गिरते परमाणुओं में गुरुत्वाकर्षण का क्वांटम ‘फेज़ शिफ्ट’ मापा गया, आइंस्टीन के सिद्धांत से मिला परिणाम

शोधकर्ताओं ने पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से अल्ट्रा-कोल्ड रुबिडियम परमाणुओं में पैदा होने वाले एक सूक्ष्म क्वांटम फेज़ शिफ्ट को सीधे मापा है। रॉन फोलमैन के नेतृत्व वाली टीम ने क्वांटम गैलीलियो इंटरफेरोमीटर में परमाणु-तरंग के दो सुसंगत पथों की तुलना की: एक पथ को चुंबकीय क्षेत्र की मदद से लगभग स्थिर रखा गया, जबकि दूसरे को ऊपर की ओर प्रक्षेपित करने के बाद मुक्त रूप से गिरने दिया गया। दोनों पथों को फिर मिलाने पर मिला हस्तक्षेप संकेत, परीक्षण की गई परिस्थितियों में आइंस्टीन के समतुल्यता सिद्धांत से अपेक्षित फेज़ के अनुरूप था। 24

आखिर मापा क्या गया?

क्वांटम कणों का वर्णन तरंगों के रूप में भी किया जाता है। समय के साथ ऐसी तरंग एक फेज़ जमा करती है—इसे तरंग के चक्र में उसकी सापेक्ष स्थिति की तरह समझा जा सकता है। फेज़ अकेले सीधे दिखाई नहीं देता, लेकिन जब दो सुसंगत तरंग-पथों को दोबारा मिलाया जाता है, तो उनके बीच का फेज़ अंतर हस्तक्षेप पैटर्न को बदल देता है।

इस प्रयोग में एक एटम चिप के पास माइक्रोवेव पल्सों से परमाणुओं को सुपरपोज़िशन में रखा गया, यानी एक ही परमाणु की क्वांटम तरंग के दो वैकल्पिक पथ बनाए गए। चुंबकीय क्षेत्र ने एक शाखा के लिए गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव को संतुलित किया, जबकि दूसरी शाखा ऊपर जाकर फिर नीचे आने वाली बैलिस्टिक—अर्थात मुक्त-गिरावट—राह पर चली। दोनों को पुनः मिलाने पर उनके बीच का गुरुत्वाकर्षणीय फेज़ अंतर मापने योग्य हस्तक्षेप संकेत में बदल गया। 24

मुख्य निष्कर्ष यही है: मापा गया फेज़ शिफ्ट प्रयोग की सटीकता के भीतर समतुल्यता सिद्धांत पर आधारित भविष्यवाणी के अनुरूप था। समतुल्यता सिद्धांत आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण-विवरण का वह मूल विचार है जो स्थानीय स्तर पर मुक्त पतन और गुरुत्वाकर्षण को जोड़ता है। 24

यह परीक्षण महत्वपूर्ण क्यों है?

यह केवल किसी वस्तु के गिरने की शास्त्रीय गति मापने वाला प्रयोग नहीं था। यहां जांच का विषय एक सुसंगत क्वांटम पदार्थ-तरंग थी, जो एक साथ दो अलग-अलग संभावित पथों से विकसित हुई। नतीजा बताता है कि पृथ्वी के कमजोर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में अल्ट्रा-कोल्ड रुबिडियम परमाणुओं का मापा गया क्वांटम विकास समतुल्यता सिद्धांत की भविष्यवाणी के अनुरूप है। 24

इसी अर्थ में यह क्वांटम यांत्रिकी और गुरुत्वाकर्षण के बीच एक उपयोगी प्रायोगिक कड़ी है: परमाणु की सुपरपोज़िशन और हस्तक्षेप को क्वांटम यांत्रिकी नियंत्रित करती है, जबकि दोनों पथों के बीच फेज़ अंतर में गुरुत्वाकर्षण का योगदान दिखता है।

इससे क्या साबित नहीं होता?

