Time symmetry in quantum theories and beyond
यह शोध पत्र समय-सममित (time-symmetric) और समय-असममित (time-asymmetric) क्वांटम प्रारूपों के बीच के तनाव को संबोधित करने के लिए प्रक्रिया सिद्धांत QPhys को प्रस्तुत करता है, जिसमें समय समरूपता को शामिल करने के लिए तीन विशिष्ट विधियों का प्रस्ताव दिया गया है: रेट्रोकॉज़ैलिटी (retrocausality) को लागू करना, कणों और प्रति-कणों के बीच अंतर करने के लिए कार्य-कारण (causality) की अवधारणाओं का विस्तार करना, या एक ऐसी सुपरथ्योरी विकसित करना जो दोनों कारण संबंधी बाधाओं को शिथिल करती है।
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समय को आमतौर पर एकतरफा सड़क के रूप में देखा जाता है। हमारे दैनिक जीवन में, हम अंडों को टूटते हुए देखते हैं लेकिन उन्हें कभी जुड़ते हुए नहीं देखते, और कॉफी को ठंडा होते हुए देखते हैं लेकिन वह स्वतः गर्म नहीं होती। यह दिशात्मकता हमारे अनुभव में इतनी गहराई से बुनी हुई है कि हम शायद ही कभी इस पर सवाल उठाते हैं। फिर भी, भौतिकी के मौलिक नियमों में, विशेष रूप से क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र क्षेत्र में, तस्वीर अधिक जटिल है। वे समीकरण जो बताते हैं कि कण कैसे चलते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं, अक्सर उतने ही सटीक रूप से काम करते हैं जितने कि वे समय में पीछे की ओर चलाने पर करते हैं। यह एक तनाव पैदा करता है: गणित एक ऐसे ब्रह्मांड का सुझाव देता है जो अतीत और भविष्य के बीच पूरी तरह से संतुलित है, लेकिन हमारी वास्तविकता हठधर्मी रूप से असममित है, जिसमें कारण और प्रभाव के बीच एक स्पष्ट अंतर है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन दोनों दृष्टिकोणों को मिलाने की कोशिश कर रहे हैं, यह पूछते हुए कि क्या समय का तीर प्रकृति की एक मौलिक विशेषता है या केवल इस बात का परिणाम है कि हम दुनिया को कैसे देखते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस प्राचीन पहेली पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो भौतिक सिद्धांतों को समीकरणों के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि प्रक्रियाओं के मानचित्र (maps of processes) के रूप में मानता है। कल्पना कीजिए कि एक भौतिक सिद्धांत चीजों के बदलने और परस्पर क्रिया करने के निर्देशों का एक सेट है। इस दृष्टिकोण में, एक "प्रक्रिया" (process) केवल वह है जो एक इनपुट लेती है और एक आउटपुट उत्पन्न करती है। मानक क्वांटम सिद्धांत, जो परमाणुओं और प्रकाश के व्यवहार का वर्णन करता है, एक विशिष्ट प्रकार के प्रक्रिया मानचित्र पर आधारित है जिसमें 'कार्य-कारणता' (causality) नामक एक नियम शामिल है। यह नियम सुनिश्चित करता है कि सूचना केवल अतीत से भविष्य की ओर प्रवाहित हो, जिससे संकेत समय में पीछे नहीं जा सकते। जबकि यह सिद्धांत हमारे रोजमर्रा के अनुभव से मेल खाता है, यह अंतर्निहित गणित में पाई जाने वाली पूर्ण समय समरूपता (time symmetry) को तोड़ देता है। शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए प्रयास किया कि क्या हम इस एकतरफा प्रतिबंध के बिना, या अतीत और भविष्य के बीच किसी भी अंतर के बिना क्वांटम सिद्धांत का निर्माण कर सकते हैं।
