क्वांटम भौतिकी: वास्तव में क्या है?

ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी ओवेन मारुनी के अनुसार, 1900 के दशक में क्वांटम सिद्धांत के आगमन के बाद से, सभी ने इस सिद्धांत की विचित्रता के बारे में बात की है। यह कणों और परमाणुओं को एक साथ कई दिशाओं में जाने की अनुमति देता है, या एक साथ दक्षिणावर्त और वामावर्त घुमाता है। लेकिन आप शब्दों के साथ कुछ भी साबित नहीं कर सकते। "अगर हम जनता को बताते हैं कि क्वांटम सिद्धांत बहुत अजीब है, तो हमें इस बयान को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित करने की आवश्यकता है," मारुणी कहते हैं। "अन्यथा, हम विज्ञान नहीं करते हैं, लेकिन बोर्ड पर सभी प्रकार के स्किगल के बारे में बात करते हैं।"

यही कारण है कि मारुति के सहयोगियों ने तरंग फ़ंक्शन के सार को उजागर करने के लिए प्रयोगों की एक नई श्रृंखला विकसित की - रहस्यमय सार जो क्वांटम विषमताओं को रेखांकित करता है। कागज पर, तरंग फ़ंक्शन सिर्फ एक गणितीय वस्तु है, जिसे psi (the) (उन्हीं स्क्विगल्स में से एक) द्वारा निरूपित किया जाता है, और इसका उपयोग कणों के क्वांटम व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जाता है। प्रयोग के आधार पर, तरंग फ़ंक्शन वैज्ञानिकों को किसी विशेष स्थान पर इलेक्ट्रॉन के अवलोकन की संभावना की गणना करने की अनुमति देता है, या संभावना है कि इसका स्पिन ऊपर या नीचे उन्मुख है। लेकिन गणित यह नहीं कहता है कि वास्तव में एक लहर क्या है। क्या यह कुछ शारीरिक है? या सिर्फ एक कंप्यूटिंग टूल जो आपको वास्तविक दुनिया के बारे में पर्यवेक्षक अज्ञानता के साथ काम करने की अनुमति देता है?

प्रश्न का उत्तर देने के लिए उपयोग किए जाने वाले परीक्षण बहुत सूक्ष्म हैं, और उन्हें अभी भी एक निश्चित उत्तर देना है। लेकिन शोधकर्ता आशावादी हैं कि संप्रदाय करीब है। और अंत में, वे उन सवालों का जवाब देने में सक्षम होंगे जो सभी दशकों से ग्रस्त हैं। क्या एक कण वास्तव में एक ही समय में कई स्थानों पर हो सकता है? क्या यूनिवर्स लगातार समानांतर दुनिया में विभाजित है, जिनमें से प्रत्येक में हमारा वैकल्पिक संस्करण मौजूद है? क्या वस्तुनिष्ठ वास्तविकता कहा जाता है?

क्वींसलैंड विश्वविद्यालय (ऑस्ट्रेलिया) के एक भौतिक विज्ञानी एलेसेंड्रो फेड्रिक, कहते हैं, "ऐसे प्रश्न जल्द या बाद में किसी के पास आते हैं।" "वास्तव में क्या असली है?"

वास्तविकता के सार के बारे में बहस तब शुरू हुई जब भौतिकविदों ने पाया कि तरंग और कण एक ही सिक्के के दो पहलू हैं। एक क्लासिक उदाहरण दो स्लॉट्स के साथ एक प्रयोग है, जहां अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों को दो स्लॉट के साथ एक बाधा पर शूट किया जाता है: इलेक्ट्रॉन ऐसा व्यवहार करता है मानो यह एक ही समय में दो स्लिट्स से गुजरता है, अपनी दूसरी तरफ से हस्तक्षेप का एक धारीदार पैटर्न बनाता है। 1926 में, ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी एरविन श्रोडिंगर ने इस व्यवहार का वर्णन करने के लिए एक तरंग समारोह का आविष्कार किया और एक समीकरण प्राप्त किया जिसने किसी भी स्थिति के लिए इसकी गणना करना संभव बना दिया। लेकिन न तो वह और न ही कोई और इस समारोह की प्रकृति के बारे में कुछ भी बता सकता है।

