- ફયુચર સાયન્સ-કે.આર.ચૌધરી
ત મે જ્યારે સવારે મોબાઈલ ઉપાડો છો, સ્ક્રીન પર આંગળી ફેરવો છો, કે રાત્રે LED લાઈટ ચાલુ કરો છો? ત્યારે તમે જાણતા નથી કે તમે ૧૨૫ વર્ષ જૂની શોધ સાથે કામ કરી રહ્યા છો? ૧૪ ડિસેમ્બર ૧૯૦૦ના રોજ બર્લિનની એક સભામાં મેક્સ પ્લાન્ક નામના શાંત સ્વભાવના વિજ્ઞાનીએ એક સમીકરણ રજૂ કર્યું. જે સાંભળવામાં અને સમજવામાં પણ સરળ લાગતું હતું : ઈ = રપ. આ સંશોધને એક નવા જ ભૌતિક શાસ્ત્રનો પાયો નાખ્યો : જેને 'ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ' તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
આજે મેક્સ પ્લાન્કની 'ક્વોન્ટમ થિયરી' આપણી આખી આધુનિક ટેક્નોલોજીકલ સભ્યતાનો પાયો છે. તમારા સ્માર્ટફોનની સિલિકોન ચિપ, હાસ્પિટલનું MRI સ્કેનર, સોલર પેનલ, GPS સેટેલાઈટ, અને હવે તો ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ. આ બધું પ્લાન્કના તે નાનકડા સમીકરણ પર ચાલે છે. ૨૦૨૪માં Google's Willow ક્વોન્ટમ ચિપે જે ગણતરી ૫ મિનિટમાં કરી હતી. તે ગણતરી આજનાં વિશ્વના સૌથી શક્તિશાળી સુપરકમ્પ્યુટરને ૧૦ સેપ્ટિલિયન વર્ષ લાગત. જે આ સંખ્યા બ્રહ્માંડની ઉંમર કરતાં ૭૦ કરોડ ગણી વધારે છે! આપણને સવાલ થાય કે આ ક્રાંતિકારી વિચાર આવ્યો ક્યાંથી? પ્લાન્કને કઈ સમસ્યાએ આટલું મૌલિક વિચારવા મજબૂર કર્યા ?
નાનકડા બીજથી વિશાળ વૃક્ષ સુધી
પાંચમી સદીમાં આર્યભટ્ટે પ્રકાશના સ્વભાવ અને ગુણધર્મો વિશે અનુમાન કર્યું હતું. આધુનિક વિજ્ઞાનમાં ઇમ્પીરીયલ મેથડથી પ્રકાશને સમજવાની શરૂઆત ૧૭મી સદીથી થઈ હતી. આઈઝેક ન્યૂટને કહ્યું કે 'પ્રકાશ નાના કણોથી બનેલો છે. જાણે કે હવામાં અતિ સૂક્ષ્મ રેતીના કણ ઉડતા હોય.
૧૯મી સદીમાં થોમસ યંગે પ્રકાશને બે સાંકડી ખાંચોમાંથી પસાર કર્યો, તેને સામે પડદા ઉપર એક વિચિત્ર પેટર્ન એટલે કે ભાત ઉપસેલી દેખાઈ. જે તેજસ્વી અને ઘેરી પટ્ટીઓ વડે બનેલ હતી! તારણ એકદમ સ્પષ્ટ હતું. જો પ્રકાશ કણ સ્વરૂપે હોત તો પડદા ઉપર, પ્રકાશિત બે સાંકડી ખાચા જેવી રચના દેખાવી જોઈએ. અહીં તો તેમને પ્રકાશ તરંગ હોય તે રીતે, તરંગો દ્વારા રચાતી ડિઝાઇન જોવા મળી હતી. જેનો અર્થ સ્પષ્ટ હતો. પ્રકાશ તરંગો રૂપે વહે છે, કણ સ્વરૂપે નહિ.
આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનને જણાવ્યું કે પ્રકાશ કણ પણ છે અને તરંગ પણ છે. (બાય ધ વે, પ્રકાશ એ ઉર્જાનું એક સ્વરૂપ છે) જેને પ્રકાશનો ડયુઅલ નેચર એટલે કે દ્વીગુણવાદ કહે છે. આઈન્સ્ટાઈને પ્લાન્કના વિચારને આગળ વધાર્યો. તેમાં ઉમેર્યું કે : પ્રકાશ 'ફોટોન' નામના ઊર્જા કણોનો પ્રવાહ છે, જ્યાં દરેક ફોટોનની ઊર્જા ઈ = રપ. હોય છે. ૧૮૬૦માં જેમ્સ ક્લાર્ક મેક્સવેલે સાબિત કર્યું કે 'પ્રકાશ વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગો છે.' આ થિયરી એટલી સફળ રહી કે ૧૮૯૦ના દાયકા સુધીમાં ઘણા વિજ્ઞાનીઓ માનવા લાગ્યા કે 'ભૌતિકશાસ્ત્રમાં હવે બધું જ સમજાઈ ગયું છે. હવે નવું કંઈ જ શોધવાનું બાકી નથી. લોર્ડ કેલ્વિને ૧૯૦૦માં કહ્યું : 'હવે ભૌતિકશાસ્ત્રના આકાશમાં માત્ર બે નાના વાદળ બાકી રહ્યા છે.' પરંતુ આ 'નાના વાદળ' આખા વિજ્ઞાન વિશ્વમાં તોફાન લાવનારા નિવડશે તેવી તેમને કલ્પના ન હતી.
એક વિચારમાંથી જન્મેલી ક્રાંતિ!
૨૩ એપ્રિલ ૧૮૫૮ના રોજ જર્મનીના કીલ શહેરમાં જન્મેલા મેક્સ કાર્લ અર્ન્સ્ટ લુડવિગ પ્લાન્ક એક વિદ્વાન પરિવારમાં ઉછર્યા હતાં. તેમના પિતા કાયદાના પ્રોફેસર, દાદા-પરદાદા ધર્મશાસ્ત્રના વિદ્વાન હતા. નાનપણમાં પ્લાન્કને અસાધારણ સંગીત પ્રતિભા મળી હતી. તેઓ પિયાનો, ઓર્ગન, સેલો વગાડતા અને ગીતો પણ રચતા હતી. આ કારણે તેમને ૧૭ વર્ષની ઉંમરે એક કઠિન નિર્ણય લેવાની ફરજ પડી : સંગીતકાર બનવું કે વિજ્ઞાની ? આખરે તેમણે ભૌતિકશાસ્ત્ર પસંદ કર્યું. પરંતુ સંગીત આજીવન તેમના હૃદયમાં ધબકતું રહ્યું હતું. ૧૮૭૯માં માત્ર ૨૧ વર્ષની ઉંમરે તેમણે ડોક્ટરેટ પૂર્ણ કર્યું હતું. આ એ જ વર્ષ હતું, જ્યારે આઈન્સ્ટાઈનનો જન્મ થયો હતો! આ સમયે તેમને અંદાજ ન હતો કે નવો જન્મેલ બાળક 'આઈન્સ્ટાઈન' ભવિષ્યમાં તેની થીયરીને અલગ અંદાજથી રજૂ કરશે.
પ્લાન્કનું વ્યક્તિગત જીવન દુ:ખની એક પીડાદાયક ગાથા છે. ૧૯૦૯માં તેમની પત્ની મેરી ક્ષયરોગથી અવસાન પામી હતી. ૧૯૧૬માં પ્રથમ વિશ્વયુદ્ધમાં તેમનો પુત્ર કાર્લ માર્યો ગયો. ૧૯૧૭ અને ૧૯૧૯માં તેમની બે પુત્રીઓ ગ્રેટે અને એમ્મા, બાળકને જન્મ આપતી વખતે મૃત્યુ પામી હતી. આટલી વિપત્તિઓ સહન કરીને પણ પ્લાન્ક પોતાના સંશોધનમાં લાગેલા રહ્યા હતા. તેમની પાસે એક શક્તિ હતી : મૌન રહેવાની અને ક્યારેય હાર ન માનવાની. તેમને વિજ્ઞાનને લગતા ચાર પુસ્તકો જેરમાં ભાષામાં પ્રકાશિત કર્યાં હતાં . તેમની Scientific Autobiography 1949 માં પ્રકાશિત થઇ હતી.
