Phenomenological quantum mechanics: II. Deducing the formalism from experimental observations

आधुनिक भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, क्वांटम यांत्रिकी अब तक विकसित सबसे सफल सिद्धांत है, फिर भी यह सबसे पहेलीनुमा बनी हुई है। यह ब्रह्मांड के सबसे छोटे कणों के व्यवहार को नियंत्रित करती है, एक परमाणु की कक्षा में घूमते इलेक्ट्रॉनों से लेकर प्रकाश के फोटॉन तक जो हमें देखने की अनुमति देते हैं। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिक इन सूक्ष्म प्रणालियों के बारे में भविष्यवाणी करने के लिए एक विशिष्ट गणितीय ढांचे पर भरोसा करते आए हैं। यह ढांचा आश्चर्यजनक सटीकता के साथ काम करता है, जिससे हम लेजर, ट्रांजिस्टर और एमआरआई मशीनें बना पाते हैं। हालाँकि, इस सिद्धांत के साथ एक अजीब सा बोझ भी आता है: इसके लिए क्वांटम दुनिया और उस रोजमर्रा की दुनिया के बीच, जिसमें हम रहते हैं, एक विशेष और अक्सर भ्रमित करने वाला अंतर आवश्यक है। यह सुझाव देता है कि कण तब तक संभावनाओं के धुंधलके में मौजूद रहते हैं जब तक कि उन्हें मापा नहीं जाता, जिस बिंदु पर वे अचानक एक एकल वास्तविकता को "चुनते" हुए प्रतीत होते हैं। वेव फंक्शन का यह अचानक परिवर्तन, जिसे 'कोलैप्स ऑफ द वेव फंक्शन' कहा जाता है, कभी भी सीधे तौर पर देखा नहीं गया है, और यह कई भौतिकविदों को यह सोचने पर मजबूर करता है कि क्या उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले मानक गणितीय उपकरण ही प्रकृति का वर्णन करने का एकमात्र तरीका हैं, या केवल सबसे सुविधाजनक तरीका हैं।

पोलैंड, जर्मनी और चीन के शोधकर्ताओं के एक दल ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया है। क्वांटम यांत्रिकी के परिचित समीकरणों से शुरुआत करने के बजाय, उन्होंने एक मौलिक प्रश्न पूछा: क्या होगा यदि हम पूरी थ्योरी को शून्य से बनाने की कोशिश करें, केवल प्रयोगशाला में वास्तव में देखे जाने वाले कच्चे डेटा का उपयोग करके? उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या क्वांटम सिद्धांत की विचित्र गणितीय संरचनाएं, जैसे कि वे अमूर्त स्थान जहाँ कण "रहते" हैं (मानक मॉडल में), माप के अनुक्रमों को रिकॉर्ड करने के सरल कार्य से स्वाभाविक रूप से उभरती हैं। वे जानना चाहते थे कि क्या सिद्धांत की सबसे प्रसिद्ध विशेषताएं प्रकृति के अनिवार्य नियम हैं या केवल उस विशिष्ट तरीके का परिणाम हैं जिसे मनुष्यों ने गणित लिखने के लिए चुना है।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर गौर करना शुरू किया कि क्वांटम प्रणालियाँ समय के साथ बार-बार जांचे जाने पर कैसे व्यवहार करती हैं। एक विशिष्ट प्रयोग में, एक वैज्ञानिक किसी कण के गुण को माप सकता है, एक क्षण प्रतीक्षा कर सकता है, इसे फिर से माप सकता है, और इस अनुक्रम को जारी रख सकता है। मानक सिद्धांत इन परिणामों की संभावनाओं की भविष्यवाणी करता है, लेकिन यह माप की क्रिया को एक विशेष घटना के रूप में मानता है जो समय के प्राकृतिक प्रवाह में बाधा डालती है। हालाँकि, टीम ने स्वयं डेटा में पाए गए कच्चे पैटर्न पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने देखा कि जबकि इन क्रमिक मापों के परिणाम एक स्पष्ट कारण-और-प्रभाव क्रम का पालन करते हैं—जहाँ अतीत भविष्य को प्रभावित करता है लेकिन इसके विपरीत कभी नहीं—वे एक गहरी विसंगति भी प्रदर्शित करते हैं जो शास्त्रीय तर्क को चुनौती देती है। शास्त्रीय दुनिया में, यदि आप जानते हैं कि एक गेंद ने कौन सा रास्ता लिया, तो आप भविष्यवाणी कर सकते हैं कि वह आगे कहाँ होगी। क्वांटम दुनिया में, लिया गया रास्ता इस बात पर निर्भर करता है कि आप उसे कैसे देखते हैं, और डेटा दिखाता है कि प्रणाली एक पहाड़ी पर लुढ़कती गेंद की तरह एक एकल, निरंतर पथ का अनुसरण नहीं करती है।

