😽 👩‍👩‍👧 👩🏼‍🏭 क्वांटम गुरुत्व के लिए आपको जो चाहिए वह अधिक प्रयोग है 🚺 🌛 🛏️

गणित क्वांटम गुरुत्वाकर्षण की समस्या को हल नहीं करेगा, केवल प्रयोग ही कर सकते हैं

1990 के दशक के मध्य में, मैंने गणित का अध्ययन किया। मैं पूरी तरह से निश्चित नहीं था कि मैं जीवन में क्या करना चाहता हूं, लेकिन प्राकृतिक दुनिया का वर्णन करने के लिए मुझे गणित की क्षमता ने मारा। डिफरेंशियल ज्योमेट्री और लाई अलजेब्रा में पाठ के बाद, मैंने गणित विभाग से सेमिनारों की एक श्रृंखला में भाग लिया, जिसमें मौलिक भौतिकी की सबसे बड़ी समस्या पर चर्चा की: गुरुत्वाकर्षण की मात्रा और एक सैद्धांतिक छतरी के नीचे प्रकृति की सभी शक्तियों का एकीकरण। कार्यशालाएं पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय के अबेई अष्टेकर द्वारा विकसित एक नए दृष्टिकोण के आसपास आयोजित की गईं। मैंने पहले इस अध्ययन का सामना नहीं किया है, और पूरी धारणा के साथ वहां गया कि समस्या हल हो गई है, और किसी और को इसके बारे में अभी तक पता नहीं है।

यह सब स्पष्ट मन की शुद्ध जीत थी। गणितीय कनेक्टिविटी की आवश्यकताएं, उदाहरण के लिए, हिग्स बोसोन की खोज का नेतृत्व करती हैं। इसके बिना, 1 TeV से ऊपर ऊर्जा से टकराने वाले कणों के लिए मानक मॉडल काम करना बंद कर देगा - और इस तरह की ऊर्जा लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में उपलब्ध हैं। संभावनाएँ कुल 100% नहीं देतीं और उनका गणितीय अर्थ खो जाता है। इसलिए, इस ऊर्जा सीमा को पार करते समय, कुछ नया दिखाई देना चाहिए था। हिग्स उन संभावनाओं का सबसे सरल था जो भौतिकविदों के साथ आ सकते हैं, और वे स्वाभाविक रूप से पाए गए।

एक तेजी से बढ़ने वाला न्यूट्रॉन स्टार PSR B1509-58 इस निहारिका में रहता है। न्यूट्रॉन तारे रेडियो रेंज में नियमित दालों का उत्सर्जन करते हैं, और उनका उपयोग क्वांटम गुरुत्व प्रभावों की खोज के लिए किया जा सकता है।

1920 और 1930 के दशक में, आइंस्टीन के सापेक्षता के विशेष सिद्धांत और क्वांटम यांत्रिकी के मूल संस्करण के बीच गणितीय विसंगति ने क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के उद्भव का नेतृत्व किया, जिस पर मानक मॉडल तब आधारित था। सापेक्षता के विशेष सिद्धांत और न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण के बीच गणितीय विसंगति ने सापेक्षता के एक सामान्य सिद्धांत के उद्भव का नेतृत्व किया है - गुरुत्वाकर्षण का हमारा सबसे आधुनिक सिद्धांत। अब, भौतिकविदों में मानक मॉडल और जीआर के बीच एक विसंगति है। बेशक, हम उम्मीद करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम सिद्धांत के रूप में इस समस्या का समाधान पिछले मामलों की तरह ही कवर का विघटन बन जाएगा।

लेकिन समय के साथ, मैंने अन्य शोधकर्ताओं के बारे में सीखा, जिन्होंने अन्य तरीकों का इस्तेमाल किया, और आश्वस्त किया कि वे समस्या को हल करने के करीब भी आए। स्ट्रिंग सिद्धांत, लूप क्वांटम गुरुत्व, कारण गतिशील त्रिभुजाकार, विषम रूप से सुरक्षित गुरुत्व, कारण समुच्चय ... इन दृष्टिकोणों का अभ्यास करने वाले वैज्ञानिकों को भी भरोसा था कि वे केवल गणित का उपयोग करके प्रकृति को समझ सकते हैं। वे भिन्न नहीं थे क्योंकि उनमें से एक ने गणितीय निष्कर्षों में गलतियाँ की थीं, लेकिन क्योंकि वे विभिन्न परिसरों से शुरू हुए थे। तार्किक निष्कर्षों की एक श्रृंखला को पूरा करने के लिए गणित की आवश्यकता होती है, लेकिन एक भी गणितीय निष्कर्ष इसके परिसर से बेहतर नहीं होगा। भौतिक सिद्धांतों के बीच चयन करने के लिए तर्क पर्याप्त नहीं है। यह जानने का एकमात्र तरीका है कि कौन सा सिद्धांत प्रकृति का वर्णन करता है, एक प्रायोगिक परीक्षण करना है।

