क्वाण्टम शताब्दी र नोबेल पुरस्कार

क्वाण्टम गणित

हाइजनबर्गले भौतिक गुणहरूको क्वाण्टम गणना गर्ने ‘मेट्रिक्स मेकानिक्स’ प्रतिपादन गरेको शताब्दी मनाउन संयुक्त राष्ट्रसङ्घले घोषणा गरेको ‘अन्तर्राष्ट्रिय क्वाण्टम वर्ष २०२५’ मा यसैका शोधकर्ता नोबेल पुरस्कृत भए। एक्स-रे र त्यसको उपयोगिता खुलासा गरेर पहिलो विजेता बनेका रोन्टजेनदेखि नै, क्वाण्टम प्रकृतिका प्रत्यक्ष र परोक्ष रूप खोल्नेकै बाहुल्य छ। दिक्-कालीन वक्रता बराबरको ऊर्जा-पदार्थ गुरुत्वाकृष्ट हुने सापेक्षवादका निर्माता आइन्सटाइनको प्रशस्तिमा उल्लिखित फोटोइलेक्ट्रिक असर पनि क्वाण्टम नै हो। सूक्ष्म मापनको परिमाण र क्वाण्टम गणनाको अन्तर अर्बको एक भागमा झार्ने क्रममा, क्वाण्टम बुझ्न खोज्नेलाई गुरुले भन्थे— ‘चुप लागेर गणना गर।’

किन भौतिकशास्त्रीले पनि सय वर्षमा क्वाण्टम सिद्धान्त बुझ्न सकेनन् भन्ने ‘नेचर‘मा प्रकाशित कारोलको निबन्धले यसको गूढता दर्शाउँछ। सन् १९०० मा प्लाङ्कले कृष्णपिण्ड (ब्ल्याक बडी) बाट उत्सर्जित प्रकाशको रङ्गावली सूत्र बनाउन, सूक्ष्म अन्तरक्रियामा आवृत्ति (फ्रिक्वेन्सी) को निश्चित अनुपातका ऊर्जाको अखण्डनीय प्रमात्रा (क्वाण्टम) आदानप्रदान हुने प्रस्ताव गरेर क्वाण्टम सिद्धान्त जन्माए। यद्यपि १५ वर्षअघि, हाइड्रोजनका अणुले उत्सर्जन गर्ने प्रकाशका आवृत्तिमा बालमरले भेटेका १, २, ३ जस्ता पूर्णाङ्कको वर्गले देखाएको क्वाण्टम रूप चिन्न बल्ल १९१३ मा बोहर सफल भए।

मेट्रिक्स विधि सूत्रपात भएको एक वर्षभित्रै श्रोडिञ्जरले वैकल्पिक तरङ्ग मेकानिक्स प्रस्तुत गरे भने तुरुन्तै डिराकले ‘ब्रा-केट’को सङ्केत बनाएर दुवै विधिको समानता प्रमाणित गरे। फाइनम्यानको ‘पथ इन्टेग्रल’ विधिले क्वाण्टम कर्मको रूप लिंदै वर्तमानमा आउने सबै सम्भव पथको अनुकूलनबाट गन्तव्यका सम्भावित पथहरू खोलेर, छुराको धार ठानिएको निश्चित पथलाई भुत्तो पार्दै विचरणको मौका दिन्छ। यी विधिकै सरल व्याख्या त असम्भव छ, तर क्वाण्टम वर्ष सकिए पनि यसको चर्चा नसकिने भएकोले केही कौतुकपूर्ण परिणामको बयान गर्दैछु।

