طبیعیات دان جو شرط لگاتا ہے کہ کشش ثقل کی مقدار نہیں بتائی جا سکتی | کوانٹا میگزین

زیادہ تر طبیعیات دان توقع کرتے ہیں کہ جب ہم حقیقت کے تانے بانے کو بڑھاتے ہیں، تو کوانٹم میکانکس کی غیر فطری عجیب و غریب کیفیت بہت چھوٹے پیمانے پر برقرار رہتی ہے۔ لیکن ان ترتیبات میں، کوانٹم میکینکس کلاسیکی کشش ثقل سے بالکل غیر مطابقت پذیر طریقے سے ٹکراتی ہے۔

لہٰذا تقریباً ایک صدی سے، تھیوریسٹوں نے کشش ثقل کو مقدار میں رکھ کر، یا کوانٹم میکانکس کے اصولوں کے مطابق اس کا مجسمہ بنا کر ایک متحد نظریہ بنانے کی کوشش کی ہے۔ وہ ابھی تک کامیاب نہیں ہوئے ہیں۔

جوناتھن اوپن ہائیم، جو یونیورسٹی کالج لندن میں پوسٹ کوانٹم متبادلات کی کھوج کا ایک پروگرام چلاتے ہیں، شبہ ہے کہ اس کی وجہ یہ ہے کہ کشش ثقل کو صرف کوانٹم باکس میں نہیں دبایا جا سکتا۔ ہو سکتا ہے، وہ استدلال کرے، ہمارا یہ قیاس غلط ہے کہ اسے مقداری ہونا چاہیے۔ انہوں نے کہا کہ "یہ نظریہ پختہ ہے۔ "لیکن کوئی نہیں جانتا کہ حقیقت کیا ہے۔"

کوانٹم تھیوریز یقین کے بجائے احتمالات پر مبنی ہیں۔ مثال کے طور پر، جب آپ کسی کوانٹم پارٹیکل کی پیمائش کرتے ہیں، تو آپ یہ اندازہ نہیں لگا سکتے کہ آپ کو یہ کہاں ملے گا، لیکن آپ اس امکان کا اندازہ لگا سکتے ہیں کہ یہ کسی خاص جگہ پر پائے گا۔ مزید یہ کہ آپ کسی ذرے کے محل وقوع کے بارے میں جتنا زیادہ یقین رکھتے ہیں، اس کی رفتار کے بارے میں آپ کو اتنا ہی کم یقین ہوگا۔ 20ویں صدی کے دوران، طبیعیات دانوں نے اس فریم ورک کا استعمال کرتے ہوئے بتدریج برقی مقناطیسیت اور دیگر قوتوں کا احساس دلایا۔ 

لیکن جب انہوں نے کشش ثقل کو کم کرنے کی کوشش کی تو وہ غیر فطری لامحدودیتوں میں چلے گئے جنہیں ریاضی کی اناڑی چالوں سے پیچھے ہٹنا پڑا۔

 مسائل اس لیے پیدا ہوتے ہیں کہ کشش ثقل خود اسپیس ٹائم کا نتیجہ ہے، بجائے اس کے کہ اس کے اوپر کام کرنے والی کوئی چیز ہو۔ لہذا اگر کشش ثقل کو مقدار کے مطابق کیا جاتا ہے، تو اس کا مطلب ہے کہ اسپیس ٹائم بھی کوانٹائز کیا جاتا ہے۔ لیکن یہ کام نہیں کرتا، کیونکہ کوانٹم تھیوری صرف کلاسیکی خلائی وقت کے پس منظر کے خلاف معنی رکھتی ہے - آپ غیر یقینی بنیاد کے اوپر کوانٹم ریاستوں کو شامل اور پھر تیار نہیں کر سکتے۔ 

اس گہرے تصوراتی تصادم سے نمٹنے کے لیے، زیادہ تر تھیوریسٹ اسٹرنگ تھیوری کی طرف متوجہ ہوئے، جو تصور کرتا ہے کہ مادّہ اور خلائی وقت چھوٹے، ہلتے ہوئے تاروں سے نکلتے ہیں۔ ایک چھوٹا دھڑا لوپ کوانٹم کشش ثقل کی طرف دیکھ رہا تھا، جو آئن سٹائن کی عمومی اضافیت کے ہموار خلائی وقت کو آپس میں بند لوپس کے نیٹ ورک سے بدل دیتا ہے۔ دونوں نظریات میں، ہماری مانوس، کلاسیکی دنیا کسی نہ کسی طرح ان بنیادی طور پر کوانٹم بلڈنگ بلاکس سے ابھرتی ہے۔ 

Oppenheim اصل میں ایک سٹرنگ تھیوریسٹ تھا، اور سٹرنگ تھیوریسٹ کوانٹم میکانکس کی اولیت پر یقین رکھتے ہیں۔ لیکن وہ جلد ہی اس وسیع ریاضیاتی ایکروبیٹکس سے بے چین ہو گیا جو اس کے ساتھیوں نے جدید طبیعیات کے سب سے زیادہ بدنام زمانہ مسائل میں سے ایک سے نمٹنے کے لیے انجام دیا تھا: بلیک ہول معلومات کا تضاد. 