लेकिन विभिन्न दृष्टिकोणों पर काम करने वाले भौतिकविदों ने शायद ही कभी एक-दूसरे के साथ संवाद किया, और अगर उन्होंने संचार किया, तो वे कभी सहमत नहीं हुए। और क्यों? प्रायोगिक साक्ष्य के अभाव में, उनके पास सहमत होने का कोई कारण नहीं था। गणित संचित, दसियों हजार लेख बने, सैकड़ों सम्मेलन हुए। और एक भी दृष्टिकोण ने एक अस्पष्ट समाधान का उत्पादन नहीं किया है। और जैसे-जैसे दशक असफल होते गए, संदेह क्वांटम गुरुत्व की तलाश में अधिक से अधिक बढ़ता गया।

अजीब बात है, लेकिन 90 के दशक में लगभग किसी ने भी क्वांटम गुरुत्व के अवलोकनीय प्रमाण खोजने की कोशिश नहीं की; यह माना जाता था कि यह असंभव था। क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव बेहद कमजोर हैं। भौतिकीविदों ने गुरुत्वाकर्षण के कथित कणों - ग्रेविटॉन - का पता लगाने की संभावना का अनुमान लगाया है और पाया है कि इस बात की संभावना कम से कम है, भले ही वे बृहस्पति के आकार का एक न्यूट्रॉन तारे की परिक्रमा कर रहे हों। [रोथमैन, टी। एंड बॉगन, एस।, क्या ग्रेविटॉन का पता लगाया जा सकता है? फिजिक्स 36, 1801-1825 (2006) की नींव

लेकिन क्या क्वांटम गुरुत्व का प्रमाण खोजने के लिए गुरुत्वाकर्षण का प्रत्यक्ष रूप से पता लगाना आवश्यक है? इस सवाल ने मुझे जाने नहीं दिया। 90 के दशक के अंत तक, मैंने भौतिकी के अध्ययन पर स्विच कर दिया। क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के साथ काम करने वाले अधिकांश भौतिक विज्ञानी अभी भी मानते हैं कि उनका गणित उन्हें सफलता का मार्ग खोलेगा। मैं इसे नहीं मानता। लेकिन क्वांटम गुरुत्वाकर्षण की प्रायोगिक दुर्गमता के बारे में मुझे कोई निराशा नहीं है। इसके विपरीत, मुझे पूरी उम्मीद है कि अपने जीवनकाल में भी हम एक प्रयोग में गुरुत्वाकर्षण की मात्रा का सफलतापूर्वक प्रदर्शन करेंगे।

हममें से जो क्वांटम गुरुत्व के प्रायोगिक साक्ष्य की तलाश में हैं उन्हें एक अनोखी शोध समस्या का सामना करना पड़ रहा है: हमारे पास न तो सिद्धांत है और न ही डेटा! लेकिन क्वांटम गुरुत्व के आम तौर पर स्वीकृत सिद्धांत की अनुपस्थिति में भी, हम उससे अपेक्षित बुनियादी गुणों की जांच कर सकते हैं और विभिन्न उम्मीदवार सिद्धांतों में पाए जा सकते हैं।

उदाहरण के लिए, कुछ सिद्धांत अंतरिक्ष-समय की असंगति को दर्शाते हैं। इस मामले में, इसमें दोष हो सकते हैं, जैसे क्रिस्टल, प्रकाश को भ्रमित करने में सक्षम और दूर के क्वैसर की छवियों को धुंधला करना। कुछ सिद्धांतों का मानना है कि अंतरिक्ष-समय कुछ प्रकार का आधार या तरल है, जिसमें वैक्यूम पर भी भौतिक गुण जैसे कि चिपचिपापन या फैलाव मिल सकता है। कुछ सिद्धांत समरूपता तोड़ने की भविष्यवाणी करते हैं, सामान्य सापेक्षता में सम्मानित; दूसरों का मानना है कि स्पेसटाइम में क्वांटम उतार-चढ़ाव संवेदनशील क्वांटम सिस्टम को परेशान कर सकता है। यह सब मांगा जा सकता है।