टीम ने मानक क्वांटम ढांचे की जांच से शुरुआत की, जिसे वे आरेखों (diagrams) का उपयोग करके वर्णित करते हैं जहाँ तार प्रणालियों (systems) का प्रतिनिधित्व करते हैं और बॉक्स परिवर्तनों का। इस मानक संस्करण में, एक मौलिक असंतुलन है: आप एक प्रणाली की कई अलग-अलग अवस्थाएँ (states) तैयार कर सकते हैं, लेकिन एक प्रणाली को "त्यागने" या अनदेखा करने का केवल एक ही तरीका है, जो 'ट्रेस' (trace) लेने की गणितीय प्रक्रिया के अनुरूप है। यह एकल त्याग ऑपरेशन ही समय के तीर को लागू करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सिद्धांत इस नियम का सम्मान करता है कि आप अतीत में संकेत नहीं भेज सकते। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यदि आप इस मानक सिद्धांत में समय की दिशा को उलट देते हैं, तो आपको एक पूरी तरह से अलग, और काफी अजीब सिद्धांत मिलता है, जहाँ प्रत्येक प्रणाली के लिए केवल एक ही संभावित अवस्था होती है, जो प्रभावी रूप से शाश्वत शोर (eternal noise) की दुनिया का वर्णन करता है।
इस तनाव को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सिद्धांत को पुनर्गठित करने के तीन अलग-अलग तरीकों का पता लगाया ताकि यह समय के साथ अधिक निष्पक्ष व्यवहार करे। पहला दृष्टिकोण एक ऐसा सिद्धांत बनाने में शामिल है जो कार्य-कारण (causal) और "प्रतिगामी-कारण" (retrocausal) दोनों है। इस परिदृश्य में, प्रत्येक प्रणाली की एक अद्वितीय अवस्था और एक अद्वितीय प्रभाव होता है, जो सिद्धांत को पूरी तरह से सममित बनाता है। गणितीय रूप से सुसंगत होने के बावजूद, यह संस्करण वास्तविकता के लिए बहुत प्रतिबंधात्मक है; यह प्रति प्रणाली केवल एक ही अवस्था की अनुमति देता है, जिससे वास्तविक दुनिया में देखी जाने वाली समृद्ध विविधताओं की व्याख्या करना कठिन हो जाता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह सीधे हमारे ब्रह्मांड का वर्णन नहीं कर सकता है, लेकिन यह समझने के लिए एक उपयोगी उपकरण हो सकता है कि कैसे समय के तीर का आभास एक गहरे, सममित वास्तविकता से उभरता है।
दूसरा दृष्टिकोण एक अलग मार्ग अपनाता है, जो इस विचार से प्रेरित है कि कण और उनके प्रतिद्रव्य (antimatter) के समकक्ष समय उत्क्रमण (time reversal) द्वारा संबंधित हो सकते हैं। इस मॉडल में, शोधकर्ता एक ऐसा सिद्धांत निर्मित करते हैं जहाँ कुछ प्रणालियाँ समय में आगे की ओर चलती हैं जबकि अन्य पीछे की ओर। इस प्रक्रिया को असंभव समय-यात्रा विरोधाभासों (time-travel paradoxes) को जन्म देने से रोकने के लिए, वे एक सख्त नियम लागू करते हैं: कोई भी सूचना आगे की ओर बहने वाली और पीछे की ओर बहने वाली प्रणालियों के बीच नहीं भेजी जा सकती। यह एक समय-सममित सिद्धांत बनाता है जो अभी भी कण भौतिकी में देखी जाने वाली समृद्ध अंतःक्रियाओं की अनुमति देता है, प्रभावी रूप से प्रतिद्रव्यों को समय में पीछे की ओर चलने वाले कणों के रूप में मानता है, लेकिन इसमें एक अंतर्निहित सुरक्षा तंत्र है जो ब्रह्मांड को सुसंगत रखता है।