इसे समझने के लिए, टीम ने डेटा के बारे में सोचने का एक नया तरीका पेश किया। यह मानने के बजाय कि प्रणाली एक पथ का अनुसरण करती है, उन्होंने इस संभावना पर विचार किया कि प्रणाली एक ही समय में दो अलग-अलग पथों की खोज कर रही है, एक समय में आगे बढ़ रहा है और दूसरा समय में पीछे की ओर। उन्होंने इसे एक "बाय-ट्रैजेक्टरी" (bi-trajectory) कहा। डेटा को इन दो विपरीत प्रवाहों के संयोजन के रूप में मानकर, उन्होंने पाया कि प्रयोगशाला में दर्ज किए गए जटिल, बहु-समय (multi-time) संभाव्यता को आश्चर्यजनक सरलता के साथ वर्णित किया जा सकता है। उन्होंने पाया कि इन संभावनाओं को एक ज्यामितीय संरचना पर मैप किया जा सकता है जिसे 'हिल्बर्ट स्पेस' (Hilbert space) कहा जाता है। रोजमर्रा की भाषा में, यह एक ऐसा गणितीय स्थान है जहाँ प्रयोग का प्रत्येक संभावित परिणाम एक विशिष्ट दिशा या बिंदु के अनुरूप होता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह स्थान भौतिकविदों का एक मनमाना आविष्कार नहीं है, बल्कि इस बात का एक आवश्यक परिणाम है कि डेटा कैसे व्यवहार करता है। यदि आप इस संरचना के बिना क्वांटम मापों के अनुक्रम का वर्णन करने का प्रयास करते हैं, तो गणित मेल नहीं खाता।

जैसे-जैसे उन्होंने अपने मॉडल का निर्माण जारी रखा, टीम ने पाया कि क्वांटम यांत्रिकी के परिचित उपकरण स्वाभाविक रूप से प्रकट होने लगे। मानक सिद्धांत में उपयोग किए जाने वाले "प्रोजेक्टर", जो माप की क्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं, उनके नए ढांचे के मूलभूत निर्माण खंड के रूप में उभरे। एक प्रणाली की "अवस्था" (state), जिसे मानक दृष्टिकोण में कण की स्थिति का एक स्नैपशॉट माना जाता है, को इस तरह पुनर्व्याख्यायित किया गया कि वह इस बात का रिकॉर्ड है कि प्रणाली को कैसे आरंभ (initialize) किया गया था। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि गति के नियम जो यह निर्धारित करते हैं कि एक प्रणाली समय के साथ कैसे बदलती है, सीधे डेटा से प्राप्त किए गए थे। टीम ने पाया कि प्रणाली एक नियम के अनुसार विकसित होती है जो बिल्कुल मानक श्रोडिंगर समीकरण (Scharinger equation) जैसा दिखता है, जो 'हैमिल्टोनियन' नामक मात्रा द्वारा संचालित होता है। इसने पुष्टि की कि उनका नया दृष्टिकोण, जो बिना किसी अंतर्निहित गणित की धारणा के शुरू हुआ था, अनिवार्य रूप से स्थापित सिद्धांत की समान भविष्य कहने वाली शक्ति की ओर ले जाता है।