आप पहले से ही जानते हैं कि हमें कुछ भी नहीं मिला - अन्यथा आपने इसके बारे में सुना होगा। लेकिन यहां तक कि परिणामों की कमी सिद्धांतों को विकसित करने में मदद करती है। ऐसे मामले हमें सिखाते हैं कि कुछ विचार - उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष-समय एक आवधिक जाली हो सकता है - केवल टिप्पणियों के साथ असंगत हैं।

निश्चित रूप से, वास्तविक पुष्टि प्राप्त करना बेहतर होगा। हाल के वर्षों में, हम लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए कई नए अवसरों को खोजने में सक्षम हुए हैं। प्राथमिक गुरुत्वाकर्षण तरंगों को लें। प्रारंभिक ब्रह्मांड में अंतरिक्ष-समय के इन छोटे उतार-चढ़ाव को राहत विकिरण पर एक विशिष्ट छाप छोड़नी चाहिए थी। 2014 में, BICEP2 संयुक्त समूह ने इस फिंगरप्रिंट की माप की घोषणा की, और हालांकि वे गलत थे, इसका मतलब यह नहीं है कि लहरें मौजूद नहीं हैं। बस उन्हें खोजने के लिए अधिक प्रयास की आवश्यकता होगी। और अगर हम उन्हें खोजते हैं, तो उनके क्वांटम गुण हमें अपना मॉडल विकसित करने में मदद करेंगे। एरिज़ोना विश्वविद्यालय से लॉरेंस क्रास और एमआईटी से फ्रैंक विल्केक का तर्क है कि प्राथमिक गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने से पता चलेगा कि गुरुत्वाकर्षण को मात्रा का ठहराव स्थापित करने के लिए कॉस्मोलॉजी का उपयोग करते हुए [क्रूस, एल एंड विलजेक, एफ।शारीरिक समीक्षा डी 89, 047501 (2014)]। उनके तर्क को बहुत सरल किया गया है, लेकिन विन्सेन्ट वेनिन [मार्टिन, जे। एंड वेन्इन, वी। क्वांटम कॉस्मिक इन्फ्लेशन का कलह: क्या हम दिखा सकते हैं कि कॉम्ब ऐसोट्रोपियां क्वांटम-मैकेनिकल मूल के हैं? भौतिक समीक्षा डी 93, 023505 (2016)] और यूजीन बियॉन्ची [बियांची, ई।, हैकल, एल।, और योकोमिज़ो, एन। इन्टिमेंटल समय प्राइमर्डियल ब्रह्मांड। इंटरनेशनल जर्नल ऑफ़ मॉडर्न फ़िज़िक्स डी 24, 1544006 (2015)] स्वतंत्र रूप से सीएमबी डेटा के विश्लेषण में लगे हुए हैं जो क्वांटम और गैर-क्वांटम उतार-चढ़ाव के बीच अंतर कर सकते हैं।पुरातन ब्रह्मांड में उलझने का समय। इंटरनेशनल जर्नल ऑफ़ मॉडर्न फ़िज़िक्स डी 24, 1544006 (2015)] स्वतंत्र रूप से सीएमबी डेटा के विश्लेषण में लगे हुए हैं जो क्वांटम और गैर-क्वांटम उतार-चढ़ाव के बीच अंतर कर सकते हैं।पुरातन ब्रह्मांड में उलझने का समय। इंटरनेशनल जर्नल ऑफ़ मॉडर्न फ़िज़िक्स डी 24, 1544006 (2015)] स्वतंत्र रूप से सीएमबी डेटा के विश्लेषण में लगे हुए हैं जो क्वांटम और गैर-क्वांटम उतार-चढ़ाव के बीच अंतर कर सकते हैं।

BICEP2 टेलिस्कोप दक्षिणी ध्रुव पर।

अभी भी ब्लैक होल हैं। ब्लैक होल भौतिकी क्वांटम गुरुत्व के अध्ययन में मुख्य विषयों में से एक है। एक लंबे समय के लिए यह माना जाता था कि क्वांटम-गुरुत्वाकर्षण प्रभाव केवल ब्लैक होल के केंद्र के करीब ध्यान देने योग्य होगा, जो क्षितिज के पीछे छिपा हुआ है, जो इसकी सीमा को दर्शाता है, और इसलिए बाहर से अथाह है। लेकिन हाल के वर्षों में, यह विश्वास हिल गया है। उदाहरण के लिए, एक सैद्धांतिक धारणा के अनुसार, ब्लैक होल फ़ायरवॉल - भौतिक सतहों से घिरे होते हैं जो उनमें गिरने वाली सामग्री को नष्ट कर देते हैं। हालाँकि मैंने और कुछ अन्य विद्वानों ने इस तर्क पर सवाल उठाया है [Hossenfelder, S. ब्लैक होल वैक्यूम को डिसेंटेंगलिंग करना। भौतिक समीक्षा D 91, 044015 (2015)], यह मानने का एकमात्र कारण नहीं है कि क्वांटम गुरुत्व प्रभाव क्षितिज पर दिखाई दे सकता है।

