Effective Quantum Gravitational Collapse in Metric Variables: The $\bar{\mu}$ Scheme

हमारे गुरुत्वाकर्षण की वर्तमान सर्वोत्तम समझ के अनुसार, प्रत्येक ब्लैक होल के केंद्र में एक ऐसा बिंदु होता है जहाँ भौतिकी के नियम टूट जाते हैं। यह एक विलक्षणता (singularity) है, एक ऐसी जगह जहाँ पदार्थ अनंत घनत्व में दब जाता है और स्पेस-टाइम (दिक्-काल) इतना तीव्रता से मुड़ जाता है कि अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत के समीकरण काम करना बंद कर देते हैं। दशकों से, भौतिकविदों को संदेह रहा है कि यह विफलता ब्रह्मांड की कोई विशेषता नहीं, बल्कि इस बात का संकेत है कि हमारा सिद्धांत अपूर्ण है। उनका मानना है कि एक ढहते हुए तारे के बिल्कुल केंद्र में क्या होता है, इसे समझने के लिए हमें क्वांटम मैकेनिक्स—जो बहुत सूक्ष्म स्तर की भौतिकी है—को इसमें शामिल करना होगा। चुनौती यह है कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम मैकेनिक्स अलग-अलग भाषाएं बोलते हैं, और उन्हें जोड़ना विज्ञान की सबसे कठिन समस्याओं में से एक साबित हुआ है। एक आशाजनक दृष्टिकोण, जिसे लूप क्वांटम ग्रेविटी (Loop Quantum Gravity) के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि अंतरिक्ष स्वयं चिकना और निरंतर नहीं है, बल्कि छोटे, असतत टुकड़ों से बना है, ठीक वैसे ही जैसे व्यक्तिगत धागों से बुना गया एक कपड़ा।

रोम में शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है कि कैसे यह क्वांटम कणता (granularity) ब्रह्मांड को विलक्षणता की आपदा से बचा सकती है। उन्होंने एक तारे के अपने ही भार के नीचे ढहने के क्लासिक परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया, जो 1930 के दशक के एक मॉडल द्वारा वर्णित प्रक्रिया है जिसे ओपेनहाइमर-सिडनी पतन (Oppenheimer-Snyder collapse) के रूप में जाना जाता है। पारंपरिक दृष्टिकोण में, यह प्रक्रिया अनिवार्य रूप से एक मृत केंद्र वाले ब्लैक होल की ओर ले जाती है। हालाँकि, इस विशिष्ट मॉडल पर लूप क्वांटम ग्रेविटी के सिद्धांतों को लागू करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि कहानी नाटकीय रूप से बदल जाती है। अनंत घनत्व के बिंदु में ढहने के बजाय, तारा एक अत्यंत सूक्ष्म, परिमित आकार तक पहुँचता है और फिर वापस उछल पड़ता है। यह उछाल (bounce) कोई कोमल वापसी नहीं है, बल्कि एक अचानक संक्रमण है जहाँ ब्लैक होल प्रभावी रूप से एक व्हाइट होल (white hole) में बदल जाता है, जो एक ऐसा सैद्धांतिक पिंड है जो पदार्थ को निगलने के बजाय उसे बाहर निकालता है। अध्ययन बताता है कि यह नाटकीय बदलाव तभी होता है जब तारे को 'प्लैंक लेंथ' (Planck length) के पैमाने तक संकुचित किया जाता है, जो भौतिकी में दूरी की सबसे छोटी सार्थक इकाई है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि विचित्र क्वांटम प्रभाव केवल तभी प्रकट होते हैं जब वे वास्तव में आवश्यक हों।

शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल का निर्माण एक विशिष्ट पद्धति का उपयोग करके किया जिसे $\bar{\mu}$ स्कीम कहा जाता है, यह एक ऐसी तकनीक है जिसे सिद्धांत के शेष भाग के साथ सुसंगत तरीके से अंतरिक्ष की असतत प्रकृति को समझाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अपनी गणनाओं में, उन्होंने ढहते हुए तारे को बिना किसी आंतरिक दबाव वाले धूल के गोले के रूप में माना, और यह देखा कि समय के साथ इसका सतह क्षेत्र कैसे बदलता है। शास्त्रीय चित्र में, यह क्षेत्र शून्य तक सिकुड़ जाएगा। उनके नए क्वांटम-संवर्धित मॉडल में, क्षेत्रफल तब तक सिकुड़ता है जब तक कि वह एक न्यूनतम सीमा तक न पहुँच जाए, एक ऐसा आकार जो इतना छोटा है कि इसे प्लैंक लेंथ के वर्ग की इकाइयों में मापा जाता है। इस सटीक क्षण पर, पतन रुक जाता है। गिरते हुए पदार्थ का संवेग (momentum), जो तारे को अंदर की ओर धकेल रहा था, अचानक दिशा बदल देता है। तारा फैलना शुरू कर देता है, अपने कदमों को विपरीत दिशा में दोहराता है। यह प्रक्रिया ब्लैक होल को—एक ऐसा क्षेत्र जहाँ से कुछ भी बाहर नहीं निकल सकता—एक व्हाइट होल में बदल देती है—एक ऐसा क्षेत्र जहाँ से पदार्थ हिंसक रूप से बाहर निकलता है।

