانے پر جو اس بات پر منحصر ہوتا ہے کہ نظام کتنا بڑا ہے۔ ایک چھوٹا، الگ تھلگ نظام، جیسے کوانٹم سپرپوزیشن میں ایٹم (ایک ایسی حالت جس میں پیمائش کے متعدد نتائج ممکن ہیں)، بہت طویل عرصے تک اسی طرح قائم رہے گا۔ لیکن بڑی اشیاء — ایک بلی، کہتے ہیں، یا ایک ایٹم جب میکروسکوپک پیمائش کرنے والے آلے کے ساتھ تعامل کرتا ہے — تقریباً فوری طور پر ایک اچھی طرح سے متعین کلاسیکی حالت میں گر جاتا ہے۔ یہ نام نہاد GRW ماڈل (تینوں کے ابتدائی ناموں کے بعد) پہلا جسمانی طور پر گرنے والا ماڈل تھا۔ بعد میں ادائیگی مسلسل خود بخود لوکلائزیشن (CSL) ماڈل کے نام سے جانا جاتا ہے جس میں اچانک چھلانگ لگانے کے بجائے بتدریج، مسلسل گرنا شامل ہے۔ طبیعیات دان نے کہا کہ یہ ماڈلز کوانٹم میکانکس کی اتنی تشریحات نہیں ہیں جتنی اس میں اضافہ میگڈالینا زیچ آسٹریلیا میں کوئنز لینڈ یونیورسٹی کا۔

وہ کیا ہے جو لہر فنکشن کے خاتمے کے ذریعے اس بے ساختہ لوکلائزیشن کا سبب بنتا ہے؟ GRW اور CSL ماڈل یہ نہیں کہتے؛ وہ صرف اس کو بیان کرنے کے لیے Schrödinger مساوات میں ایک ریاضیاتی اصطلاح شامل کرنے کا مشورہ دیتے ہیں۔ لیکن 1980 اور 90 کی دہائیوں میں، آکسفورڈ یونیورسٹی کے ریاضی کے طبیعیات دان راجر پینروز اور بوڈاپیسٹ میں Eötvös Loránd یونیورسٹی کے Lajos Diósi نے آزادانہ طور پر تباہی کی ممکنہ وجہ تجویز کی: کشش ثقل۔ ڈھیلے الفاظ میں، ان کا خیال یہ تھا کہ اگر کوئی کوانٹم آبجیکٹ مقامات کی سپرپوزیشن میں ہے، تو ہر پوزیشن والی حالت اپنی کشش ثقل کے تعامل کے ذریعے دوسروں کو "محسوس" کرے گی۔ گویا یہ کشش آبجیکٹ کو خود کی پیمائش کرنے کا سبب بنتی ہے اور اسے گرنے پر مجبور کرتی ہے۔ یا اگر آپ اسے عمومی اضافیت کے نقطہ نظر سے دیکھیں، جو کشش ثقل کو بیان کرتا ہے، مقامیات کی ایک سپرپوزیشن اسپیس ٹائم کے تانے بانے کو ایک ہی وقت میں دو مختلف طریقوں سے بگاڑ دیتی ہے، ایسی صورت حال جو کہ عمومی اضافیت کو ایڈجسٹ نہیں کر سکتی۔ جیسا کہ پینروز نے کہا ہے، کوانٹم میکانکس اور عمومی اضافیت کے درمیان تعطل میں، کوانٹم پہلے ٹوٹ جائے گا۔

سچائی کا امتحان

یہ خیالات ہمیشہ انتہائی قیاس آرائی پر مبنی رہے ہیں۔ لیکن، کوپن ہیگن اور ایوریٹ کی تشریحات جیسے کوانٹم میکانکس کی وضاحتوں کے برعکس، جسمانی طور پر گرنے والے ماڈلز قابل مشاہدہ پیشین گوئیاں کرنے کی خوبی رکھتے ہیں - اور اس طرح قابل آزمائش اور غلط ثابت ہوتے ہیں۔

اگر واقعی کوئی پس منظر کی ہنگامہ آرائی ہے جو کوانٹم کے خاتمے کو اکساتی ہے - چاہے یہ کشش ثقل کے اثرات سے آئے یا کسی اور چیز سے - تو تمام ذرات اس ہنگامے کے ساتھ مسلسل تعامل کر رہے ہوں گے، چاہے وہ سپر پوزیشن میں ہوں یا نہ ہوں۔ نتائج اصولی طور پر قابل شناخت ہونے چاہئیں۔ INFN کی ایک ماہر طبیعیات، Catalina Curceanu نے کہا کہ تعامل کو "خلا میں ذرات کی مستقل زگ زیگنگ" پیدا کرنا چاہیے جو براؤنین حرکت کے مقابلے میں ہو۔