और अगर वे दिखाई देते हैं, तो ब्लैक होल के अध्ययन से हमें क्वांटम गुरुत्वाकर्षण पर जानकारी मिल सकती है। लांग आईलैंड यूनिवर्सिटी के माइकल काविक ने न्यूट्रॉन तारे से मिलकर ब्लैक होल की परिक्रमा करने वाले बाइनरी सिस्टम की तलाश करने का सुझाव दिया। एक न्यूट्रॉन तारा रेडियो तरंगों का उत्सर्जन करता है, और यदि यह किरण ब्लैक होल क्षितिज से टकराती है, तो इस संवेग की संरचना से परिवर्तित संवेग [एस्टेस, जे।, केविक, एम।, लिप्टर्ट, एम।, और सिमेटेटी, जेएच, पल्सर के साथ क्वांटम गुरुत्व पर चमकता प्रकाश होगा। -ब्लैक होल बायनेरिज़। arXiv: 1607.00018 (2016)]। परिधि संस्थान के नयेश अफशोर्दी का एक अन्य दृष्टिकोण ब्लैक होल के विलय से निर्मित गुरुत्वाकर्षण तरंगों का अध्ययन कर रहा है। क्वांटम प्रभाव तब हो सकता है जब एक नवगठित ब्लैक होल अपना अंतिम आकार ग्रहण करता है [आबदी, जे।, दाइकर, एच।, औरअफशोर्दी, एन। एचेस फ्रॉम द एबिस: ब्लैक होल होराइजन्स में प्लैंक-स्केल संरचना के लिए साक्ष्य। arXiv: 1612.00266 (2016)]।

लेकिन सबसे आशाजनक विचार एक अप्रत्याशित कोण से आया था। यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को परिमाणित किया जा सकता है, तो इसमें कुछ क्वांटम विशेषताएं होनी चाहिए, जैसे कि एक सुपरपोजिशन जिसमें सिस्टम अलग-अलग राज्यों में एक साथ है।

चलो क्वांटम व्यवहार का एक मूल उदाहरण लेते हैं: दो स्लिट्स के साथ एक प्रयोग। यदि आप एक इलेक्ट्रॉन बीम को एक स्क्रीन पर निर्देशित करते हैं जिसमें दो स्लॉट काट दिए जाते हैं, तो इलेक्ट्रॉन एक निश्चित तरंग पैटर्न बनाते हैं। इसकी उपस्थिति के लिए, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को एक साथ दोनों स्लॉट से गुजरना होगा - यह पथों का एक सुपरपोजिशन है। लेकिन इलेक्ट्रॉन में द्रव्यमान होता है, और यह गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को प्रभावित करता है। यदि एक इलेक्ट्रॉन क्वांटम सुपरपोजिशन में है, तो उसका क्षेत्र भी क्वांटम सुपरपोजिशन में होना चाहिए। यह एक बहुत ही अजीब विचार है। यदि पूरी पृथ्वी के साथ भी ऐसा ही होता है, तो पेड़ से गिरने वाला एक सेब दो अलग-अलग गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों का अनुभव करेगा और एक ही समय में दो अलग-अलग दिशाओं में गिरेगा। ऐसी विशेषताएं क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता के साथ असंगत हैं; खेतों के सुपरपोजिशन को क्वांटम गुरुत्व में अंतर्निहित होना चाहिए।

अब तक, किसी ने भी इस तरह के प्रभावों को नहीं देखा है, क्योंकि एक इलेक्ट्रॉन के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को मापने के लिए बहुत कमजोर है। हाल के वर्षों में, कई प्रायोगिक समूहों ने बहुत अधिक विशाल वस्तुओं के लिए सुपरपोजिशन बनाए हैं। आज के विज्ञान की धार नेनोग्राम में बड़े पैमाने पर काम कर रही है। मार्कस एस्पेलमेयर और उनके वियना समूह ने 1 मिलीग्राम [शमोल, जे।, ड्रैगोसिट्स, एम।, हेपाच, एच।, और एस्पेलमेयर, एम। के गुरुत्वाकर्षण के बड़े पैमाने पर आकर्षण को मापने के लिए एक महत्वाकांक्षी परियोजना पर काम किया। मिलिग्राम जनता की। शास्त्रीय और क्वांटम गुरुत्वाकर्षण 33, 125031 (2016)]। वह दिन दूर नहीं जब हम क्वांटम वस्तुओं के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को माप सकते हैं।