तीसरा और सबसे क्रांतिकारी दृष्टिकोण "समय तटस्थता" (time neutrality) के लिए है, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ सिद्धांत इनपुट और आउटपुट के बीच कोई अंतर नहीं करता है। इस ढांचे में, वायरिंग आरेखों के सामान्य नियमों को शिथिल किया जाता है, जिससे ऐसे कनेक्शनों की अनुमति मिलती है जो सामान्यतः वर्जित होते हैं, जैसे कि आउटपुट को वापस इनपुट से जोड़ना। शोधकर्ताओं ने पाया कि ऐसे सिद्धांत में संभावनाओं (probabilities) को संभालने का मानक तरीका तर्कहीन परिणाम देता है, जैसे कि एक से अधिक संभावनाएँ। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने प्रक्रियाओं को समूहबद्ध करके सिद्धांत के निर्माण की एक नई विधि विकसित की जो अनिवार्य रूप से एक स्केलिंग कारक तक समान हैं। यह एक नियतात्मक (deterministic), समय-तटस्थ सिद्धांत की ओर ले जाता है जिसमें जटिल परिदृश्यों का वर्णन करने के लिए आवश्यक सभी गणितीय संरचनाएं शामिल हैं, जिसमें वे स्थितियाँ भी शामिल हैं जहाँ कारण और प्रभाव का क्रम निश्चित नहीं है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि ये विभिन्न दृष्टिकोण, जो पिछले साहित्य में विभिन्न रूपों में दिखाई दिए हैं, वास्तव में एक ही अंतर्निदirst गणितीय संरचना का वर्णन करने के अलग-अलग तरीके हैं। उन्होंने दिखाया कि प्रक्रियाओं को समूहबद्ध करने और व्याख्या करने के तरीके को सावधानीपूर्वक चुनकर, एक सिद्धांत से दूसरे सिद्धांत (समय-सममित से समय-तटस्थ) के बीच सहजता से चला जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने इस समय-तटस्थ सिद्धांत का एक विशिष्ट संस्करण निर्मित किया जो पूरी तरह से नियतात्मक है, जिसका अर्थ है कि किसी भी प्रक्रिया के परिणाम का वर्णन करने का एक एकल, अद्वितीय तरीका है, ठीक वैसे ही जैसे हमारे मानक सिद्धांत करते हैं। इस नए सूत्रीकरण में सभी ज्ञात "प्रोसेस मैट्रिसेस" (process matrices) शामिल हैं, जो उन परिदृश्यों का अध्ययन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गणितीय उपकरण हैं जहाँ घटनाओं का कारणत्मक क्रम अनिश्चित या अज्ञात होता है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने समय के रहस्य को सुलझा लिया है या यह सिद्ध कर दिया है कि हमारा ब्रह्मांड समय-तटस्थ है। इसके बजाय, यह इन प्रश्नों पर विचार करने के लिए एक शक्तिशाली नया टूलकिट प्रदान करता है। यह दिखाकर कि समय समरूपता, समय तटस्थता और मानक कारणत्मक दृष्टिकोण सभी एक सामान्य गणितीय भाषा के माध्यम से जुड़े हुए हैं, शोधकर्ताओं ने संभावनाओं के परिदृश्य को स्पष्ट कर दिया है। उन्होंने दिखाया है कि भौतिकी के सममित नियमों और हमारे द्वारा अनुभव की जाने वाली असममित दुनिया के बीच का तनाव एक विरोधाभास नहीं है जिससे डरना चाहिए, बल्कि एक विशेषता है जिसे सावधानीपूर्वक सैद्धांतिक निर्माण के माध्यम से समझा जा सकता है, हेरफेर किया जा सकता है और संभावित रूप से हल किया जा सकता है। अध्ययन बताता है कि समय का तीर ब्रह्मांड की नींव में एक मौलिक ईंट नहीं है, बल्कि इस बात का परिणाम हो सकता है कि हम इसके साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जो वास्तविकता की प्रकृति के बारे में सोचने के नए तरीकों के द्वार खोलता है।
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