 क्वाण्टम द्वैधता

क्वाण्टम आउनुअघि ऊर्जा सञ्चारका दुई बयान थिए— कणहरूले ऊर्जा बोकेर निश्चित पथमा हिंड्ने, वा प्रकाश र ध्वनि जस्ता तरङ्गले वरिपरि ऊर्जा प्रसार गर्ने। प्लाङ्कीय प्रमात्राले फोटोइलेक्ट्रोन उत्पन्न गर्ने आइन्सटाइन समीकरण परीक्षण गरेर मिलिकनले प्रकाशको कणिक रूप ‘फोटोन’ नै देखाइदिए। झूल जस्तो मसिनो जालीदार कपडाबाट उज्यालोतिर हेर्दा, छिरेका प्रकाशका तरङ्गहरू अँध्यारोपित (सुपरपोज) हुँदै विवर्तन (डिफ्राक्ट) र व्यतिकरण (इन्टरफेयर) गर्दा हामी अँध्यारो र उज्यालोको शृङ्खलाबद्ध रेखाहरू देख्छौं। इलेक्ट्रोनको विवर्तन गराएर डेभिसन र गरमरले नापेको तरङ्ग-लम्बाइ, लुई द ब्रोग्लीको अनुमान अनुसार संवेग (मोमेण्टम) व्युत्क्रमिक (इन्भर्स) अनुपातमा हुने पनि प्रमाणित भयो।

यी समपूरक द्वैध रूप- कणिकता र तरङ्गन, एकै पटक देखिंदैनन्। ‘विलम्बित विकल्प’ (डिलेयड च्वाइस) को प्रयोगमा कुन छिद्रबाट क्वाण्टम छिर्‍यौ भन्ने जान्यौं भने कणिक रूप लिएर लुप्त भएका व्यतिकरण रेखाहरू, छिरेको निश्चित पथलाई ‘क्वाण्टम इरेजर’ले मेटाउना साथ पुनः देखा पर्छन्।

‘विग्नरको साथी’ भनिने प्रयोगमा, उही घटना हेर्ने दुई व्यक्तिले चाहिं भिन्न रूप देख्न सक्छन्। विभिन्न सम्भाव्य विशेष (आइगन) अवस्थाहरूको अँध्यारोपणबाट बनेको क्वाण्टम प्रणालीको गुण जान्न खोज्दा, दृष्टिबाट प्रभावित भएर कुनै एक अवस्थामा संकुचित हुँदै यसले हेर्नुअघिको अवस्था गुप्त राख्छ। के क्वाण्टम प्रकृतिले द्रष्टाले हेर्न चाहेको दृश्य मात्र देखाउने हो त ? यस्ता द्विविधाको चित्रणमा श्रोडिञ्जरले बिरालोको जीवित र मृत अवस्थाको अँध्यारोपणबारे कथा बनाए । ‘नहेर्दैमा चन्द्रमा हुँदैन र ?’ भनेर आइन्सटाइन विस्मित भए।

क्वाण्टम अनिश्चितता

ऊर्जा संरक्षणले प्राकृतिक नियमको कालान्तर सममिति (हिजो, आज र भोलि उही हुनुपर्ने ‘टाइम ट्रान्सलेसन सिमेट्री’) कायम गर्छ। हाइजनबर्गले आफ्नो विधिको उपयोगबाट काल र ऊर्जा, स्थिति र संवेग जस्ता संयुग्म (कन्जुगेट) चरका अनिश्चितताको गुणन प्लाङ्क स्थिराङ्कभन्दा बढी हुनुपर्ने निष्कर्ष निकालेर प्रकृतिबारे प्राप्त हुनसक्ने ज्ञानको सीमा तोके।

जति छोटो तरङ्ग-लम्बाइको प्रकाशले हेरेर कणको यथास्थान निश्चित गर्न खोज्यो, उति नै बढी प्राप्त हुनसक्ने संवेग झनै अनिश्चित हुन्छ। सृष्टिकालमा अनिश्चितताद्वारा अनुमत मात्राले सबै संरक्षणका नियम खण्डित भएर नै हामी छौं। एउटा सामान्य भौतिक कणको गतिको भविष्यवाणी त सिद्धान्ततः हुन सक्दैन भने, ग्रहगतिबाट गरिने मानव जस्तो जटिल प्रणालीको भविष्यवाणीमा के वैज्ञानिकता होला र ? 