अज्ञान में अनुग्रह

व्यावहारिक दृष्टिकोण से, इसकी प्रकृति महत्वपूर्ण नहीं है। नील्स बोहर और वर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा 1920 के दशक में बनाई गई क्वांटम थ्योरी की कोपेनहेगन व्याख्या, तरंग फ़ंक्शन का उपयोग केवल टिप्पणियों के परिणामों की भविष्यवाणी करने के लिए एक उपकरण के रूप में करती है, जो आपको वास्तविकता में क्या होता है, इसके बारे में सोचने की अनुमति नहीं देता है। "आप इस तरह के व्यवहार मॉडल के लिए भौतिकविदों को दोष नहीं दे सकते, बंद कर सकते हैं और गिन सकते हैं, क्योंकि इसने परमाणु और परमाणु भौतिकी, ठोस राज्य भौतिकी और प्राथमिक कण भौतिकी में महत्वपूर्ण सफलताएं दी हैं," बेल्जियम के कैथोलिक विश्वविद्यालय में सांख्यिकी भौतिकी के विशेषज्ञ जीन ब्रिकमोंट कहते हैं। "इसलिए, लोगों को सलाह दी जाती है कि वे मूलभूत मुद्दों के बारे में चिंता न करें।"

लेकिन कुछ अभी भी चिंतित हैं। 1930 के दशक तक, आइंस्टीन ने कोपेनहेगन की व्याख्या को खारिज कर दिया, कम से कम नहीं क्योंकि इसने दो कणों को अपने तरंग कार्यों को भ्रमित करने की अनुमति दी, जिसके कारण ऐसी स्थिति उत्पन्न हुई जिसमें उनमें से एक का माप तुरंत दूसरे की स्थिति दे सकता था, भले ही वे विशाल द्वारा अलग हो गए हों। दूरी। इस "भयावह बातचीत को एक दूरी पर" के साथ नहीं डालने के लिए, आइंस्टीन ने यह मानना ​​पसंद किया कि कणों के तरंग कार्य अपूर्ण थे। उन्होंने कहा कि यह संभव है कि कणों में कुछ छिपे हुए चर होते हैं जो माप परिणाम को निर्धारित करते हैं, जिन्हें क्वांटम सिद्धांत द्वारा नहीं देखा गया था।

तब से प्रयोगों ने एक दूरी पर भयावह बातचीत के प्रदर्शन का प्रदर्शन किया है, जो छिपे हुए चर की अवधारणा को खारिज करता है। लेकिन इससे दूसरे भौतिकविदों ने उन्हें अपने तरीके से व्याख्या करने से नहीं रोका। इन व्याख्याओं को दो शिविरों में विभाजित किया गया है। कुछ आइंस्टीन से सहमत हैं कि लहर समारोह हमारे अज्ञान को दर्शाता है। इसे दार्शनिक साई-एपिसेमिक मॉडल कहते हैं। और अन्य लोग लहर फ़ंक्शन को वास्तविक चीज़ के रूप में देखते हैं - साई-ऑनटिक मॉडल।

अंतर को समझने के लिए, आइंस्टीन को एक पत्र में 1935 में वर्णित श्रोएन्ग्रोसिंगर मानसिक प्रयोग की कल्पना करें। बिल्ली एक स्टील के बक्से में है। बॉक्स में रेडियोधर्मी सामग्री का एक नमूना होता है, जिसमें एक घंटे में एक क्षय उत्पाद को छोड़ने का 50% मौका होता है, और एक उपकरण जो इस उत्पाद का पता लगाने पर एक बिल्ली को जहर देता है। चूंकि रेडियोधर्मी क्षय एक क्वांटम-स्तर की घटना है, श्रोडिंगर लिखते हैं, क्वांटम सिद्धांत के नियम कहते हैं कि एक घंटे के अंत में बॉक्स के इनसाइड्स की तरंग फ़ंक्शन में मृत और जीवित बिल्ली का मिश्रण होना चाहिए।