2017 میں، Oppenheim نے کوانٹم اور کلاسیکی دنیا دونوں کو بیڈراک کے طور پر لے کر معلومات کے تضاد سے بچنے والے متبادل کی تلاش شروع کی۔ اس نے کچھ نظر انداز کر کے ٹھوکر کھائی تحقیق کوانٹم کلاسیکل پر ہائبرڈ نظریات 1990 کی دہائی سے، جو وہ رہا ہے۔ توسیع اور کی تلاش تب سے. کلاسیکی اور کوانٹم کی دنیایں آپس میں کیسے جڑی ہوئی ہیں اس کا مطالعہ کرکے، Oppenheim ایک گہرا نظریہ تلاش کرنے کی امید کرتا ہے جو نہ تو کوانٹم ہو اور نہ ہی کلاسیکل، بلکہ کسی قسم کا ہائبرڈ ہو۔ "اکثر ہم اپنے تمام انڈے چند ٹوکریوں میں ڈال دیتے ہیں، جب بہت سے امکانات ہوتے ہیں،" انہوں نے کہا۔ 

اپنی بات بنانے کے لیے، اوپین ہائیم نے حال ہی میں شرط لگائی ساتھ جیف پیننگٹن اور کارلو روویلی سٹرنگ تھیوری اور لوپ کوانٹم گریویٹی کے اپنے متعلقہ شعبوں میں رہنما۔ مشکلات؟ 5,000 سے 1۔ اگر اوپین ہائیم کی سوچ درست ہے اور اسپیس ٹائم کی مقدار درست نہیں ہے، تو وہ آلو کے چپس، رنگین پلاسٹک کی بالٹیاں جیتنے کے لیے کھڑا ہے۔ بازنگا گیندیں، یا زیتون کے تیل کے شاٹس، اس کی پسند کے مطابق - جب تک کہ ہر شے کی قیمت زیادہ سے زیادہ 20 پنس (تقریبا 25 سینٹ) ہو۔

ہماری ملاقات شمالی لندن کے ایک کیفے میں ہوئی جو کتابوں سے لیس تھی، جہاں اس نے سکون سے کوانٹم گریویٹی جمود کے بارے میں اپنے خدشات کو کھولا اور ان ہائبرڈ متبادلات کی حیرت انگیز خوبصورتی کی تعریف کی۔ انہوں نے کہا کہ "وہ ہر طرح کے قابل ذکر لطیف سوالات اٹھاتے ہیں۔ "میں واقعی ان نظاموں کو سمجھنے کی کوشش میں اپنے پاؤں کھو چکا ہوں۔" لیکن وہ ثابت قدم رہتا ہے۔ 

"مجھے اپنی 5,000 بازینگا گیندیں چاہیے۔"

انٹرویو کو واضح کرنے کے لئے کنڈینس اور ایڈٹ کیا گیا ہے۔

زیادہ تر تھیوریسٹ اس بات کا یقین کیوں رکھتے ہیں کہ اسپیس ٹائم کوانٹائز کیا گیا ہے؟

یہ عقیدہ بن گیا ہے۔ فطرت میں دیگر تمام شعبوں کو مقدار میں رکھا گیا ہے۔ یہ ایک احساس ہے کہ کشش ثقل کے بارے میں کوئی خاص بات نہیں ہے - یہ کسی دوسرے کی طرح ایک فیلڈ ہے - اور اس وجہ سے ہمیں اسے مقدار کے مطابق کرنا چاہئے۔

کیا آپ کی نظر میں کشش ثقل خاص ہے؟

جی ہاں. طبیعیات دان دیگر تمام قوتوں کی وضاحت اسپیس ٹائم میں تیار ہونے والے شعبوں کے لحاظ سے کرتے ہیں۔ کشش ثقل ہی ہمیں خلائی وقت کی جیومیٹری اور گھماؤ کے بارے میں بتاتی ہے۔ دیگر قوتوں میں سے کوئی بھی اس عالمگیر پس منظر کی جیومیٹری کو بیان نہیں کرتا جس میں ہم کشش ثقل کی طرح رہتے ہیں۔

