Phenomenological quantum mechanics: I. Phenomenology of quantum observables

क्वांटम मैकेनिक्स इस बात का नियमकोश है कि ब्रह्मांड की सबसे छोटी चीजें कैसे व्यवहार करती हैं, मेज बनाने वाले परमाणुओं से लेकर दूर के तारे से आने वाले प्रकाश तक। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिकों ने इन सूक्ष्म कणों का वर्णन करने के लिए एक विशिष्ट गणितीय भाषा का उपयोग किया है, जो एक ऐसी अवधारणा पर आधारित है जिसे "अवस्था" (स्टेट) कहा जाता है। इस मानक दृष्टिकोण में, एक कण एक विशिष्ट स्थिति में तब तक रहता है जब तक कि कोई उसे देखता नहीं है, जिसके बाद अवलोकन की क्रिया उसे एक एकल परिणाम चुनने के लिए मजबूर कर देती है। यह ढांचा एक एकल प्रयोग में क्या होता है, इसका पूर्वानुमान लगाने के लिए अविश्वसनीय रूप से अच्छा काम करता है। हालांकि, जब वैज्ञानिक यह वर्णन करने की कोशिश करते हैं कि एक ही कण को बार-बार एक क्रम में मापने पर क्या होता है, तो उन्हें कठिनाई होती है। मानक नियम कण के अपने आप विकसित होने और उसके मापे जाने के बीच एक स्पष्ट, कुछ हद तक मनमाना विभाजन की आवश्यकता रखते हैं, एक ऐसा विभाजन जो क्वांटम सिस्टम के जीवन की पूरी कहानी को समझने के लिए अप्राकृतिक लगता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को देखने का एक अलग तरीका प्रस्तावित किया है, जो मानक सिद्धांत की जटिल गणित से नहीं, बल्कि प्रयोगशाला में वास्तव में जो होता है उसके कच्चे डेटा से शुरू होता है। एक "अवस्था" या एक विशिष्ट गणितीय संरचना की धारणा बनाने के बजाय, उन्होंने एक सरल प्रश्न पूछा: यदि हम केवल क्रमिक रूप से किए गए मापों के परिणामों को जानते हों, तो हमें उन्हें समझाने के लिए किस प्रकार का सिद्धांत आविष्कार करने के लिए मजबूर होना पड़ेगा? प्रायोगिक परिणामों को ही एकमात्र सत्य मानकर, उन्होंने एक नया औपचारिक ढांचा (फॉर्मलिज्म) निकाला जो बिना कभी यह तय किए कि माप और गैर-माप के बीच रेखा कहाँ खींची जाए, क्वांटम प्रणालियों का वर्णन करता है। उनका कार्य बताता है कि हमारा वर्तमान सिद्धांत इतना अजीब और खंडित क्यों महसूस होता है क्योंकि यह वास्तविकता की एक अपूर्ण तस्वीर पर बना है।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति की कल्पना करके शुरुआत की जहाँ एक प्रयोगकर्ता के पास एक क्वांटम प्रणाली के विभिन्न गुणों को मापने के लिए सक्षम उपकरणों का एक संग्रह हो। उन्होंने अनगिनत मापों के अनुक्रमों के परिणामों को रिकॉर्ड किया, विशिष्ट परिणामों और उनके सटीक समय को नोट किया। एक शास्त्रीय दुनिया में, यदि आप स्थिति या गति जैसे गुण को बार-बार मापते हैं, तो आप केवल एक एकल, निरंतर पथ का नमूना ले रहे होते हैं जिसे वस्तु समय के माध्यम से ट्रेस कर रही होती है। यदि आप अनुक्रम के बीच में एक माप छोड़ देते हैं, तो पहले और बाद के परिणाम अभी भी पूरी तरह से एक साथ फिट होने चाहिए, जैसे कि वह छूटा हुआ माप कभी हुआ ही न हो। यह शास्त्रीय भौतिकी का एक मौलिक नियम है: अतीत भविष्य को प्रभावित करता है, लेकिन भविष्य अतीत को नहीं बदल सकता, और किसी वस्तु का इतिहास एक सुसंगत कहानी होती है।

हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने क्वांटम प्रणालियों से प्राप्त डेटा का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि यह एकल-कहानी वाला चित्र पूरी तरह से टूट जाता है। जब उन्होंने एक अनुक्रम के बीच में एक माप छोड़ने की कोशिश की, तो परिणाम उस स्थिति से मेल नहीं खाए जो तब होती यदि उस माप को हटा दिया गया होता। मापने की क्रिया, भले ही उपकरण कम सटीक या "कोर्स-ग्रेन्ड" (स्थूल-स्तर) पर सेट हो, प्रणाली के इतिहास को इस तरह से मौलिक रूप से बदल देती है जिसे एक एकल पथ द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। विसंगति का यह उल्लंघन इस बात का प्रमाण है कि एक क्वांटम प्रणाली समय के माध्यम से एक एकल प्रक्षेपवक्र (ट्रैजेक्टरी) का पालन नहीं करती है। इसके बजाय, प्रणाली एक साथ कई संभावनाओं को तलाशती हुई प्रतीत होती है, और अंतिम परिणाम इस बात पर निर्भर करता है कि ये संभावनाएँ आपस में कैसे हस्तक्षेप (इंटरफेयर) करती हैं।