इसी तरह के दृष्टिकोण का उपयोग माउरो पैटरनोस्ट्रो द्वारा बेलफास्ट में क्वींस विश्वविद्यालय के सहयोगियों के साथ किया जाता है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि कौन सी विशेषताओं को एक परिमाणित गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को गैर-मात्रा वाले एक से अलग करना चाहिए [कृष्णानंद, टी।, ज़ुप्पेरोडो, एम।, पैटरनस्ट्रो, एम।, टॉमाज़ पेटेरेक, टी। -विहीन वस्तुओं की भिन्नता। arXiv: 1607.01140 (2016)]। उनका दृष्टिकोण एक विशिष्ट क्वांटम संपत्ति, उलझाव से बंधा है, जिसमें विभिन्न वस्तुओं के गुणों का सहसंबंध है। गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से बातचीत करने वाली दो वस्तुओं की कल्पना करें। उनके बीच संबंध इस बात पर निर्भर करेगा कि यह क्षेत्र निर्धारित है या नहीं। सिद्धांत रूप में, सहसंबंधों को मापा जा सकता है और क्षेत्र की मात्रा निर्धारित की जा सकती है।

यदि हमारे पास गुरुत्वाकर्षण तरंगों को देखने के लिए चश्मा होता, तो ब्लैक होल का विलय एक सुपरनोवा विस्फोट की तुलना में तेज होता।

यह तथ्य कि विज्ञान को विचारों की प्रायोगिक पुष्टि की आवश्यकता है, उसे समाचार नहीं कहा जा सकता है, लेकिन प्राचीन दार्शनिकों का यह सपना कि अकेले तर्क करना प्रकृति के रहस्यों को उजागर कर सकता है, दुर्भाग्य से, क्वांटम गुरुत्वाकर्षण पर काम करने वाले सिद्धांतकारों के बीच रहता है। नतीजतन, मानसिक व्यायाम, चाहे वे मनमाने ढंग से जटिल हों, पूर्वापेक्षाएँ चुनते समय सौंदर्य या दार्शनिक प्राथमिकताओं में आते हैं। क्वांटम गुरुत्वाकर्षण पर साहित्य की एक बड़ी मात्रा गणितीय पहाड़ों के नीचे इन परिसरों के दफन में लगी हुई है।

क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के बारे में पहली बार सुनने के बीस साल बाद, इस क्षेत्र में अभी भी वैज्ञानिकों का वर्चस्व है जो गणितीय अनुक्रम पर निर्भर हैं। लेकिन मेरे जैसे लोगों की संख्या, क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के प्रायोगिक सत्यापन की संभावनाओं का अध्ययन कर रही है। और गणितीय पद्धति की विफलता जितनी अधिक दिखाई देती है, उतनी ही स्पष्ट होती है कि आगे का एकमात्र तरीका प्रायोगिक साक्ष्य की खोज करना है, चाहे इसकी जटिलता कुछ भी हो। पहला कदम गुरुत्वाकर्षण के परिमाणीकरण को प्रदर्शित करना है। और फिर आप गुरुत्वाकर्षण घटना के पूरे स्पेक्ट्रम को शुरू कर सकते हैं। इस तरह से हम क्वांटम गुरुत्व को गणित से भौतिकी में स्थानांतरित करेंगे।

और जो भौतिकी बन गया है वह इंजीनियरिंग बन सकता है। मेरे कई सहयोगियों के विपरीत, मेरा मानना है कि गुरुत्वाकर्षण के परिमाणीकरण को समझने से हमें अभ्यास में मदद मिल सकती है। इस तरह के एक सिद्धांत से न केवल अंतरिक्ष और समय की हमारी समझ में सुधार होगा, बल्कि सामान्य रूप से क्वांटम सिस्टम भी होगा। यह एक लंबा रास्ता होगा। लेकिन हमें अरस्तू के चार तत्वों से भौतिकी की चार शक्तियों तक जाने में 2000 साल लग गए। तो यात्रा लंबी होगी।

क्वांटम गुरुत्व के लिए आपको जो चाहिए वह अधिक प्रयोग है

गणित क्वांटम गुरुत्वाकर्षण की समस्या को हल नहीं करेगा, केवल प्रयोग ही कर सकते हैं

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