क्वाण्टम शून्यता

दिक्कालको कुनै क्षेत्रबाट सबै ऊर्जा निकाल्यौं भने पनि क्वाण्टम शून्यता (भ्याकुम) मा शेष ऊर्जा रहन्छ। दोलक (पेण्डुलम) को क्वाण्टम अवस्था बुझ्न श्रोडिञ्जर समीकरण हल गर्‍यौं भने प्लाङ्कीय प्रमात्राको अर्ध-पूर्णाङ्क गुणनका विभिन्न ऊर्जावस्थाहरू देखिन्छन्। तसर्थ, नहल्लिएको न्यूनतम ऊर्जावस्थामा पनि आधा प्रमात्राको ‘शून्य बिन्दु ऊर्जा’ (जिरो पोइन्ट इनर्जी) शेष रहन्छ। यस्तो पूर्णतः क्वाण्टम विवरणको शास्त्रीय (न्युटोनीय) तुलना नगर्नु भनिन्छ, तर चित्रणका लागि यो निषेध सकेसम्म तन्काउन मन लाग्छ।

दोलकले सतहलाई छोयो भने हल्लिंदैन, केही माथि नै राख्नुपर्छ; कति माथि राखेर न्यूनतम स्थिति (पोटेन्सियल) ऊर्जा प्राप्त भए हल्लिन सक्छ, त्यही नै शून्य ऊर्जा हो। त्यस्तै, सितारको तार नतन्काएसम्म ध्वनि उत्पन्न गर्न सक्दैन; सरगमका निश्चित स्वर उत्पन्न गर्न निश्चित तनाव (शून्य ऊर्जा) प्रदान गर्नुपर्छ, यद्यपि सो उत्पन्न गर्न औंलाले थप ऊर्जा दिनुपर्छ। यस्ता तारका प्रत्येक बिन्दुका कण दोलक जस्तै हल्लिन्छन्।

क्वाण्टम क्षेत्र (फिल्ड) सिद्धान्त अनुसार शून्य दिक्कालको प्रत्येक बिन्दु वारपार फोटोन र इलेक्ट्रोन जस्ता सबै प्राथमिक कणका शून्य ऊर्जा बोक्ने तारहरू तन्किएका हुन्छन्। जहाँ जब आवश्यक ऊर्जा प्राप्त हुन्छ, सितारको स्वर जस्तै कण र प्रतिकणका जोडी प्रकट हुन्छन्। हरेक बिन्दुमा हरेक कणको आधा प्रमात्राको ऊर्जा रहने हुनाले क्वाण्टम शून्यता अति नै ऊर्जावान् छ।

ब्रह्माण्डको सम्पूर्ण ऊर्जाको करिब ७० प्रतिशत भाग ओगट्ने शून्य ऊर्जा काल्पनिक नभएर ‘काजिमिर असर’को रूपमा प्रयोगशालामै नापिन्छ। नासदीय सूक्तको “शर्मन्नम्भः किमासीद्गहनं गभीरम्“ ले यस्तै क्वाण्टम शून्यताको भवसागर कल्पना गरेको हो कि?

अति ऊर्जित शून्यताभित्रको उथलपुथल (क्वाण्टम फ्लक्चुएसन) मा विभिन्न कण-प्रतिकणका प्रचुर आभासी (भर्चुअल) जोडीहरू तत्क्षण सिर्जित र विलायित हुने गर्छन्। तर गुरुत्वले कुनै जोडीको एक साथीलाई ‘ब्ल्याकहोल’ वा ब्रह्माण्डको क्षितिजतिर तान्दा अर्को प्रत्यक्ष हुन्छ। यतिकैले त समान सङ्ख्याका कण र प्रतिकण उत्पन्न गर्छ, जबकि स्थायी र प्रशस्त मात्रामा कतै पनि प्रतिकण भेटिएको छैन। तसर्थ, बाँकी रहेको एक मात्र कण-प्रतिकण सममिति पनि सानो मात्राले खण्डित हुनुपर्ने देखिन्छ; सृष्टिकालको प्रत्येक अर्ब जोडीमा एक मात्र बढी कण उत्पन्न भए पुग्छ। 