"मोटे तौर पर," फेड्रिक ने धीरे से कहा, "साइ-एपिस्टेमिक मॉडल में, बॉक्स में बिल्ली या तो जीवित है या मृत है, और हम सिर्फ यह नहीं जानते हैं क्योंकि बॉक्स बंद है।" और अधिकांश साई-ओनेटिक मॉडलों में कोपेनहेगन व्याख्या के साथ समझौता किया गया है: जब तक पर्यवेक्षक बॉक्स को नहीं खोलता, बिल्ली जीवित और मृत दोनों होगी।

लेकिन यहाँ तर्क एक ठहराव की ओर आता है। कौन सी व्याख्या सही है? यह सवाल प्रयोगात्मक रूप से उत्तर देना मुश्किल है, क्योंकि मॉडल के बीच का अंतर बहुत सूक्ष्म है। संक्षेप में, उन्हें बहुत सफल कोपेनहेगन व्याख्या के रूप में एक ही क्वांटम घटना की भविष्यवाणी करनी चाहिए। क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी एंड्रयू व्हाइट ने कहा कि क्वांटम तकनीक में अपने 20 साल के करियर के दौरान, "यह कार्य बिना किसी अगुवाई के एक विशाल चिकनी पहाड़ जैसा था, जिसे संपर्क नहीं किया जा सकता था।"

2011 में क्वांटम माप पर प्रमेय के प्रकाशन के साथ सब कुछ बदल गया, जिसने लगता है कि "लहर समारोह को अज्ञानता" के रूप में समाप्त कर दिया है। लेकिन करीब से जाँच करने पर यह पता चला कि यह प्रमेय उनके युद्धाभ्यास के लिए पर्याप्त जगह छोड़ता है। हालांकि, इसने भौतिकविदों को लहर फ़ंक्शन की वास्तविकता का परीक्षण करके विवाद को हल करने के तरीकों के बारे में गंभीरता से सोचने के लिए प्रेरित किया। मारुनी ने पहले ही एक प्रयोग विकसित किया है, जो सिद्धांत रूप में व्यावहारिक है, और उन्होंने और उनके सहयोगियों ने जल्द ही इसे व्यवहार में लाने का एक तरीका खोज लिया। यह प्रयोग पिछले साल फेड्रिकसी, व्हाइट और अन्य द्वारा आयोजित किया गया था।

परीक्षण के विचार को समझने के लिए, कार्ड के दो डेक की कल्पना करें। एक में केवल लाल हैं, दूसरे में केवल इक्के हैं। "वे आपको एक कार्ड देते हैं और आपको यह निर्धारित करने के लिए कहते हैं कि यह किस डेक से आता है," मार्टिन रिंगबाउर, एक ही विश्वविद्यालय में भौतिक विज्ञानी कहते हैं। यदि यह एक लाल इक्का है, "एक चौराहा होता है और आप इसे निश्चित रूप से नहीं कह सकते हैं।" लेकिन अगर आपको पता है कि प्रत्येक डेक में कितने कार्ड हैं, तो आप गणना कर सकते हैं कि यह अस्पष्ट स्थिति कितनी बार होगी।

