Tunneling Newtonian Universe

यहाँ यूजीन बी. कोलोमेइस्की (Eugene B. Kolomeisky) के शोध पत्र "टनलिंग न्यूटोनियन यूनिवर्स" (Tunneling Newtonian Universe) की व्याख्या दी गई है, जिसे सरल, रोजमर्रा की भाषा और उपमाओं (analogies) का उपयोग करके अनुवादित किया गया है।

बड़ी तस्वीर: एक "खिलौना" ब्रह्मांड (A "Toy" Universe)

कल्पना कीजिए कि आप यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि पूरे ब्रह्मांड की शुरुआत कैसे हुई। आमतौर पर, वैज्ञानिक आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण के जटिल सिद्धांत (जनरल रिलेटिविटी) का उपयोग करते हैं। लेकिन यह सिद्धांत बिल्कुल शुरुआत में एक दीवार से टकरा जाता है: यह एक "सिंगुलैरिटी" (singularity) की भविष्यवाणी करता है, यानी एक ऐसा बिंदु जहाँ सब कुछ एक अनंत रूप से छोटे, अनंत रूप से घने बिंदु में सिमट जाता है (बिग बैंग)। यह ब्रह्मांड के कोड में एक गणितीय त्रुटि (math error) की तरह है।

इस शोध पत्र के लेखक पूछते हैं: क्या होगा यदि हम एक क्षण के लिए आइंस्टीन के जटिल नियमों को भूल जाएं और केवल आइजैक न्यूटन के सरल गुरुत्वाकर्षण नियमों का उपयोग करें? वह एक "टॉय मॉडल" (toy model) बनाते हैं—ब्रह्मांड का एक सरल, काल्पनिक संस्करण—यह देखने के लिए कि क्या क्वांटम मैकेनिक्स (बहुत छोटी चीजों के नियम) पूर्ण क्वांटम ग्रेविटी के बिना इस "बिग बैंग" गणितीय त्रुटि को ठीक कर सकता है।

समस्या: कुचला हुआ कागज (The Crumpled Paper)

इस खिलौना ब्रह्मांड के क्लासिकल (न्यूटोनियन) संस्करण में, यदि आप ब्रह्मांड के इतिहास की फिल्म को पीछे की ओर चलाते हैं, तो ब्रह्मांड सिकुड़ता जाता है। अंततः, यह शून्य आकार तक सिकुड़ जाता है।

• उपमा: कल्पना कीजिए कि एक गुब्बारे की हवा निकाली जा रही है। यदि आप हवा निकालते रहते हैं, तो यह छोटा और छोटा होता जाएगा जब तक कि यह रबर का एक सपाट, कुचला हुआ टुकड़ा न बन जाए जिसमें कोई आयतन (volume) न हो। भौतिकी के शब्दों में, इसका अर्थ है कि घनत्व (density) अनंत हो जाता है। यह वही "सिंगुलैरिटी" है जिसे यह शोध पत्र ठीक करना चाहता है।

समाधान: "क्वांटम जिटर" (The "Quantum Jitter")

लेखक क्वांटम मैकेनिक्स पेश करते हैं, विशेष रूप से जीरो-पॉइंट मोशन (zero-point motion) के विचार को।

• उपमा: एक कटोरे के तल पर रखी एक गेंद के बारे में सोचें। क्लासिकल दुनिया में, यह बिल्कुल स्थिर होकर नीचे बैठ जाती है। लेकिन क्वांटम दुनिया में, कुछ भी कभी भी पूरी तरह से स्थिर नहीं हो सकता। हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत (Heisenberg Uncertainty Principle) के कारण गेंद लगातार "जिटर" (jittering) या कंपन करती रहती है।
• परिणाम: इस जिटरिंग के कारण, "गेंद" (ब्रह्मांड) कभी भी कटोरे के बिल्कुल निचले हिस्से (शून्य आकार) तक नहीं पहुँच सकती। यह वहाँ पहुँचने से पहले ही टकराकर वापस उछल जाती है। लेखक दिखाते हैं कि यह क्वांटम जिटर एक "बल" (force) पैदा करता है जो ब्रह्मांड को शून्य आकार से दूर धकेलता है, जिससे प्रभावी रूप से सिंगुलैरिटी समाप्त हो जाती है। ब्रह्मांड वास्तव में कभी शून्य आकार तक नहीं पहुँचता; यह बस बहुत, बहुत छोटा हो जाता है और फिर वापस उछल पड़ता है।

एक "बंद" ब्रह्मांड के जीवन के तीन चरण

यह शोध पत्र एक विशिष्ट प्रकार के ब्रह्मांड पर ध्यान केंद्रित करता है: एक "बंद" (closed) ब्रह्मांड (जैसे एक गोला जो अंततः फैलना बंद कर देता है और शायद ढह सकता है)। जब लेखक इसमें थोड़ा सा "कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट" (एक रहस्यमय ऊर्जा जो चीजों को दूर धकेलती है, जिसे अक्सर डार्क एनर्जी कहा जाता है) जोड़ते हैं, तो ब्रह्मांड जीवन के तीन अलग-अलग चरणों से गुजरता है:

1. गर्भधारण की अवधि (The Gestation Period - लंबा इंतजार)

• उपमा: कल्पना कीजिए कि एक गेंद पहाड़ के किनारे एक गहरी घाटी में फंसी हुई है। वह दूसरी तरफ लुढ़कना चाहती है, लेकिन बीच में एक बहुत ऊँची, ऊँची पर्वत चोटी खड़ी है।
• क्या होता है: ब्रह्मांड इस छोटे, फंसे हुए रूप में बहुत लंबे समय तक रहता है। यह स्थिर है लेकिन अटका हुआ है। शोध पत्र में, इसे "क्वासी-स्टेशनरी स्टेट" (quasi-stationary state) कहा गया है।

2. टनलिंग (The Tunneling - जादुई छलांग)

• उपमा: क्लासिकल भौतिकी में, यदि गेंद के पास पहाड़ पर चढ़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं है, तो वह हमेशा घाटी में ही रहेगी। लेकिन क्वांटम भौतिकी में, कण कुछ असंभव कर सकते हैं: वे पहाड़ के माध्यम से टनल (tunnel) कर सकते हैं। यह ऐसा है जैसे गेंद अचानक घाटी से गायब हो जाती है और बिना पहाड़ चढ़े दूसरी तरफ प्रकट हो जाती है।
• क्या होता है: ब्रह्मांड अचानक ऊर्जा अवरोध (energy barrier) के माध्यम से "टनल" करता है। यह बहुत तेज़ी से होता है। ब्रह्मांड बहुत कम समय में छोटा होने से बढ़कर बहुत बड़ा हो जाता है।
• शोध पत्र का दावा: यह तीव्र छलांग आधुनिक कॉस्मोलॉजी के "इन्फ्लेशन" (Inflation) सिद्धांत के बहुत समान दिखती है, जहाँ ब्रह्मांड अपने पहले क्षणों में अविश्वसनीय रूप से तेजी से फैला था।

3. हबल विस्तार (The Hubble Expansion - धीमी रोलिंग)

• उपमा: एक बार जब गेंद पहाड़ के दूसरी ओर टनल कर लेती है, तो वह एक हल्की, नीचे की ओर ढलान पाती है। अब वह कूदती नहीं है; वह बस स्वाभाविक रूप से लुढ़कती है।
• क्या होता है: क्वांटम टनलिंग घटना के बाद, ब्रह्मांड एक धीमी, स्थिर विस्तार अवस्था में प्रवेश करता है। यह हमारे वर्तमान ब्रह्मांड में जो हम देखते हैं (हबल विस्तार), उससे मेल खाता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

लेखक स्वीकार करते हैं कि यह एक "टॉय मॉडल" है और यह अंतिम उत्तर नहीं है कि हमारा वास्तविक ब्रह्मांड कैसे काम करता है (क्योंकि वास्तविक ब्रह्मांड इन सरल न्यूटोनियन नियमों के लिए बहुत बड़ा और जटिल है)। हालाँकि, शोध पत्र दो महत्वपूर्ण बातें दावा करता है:

1. कोई बिग बैंग सिंगुलैरिटी नहीं: इस सरल मॉडल में भी, क्वांटम मैकेनिक्स ब्रह्मांड को कभी भी शून्य आकार तक पहुँचने से रोकता है।
2. प्राकृतिक इन्फ्लेशन: यह मॉडल स्वाभाविक रूप से एक ऐसी स्थिति पैदा करता है जहाँ ब्रह्मांड इंतजार करता है, फिर अचानक तेजी से फैलता है (टनलिंग के माध्यम से), और फिर धीमा हो जाता है। यह उस "इन्फ्लेशन" परिदृश्य की नकल करता है जिसका उपयोग आधुनिक कॉस्मोलॉजिस्ट करते हैं, जिससे यह संकेत मिलता है कि इन्फ्लेशन एक विशेष, जोड़े गए नियम के बजाय क्वांटम मैकेनिक्स का एक स्वाभाविक परिणाम हो सकता है।

सारांश

शोध पत्र सुझाव देता है कि यदि आप सरल न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम "जिटर" के लेंस से ब्रह्मांड को देखते हैं, तो ब्रह्मांड एक विनाशकारी सिंगुलैरिटी के साथ शुरू नहीं होता है। इसके बजाय, यह छोटा होता है, एक क्वांटम "गर्भधारण" (gestation) में इंतजार करता है, अचानक बड़े आकार में "टेलीपोर्ट" (tunnel) होता है, और फिर अपने धीमे, स्थिर विस्तार की शुरुआत करता है। यह एक सरल, गणितीय चित्रण प्रदान करता है कि कैसे ब्रह्मांड ने "बिग बैंग" क्रैश से बचने और इन्फ्लेट होने की शुरुआत करने का तरीका निकाला होगा।