موجودہ جسمانی طور پر گرنے والے ماڈل تجویز کرتے ہیں کہ یہ مختلف حرکت صرف بہت معمولی ہے۔ بہر حال، اگر ذرہ برقی طور پر چارج کیا جاتا ہے، تو یہ حرکت بریمسسٹراہلنگ نامی عمل میں برقی مقناطیسی تابکاری پیدا کرے گی۔ اس طرح مادے کی ایک گانٹھ سے فوٹون کی ایک بہت ہی مدھم ندی کا اخراج ہونا چاہیے، جس کے ماڈلز کے مخصوص ورژن ایکس رے کی حد میں ہونے کی پیش گوئی کرتے ہیں۔ ڈوناڈی اور اس کا ساتھی اینجلو باسی۔ ہے دکھایا گیا اس طرح کی تابکاری کے اخراج کی توقع ڈائنامیکل اچانک گرنے کے کسی بھی ماڈل سے کی جاتی ہے، بشمول Diósi-Penrose ماڈل۔

پھر بھی "اگرچہ خیال آسان ہے، عملی طور پر ٹیسٹ اتنا آسان نہیں ہے،" کم نے کہا۔ پیشن گوئی سگنل انتہائی کمزور ہے، جس کا مطلب ہے کہ ایک تجربہ میں قابل شناخت سگنل حاصل کرنے کے لیے چارج شدہ ذرات کی ایک بڑی تعداد کو شامل کرنا چاہیے۔ اور پس منظر کا شور - جو ماحول میں کائناتی شعاعوں اور تابکاری جیسے ذرائع سے آتا ہے - کو کم رکھا جانا چاہیے۔ ان حالات کو صرف انتہائی حساس تجربات سے ہی پورا کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ تاریک مادے کے سگنلز یا نیوٹرینو نامی پرہیزگار ذرات کا پتہ لگانے کے لیے ڈیزائن کیے گئے ہیں۔

1996 میں، نیو یارک کے ہیملٹن کالج کے کیجیا فو - پھر صرف ایک انڈرگریجویٹ - مجوزہ ایکسرے کے اخراج کے سی ایس ایل دستخط کا پتہ لگانے کے لیے جرمینیم پر مبنی نیوٹرینو تجربات کا استعمال۔ (اس نے اپنا کاغذ جمع کرنے کے ہفتوں بعد، وہ تھا بجلی سے مارا یوٹاہ میں پیدل سفر کے دوران اور ہلاک ہو گئے۔) خیال یہ تھا کہ جرمینیئم میں موجود پروٹون اور الیکٹرانوں کو بے ساختہ تابکاری خارج کرنی چاہیے، جسے الٹراسنسیٹیو ڈٹیکٹر اٹھا لیں گے۔ ابھی حال ہی میں مطلوبہ حساسیت والے آلات آن لائن آئے ہیں۔

2020 میں، اٹلی کی ایک ٹیم، بشمول ڈونادی، باسی اور کرسیانو، ہنگری میں ڈیوسی کے ساتھ، ڈائوسی-پینروز ماڈل کو جانچنے کے لیے اس قسم کے جرمینیئم ڈیٹیکٹر کا استعمال کیا۔ IGEX نامی نیوٹرینو تجربے کے لیے بنائے گئے ڈیٹیکٹر، اٹلی کے اپنائن رینج میں واقع ایک پہاڑ گران ساسو کے نیچے ان کے مقام کی وجہ سے تابکاری سے محفوظ ہیں۔

بقیہ بیک گراؤنڈ سگنل کو احتیاط سے گھٹانے کے بعد - زیادہ تر چٹان سے قدرتی تابکاری - طبیعیات دان کوئی اخراج نہیں دیکھا حساسیت کی سطح پر جس نے Diósi-Penrose ماڈل کی سادہ ترین شکل کو مسترد کر دیا۔ وہ بھی مضبوط حدیں رکھی ہیں ان پیرامیٹرز پر جن کے اندر مختلف CSL ماڈل اب بھی کام کر سکتے ہیں۔ اصل GRW ماڈل اس تنگ کھڑکی کے اندر ہی ہے: یہ سرگوشی سے بچ گیا۔

ایک کاغذ اس اگست میں شائع ہوا، 2020 کے نتیجے کی تصدیق میجرانا ڈیمونسٹریٹر نامی ایک تجربے سے ہوئی تھی، جو بنیادی طور پر ماجورانا نیوٹرینو (جن کے اپنے اینٹی پارٹیکلز ہونے کی متجسس خاصیت ہے) نامی فرضی ذرات کو تلاش کرنے کے لیے قائم کیا گیا تھا۔ یہ تجربہ سانفورڈ انڈر گراؤنڈ ریسرچ فیسیلٹی میں رکھا گیا ہے، جو جنوبی ڈکوٹا میں سونے کی ایک سابقہ ​​کان میں تقریباً 5,000 فٹ زیر زمین ہے۔ اس میں IGEX کے مقابلے اعلی پاکیزگی والے جرمینیئم ڈٹیکٹرز کی ایک بڑی صف ہے، اور وہ کم توانائیوں تک ایکس رے کا پتہ لگا سکتے ہیں۔ ٹیم کے ایک رکن کم نے کہا کہ "ہماری حد پچھلے کام کے مقابلے میں بہت زیادہ سخت ہے۔"