इस परिणाम को क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता के पूर्ण एकीकरण के रूप में नहीं पढ़ना चाहिए। यह न तो गुरुत्वाकर्षण के क्वांटीकृत होने का प्रमाण है, न ग्रैविटॉन का पता लगाता है, और न ही क्वांटम तथा मूलतः शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण के बीच निर्णायक चुनाव करता है। 23

गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम स्वभाव की अधिक प्रत्यक्ष जांच का एक प्रस्तावित तरीका यह दिखाना होगा कि गुरुत्वाकर्षण पर्याप्त रूप से अलग-थलग रखे गए भारी पिंडों के बीच एंटैंगलमेंट—क्वांटम सहसंबंध—पैदा कर सकता है। प्रस्तावित प्रयोगों में माइक्रोन आकार के क्रिस्टलों की स्थानिक सुपरपोज़िशन बनाने और फिर यह जांचने की बात है कि क्या उनकी पारस्परिक गुरुत्वाकर्षणीय क्रिया एंटैंगलमेंट उत्पन्न करती है। ऐसे क्रिस्टल एम्बेडेड स्पिन प्रणालियों वाले नैनोडायमंड भी हो सकते हैं। 34

पेनरोज़ की ‘कॉलैप्स’ परिकल्पना कहां आती है?

रोजर पेनरोज़ ने एक अलग संभावना रखी है: यदि पर्याप्त भारी वस्तु को दो अलग स्थानों की सुपरपोज़िशन में रखा जाए, तो वह अलग-अलग अंतरिक्ष-काल ज्यामितियों के अनुरूप हो सकती है; ऐसी स्थिति अनिश्चित समय तक सुसंगत नहीं रह पाएगी। संबंधित डियोसी–पेनरोज़ मॉडलों में सुपरपोज़िशन के क्षय का अनुमानित समय, दो अध्यारोपित द्रव्यमान-वितरणों के बीच गुरुत्वाकर्षणीय स्व-ऊर्जा अंतर से जुड़ा होता है। 36

यह मानक क्वांटम यांत्रिकी की संभावित सीमा से जुड़ी परिकल्पना है, रुबिडियम वाले प्रयोग का निष्कर्ष नहीं। एक अकेला परमाणु उस बड़े द्रव्यमान और पर्याप्त स्थानिक अलगाव वाली व्यवस्था जैसा नहीं है, जहां ऐसे मॉडलों की जांच सबसे स्पष्ट रूप से की जा सकती है।

अगला मोर्चा: भारी क्वांटम वस्तुएं

कॉलैप्स मॉडलों की जांच के लिए वैज्ञानिक उन वस्तुओं की स्थानिक सुपरपोज़िशन बनाना चाहते हैं जो एक-एक परमाणु से कहीं अधिक भारी हों। फिर वे ऐसी सुसंगतता-हानि तलाशेंगे जिसे सामान्य पर्यावरणीय शोर या डिकोहेरेंस से समझाया न जा सके। इन मॉडलों की सबसे सीधी परीक्षा भारी वस्तुओं की स्थानिक सुपरपोज़िशन से होती है, क्योंकि वे कुछ ऐसी सुपरपोज़िशनों को निषिद्ध मानते हैं जिन्हें सामान्य क्वांटम सिद्धांत अनुमति देता है। 33

लेविटेटेड नैनोडायमंड या दूसरे छोटे क्रिस्टलों जैसे मेसोस्कोपिक कणों पर भविष्य के इंटरफेरोमीटरों को लंबे समय तक क्वांटम सुसंगतता बनाए रखनी होगी और पर्यावरण से होने वाले सामान्य डिकोहेरेंस पर कड़ा नियंत्रण रखना होगा। यदि प्रयोग में किसी मॉडल द्वारा अनुमानित क्षय समय से आगे भी हस्तक्षेप बचा रहता है, तो उस मॉडल पर सीमाएं लगेंगी। यदि द्रव्यमान, दूरी और समय पर अनुमानित निर्भरता के साथ सुसंगतता का अतिरिक्त और दोहराया जा सकने वाला क्षय मिले, तो वह जांच योग्य संकेत होगा—हालांकि पहले उपकरणी शोर और अन्य गैर-गुरुत्वाकर्षणीय कारणों को हटाना जरूरी होगा। 333436

फिलहाल क्वांटम गैलीलियो इंटरफेरोमीटर का निष्कर्ष उतना ही सटीक है: जिन परिस्थितियों में परीक्षण किया गया, उनमें मुक्त पतन करती एक क्वांटम पदार्थ-तरंग ने वही गुरुत्वाकर्षणीय फेज़ जमा किया जिसकी भविष्यवाणी आइंस्टीन का समतुल्यता सिद्धांत करता है। 24