ईथन से पूछें: क्या गुरुत्वाकर्षण तरंगें तरंग-कण द्वंद्व को प्रकट करती हैं?

अब जब LIGO ने पहली बार गुरुत्वाकर्षण तरंगों के संकेत की खोज की, आइंस्टीन के सिद्धांत के हिस्से की पुष्टि की गई है, यह भविष्यवाणी करते हुए कि अंतरिक्ष के बहुत कपड़े को तरंगों और तरंगों के साथ कवर किया जाना चाहिए। और जो निम्नलिखित सहित कई दिलचस्प सवाल उठाता है:

क्या गुरुत्वाकर्षण तरंगों में तरंग-कण द्वंद्व को दिखाया जाना चाहिए, और यदि हां, तो क्या LIGO के भौतिकविदों को पहले ही इस बात का परीक्षण करने के तरीके आ गए हैं, जैसे कि दो स्लिट्स के साथ किसी तरह का प्रयोग?

तरंग-कण द्वैत हमें ज्ञात क्वांटम यांत्रिकी के सबसे अजीब परिणामों में से एक है।



यह सब काफी सरलता से शुरू होता है: पदार्थ में कणों, परमाणुओं और उनके घटकों, और विकिरण - तरंगों के होते हैं। कण दिखाई देता है, क्योंकि यह ऐसे गुणों को टकराव या उछाल के रूप में प्रदर्शित करता है, अन्य कणों के साथ चिपक जाता है, ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है, बांधता है, आदि। और लहर को विवर्तन और स्वयं के हस्तक्षेप से निर्धारित किया जा सकता है। न्यूटन ने गलत तरीके से माना कि प्रकाश कणों से बना है, लेकिन अन्य, उदाहरण के लिए, ह्यूजेंस (उनके समकालीन) और 19 वीं सदी के शुरुआती विद्वान, यंग और फ्रेस्नेल, ने निश्चितता के साथ दिखाया कि प्रकाश गुणों को दिखाता है जब तक कि आप उस पर विचार नहीं करते। लहर। उनमें से सबसे स्पष्ट एक डबल भट्ठा के माध्यम से प्रकाश का मार्ग है: पृष्ठभूमि स्क्रीन पर तस्वीर से पता चलता है कि प्रकाश संरचनात्मक रूप से दोनों (उज्ज्वल बिंदु दिखाई देते हैं) और विनाशकारी (अंधेरे बिंदु दिखाई देते हैं)।



हस्तक्षेप एक लहर संपत्ति है, इसलिए प्रयोग "सिद्ध" है कि प्रकाश एक लहर है। लेकिन 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज के दौरान सब कुछ थोड़ा भ्रमित था। यदि आप एक विशिष्ट सामग्री पर चमकते हैं, तो प्रकाश समय-समय पर इलेक्ट्रॉनों को बाहर कर देगा। यदि आप प्रकाश को कम करते हैं (ऊर्जा को कम करते हैं) - यहां तक ​​कि इसकी तीव्रता को बढ़ाते हुए - इलेक्ट्रॉनों को हरा देना बंद हो जाएगा। लेकिन अगर आप इसे नीला बनाते हैं (ऊर्जा बढ़ाते हैं), तो भले ही आप दक्षता को दृढ़ता से कस लें, फिर भी प्रकाश इलेक्ट्रॉनों को बाहर कर देगा। इसके तुरंत बाद, यह पता चला कि प्रकाश फोटॉनों में परिमाणित है, और यह कि अलग-अलग फोटोन कणों की तरह व्यवहार कर सकते हैं, सही ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों को दस्तक दे सकते हैं।


एक निश्चित सीमा से नीचे, आयनीकरण ऊर्जा नहीं होती है

20 वीं शताब्दी के दौरान, यहां तक ​​कि अजनबी परिणाम दिखाई दिए:

• अलग-अलग फोटॉन, एक समय में दो स्लिट्स से गुजरते हुए, खुद से हस्तक्षेप करेंगे और तरंग के अनुरूप चित्र देंगे।
• इलेक्ट्रॉन, कण होने के कारण, हस्तक्षेप और विवर्तन भी प्रदर्शित करते हैं।
• यदि आप मापते हैं कि किस विशिष्ट फोटॉन या इलेक्ट्रॉन से गुजरता है, तो हस्तक्षेप पैटर्न काम नहीं करता है - और यदि आप माप नहीं करते हैं, तो यह पता चला है।

ऐसा लगता है कि हमारे द्वारा देखे जाने वाले प्रत्येक कण को ​​एक तरंग और एक कण के रूप में वर्णित किया जा सकता है। इसके अलावा, क्वांटम भौतिकी कहती है कि इसे इस तरह और उसी समय का वर्णन करना आवश्यक है, अन्यथा हमें ऐसे परिणाम नहीं मिलेंगे जो प्रयोगों के अनुरूप हैं।



हम गुरुत्वाकर्षण तरंगों से गुजरते हैं। वे काफी अद्वितीय हैं, क्योंकि अब तक हमने केवल उनकी तरंग अभिव्यक्तियों का अवलोकन किया है, लेकिन यह नहीं देखा है कि वे कणों की तरह व्यवहार करते हैं। हालाँकि, जैसे पानी की लहरें कणों से बनी होती हैं, वैसे ही गुरुत्वाकर्षण तरंगें भी कणों से बनी होनी चाहिए। इन कणों को गुरुत्वाकर्षण होना चाहिए, गुरुत्वाकर्षण बल को संचारित करना चाहिए, और उन्हें इस तथ्य के परिणाम के रूप में प्रकट होना चाहिए कि गुरुत्वाकर्षण अपनी प्रकृति से एक क्वांटम बातचीत है।



चूंकि यह एक लहर है, अवलोकनों को देखते हुए, जनरल थ्योरी ऑफ रिलेटिविटी द्वारा भविष्यवाणी की गई है, हम सुरक्षित रूप से निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि यह जीआर द्वारा भविष्यवाणी की गई सभी लहर संस्थाओं की तरह व्यवहार करना जारी रखेगा। विवरण में, वे अन्य तरंगों से थोड़ा अलग हैं जो हमारे लिए परिचित हैं: ये स्केलर तरंगें नहीं हैं, जैसे पानी पर लहरें, और न ही वेक्टर तरंगें, प्रकाश की तरह, जिसमें विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र चरण में दोलन करते हैं। ये टेंसर तरंगें हैं, जिससे अंतरिक्ष का अनुबंध होता है और तरंग के प्रसार के रूप में लंबवत दिशा में विस्तार होता है।



कई मामलों में, ये तरंगें उसी तरह से व्यवहार करती हैं, जैसे कोई अन्य, किसी माध्यम में एक निश्चित गति से (अंतरिक्ष के बहुत ही फैब्रिक के साथ प्रकाश की गति के साथ), अंतरिक्ष में अन्य तरंगों के साथ हस्तक्षेप करते हुए, संरचनात्मक रूप से और विनाशकारी रूप से, पहले से ही सतह पर चलते हुए। अंतरिक्ष-समय की मौजूदा वक्रता, और अगर इन तरंगों को विवर्तन का अनुभव करने के लिए बनाया जा सकता है - शायद जब ब्लैक होल के रूप में गुरुत्वाकर्षण के इतने मजबूत स्रोत के आसपास से गुजरते हुए - वे ऐसा करेंगे। इसके अलावा, यह ज्ञात है कि ब्रह्मांड के विस्तार के साथ, ये तरंगें हर किसी की तरह ही व्यवहार करेंगी: ब्रह्मांड की पृष्ठभूमि के स्थान के साथ खिंचाव और विस्तार।