૧૯૩૩માં જ્યારે નાઝી સત્તા પર આવ્યા ત્યારે પ્લાન્ક હિટલર પાસે સીધા જઈને યહૂદીઓ વિજ્ઞાનીઓની સલામતી માટે વિનંતી કરનારા પ્રથમ વ્યક્તિ હતા. ૧૯૪૪માં બીજા વિશ્વયુદ્ધ દરમિયાન તેમનું બર્લિનનું ઘર બોમ્બ ધડાકામાં નાશ પામ્યું હતું. આ સમયગાળામાં જ તેમના પુત્ર એર્વિનને હિટલરની હત્યાના કાવતરામાં સામેલ હોવાના આરોપમાં ફાંસી આપવામાં આવી. ૮૬ વર્ષના વૃદ્ધ વિજ્ઞાની માટે, પુત્રને થયેલી ફાંસીની સજા અસહ્ય આઘાત હતો. આ ઘટનાના બે વર્ષ બાદ ૧૯૪૭માં ગોટિન્ગેનમાં તેમનું અવસાન થયું.
ફોટોનની દુનિયાનું નૃત્ય
પ્રકાશને સમજવાની કોશિશ કરીએ ત્યારે, એક સમસ્યા હંમેશા નડે છે. જેને 'બ્લેક બોડી રેડિએશન' કહે છે. જ્યારે તમે લોખંડને ગરમ કરો છો, ત્યારે તે પહેલાં લાલ, પછી પીળું, અને અત્યંત ગરમ થાય ત્યારે સફેદ થઈ જાય છે. શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રના સમીકરણો કહેતા હતા કે ગરમ પદાર્થ અનંત ઊર્જા છોડશે. સરળ ભાષામાં કહીએ તો, તમારા રસોડાનો સ્ટવ ચાલુ કરો, સમગ્ર શહેરને ઉડાવી દો! સ્પષ્ટપણે વાસ્તવમાં આવું બનતું નથી. આ 'અલ્ટ્રાવાયોલેટ કેટાસ્ટ્રોફ' નામની સમસ્યા વર્ષોથી વિજ્ઞાનીઓને પરેશાન કરી રહી હતી.૧૮૯૦ના દાયકામાં મેક્સ પ્લાન્ક બર્લિન યુનિવર્સિટીમાં, આ સમસ્યા ઉપર કામ કરવાની શરૂઆત કરી હતી. ત્યારબાદ તેમણે સમસ્યાનો ગાણિતિક રીતે એક ઉકેલ શોધવો પડયો હતો.
સમસ્યાના ઉકેલ સ્વીકારવા માટે તેમને અહીં એક વિચિત્ર પૂર્વધારણા કરવી પડી હતી. આ ધારણા હતી, ઊર્જા સતત પ્રવાહ તરીકે વહેતી નથી, પરંતુ નાના પેકેટ્સમાં પસાર થાય છે! તેમણે આ પેકેટને 'ક્વોન્ટમ' નામ આપ્યું. દરેક ક્વોન્ટમની ઊર્જા પ્રકાશની આવૃત્તિ-આવર્તન પર આધારિત હતી. આ સંબંધ દર્શાવતું પ્રખ્યાત સમીકરણ એટલે : E = hv. જે E = ફોટોનની ઊર્જા, h = પ્લાન્કનો અચળાંક અને h = પ્રકાશની આવૃત્તિ દર્શાવે છે. શરૂઆતમાં પ્લાન્કે પોતે આ વિચારને માત્ર 'ગાણિતિક પ્રયુક્તિ' માની હતી, જેનું કારણ સ્પષ્ટ હતું.
તેમને એવું લાગતું ન હતું કે 'પ્રકૃતિ ખરેખર આવી રીતે કામ કરે છે.' પરંતુ ૧૯૦૫માં આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને આ વિચારને ગંભીરતાથી લીધો. જેના દ્વારા તેમણે ફોટોઈલેક્ટ્રિક ઇફેક્ટ સમજાવવાનો પ્રયત્ન કર્યો, અને નોબેલ પ્રાઈઝ પણ મેળવ્યું હતું.