ایک گندا اختتام

اگرچہ جسمانی طور پر گرنے والے ماڈل بری طرح بیمار ہیں، لیکن وہ بالکل مردہ نہیں ہیں۔ کم نے کہا کہ "مختلف ماڈلز تباہی کی نوعیت اور خصوصیات کے بارے میں بہت مختلف اندازے لگاتے ہیں۔" تجرباتی ٹیسٹوں نے اب ان اقدار کے لیے انتہائی قابل فہم امکانات کو خارج کر دیا ہے، لیکن امید کا ایک چھوٹا سا جزیرہ اب بھی باقی ہے۔

مسلسل خود بخود لوکلائزیشن کے ماڈل تجویز کرتے ہیں کہ لہر کے فنکشن کو پریشان کرنے والی جسمانی ہستی کسی قسم کی "شور فیلڈ" ہے، جو موجودہ ٹیسٹوں کے مطابق سفید شور ہے: تمام تعدد پر یکساں۔ یہ سب سے آسان مفروضہ ہے۔ لیکن یہ ممکن ہے کہ شور "رنگین" ہو، مثال کے طور پر کچھ اعلی تعدد کٹ آف کر کے۔ Curceanu نے کہا کہ ان زیادہ پیچیدہ ماڈلز کی جانچ کرنے کے لیے اب تک ممکن ہونے سے کہیں زیادہ توانائیوں پر اخراج سپیکٹرم کی پیمائش کی ضرورت ہوگی۔

میجرانا ڈیمنسٹریٹر کا تجربہ اب ختم ہو رہا ہے، لیکن ٹیم ایک تجربے کے ساتھ ایک نیا تعاون تشکیل دے رہی ہے گرڈاگران ساسو پر مبنی، نیوٹرینو ماس کی جانچ کرنے والا ایک اور تجربہ تخلیق کرنے کے لیے۔ بلایا علامات، اس میں زیادہ بڑے پیمانے پر اور اس طرح زیادہ حساس جرمینیم ڈیٹیکٹر صفیں ہوں گی۔ کم نے کہا، "لیجنڈ CSL ماڈلز کی حدود کو مزید آگے بڑھانے کے قابل ہو سکتا ہے۔" بھی ہیں۔ گذارش لیے ٹیسٹنگ خلا پر مبنی تجربات میں یہ ماڈل، جو ماحولیاتی کمپن سے پیدا ہونے والے شور کا شکار نہیں ہوں گے۔

جعل سازی ایک مشکل کام ہے، اور شاذ و نادر ہی کسی صاف ستھرا نقطہ تک پہنچ جاتا ہے۔ اب بھی، Curceanu کے مطابق، راجر Penrose - جسے ایوارڈ دیا گیا تھا۔ فزکس میں 2020 کا نوبل انعام جنرل ریلیٹیویٹی پر اپنے کام کے لیے — Diósi-Penrose ماڈل کے ایک ایسے ورژن پر کام کر رہا ہے جس میں کوئی خود ساختہ تابکاری نہیں ہے۔

اسی طرح، کچھ کو شک ہے کہ کوانٹم میکانکس کے اس نظریے کے لیے، تحریر دیوار پر ہے۔ زائچ نے کہا، "ہمیں اس پر نظر ثانی کرنے کی ضرورت ہے کہ یہ ماڈل کیا حاصل کرنے کی کوشش کر رہے ہیں، اور دیکھیں کہ کیا حوصلہ افزا مسائل کا ایک مختلف نقطہ نظر سے بہتر جواب نہیں ہوسکتا ہے۔" اگرچہ کچھ لوگ یہ بحث کریں گے کہ پیمائش کا مسئلہ اب کوئی مسئلہ نہیں ہے، ہم نے بہت کچھ سیکھا ہے، ان سالوں میں جب سے پہلے ٹوٹنے والے ماڈلز تجویز کیے گئے تھے، اس بارے میں کہ کوانٹم پیمائش میں کیا شامل ہے۔ انہوں نے کہا، "مجھے لگتا ہے کہ ہمیں اس سوال پر واپس جانے کی ضرورت ہے کہ یہ ماڈل دہائیوں پہلے کس چیز کے لیے بنائے گئے تھے،" انہوں نے کہا، "اور اس دوران ہم نے جو کچھ سیکھا اسے سنجیدگی سے لیں۔"