भौतिकी खतरे में है

क्वांटम सिस्टम में समान अस्पष्टता होती है। एक माप से यह पता लगाना हमेशा संभव नहीं होता है, उदाहरण के लिए, एक फोटॉन का ध्रुवीकरण कैसे किया जाता है। व्हाइट कहते हैं, "वास्तविक जीवन में, पश्चिम को दक्षिण की दिशा से अलग करना आसान है, लेकिन क्वांटम सिस्टम में यह सरल नहीं है।" मानक कोपेनहेगन व्याख्या के अनुसार, ध्रुवीकरण के बारे में पूछने का कोई मतलब नहीं है, क्योंकि सवाल का कोई जवाब नहीं है - जब तक कि कोई अन्य माप वास्तव में उत्तर का निर्धारण नहीं करता है। लेकिन "लहर समारोह के रूप में अज्ञानता" मॉडल के अनुसार, सवाल समझ में आता है - यह सिर्फ यह है कि कार्ड के डेक के साथ प्रयोग की तरह, जानकारी का अभाव है। कार्डों की तरह, यह अनुमान लगाना संभव है कि इस तरह की अज्ञानता से कितनी अस्पष्ट स्थितियों को समझाया जा सकता है, और मानक सिद्धांत द्वारा अनुमत बड़ी संख्या में अस्पष्ट स्थितियों की तुलना करें।

यह वही है जो फेड्रिक ने टीम के साथ जांचा था। समूह ने फोटॉनों के बीम में ध्रुवीकरण और अन्य गुणों को मापा, और चौराहों के स्तर को पाया, जिसे "अज्ञानता" के मॉडल द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। परिणाम एक वैकल्पिक सिद्धांत का समर्थन करता है - यदि उद्देश्य वास्तविकता मौजूद है, तो एक लहर फ़ंक्शन है। यूनिवर्सिटी ऑफ बॉन (जर्मनी) के एक भौतिक विज्ञानी एंड्रिया अल्बर्टी कहते हैं, "यह प्रभावशाली है कि टीम इस तरह के एक कठिन प्रयोग को हल करने में सक्षम थी।"

यह निष्कर्ष अभी तक ग्रेनाइट में नहीं उकेरा गया है: चूंकि डिटेक्टरों ने परीक्षण में उपयोग किए गए फोटॉनों के केवल पांचवें हिस्से पर कब्जा कर लिया है, इसलिए हमें यह मान लेना होगा कि खोए हुए फोटॉन ने बिल्कुल उसी तरह से व्यवहार किया। यह एक मजबूत धारणा है, और अब समूह नुकसान को कम करने और अधिक विशिष्ट परिणाम उत्पन्न करने के लिए काम कर रहा है। इस समय, ऑक्सफोर्ड में मारुति टीम न्यू साउथ वेल्स विश्वविद्यालय (ऑस्ट्रेलिया) के साथ काम कर रही है, इस प्रयोग को दोहराने के लिए आयनों के साथ ट्रैक करना आसान है। "अगले छह महीनों में हमारे पास इस प्रयोग का एक निर्विवाद संस्करण होगा," मारुणी कहते हैं।

लेकिन यहां तक ​​कि अगर सफलता उन्हें इंतजार कर रही है और "वास्तविकता के रूप में लहर फ़ंक्शन" मॉडल जीतते हैं, तो इन मॉडलों में अलग-अलग विकल्प हैं। प्रयोगकर्ताओं को उनमें से एक को चुनना होगा।

सबसे शुरुआती व्याख्याओं में से एक 1920 के दशक में फ्रांसीसी लुइस डी ब्रोगली द्वारा की गई थी, और 1950 के दशक में अमेरिकी डेविड बोहम द्वारा इसका विस्तार किया गया था। ब्रोगली-बोहम मॉडल के अनुसार, कणों में एक विशिष्ट स्थान और गुण होते हैं, लेकिन वे एक निश्चित "पायलट तरंग" द्वारा संचालित होते हैं, जिसे एक तरंग फ़ंक्शन के रूप में परिभाषित किया गया है। यह दो स्लॉट्स के साथ प्रयोग की व्याख्या करता है, क्योंकि एक पायलट तरंग दोनों स्लॉट्स के माध्यम से गुजर सकती है और एक हस्तक्षेप चित्र दे सकती है, हालांकि इसके द्वारा आकर्षित किया गया इलेक्ट्रॉन केवल दो स्लिट्स में से एक से होकर गुजरता है।