اس وقت، کوانٹم میکانکس کا ہمارا بہترین نظریہ اسپیس ٹائم کے اس پس منظر کی ساخت کو استعمال کرتا ہے - جو کشش ثقل کی وضاحت کرتا ہے۔ اور اگر آپ واقعی یقین رکھتے ہیں کہ کشش ثقل کوانٹائز کیا جاتا ہے، تو ہم اس پس منظر کی ساخت کو کھو دیتے ہیں۔

اگر کشش ثقل کلاسیکی ہو اور کوانٹائزڈ نہ ہو تو آپ کو کس قسم کے مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے؟

ایک طویل عرصے سے، کمیونٹی کا خیال تھا کہ کشش ثقل کا کلاسیکی ہونا منطقی طور پر ناممکن ہے کیونکہ کوانٹم سسٹم کو کلاسیکی نظام کے ساتھ جوڑنے سے تضادات پیدا ہوں گے۔ 1950 کی دہائی میں، رچرڈ فین مین نے ایک ایسی صورت حال کا تصور کیا جس نے اس مسئلے کو روشن کیا: اس نے ایک بڑے ذرے سے آغاز کیا جو دو مختلف مقامات کی سپر پوزیشن میں ہے۔ یہ مقامات دھات کی چادر میں دو سوراخ ہو سکتے ہیں، جیسا کہ مشہور ڈبل سلٹ تجربے میں ہے۔ یہاں، ذرہ بھی لہر کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔ یہ سلٹ کے دوسری طرف روشنی اور تاریک پٹیوں کا مداخلت کا نمونہ بناتا ہے، جس سے یہ جاننا ناممکن ہو جاتا ہے کہ یہ کس سلٹ سے گزری ہے۔ مشہور اکاؤنٹس میں، ذرہ کو بعض اوقات ایک ہی وقت میں دونوں دروں سے گزرنے کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔

لیکن چونکہ ذرہ کا ماس ہوتا ہے، اس لیے یہ ایک کشش ثقل کا میدان بناتا ہے جسے ہم ناپ سکتے ہیں۔ اور وہ کشش ثقل کا میدان ہمیں اس کا مقام بتاتا ہے۔ اگر کشش ثقل کا میدان کلاسیکی ہے، تو ہم اسے لامحدود درستگی تک ناپ سکتے ہیں، ذرہ کے محل وقوع کا اندازہ لگا سکتے ہیں، اور یہ تعین کر سکتے ہیں کہ یہ کس سلٹ سے گزرا ہے۔ تو پھر ہمارے پاس ایک متضاد صورتحال ہے - مداخلت کا نمونہ ہمیں بتاتا ہے کہ ہم اس بات کا تعین نہیں کر سکتے کہ ذرہ کس سلٹ سے گزرا، لیکن کلاسیکی کشش ثقل کا میدان ہمیں ایسا کرنے دیتا ہے۔

لیکن اگر کشش ثقل کا میدان کوانٹم ہے، تو اس میں کوئی تضاد نہیں ہے - کشش ثقل کے میدان کی پیمائش کرتے وقت غیر یقینی صورتحال پیدا ہوتی ہے، اور اس لیے ہمارے پاس ذرہ کے مقام کا تعین کرنے میں اب بھی غیر یقینی صورتحال ہے۔

لہذا اگر کشش ثقل کلاسیکی طور پر برتاؤ کرتی ہے، تو آپ بہت زیادہ جان لیں گے۔ اور اس کا مطلب یہ ہے کہ کوانٹم میکینکس کے پیارے خیالات، جیسے سپر پوزیشن، ٹوٹ جاتے ہیں؟

ہاں، کشش ثقل کا میدان بہت زیادہ جانتا ہے۔ لیکن فین مین کی دلیل میں ایک خامی ہے جو کلاسیکی کشش ثقل کو کام کرنے کی اجازت دے سکتی ہے۔

وہ خامی کیا ہے؟

جیسا کہ یہ کھڑا ہے، ہم صرف یہ جانتے ہیں کہ ذرہ نے کون سا راستہ اختیار کیا کیونکہ یہ ایک خاص کشش ثقل کا میدان پیدا کرتا ہے جو خلائی وقت کو موڑتا ہے اور ہمیں ذرہ کے مقام کا تعین کرنے دیتا ہے۔ 