क्वाण्टम सुरुङ्गीकरण

पदयात्रामा अगाडि पहाड आयो भने ऊर्जा बटुल्न सके उक्लेर पारि जान्छौं, नसके फर्कन्छौं। यस्ता बाधा फड्किने ऊर्जा नभए पनि क्वाण्टम कणको तरङ्गित रूपले केही हदसम्म छिचोल्ने र मौका मिलाएर ‘टनेलिङ’ गर्दै पारि प्रकट हुने गर्छ। रेडियोधर्मी क्षयका सूक्ष्म कणहरू सुरुङ्गीकरण गरेरै निस्कन्छन्। नव-नोबेल विजयी जोन क्लार्क, मिशेल डेवोरे र जोन मार्टिनिसको प्रशस्ति अनुसार, एक सेन्टिमिटर चौडा यन्त्रमा स्थूल (म्याक्रो) प्रणाली पनि क्वाण्टीकृत हुने र सुरुङ्गीकरण गर्ने प्रमाणित भयो।

बेलायत, फ्रान्स र अमेरिकामा जन्मेका यी तीन वैज्ञानिकहरू क्यालिफोर्निया विश्वविद्यालयको बर्कले क्याम्पसमा जुटेर सन् १९८४–८५ मा गरेको प्रयोगका लागि, दुई अतिचालक (विना प्रतिरोध विद्युत् प्रवाह गर्ने सुपर कन्डक्टर) सतह बीचमा एक कुचालक (इन्सुलेटर) तह च्यापेर ‘जोसेफ्सन जक्सन’ बनाए।

त्यो यन्त्रमा जाने करेन्ट नियन्त्रण गर्दै, अतिचालक सतहका सबै इलेक्ट्रोन मिलेर एकै संयुक्त कणको जस्तो व्यवहार गर्ने स्थूल क्वाण्टीकृत अवस्था निर्माण गरे। बाधाको एकतर्फ फसेर भोल्टेज भेद विना करेन्ट बहने यो स्थूल प्रणालीसँग उम्कने ऊर्जा हुँदैन। सो क्वाण्टम प्रणालीले सुरुङ्गीकरण गरेर पार गएको सङ्केतमा भोल्टेज देखा पर्छ। यस्तो शून्य र अशून्य भोल्टेजको दुई अवस्था देखाउने सम्बद्ध प्रणालीलाई ‘क्यूबिट’का रूपमा क्वाण्टम कम्प्युटरमा प्रयोग गर्न सकिने भएकोले, यसलाई नयाँ क्वाण्टम युगतिरको एक पाइला मानियो।

इलेक्ट्रोनको क्वाण्टम गुणकै कारण हाम्रा मोबाइल जस्ता विद्युताणविक (इलेक्ट्रोनिक) यन्त्र चल्छन्। अब आउँदो क्वाण्टम युगको प्राविधिक क्षमता कैयौं गुणा बढ्नेछ। दुर्भाग्यवश, प्राविधिक शब्दहरू बुझी नबुझी अनुवाद गर्ने हतारोमा हामीले इलेक्ट्रिकल (विद्युतीय) र इलेक्ट्रोनिक (विद्युताणविक) दुवै उपकरणलाई ‘विद्युतीय’ भन्ने गरेका छौं। 

अन्त्यमा

यो सानो लेखमा क्वाण्टम घुमाइ (स्पिन), अतितरलता (सुपर फ्लुइड), जटाधिर (एन्ट्याङ्ल्ड) अवस्था इत्यादिको बयान गर्न सकिएन। गुरुत्वको क्वाण्टीकरण हुन नसकेको बेला, सूक्ष्मतम मानिएको प्लाङ्कीय क्षण र दूरीमा साबुनको फिंज जस्तो हुनसक्ने दिक्कालको कणिकता हेर्ने प्रविधि नभए पनि त्यसको परोक्ष असर खोजिंदै छ।

आर्यभट्टका शिष्य लटदेवले सूर्य सिद्धान्तमा, एक पटक सास फेर्न वा दश गुरुअक्षर उच्चारण गर्न लाग्ने लगभग ४ सेकेन्डको ‘प्राण’लाई मूर्त काल र त्रुटिसम्मका त्यसको भागलाई अमूर्त भनेका छन्। पछि भास्कराचार्यले सिद्धान्त शिरोमणिमा कोणको सानो भेदले साइन (ज्या) मा पार्ने फरकको सूत्र बनाएर, एक त्रुटि (३० माइक्रोसेकेन्ड) सम्मको ग्रह-गति बयान गर्न सकेको उद्घोष गरे।

