ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ: વિજ્ઞાન પણ અજીબોગરીબ અને ચમત્કારિક હોઈ શકે છે...

- નોબેલ વિજેતા: જ્હોન કર્લ્ક, માઇકલ ડેવોરેટ, જ્હોન માર્ટિનીસ

- વાત-વિચાર-શિશિર રામાવત

- તાજેતરમાં ત્રણ ક્વોન્ટમ સાયન્ટિસ્ટોને સંયુક્તપણે ભૌતિકશાસ્ત્ર માટેના આ વર્ષના નોબલ પ્રાઇઝ વિજેતા ઘોષિત કરવામાં આવ્યા. ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સની એવી કઈ બાબતો છે જે આપણું મગજ ચકરાવી દેે છે? દ્રશ્યમાન જગત જે રીતે વર્તે છે તેના કરતાં ક્વોન્ટમનું માઇક્રોસ્કોપિક જગત સાવ વિરુદ્ધ લાગે છે, અને છતાંય ક્વોન્ટમના વિચિત્ર નિયમો સાચા છે તેવું વિજ્ઞાનીઓ અવારનવાર પૂરવાર કરતા રહ્યા છે. 

'...તો ભૌતિકશાસ્ત્રના ક્ષેત્રમાં ૨૦૨૫નું નોબલ પ્રાઇઝ મળે છે આ વૈજ્ઞાનિક ત્રિપુટીને - જ્હોન કર્લ્ક, માઇકલ ડેવોરેટ અને જ્હોન માર્ટિનીસને!'

હજુ ત્રણેક દિવસ પહેલાં દુનિયાભરનાં સમાચાર માધ્યમોમાં આ મતલબના ન્યુઝ ચમક્યા. એક્ઝેટલી કઈ શોધ માટે આ વિજ્ઞાનીઓને સંયુક્ત નોબલ પ્રાઇઝ મળ્યું તે સવાલનો જવાબ આપણને અટપટો અને ટેકનિકલ લાગે તેવો છે, છતાંય સાંભળી લઈએ: મેક્રોસ્કોપિક ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગની શોધ અને ઇલેક્ટ્રિક સર્કિટમાં એનર્જીનું ક્વોન્ટાઇઝેશન કરવા બદલ! ત્રણ વિજ્ઞાનીઓ 'સંયુક્તપણે' વિજેતા બન્યા એવું સાંભળીએ એટલે પહેલી દ્રષ્ટિએ એવું જ લાગે કે આ ત્રણેય વ્યક્તિઓએ એક ટીમ બનાવીને, એક જ લેબોરેટરીમાં એકસાથે કામ કર્યું હશે.  

સચ્ચાઈ જુદી છે. આ ત્રણ પૈકીના જ્હોન ક્લર્કે પોતાનું ચાવીરૂપ કામ છેક ૧૯૭૦ અને ૧૯૮૦ના દાયકામાં કર્યું હતું, માઇકલ ડેવોરેટનું મહત્ત્વપૂર્વ કામ મુખ્યત્ત્વે ૧૯૯૦ અને ૨૦૦૦ના દાયકામાં થયું છે, જ્યારે જ્હોન માર્ટિનીસે સૌથી મહત્ત્વનું પ્રદાન ૨૦૦૦ અને ૨૦૧૦ના દાયકામાં આપ્યું છે. મતલબ કે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સના ક્ષેત્રમાં આ ત્રણેય વિજ્ઞાનીઓનું કામ લગભગ અડધી સદીના દાયરામાં ફેલાયેલું છે! સવાલ એ થઈ શકે કે આ વિજ્ઞાનીઓને છેક હવે, ૨૦૨૫માં, નોબલ પ્રાઇઝ શા માટે મળ્યું? એનો જવાબ એ છે કે કોઈ પણ મહત્ત્વની વૈજ્ઞાનિક શોધ થાય ત્યારે એ જ વર્ષે જે-તે શોધકને નોબલ પ્રાઇઝ મળી જાય, એવું ન બને. આ શોધનો પ્રભાવ કેવો પડયો, આ પ્રભાવ લાંબા ગાળાનો છે કે નહીં, શોધની ખરાઈની સાબિતી અવારનવાર મળતી રહી કે કેમ - આ તમામ માપદંડો પર ખરા ઉતર્યા પછી જ, દાયકાઓ બાદ, જે-તે વિજ્ઞાનીને નોબલ પ્રાઇઝ એનાયત થાય છે. હાલ જે ત્રણ વિજ્ઞાનીઓ નોબલ પ્રાઇઝના વિજેતા બન્યા તેમની શોધને કારણે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સના ક્ષેત્રને નિશ્ચિત દિશા મળી છે, ઘાટ મળ્યો છે. આ સત્ય ઘીના દીવાની માફક સ્પષ્ટ થયું તે પછી જ તેમને નોબલ પ્રાઇઝના અધિકારી ઘોષિત કરવામાં આવ્યા. (હવે આ માપદંડ તુલના આખી દુનિયામાં અશાંતિ પેદા કરનારા અને છતાંય શાંતિ માટેનું નોબલ પ્રાઇઝ મેળવવા ઘાંઘા થયેલા ડાનાલ્ડ ટ્રમ્પ સાથે કરો!) 