2005 में, इस मॉडल को अप्रत्याशित समर्थन मिला। भौतिक विज्ञानी इमानुएल फोर्ट, जो अब पेरिस में लैंग्विन संस्थान में काम कर रहे हैं, और पेरिस डिड्रो विश्वविद्यालय से यवेस कोडियर ने छात्रों से एक सरल कार्य पूछा, उनकी राय में: एक प्रयोग करना जिसमें एक ट्रे पर गिरने वाले तेल की बूंदें ट्रे के कंपन के कारण विलीन हो जाएंगी। बूंदों के चारों ओर हर किसी को आश्चर्यचकित करने के लिए, जब एक निश्चित आवृत्ति पर ट्रे कंपन हुई, तो लहरें बनने लगीं। फोर्ट कहते हैं, "बूँदें अपनी तरंगों के साथ स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ने लगीं।" "यह एक दोहरी वस्तु थी - एक तरंग द्वारा खींचा गया एक कण।"

तब से, फोर्ट और कोडियर ने दिखाया है कि इस तरह की तरंगें अपने कणों को दो स्लिट्स के साथ प्रयोग कर सकती हैं, जैसे कि पायलट वेव थ्योरी भविष्यवाणी करती है, और अन्य क्वांटम प्रभाव को पुन: उत्पन्न कर सकती है। लेकिन यह क्वांटम दुनिया में पायलट तरंगों के अस्तित्व को साबित नहीं करता है। "हमें बताया गया था कि शास्त्रीय भौतिकी में इस तरह के प्रभाव असंभव हैं," फोर्ट कहते हैं। "और फिर हमने दिखाया कि वे संभव हैं।"

वास्तविकता पर आधारित मॉडल का एक और सेट, जो कि 1980 के दशक में विकसित किया गया था, बड़ी और छोटी वस्तुओं के बीच गुणों में मजबूत अंतर को समझाने की कोशिश कर रहा है। "ट्राइस्ट यूनिवर्सिटी (इटली) के भौतिक विज्ञानी एंजेलो बस्सी कहते हैं," क्यों इलेक्ट्रॉन और परमाणु एक ही समय में दो स्थानों पर हो सकते हैं, और टेबल, कुर्सियाँ, लोग और बिल्लियाँ नहीं कर सकते। " "पतन मॉडल" के रूप में जाना जाता है, इन सिद्धांतों का कहना है कि व्यक्तिगत कणों की तरंग कार्य वास्तविक हैं, लेकिन वे अपने क्वांटम गुणों को खो सकते हैं और कण को ​​अंतरिक्ष में एक निश्चित स्थिति में ला सकते हैं। मॉडल का निर्माण इसलिए किया जाता है ताकि इस तरह के पतन की संभावना एक व्यक्तिगत कण के लिए बहुत कम हो, ताकि क्वांटम प्रभाव परमाणु स्तर पर हावी हो। लेकिन कणों के संयुक्त होने पर पतन की संभावना तेजी से बढ़ जाती है, और मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट पूरी तरह से अपने क्वांटम गुणों को खो देते हैं और शास्त्रीय भौतिकी के नियमों के अनुसार व्यवहार करते हैं।

इसकी जांच करने का एक तरीका बड़ी वस्तुओं में क्वांटम प्रभावों की तलाश करना है। यदि मानक क्वांटम सिद्धांत सही है, तो कोई आकार प्रतिबंध नहीं हैं। और भौतिकविदों ने पहले से ही बड़े अणुओं का उपयोग करके दो स्लिट्स के साथ एक प्रयोग किया है। लेकिन अगर पतन मॉडल सच हैं, तो एक निश्चित द्रव्यमान से अधिक होने पर क्वांटम प्रभाव दिखाई नहीं देगा। विभिन्न समूह ठंडे परमाणुओं, अणुओं, धातु समूहों और नैनोकणों का उपयोग करके इस द्रव्यमान की खोज करने की योजना बनाते हैं। वे अगले दस वर्षों में परिणाम खोजने की उम्मीद करते हैं। मारुणी कहती हैं, '' इन प्रयोगों से जो अच्छा है, वह यह है कि हम क्वांटम थ्योरी को कठोर परीक्षणों के अधीन करेंगे, जहां अभी तक इसका परीक्षण नहीं किया गया है। ''