પ્રકાશની ઊર્જા વાહન કરતાં કણને ફોટોન કહે છે. ફોટોનનું કોઈ દળ હોતું નથી, છતાં તે ઊર્જા અને વેગ ધરાવે છે. તેનું દળ શૂન્ય હોવા છતાં અન્ય વસ્તુઓ પર દબાણ લાવી શકે છે. હવે વિજ્ઞાનીઓ સમજવા લાગ્યા કે 'ક્વોન્ટમ થિયરી માત્ર ગણિત નહીં, પરંતુ પ્રકૃતિની અતિ ગંભીર વાસ્તવિકતા છે!'
ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ સુધી
સિલિકોન ક્રિસ્ટલમાં ઈલેક્ટ્રોન્સ કેવી રીતે વર્તે છે ? એ સમજ્યા વિના આજની કમ્પ્યુટર ચિપ્સ બનાવી શકાય નહીં! સેમિકન્ડક્ટર ટેક્નોલોજી સંપૂર્ણપણે ક્વોન્ટમ મેકેનિક્સ પર આધારિત છે. લેસર 'સ્ટિમ્યુલેટેડ એમિશન' નામની ક્વોન્ટમ ઘટના પર કામ કરે છે. જ્યાં એક ફોટોન બીજા સરખા ફોટોનને ઉત્પન્ન કરે છે. MRI મશીન પરમાણુના ન્યુક્લિયસનાં ક્વોન્ટમ સ્પિન ગુણધર્મોનો ઉપયોગ કરે છે. IBM અને Googleએ એવા ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર્સ બનાવ્યા છે. પરંપરાગત કમ્પ્યુટરમાં એક ગણતરી પૂરી થયા પછી બીજી ગણતરી શરૂ થાય છે. પરંતુ હવે ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર એકસાથે લાખો ગણતરીઓ એક સાથે કરી શકે. Microsoft અને Quantinuumની સંયુક્ત મહેનતથી ૨૦૨૪માં ૯૯.૯% ફિડેલિટી રેટ હાંસલ થયો છે. ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગમાં સૌથી મોટો પડકાર છે. ક્વોન્ટમ એરર કરેક્શન. ક્યુબિટ્સ ખૂબ નાજુક હોય છે, એના પર્યાવરણમાંથી થોડી પણ ખલેલ પડે તો, તેઓ તેમની ક્વોન્ટમ સ્થિતિ ગુમાવે દે છે. જેને 'ડીકોહેરન્સ' કહેવાય. આ એકદમ એવું છે. જાણે તમે પાણી પર ઝીણી રેખા દોરવાનો પ્રયત્ન કરો કે તરત ભૂંસાઈ જાય! વિજ્ઞાનીઓ ટોપોલોજિકલ ક્યુબિટ્સ અને ઉપયોગી એરર કરેક્શન કોડ વિકસાવી રહ્યા છે. IBMએ ૨૦૨૪માં નવો એરર-કરેક્ટિંગ કોડ જાહેર કર્યો છે. જે અગાઉની પદ્ધતિઓ કરતાં ૧૦ ગણો વધુ કાર્યક્ષમ છે.
ભારતમાં પણ ક્વોન્ટમ સંશોધન ક્ષેત્ર ખૂબ જ ઝડપથી વિકસી રહ્યું છે. ISRO અને DRDO ક્વોન્ટમ કમ્યુનિકેશન સેટેલાઈટ પર કામ કરી રહ્યા છે. IISc બેંગલોર, TIFR મુંબઈ, અને Raman Research Institute ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ અને ક્રિપ્ટોગ્રાફી પર સંશોધન કરી રહ્યા છે. ૨૦૨૩માં ભારત સરકારે નેશનલ ક્વોન્ટમ મિશન માટે રૃા. ૧૬૦૦૦ કરોડનું બજેટ જાહેર કર્યું હતું. ૧૯૦૦માં મેક્સ પ્લાન્કે જે નાનકડું બીજ રોપ્યું હતું, તે આજે વિશાળ વૃક્ષ બની ગયું છે. પરંતુ આ વૃક્ષનાં ફળ કોણ ખાશે ? શું તે માત્ર શક્તિશાળી રાષ્ટ્રો અને મોટી કંપનીઓ હશે, કે સામાન્ય માણસો પણ તેનો લાભ લઈ શકશે? આવનારી ક્વોન્ટમ ટેક્નોલોજી સમાજમાં અસમાનતા વધારશે કે ઘટાડશે?