આગળ વધતા પહેલાં સાદી ભાષામાં એ સમજવાની કોશિશ કરીએ કે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ એટલે શું? ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ વિજ્ઞાનની એ શાખા છે, જેમાં બ્રહ્માંડના નાનામાં નાના અંશ જેવા કે પરમાણુ, ઇલેકટ્રોન અને પ્રકાશ કઈ રીતે વર્તે છે તેનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.  ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ કહે છે કે પ્રકૃતિ સ્થૂળ સ્તરે જે રીતે વર્તે છે, તેના કરતાં સૂક્ષ્મ સ્તર પર સાવ જુદું જ વર્તન કરતી હોય છે. માઇક્રોસ્કોપિક દુનિયા અજીબોગરીબ અને લગભગ ચમત્કારિક લાગે તેવી છે, ભલે, પણ તોય તેના નિશ્ચિત નિયમો છે. બસ, આ 'અદભુત પણ સાચી' દુનિયાનાં રહસ્યો ઉકેલતું વિજ્ઞાન એટલે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ.  

ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સમાં એક રસપ્રદ શબ્દપ્રયોગ થાય છે - ક્વોન્ટમ વિઅર્ડનેસ (Quantum weirdness), એટલે કે ક્વોન્ટમની વિચિત્રતા. આ વિચિત્રતાઓને કારણે જ ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ માટે 'અજીબોગરીબ', 'ચમત્કારિક', અને 'અદભુત' જેવા વિશેષણો વપરાય છે. અગાઉ નોંધ્યું તેમ માઇક્રોસ્કોપિક દુનિયા આપણી સામાન્ય સમજને, આપણી કોમન સેન્સને ઊંધીચત્તી કરી નાખે તેવી છે. કાર કેવી રીતે ચાલે છે કે ક્રિકેટના દડો શી રીતે ગતિ કરે છે તે સમજવા માટે સામાન્યપણે ભૌતિકશાસ્ત્રના જે નિયમોનો આધાર લેવાય છે, તે નિયમો એટમ યા ઇલેક્ટ્રોનને લાગુ પાડી શકાતા નથી. ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સની આ પાંચ વિચિત્રતાઓ વિગતવાર સમજવા જેવી છે:

(૧)સુપર-પોઝિશન: ક્વોન્ટમની દુનિયામાં કણ એકસાથે અનેક અવસ્થામાં અસ્તિત્ત્વ ધરાવી શકે છે. સમજવા માટે કલ્પના કરો કે, તમે સુરતના તમારા ઘરમાં મોજથી ચા રહ્યા છો, અને એ જ ક્ષણે તમે મુંબઈમાં તમારા દોસ્તાર સાથે મરીન ડ્રાઇવની પાળી પર બેઠાં બેઠાં ગપ્પાં મારી રહ્યા છો. બીજું ઉદાહરણ: કોઈ વસ્તુ એક જ સમયે ઘડિયાળના કાંટાની દિશામાં (ક્લોકવાઇઝ) પણ ફરી રહી છે, અને તે જ સમયે વિરુદ્ધ દિશામાં (એન્ટિક્લોકવાઇઝ) પણ ઘુમી રહી છે. સિક્કાનું દ્રષ્ટાંત લઈએ. ધારો કે તમે અંગૂઠાથી સિક્કો હવામાં ઉછાળો છો. તે હવામાં ગોળ ગોળ ફરતો હશે ત્યારે તમે કહી નહીં શકો કે તમને હેડ્સ (છાપ) દેખાય છે કે ટેલ્સ (કાંટો). સિક્કો જ્યાં સુધી જમીન પર પડીને સ્થિર નહીં થાય ત્યાં સુધી તમને છાપ અને કાંટો બન્ને દેખાશે. આપણે સ્કૂલમાં ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ભણ્યા છીએ અને અણુની ભીતર ઇલેક્ટ્રોન, પૃથ્વી ફરતે કોઈ ઉપગ્રહ પરિભ્રમણ કરી રહ્યો હોય તેમ, ગોળ-ગોળ ફરતો નથી. ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ કહે છે કે ઇલેક્ટ્રોનના અસ્તિત્ત્વની, એની ગતિની કંઈકેટલીય સંભાવનાઓ છે - તમે માપો નહીં ત્યાં સુધી. જેવી તમે તેને માપવાની ચેષ્ટા કરશો કે તરત ઇલેક્ટ્રોન કોઈ એક ચોક્કસ અવસ્થા ધારણ કરી લેશે. 

(૨) એન્ટેન્ગલમેન્ટ: ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ કહે છે કે બે ક્વોન્ટમ પાર્ટિકલ (કણ) એકબીજામાં 'ગૂંચવાઈ' શકે છે, એન્ટેન્ગલ થઈ શકે છે. એટલે કે બન્ને પાર્ટિકલના ગુણધર્મો એકબીજા સાથે 'લિન્ક' થઈ શકે છે. પછી ભલને એક કણ ભારતમાં હોય ને બીજો પાર્ટિકલ ઉત્તર ધુ્રવમાં, કે ઇવન ચંદ્ર પર. તમે એક કણમાં ફેરફાર કરો તો બીજો કણ તરત આ ફેરફારને, એ જ ક્ષણે, 'જાણી' લેશે. ઉદાહરણ લઈએ. ધારો કે તમે રાજકોટમાં બેઠા છો અને તમારો મિત્ર લંડનમાં બેઠો છે. તમે બન્ને એક જ સમયે કાર્ડ બોર્ડ રમતી વખતે ઉપયોગમાં લઈએ છીએ તેવો પાસો (ડાઇસ) ફેંકો છો. તમારા પાસો ૬ દેખાડે છે, તમારા મિત્રનો પાસો પણ ૬ દેખાડે છે. તમે બન્ને ફરી પાસો ફેકો છો. આ વખતે તમારા મિત્રનો પાસો ૧ દેખાડે છે, તમારો પાસો પણ એ જ વખતે ૧ દેખાડે છે. આવું એટલા માટે થાય છે કે તમારો અને તમારા મિત્રનો પાસો એકબીજા સાથે 'લિન્ક' થયેલા છે. બન્ને એકબીજાના ગુણધર્મો તરત 'જાણી' લે છે. આઇન્સ્ટાઇને આ વાતને 'સ્પૂકી એક્શન એટ અ ડિસ્ટન્સ' (લાંબા અંતરે થતી ડરામણી ક્રિયા) કહીને વર્ણવી હતી.