दुई हजार वर्षभन्दा अघिका अणुवादी कणादमुनिले वैशेषिक दर्शनमा “पृथिव्यप्तेजोवाय्वाकाशकालदिगात्ममनांसि” अर्थात् पृथ्वी, जल, तेज, वायु र आकाशका पाँच महाभूतमा काल, दिक्, आत्मा र मन समेटेर बनाएका ‘नवद्रव्य’ आधुनिक भौतिकशास्त्रको क्षेत्र सिद्धान्त जस्तो लाग्छ। उनले गुरुत्वको अध्ययन गर्दै कुनै पिण्ड माथि, तल र सिधा फाल्दा के कसरी जान्छ भन्ने व्याख्या गरेका छन्। पानी छिटो बग्नु र मह ढिलो बग्नुमा अणुहरू बीचको ‘स्नेह’ (भिस्कोसिटी) कारण रहेको उनले बताएका थिए।

द्रष्टालाई दृश्यमै र सुषुप्त भौतिकतालाई दिक्कालको शून्यतामै गाभ्ने सिद्धान्तमा जहाँ अनुकूल त्यहीं प्रस्फुटित हुने जीवत्व (आत्मा) र चेतना (मन) को सर्वव्यापकता नसमेटिएसम्म भौतिकशास्त्रले सामना गरेको गतिरोध अन्त्य हुँदैन। सबै मूल एमिनो एसिड र डीएनएका आधार जस्ता जैविक रसायनहरू अन्तरिक्षभरि, धूमकेतुदेखि सुदूरका खगोलीय पिण्डसम्म भेटिन्छन्। जीवका सबै कोषिकाले ऊर्जा उपयोग गर्ने क्रममा अति मृदुल प्रकाश (बीसदेखि दुई सय फोटोनको ‘अल्ट्रा विक एमिसन’) प्रसार गर्ने देखियो, जुन मृत कोषिकाले गर्दैन। अस्वस्थ ताडित वृक्ष तथा प्राणी र स्वस्थ सामान्य अवस्थाकाले प्रवाह गर्ने त्यो प्रकाशमा पनि भेद देखियो। वैज्ञानिकहरू यसलाई ‘प्रभामण्डल’ नै भन्न त तयार छैनन्, तर विभिन्न रोगको निदान गर्न सकिनेमा आशावादी छन्।

एउटा प्रयोगमा फोटोन जान सक्ने तीन वटा कक्षमध्ये कुनमा गयो वा गएन भन्ने थाहा पाउने युक्ति गर्दा, नगएको कक्षको ज्ञान पनि राखेको भेटियो। फाइनम्यानको ‘पथ इन्टेग्रल’मा जस्तै केही प्लाङ्क क्षणभित्र सबै उपलब्ध पथको सर्वेक्षण गरेर मात्र पाइला चाल्ने कणले पथ नभेटे सुरुङ्गीकरण (टनेलिङ) गरेर पनि गन्तव्य पुग्न सक्छ। ठोस भौतिक रूप लिएर पहाड चढ्ने वा तरङ्गित आध्यात्मिक भएर बाधा छिचोल्दै जहाँ चाह्यो त्यहीं प्रकट हुने निर्णय तत्क्षण आफैं लिएर क्वाण्टम प्रकृतिले स्वेच्छा व्यक्त गरेको देखिन्छ।

सर्वव्यापी चेतनाको यस्तो सङ्केत प्रमाणित गर्न नाप्ने कुनै गुण नै थाहा छैन। यो वर्षको नोबेल विजयीले उपयोग गरेका यन्त्रको विकास गरेर सन् १९७३ मा नोबेल पुरस्कार पाएका जोसेफ्सन योग र ध्यानमा चाख राख्दै वैज्ञानिक सम्मेलनमा गीता पढ्ने र बुझ्ने राय दिन्छन्। यस्ता स्वतन्त्र चिन्तकलाई उनैद्वारा कल्पित ‘मन-पदार्थ एकीकरण परियोजना’ निर्देशन गर्ने जिम्मा दिएर क्याम्ब्रिज विश्वविद्यालयले सन् १९७० देखि हालको ८५ वर्ष उमेरसम्म क्रियाशील राखेको छ।

खनाल भौतिकशास्त्रका प्राध्यापक हुन्।