समानांतर दुनिया

एक मॉडल "वास्तविकता के रूप में लहर फ़ंक्शन" पहले से ही विज्ञान कथा लेखकों द्वारा जाना और पसंद किया जाता है। यह 1950 के दशक में ह्यूग एवरेट द्वारा विकसित विश्वव्यापी व्याख्या है, जो तब न्यू जर्सी के प्रिंसटन विश्वविद्यालय में एक छात्र थे। इस मॉडल में, तरंग फ़ंक्शन वास्तविकता के विकास को इतनी दृढ़ता से निर्धारित करता है कि, प्रत्येक क्वांटम माप के साथ, ब्रह्मांड समानांतर दुनिया में विभाजित हो जाता है। दूसरे शब्दों में, एक बिल्ली के साथ एक बॉक्स खोलना, हम दो यूनिवर्स को जन्म देते हैं - एक मृत बिल्ली के साथ, और दूसरा जीवित एक के साथ।

इस व्याख्या को मानक क्वांटम सिद्धांत से अलग करना मुश्किल है, क्योंकि उनकी भविष्यवाणियां मेल खाती हैं। लेकिन पिछले साल, ब्रिस्बेन में ग्रिफ़िथ विश्वविद्यालय के हॉवर्ड वाइसमैन और उनके सहयोगियों ने मल्टीवर्स का एक मॉडल प्रस्तावित किया था जिसे जांचा जा सकता है। उनके मॉडल में कोई तरंग कार्य नहीं है - कण शास्त्रीय भौतिकी, न्यूटन के नियमों का पालन करते हैं। और क्वांटम दुनिया के अजीब प्रभाव दिखाई देते हैं क्योंकि समानांतर ब्रह्मांडों में कणों और उनके क्लोनों के बीच प्रतिकारक बल होते हैं। "उनके बीच की प्रतिकारक शक्ति सभी समानांतर दुनिया में फैलने वाली तरंगें उत्पन्न करती है," विस्मैन कहते हैं।

एक कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए जिसमें 41 ब्रह्मांडों ने बातचीत की, उन्होंने दिखाया कि मॉडल मोटे तौर पर कई क्वांटम प्रभावों को पुन: पेश करता है, जिसमें दो स्लिट्स के साथ प्रयोग में कण प्रक्षेपवक्र शामिल हैं। दुनिया की संख्या में वृद्धि के साथ, हस्तक्षेप का पैटर्न वास्तविक की ओर जाता है। चूंकि सिद्धांत की भविष्यवाणियां दुनिया की संख्या के आधार पर भिन्न होती हैं, विस्मैन कहते हैं, आप जांच सकते हैं कि क्या मल्टीवर्स मॉडल सही है - अर्थात, कोई लहर फ़ंक्शन नहीं है, और शास्त्रीय कानूनों के अनुसार वास्तविकता काम करती है।

चूंकि इस मॉडल में तरंग फ़ंक्शन की आवश्यकता नहीं है, यह तब भी व्यवहार्य रहेगा जब भविष्य के प्रयोगों में "अज्ञानता" वाले मॉडल को बाहर रखा जाएगा। इसके अलावा, अन्य मॉडल जीवित रहेंगे, उदाहरण के लिए, कोपेनहेगन व्याख्या, जो दावा करते हैं कि कोई वास्तविक वास्तविकता नहीं है, लेकिन गणना भी है।

लेकिन फिर, जैसा कि व्हाइट कहते हैं, यह सवाल अध्ययन का उद्देश्य होगा। और हालांकि कोई भी यह नहीं जानता है कि यह कैसे करना है, "वास्तव में क्या दिलचस्प होगा एक परीक्षण विकसित करना जो यह जांचता है कि क्या हमारे पास कोई वास्तविक वास्तविकता है"।

Source: https://habr.com/ru/post/hi388179/