इस उत्क्रमण (reversal) को एक विचित्र बल संचालित करता है जो अंतरिक्ष की क्वांटम प्रकृति से उत्पन्न होता है। शोधकर्ताओं ने इस बल को एक नकारात्मक दबाव, या एक प्रकार के तनाव के रूप में पहचाना, जो गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के भीतर तब उत्पन्न होता है जब तारे को अत्यधिक घनत्व तक संकुचित किया जाता है। रोजमर्रा की भाषा में, यह एक ऐसे स्प्रिंग की तरह कार्य करता है जिसे उसकी सीमा से अधिक दबा दिया गया है; यह और अधिक दबने का विरोध करता है और वापस धक्का देता है। यह तनाव तारे के भीतर मौजूद धूल का गुण नहीं है, बल्कि स्पेस-टाइम की ज्यामिति की एक मौलिक विशेषता है जब इसे एक क्वांटम प्रणाली के रूप में माना जाता है। अध्ययन दिखाता है कि जब तारा बड़ा होता है तो यह दबाव शून्य होता है और केवल तभी महत्वपूर्ण हो जाता है जब तारा प्लैंक स्केल के करीब पहुँचता है। यह सुनिश्चित करता है कि क्वांटम प्रभाव स्थूल जगत (macroscopic world) में तारों के सामान्य व्यवहार में हस्तक्षेप न करें, और केवल विलक्षणता के विनाशकारी निर्माण को रोकने के लिए ही सक्रिय हों।

टीम ने ढहते हुए तारे और उसके बाहर के खाली स्थान के बीच की सीमा का भी परीक्षण किया, जो एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ भौतिकी के नियमों का सहजता से मिलना आवश्यक है। उन्होंने पाया कि यह संक्रमण तारे की सतह पर ऊर्जा की एक पतली परत (shell) बनाता है। हालाँकि यह परत असामान्य तरीकों से व्यवहार करती है, लेकिन यह उन मौलिक ऊर्जा स्थितियों का उल्लंघन नहीं करती है जो पदार्थ और ऊर्जा के बीच परस्पर क्रिया को नियंत्रित करती हैं, केवल एक विशिष्ट अपवाद के साथ। मॉडल के लिए यह आवश्यक है कि इस परत का ऊर्जा घनत्व और दबाव सामान्य पदार्थ के मानक नियमों का पालन न करे, जो कि एक उल्लंघन है जो वास्तव में ब्लैक होल को व्हाइट होल में बदलने की अनुमति देने के लिए आवश्यक है। यह सुझाव देता है कि यह संक्रमण एक वास्तविक क्वांटम घटना है जो शास्त्रीय अंतर्ज्ञान को चुनौती देती है।

महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि अधिकांश तारों के लिए, यह उछाल (bounce) 'इवेंट होराइजन' (घटना क्षितिज)—जो वापसी का कोई रास्ता नहीं है—के बहुत भीतर होता है। हमारे सूर्य के समान द्रव्यमान वाले तारे के लिए, यह उछाल इवेंट होराइजन से बहुत छोटे आकार पर होता है, जिसका अर्थ है कि ब्लैक होल से व्हाइट होल में परिवर्तन बाहरी ब्रह्मांड से छिपा रहता है। केवल यदि ढहने वाली वस्तु पहले से ही अविश्वसनीय रूप से छोटी होती, जिसका द्रव्यमान प्लैंक स्केल के करीब होता, तो ही यह उछाल इवेंट होराइजन के बाहर होता, जिससे विस्फोट को देखना संभव हो पाता। बड़े तारों के लिए, यह प्रक्रिया एक छिपी हुई क्वांटम घटना बनी रहती है, जो ब्लैक होल के अंधेरे हृदय में होने वाला एक गुप्त रूपांतरण है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि उनके द्वारा विकसित प्रभावी मॉडल पूर्ण न्यूनतम आकार तक पहुँचने से पहले ही टूट जाता है, जो संकेत देता है कि जबकि उनके समीकरण सफलतापूर्वक विलक्षणता को रोकते हैं, सबसे गहरे क्वांटम क्षेत्र के पूर्ण विवरण के लिए एक अधिक पूर्ण सिद्धांत की आवश्यकता होगी। फिर भी, उनका कार्य एक सम्मोहक चित्र प्रदान करता है कि कैसे क्वांटम ग्रेविटी विलक्षणता के विरोधाभास को हल कर सकती है, भौतिकी के अंत को एक नई शुरुआत में बदलकर।