हालाँकि, नया औपचारिक ढांचा (formalism) केवल पुराने का पुनर्कथन नहीं है; यह वास्तव में क्या हो रहा है, इसकी कहानी को बदल देता है। मानक दृष्टिकोण में, क्वांटम अवस्था मुख्य वस्तु है, केंद्रीय पात्र जो सब कुछ निर्धारित करता है। इस नई बाय-ट्रैजेक्टरी तस्वीर में, मुख्य वस्तु स्वयं उन दो पथों का माप है। "अवस्था" को केवल इस बात के विवरण तक सीमित कर दिया गया है कि प्रयोग कैसे शुरू हुआ था। यह बदलाव भौतिकी की एक पुरानी समस्या के लिए गहरा प्रभाव डालता है: 'मेज़रमेंट प्रॉब्लम' (मापन की समस्या)। मानक सिद्धांत इस बात को समझाने के लिए संघर्ष करता है कि एक क्वांटम प्रणाली अवलोकन के दौरान एक शास्त्रीय वस्तु कैसे बन जाती है, जिसके लिए अक्सर दो दुनियाओं के बीच एक कृत्रिम विभाजन की आवश्यकता होती है। नया ढांचा, प्रणाली को आगे और पीछे के पथों के निरंतर परस्पर खेल के रूप में मानकर, इस तीखे विभाजन की आवश्यकता को समाप्त कर देता है। यह सुझाव देता है कि क्वांटम दुनिया से शास्त्रीय दुनिया में संक्रमण एक अचानक पतन नहीं है, बल्कि एक क्रमिक प्रक्रिया है जहाँ बाय-ट्रैजेक्टरी के दोनों पथ आपस में मिलने और संरेखित होने लगते हैं, प्रभावी रूप से एक एकल, शास्त्रीय पथ में विलीन हो जाते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि यह नया दृष्टिकोण परस्पर क्रिया करने वाली प्रणालियों को कैसे संभालता है। उन्होंने पाया कि जब दो क्वांटम प्रणालियाँ परस्पर क्रिया करती हैं, तो उनकी बाय-ट्रैजेक्टरीज उलझ (entangle) जाती हैं, जिसका अर्थ है कि एक प्रणाली का पथ दूसरी प्रणाली के पथ पर निर्भर करता है। यह स्वाभाविक रूप से यह वर्णन करने का एक तरीका प्रदान करता है कि कैसे एक क्वांटम प्रणाली एक मापने वाले उपकरण को प्रभावित कर सकती है, जिसे अक्सर एक शास्त्रीय वस्तु के रूप में माना जाता है। मापने वाले उपकरण को एक ऐसी प्रणाली के रूप में मॉडल करके, जिसे शास्त्रीय सीमा में धकेला गया है, टीम ने दिखाया कि कैसे क्वांटम प्रणाली के बारे में जानकारी को उपकरण के व्यवहार में एनकोड किया जाता है, जिसके लिए किसी रहस्यमय, तात्कालिक पतन की आवश्यकता नहीं होती है। यह वास्तविक मॉडलों के निर्माण की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है कि वास्तव में माप कैसे काम करते हैं, जिसमें प्रेक्षक और प्रेक्षित को एक एकल, निरंतर भौतिक प्रक्रिया के हिस्से के रूप में माना जाता है।

यद्यपि नया औपचारिक ढांचा मानक सिद्धांत की सभी प्रयोगात्मक भविष्यवाणियों के साथ पूरी तरह से सहमत है, फिर भी यह वास्तविकता की प्रकृति पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र विशेषताएं, जैसे कि किसी कण के लिए एकल पथ को परिभाषित करने में असमर्थता, हमारी समझ की खामियां नहीं हैं, बल्कि यह मौलिक गुण हैं कि ब्रह्मांड कैसे कार्य करता है। बाय-ट्रैजेक्टरी दृष्टिकोण यह दावा नहीं करता कि उसने हर रहस्य को सुलझा लिया है, न ही यह सिद्ध करता है कि मानक सिद्धांत गलत है। इसके बजाय, यह उसी डेटा को देखने के लिए एक अलग लेंस प्रदान करता है, जो भौतिकविदों को उन समस्याओं से निपटने में मदद कर सकता है जो दशकों से अनसुलझी रही हैं। यह दिखाकर कि क्वांटम यांत्रिकी की जटिल मशीनरी को घटनाओं के अनुक्रमों के अवलोकन के सरल कार्य से निकाला जा सकता है, टीम ने क्वांटम दुनिया की गहरी समझ के लिए एक द्वार खोल दिया है, जो अंततः हमें उस जादू के पीछे की मशीनरी को देखने की अनुमति दे सकता है।