لیکن اگر ذرہ اور اسپیس ٹائم کے درمیان یہ تعامل بے ترتیب ہے - یا غیر متوقع ہے - تو ذرہ بذات خود کشش ثقل کے میدان کو مکمل طور پر حکم نہیں دیتا ہے۔ جس کا مطلب ہے کہ کشش ثقل کے میدان کی پیمائش کرنے سے ہمیشہ یہ طے نہیں ہوتا ہے کہ ذرہ کس کٹے سے گزرا ہے کیونکہ کشش ثقل کا میدان بہت سی حالتوں میں سے کسی ایک میں ہو سکتا ہے۔ بے ترتیب پن اندر آتا ہے، اور آپ کے پاس اب کوئی تضاد نہیں ہے۔

تو کیوں زیادہ طبیعیات دان یہ نہیں سوچتے کہ کشش ثقل کلاسیکی ہے؟

ٹھیک ہے، یہ منطقی طور پر ممکن ہے کہ کوئی نظریہ ہو جس میں ہم تمام شعبوں کو مقدار میں نہ بنائیں۔ لیکن کشش ثقل کے کلاسیکی نظریہ کے لیے ہر چیز کی مقدار کے مطابق ہونے کے لیے، پھر کشش ثقل کو بنیادی طور پر بے ترتیب ہونا چاہیے۔ بہت سے طبیعیات دانوں کے لیے یہ ناقابل قبول ہے۔

کیوں؟

طبیعیات دان یہ جاننے کی کوشش میں کافی وقت صرف کرتے ہیں کہ فطرت کیسے کام کرتی ہے۔ لہذا یہ خیال کہ بہت گہرے سطح پر، فطری طور پر غیر متوقع چیز ہے جو بہت سے لوگوں کے لیے پریشان کن ہے۔

کوانٹم تھیوری کے اندر پیمائش کا نتیجہ امکانی معلوم ہوتا ہے۔ لیکن بہت سے طبیعیات دان یہ سوچنا پسند کرتے ہیں کہ جو چیز بے ترتیبی کے طور پر ظاہر ہوتی ہے وہ صرف کوانٹم سسٹم اور ماحول کے ساتھ تعامل کرنے والا ماپنے والا آلہ ہے۔ وہ اسے حقیقت کی کچھ بنیادی خصوصیت کے طور پر نہیں دیکھتے ہیں۔

اس کے بجائے آپ کیا تجویز کر رہے ہیں؟

میرا بہترین اندازہ یہ ہے کہ کشش ثقل کا اگلا نظریہ کچھ ایسا ہو گا جو نہ مکمل طور پر کلاسیکی ہو اور نہ ہی مکمل طور پر کوانٹم، بلکہ مکمل طور پر کچھ اور ہو۔

طبیعیات دان صرف ایسے ماڈلز کے ساتھ آ رہے ہیں جو فطرت کا اندازہ لگاتے ہیں۔ لیکن قریب سے اندازہ لگانے کی کوشش کے طور پر، میں اور میرے طلباء نے ایک مکمل طور پر ہم آہنگ نظریہ بنایا جس میں کوانٹم سسٹم اور کلاسیکی خلائی وقت کا تعامل ہوتا ہے۔ ہمیں صرف کوانٹم تھیوری میں قدرے ترمیم کرنی تھی اور کلاسیکی عمومی اضافیت میں قدرے ترمیم کرنی تھی تاکہ پیشین گوئی کی خرابی کی اجازت دی جا سکے جس کی ضرورت ہے۔

آپ نے ان ہائبرڈ تھیوریز پر کام کیوں شروع کیا؟

میں بلیک ہول انفارمیشن پیراڈوکس سے متاثر تھا۔ جب آپ کوانٹم پارٹیکل کو بلیک ہول میں پھینکتے ہیں اور پھر اس بلیک ہول کو بخارات بننے دیتے ہیں، تو آپ کو ایک تضاد کا سامنا کرنا پڑتا ہے اگر آپ کو یقین ہے کہ بلیک ہولز معلومات کو محفوظ رکھتے ہیں۔ معیاری کوانٹم تھیوری کا تقاضا ہے کہ آپ جو بھی چیز بلیک ہول میں پھینکتے ہیں وہ کچھ کھردری لیکن قابل شناخت طریقے سے باہر نکلتی ہے۔ لیکن اس سے عمومی اضافیت کی خلاف ورزی ہوتی ہے، جو ہمیں بتاتی ہے کہ آپ ان چیزوں کے بارے میں کبھی نہیں جان سکتے جو بلیک ہول کے واقعہ افق کو عبور کرتی ہیں۔

لیکن اگر بلیک ہول کے بخارات کا عمل غیر متزلزل ہے تو پھر کوئی تضاد نہیں ہے۔ ہم کبھی نہیں سیکھتے کہ بلیک ہول میں کیا پھینکا گیا ہے کیونکہ پیشن گوئی ٹوٹ جاتی ہے۔ عمومی رشتہ داری محفوظ ہے۔

تو ان کوانٹم کلاسیکی ہائبرڈ تھیوریز میں شور و غل معلومات کو ضائع ہونے دیتا ہے؟

بالکل ٹھیک. 