(૩)  ક્વોન્ટમ ટનલિંગ: આપણે સ્કૂલમાં એવું ભણ્યા છીએ કે જો તમે દડાને દીવાલ તરફ ફેંકો તો કાં તો દીવાલ બાઉન્સ થઈને સામો ઉછળશે અથવા દીવાલ પાસે અટકી જશે. દડો કંઈ દીવાલમાં છિદ્ર કરીને આરપાર ન નીકળે. ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ કહે છે કે, કેમ ન નીકળે? ગતિ કરી રહેલા કણ સામે અવરોધ આવે, તો કણ ક્યારેક તે અવરોધ સોંસરવો પસાર થઈ જાય, તેે શક્ય છે. જાણે કે અવરોધ યા દીવાલ છે જ નહીં! ફરી દડાનું દ્રષ્ટાંત લો. તમે દડો દીવાલ તરફ ફેંકો છો. ૧૦૦માંથી ૯૯ વખત દડો દીવાલ સાથે અથડાઇને સામો ફેંકાય છે, પણ એક વખત એવું બને છે કે દડો પાછો ફેંકાતો નથી, તે દીવાલને વીંધીને બીજી બાજુ પ્રગટ થાય છે! આને ટનલિંગ કહે છે. આ ઇફેક્ટનો ઉપયોગ તો આધુનિક ટેકનોલોજીમાં ઓલરેડી થવા માંડયો છે. ટનલ ડાયોડ્સ અને ફ્લેશ મેમરી આ ટનલ ઇફેક્ટ પર મદાર રાખે છે.  

(૪) અનસર્ટન્ટી (Uncertainty):  હાઇઝનબર્ગનો અનસર્ટન્ટી (અનિશ્ચિતતા)નો સિદ્ધાંત કહે છે કે તમે કણની પોઝિશન અને મોમેન્ટમ (સંવેગ) એક જ ક્ષણે ન માપી શકો. તમે માપશો તો પણ તે મેઝરમેન્ટ પરફેક્ટ નહીં હોય, કેમ કે પ્રકૃતિ જ તમને સો ટકા ચોક્સાઈ રાખવા નહીં દે. આમાં મેઝરમેન્ટ લેનાર યંત્રનો વાંક નથી. આ એક મૂળભૂત મર્યાદા છે.   

(૫) વેવ-પાર્ટિકલ ડયુઆલિટી: ક્વોન્ટમનું વિજ્ઞાન કહે છે કે પ્રકાશ, ઇલેક્ટ્રોન, એટમ - આ બધું ઘન કણની માફક પણ વર્તી શકે અને ક્યારેક તરંગની જેમ પણ વર્તી શકે છે. માનો કે તમારી પાસે એક માર્બલ (ઠેરી) છે, સામે બે છિદ્રો છે. તમે માર્બલને છિદ્રો સામે ફેંકો છો.  માર્બલ બેમાંથી એક છિદ્રમાં સરકી જશે, રાઇટ? ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ કહે છે - રોંગ! માર્બલ ક્યારેક તરંગ (મોજું) બની જાય અને એક સાથે બન્ને છિદ્રોમાં સરકી જાય, તેમ બને. આ પ્રયોગ 'ડબલ સ્લિટ એક્સપેરિમેન્ટ' નામે જાણીતો છે. આ પ્રયોગ જોઈને તો આઇન્સ્ટાઇન જેવા આઇન્સ્ટાઇન પણ માથું ખજવાળવા લાગ્યા હતા!

લાગે છેને આ બધું ક્રિસ્ટોફર નોલનની મગજ ચકરાવી દેે તેવી સાયન્સ ફિક્શન ફિલ્મ જેવું? એટલેસ્તો આ પાંચ મુદ્દા માટે 'ક્વોન્ટમની વિચિત્રતા' એવો શબ્દપ્રયોગ થયો છે. આપણું દ્રશ્યમાન જગત જે રીતે વર્તે છે તેના કરતાં આ બધું સાવ વિરુદ્ધ દિશાનું લાગે છે, અને છતાંય આ વિચિત્ર નિયમો સાચા છે તેવું વિજ્ઞાનીઓ અવારનવાર પૂરવાર કરતા રહ્યા છે. 

એક મિનિટ. આપણે વાતની શરૂઆત કરી હતી ૨૦૨૫ના નોબલ પ્રાઇઝ વિનર વૈજ્ઞાનિક ત્રિપુટીથી. એમણે કરેલી જબરદસ્ત શોધ અને આ ક્વોન્ટમ વિચિત્રતા વચ્ચે શો સંબંધ છે? આનો જવાબ હવે પછી.