यह हस्तक्षेप ही इस नई तस्वीर को समझने की कुंजी है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन क्रमिक मापों के परिणामों को केवल एक पथ के बजाय पथों के जोड़ों (पेयर्स) पर विचार करके पूरी तरह से वर्णित किया जा सकता है। उनके नए ढांचे में, जिसे "द्वि-प्रक्षेपवक्र" (बाय-ट्रैजेक्टरी) चित्र के रूप में जाना जाता है, किसी भी परिणाम की प्रायिकता दो अलग-अलग घटनाओं के अनुक्रमों के बीच की अंतःक्रिया द्वारा निर्धारित होती है। एक अनुक्रम उस पथ का प्रतिनिधित्व करता है जो प्रणाली ने लिया, और दूसरा एक साथी पथ का प्रतिनिधित्व करता है जो इसके साथ हस्तक्षेप करता है। ये पथों के जोड़े केवल गणितीय चाल नहीं हैं; ये वे मौलिक निर्माण खंड हैं जो यह समझाने के लिए आवश्यक हैं कि क्वांटम प्रणालियाँ इस तरह व्यवहार क्यों करती हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यदि आप यह मान लेते हैं कि प्रणाली एक एकल पथ का अनुसरण करती है, तो आप क्वांटम ज़ेनो प्रभाव जैसी घटनाओं को नहीं समझा सकते, जहाँ बार-बार किए गए माप प्रणाली को एक स्थान पर स्थिर कर देते हैं, या अनिश्चितता संबंधों को नहीं समझा सकते जो कुछ गुणों के जोड़े को एक साथ ज्ञात होने से रोकते हैं।

इस नए दृष्टिकोण की सुंदरता यह है कि यह अवस्था के "पतन" (कोलैप्स) की आवश्यकता को समाप्त कर देता है, जो मानक क्वांटम यांत्रिकी में एक ऐसी अवधारणा है जो बताती है कि कैसे एक प्रणाली कई संभावनाओं से एक निश्चित परिणाम में कूद जाती है। द्वि-प्रक्षेपवक्र चित्र में, कोई अचानक उछाल नहीं है और न ही यह तय करने की आवश्यकता है कि माप कब शुरू और कब समाप्त होता है। प्रणाली को हमेशा इन युग्मित पथों की जटिल अंतःक्रिया द्वारा वर्णित किया जाता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह विवरण केवल समान समीकरणों को लिखने का एक अलग तरीका नहीं है, बल्कि भौतिकी को समझने का एक अधिक मौलिक तरीका है। उन्होंने सिद्ध किया कि क्वांटम यांत्रिकी के मानक नियमों को इस नए चित्र से प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन नया चित्र कई प्रणालियों और क्रमिक मापों से जुड़े जटिल परिदृश्यों को बहुत अधिक स्वाभाविक रूप से संभालता है।

घटना विज्ञान (फिनोमेनोलॉजी)—अर्थात प्रणाली के वास्तविक देखे गए व्यवहार—से शुरू करके, टीम एक ऐसा औपचारिक ढांचा बनाने में सक्षम रही जो सभी ज्ञात प्रयोगात्मक डेटा के अनुरूप है और उन वैचारिक पहेलियों से बचता है जिन्होंने दशकों से क्वांटम सिद्धांत को परेशान किया है। उन्होंने पाया कि ब्रह्मांड क्वांटम घटनाओं के मामले में एक एकल, रैखिक इतिहास का पालन नहीं करता है। इसके बजाय, एक क्वांटम प्रणाली का इतिहास पथों के जोड़ों से बुना गया एक टेपेस्ट्री (चित्रपट) है, जहाँ अतीत और भविष्य एक इस तरह जुड़े होते हैं कि हस्तक्षेप और अनिश्चितता के लिए बिना किसी रहस्यमय पतन की आवश्यकता के, वे संभव हो सकें। यह कार्य क्वांटम यांत्रिकी की भविष्यवाणियों को नहीं बदलता है, लेकिन यह उस कहानी को बदल देता है जो हम ब्रह्मांड के काम करने के तरीके के बारे में बताते हैं, एक खंडित कथा को एक एकीकृत, निरंतर विवरण से बदल देता है जो सीधे डेटा से उभरता है।