لیکن کوانٹم میکانکس میں معلومات کا تحفظ ایک کلیدی اصول ہے۔ اس کو کھونا بہت سے نظریہ سازوں کے ساتھ آسانی سے نہیں بیٹھ سکتا۔

یہ سچ ہے. حالیہ دہائیوں میں اس کے بارے میں بہت زیادہ بحثیں ہوئیں، اور تقریباً ہر کوئی اس بات پر یقین کرنے لگا کہ بلیک ہول کے بخارات کا اخراج فیصلہ کن ہے۔ میں ہمیشہ اس سے پریشان رہتا ہوں۔

کیا تجربات کبھی حل کریں گے کہ کشش ثقل کو مقدار میں رکھا جائے یا نہیں؟

کسی موڑ پر. ہم اب بھی چھوٹے پیمانے پر کشش ثقل کے بارے میں تقریبا کچھ نہیں جانتے ہیں۔ یہاں تک کہ اسے ملی میٹر کے پیمانے پر بھی آزمایا نہیں گیا، ایک پروٹون کے پیمانے پر چھوڑ دیں۔ لیکن کچھ دلچسپ تجربات آن لائن آرہے ہیں جو ایسا کریں گے۔

ایک ہے۔ جدید دور کا ورژن "کیونڈش تجربہ" کا، جو دو لیڈ کرہوں کے درمیان کشش ثقل کی طاقت کا حساب لگاتا ہے۔ اگر کشش ثقل کے میدان میں بے ترتیب پن ہے، جیسا کہ ان کوانٹم کلاسیکل ہائبرڈز میں، تو جب ہم کوشش کریں گے اور اس کی طاقت کی پیمائش کریں گے تو ہمیں ہمیشہ ایک ہی جواب نہیں ملے گا۔ کشش ثقل کا میدان چاروں طرف گھومے گا۔ کوئی بھی نظریہ جس میں کشش ثقل بنیادی طور پر کلاسیکی ہوتی ہے اس میں کشش ثقل کے شور کی ایک خاص سطح ہوتی ہے۔

آپ کیسے جانتے ہیں کہ یہ بے ترتیبی کشش ثقل کے میدان میں داخل ہے اور ماحول سے کچھ شور نہیں ہے؟

آپ ایسا نہیں کرتے۔ کشش ثقل ایک ایسی کمزور قوت ہے کہ یہاں تک کہ بہترین تجربات میں بھی پہلے سے ہی کافی ہلچل ہوتی ہے۔ لہذا آپ کو شور کے ان تمام دیگر ذرائع کو جتنا ممکن ہو ختم کرنا ہوگا۔ دلچسپ بات یہ ہے کہ میں اور میرے طلباء نے یہ ظاہر کیا کہ اگر یہ ہائبرڈ تھیوریز سچ ہیں، تو وہاں کم سے کم کشش ثقل کا شور ہونا چاہیے۔ ڈبل سلٹ تجربے میں سونے کے ایٹموں کا مطالعہ کرکے اس کی پیمائش کی جاسکتی ہے۔ یہ تجربات پہلے سے ہی اس بات پر پابند ہیں کہ آیا کشش ثقل بنیادی طور پر کلاسیکی ہے۔ ہم دھیرے دھیرے اجازت دی گئی غیر تعین کی مقدار کو ختم کر رہے ہیں۔

شرط کے دوسری طرف، کیا کوئی ایسا تجربہ ہے جو یہ ثابت کرے کہ کشش ثقل کو مقدار میں رکھا گیا ہے؟

وہاں ہے مجوزہ تجربات جو کشش ثقل کے میدان کے ذریعے ثالثی کی تلاش میں ہے۔ چونکہ الجھن ایک کوانٹم رجحان ہے، یہ کشش ثقل کی کوانٹم نوعیت کا براہ راست امتحان ہوگا۔ یہ تجربات بہت دلچسپ ہیں، لیکن شاید کئی دہائیاں دور ہیں۔