तो सवाल यह है कि उनके क्वांटम भाग की जांच कैसे की जाए? गुरुत्वाकर्षण तरंग के शव की प्रकृति की खोज कैसे करें? सिद्धांत रूप में, एक गुरुत्वाकर्षण लहर ऊपर दिए गए एनीमेशन के समान है, यह दर्शाता है कि एक लहर की दृश्यता कैसे मंडलियों में घूमते हुए कणों की एक भीड़ से उत्पन्न होती है - ये कण गुरुत्वाकर्षण होंगे, और परिणामस्वरूप तरंग LIGO द्वारा दर्ज की गई थी। यह मानने का हर कारण है कि हमारे पास गुरुत्वाकर्षण है, जो:

• स्पिन 2 है,
• द्रव्यमान नहीं है,
• प्रकाश की गति से आगे बढ़ें,
• केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से बातचीत करें।

ग्रेविटोन द्रव्यमान पर LIGO से प्राप्त प्रतिबंध बहुत अच्छे हैं: यदि इसका द्रव्यमान है, तो यह 1.6 * 10 ^-22 eV / c ² से अधिक नहीं है, अर्थात यह एक इलेक्ट्रॉन की तुलना में 10 ²⁸ गुना हल्का है। लेकिन जब तक हम गुरुत्वाकर्षण तरंगों के साथ क्वांटम गुरुत्वाकर्षण का परीक्षण करने का एक तरीका नहीं बनाते हैं, तब तक हम यह नहीं जान पाएंगे कि क्या ग्रेविटॉन तरंग-कण द्वंद्व को प्रदर्शित करते हैं।



इसके लिए कुछ मौके हैं, हालांकि LIGO के सफल होने की संभावना नहीं है। आप देखते हैं, क्वांटम गुरुत्व के प्रभाव सबसे अधिक स्पष्ट हैं जहां बहुत मजबूत गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र बहुत कम दूरी पर बातचीत करते हैं। क्या ब्लैक होल के विलय का निरीक्षण करने की तुलना में यह जांचने का एक बेहतर तरीका है? जब दो विलक्षणताएं विलीन हो जाती हैं, तो ये क्वांटम प्रभाव - जिनमें से प्रारंभिक बिंदु जीआरटी होना चाहिए - विलय के क्षण में, कुछ समय पहले और तुरंत बाद दिखाई देते हैं। हमें समय-समय पर पिकोसेकंड में मापी जाने वाली घटनाओं पर नज़र रखने की ज़रूरत है, न कि सूक्ष्म या मिलीसेकंड कि LIGO के प्रति संवेदनशील है - लेकिन यह संभव नहीं हो सकता है। सिद्धांत रूप में, हमने एक फीमेलोसेकंड या यहां तक ​​कि एटोसेकंड स्केल (10 ^-15 एस - 10 ^-18 एस) पर संचालित लेजर दालों का विकास किया है, ताकि संभवतः हम एक संवेदनशीलता को व्यवस्थित कर सकें जो सापेक्षता से छोटे विचलन को ट्रैक करता है यदि आप इस तरह के बहुत से इंटरफेरोमीटर हैं। इसके लिए प्रौद्योगिकी में एक बड़ी छलांग, शोर में उल्लेखनीय कमी और संवेदनशीलता में वृद्धि की आवश्यकता होगी। लेकिन तकनीकी रूप से यह असंभव नहीं है - यह बहुत मुश्किल है!

यदि आपको अधिक जानकारी की आवश्यकता है, तो मैंने गुरुत्वाकर्षण तरंगों, LIGO के बारे में एक कहानी के साथ एक वीडियो रिकॉर्ड किया और हमने उनके बारे में क्या सीखा।



हमारा विषय विशेष रूप से अंतिम प्रश्न से संबंधित है, जो इस बारे में कहता है कि हम गुरुत्वाकर्षण की प्रकृति की जांच कैसे कर सकते हैं, जो ब्रह्मांड के तरंग-कण द्वैत की तस्वीर को पूरा करेगा। हम मानते हैं कि यह सच हो जाएगा, हालांकि हम निश्चित रूप से नहीं जानते हैं। मुझे उम्मीद है कि हमारी जिज्ञासा हमें इन अध्ययनों में निवेश करेगी, प्रकृति हमारे साथ खेलेगी, और हम इसका पता लगाएंगे!