When do quantum systems source gravity and how can we test it?

गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है और ग्रहों को उनकी कक्षाओं में बनाए रखता है, लेकिन यह आधुनिक भौतिकी के सबसे जिद्दी रहस्यों में से एक भी है। एक सदी से अधिक समय से, वैज्ञानिक दो महान सिद्धांतों को एकजुट करने का प्रयास कर रहे हैं: सामान्य सापेक्षता (general relativity), जो गुरुत्वाकर्षण को विशाल वस्तुओं द्वारा अंतरिक्ष और समय के सुचारू झुकाव के रूप में वर्णित करती है, और क्वांटम यांत्रिकी (quantum mechanics), जो सबसे सूक्ष्म कणों के अराजक, संभावabilistic व्यवहार का वर्णन करती है। समस्या यह है कि ये दोनों सिद्धांत अलग-अलग भाषाएं बोलते हैं। जब भौतिक विज्ञानी उन्हें संयोजित करने की कोशिश करते हैं, तो गणित अक्सर विफल हो जाता है, जिससे अनंत मान और निरर्थक परिणाम उत्पन्न होते हैं। इसने कई लोगों को यह विश्वास करने के लिए प्रेरित किया है कि गुरुत्वाकर्षण स्वयं सूक्ष्म, विविक्त कणों (discrete particles) से बना होना चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश फोटॉन से बना है। हालांकि, एक अन्य संभावना भी है जिसे लंबे समय से खारिज किया गया है: कि गुरुत्वाकर्षण एक सुचारू, शास्त्रीय बल बना रहता है, लेकिन यह केवल तभी "सक्रिय" होता है जब क्वांटम सिस्टम अपने परिवेश के साथ एक विशिष्ट तरीके से अंतःक्रिया (interact) करते हैं।

क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता, फ्रांसिस्को पिपा, इस पहेली को सोचने का एक नया तरीका प्रस्तावित करते हैं। उनका कार्य सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण प्रत्येक क्वांटम कण द्वारा हर समय उत्पन्न किया जाने वाला एक निरंतर क्षेत्र (constant field) नहीं है। इसके बजाय, वे तर्क देते हैं कि एक क्वांटम सिस्टम केवल तभी गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का स्रोत बनता है—अर्थात, वह केवल तभी गुरुत्वाकर्षण खिंचाव पैदा करता है—जब वह एक विशिष्ट कारण-प्रभाव श्रृंखला में भाग लेता है जो एक निश्चित परिणाम की ओर ले जाती है। क्वांटम दुनिया में, कण अक्सर सुपरपोजिशन (superposition) की स्थिति में होते हैं, जहाँ वे एक ही समय में कई स्थानों या अवस्थाओं में होते हैं। पिपा का सुझाव है कि जब तक एक कण इस अलग-थलग, सुपरपोज्ड अवस्था में रहता है, वह गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न नहीं करता है। यह केवल तब होता है जब कण अन्य पदार्थ के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करता है जो "डिकोहेरेंस" (decoherence) का कारण बनता है—एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ वातावरण कण को एक एकल, निश्चित अवस्था चुनने के लिए मजबूर करता है—तब वह गुरुत्वाकर्षण का स्रोत बनना शुरू करता है। यह विचार इस मानक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि द्रव्यमान हमेशा गुरुत्वाकर्षण पैदा करता है, चाहे वह द्रव्यमान अलग-थलग हो या अंतःक्रिया कर रहा हो।

यह शोध पत्र एक ऐसे ढांचे की रूपरेखा तैयार करता है जहाँ गुरुत्वाकर्षण कारण-और-प्रभाव की घटनाओं की एक श्रृंखला से उभरता है। पिपा इन श्रृंखलाओं को "स्थिर निर्धारण श्रृंखलाएं" (stable determination chains) कहते हैं। एक अनुक्रम की कल्पना करें जहाँ एक क्वांटम सिस्टम दूसरे के साथ अंतःक्रिया करता है, जिससे उस अंतःक्रिया का एक रिकॉर्ड बनता है, जो फिर तीसरे सिस्टम को अंतःक्रिया करने की अनुमति देता है, और इसी तरह आगे बढ़ता है। केवल इन श्रृंखलाओं के भीतर, जहाँ सूचना प्रसारित होती है और निश्चित परिणाम स्थापित होते हैं, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र प्रकट होता है। यदि कोई सिस्टम ऐसी श्रृंखलाओं से पूरी तरह अलग-थलग है, तो वह गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न किए बिना विकसित होता है, भले ही उसमें द्रव्यमान हो। यह दृष्टिकोण गुरुत्वाकर्षण को कणों में क्वांटाइज़ करने की आवश्यकता से बचता है। इसके बजाय, यह इसे एक सशर्त घटना (conditional phenomenon) के रूप में मानता है जो इस बात से उत्पन्न होती है कि क्वांटम पदार्थ अंतःक्रिया के माध्यम से कैसे निश्चित अवस्थाओं में स्थिर होते हैं।

इस क्रांतिकारी विचार का परीक्षण करने के लिए, पिपा ने कई प्रयोग प्रस्तावित किए हैं जो उनके सिद्धांत को मौजूदा सिद्धांतों से अलग कर सकते हैं। एक प्रमुख प्रस्ताव बोस-मारलेटो-वेड्रल (Bose-Marletto-Vedral) प्रयोग शामिल है, जो यह देखने के लिए बनाया गया सेटअप है कि क्या गुरुत्वाकर्षण दो कणों को उलझा (entangle) सकता है। इस प्रयोग में, दो द्रव्यमानों को विभिन्न स्थानों के सुपरपोजिशन में रखा जाता है। यदि गुरुत्वाकर्षण एक क्वांटम बल है, तो यह दोनों द्रव्यमानों को आपस में जोड़कर एक साझा क्वांटम अवस्था बना सकता है। पिपा का सिद्धांत इस प्रयोग में शून्य परिकल्पना (null hypothesis) का विवरण देता है: यह भविष्यवाणी करता है कि चूंकि द्रव्यमान अलग-थलग हैं और डिकोहेरेंस-प्रेरित श्रृंखला का हिस्सा नहीं हैं, इसलिए वे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र उत्पन्न नहीं करेंगे। इसलिए, वे उलझ (entangle) नहीं पाएंगे, और प्रयोग में कोई गुरुत्वाकर्षण प्रभाव नहीं दिखेगा। यदि प्रयोग में उलझाव (entanglement) दिखाई देता है, तो पिपा के सिद्धांत को खारिज कर दिया जाएगा। हालांकि, यदि द्रव्यमान अनएंटैंगल्ड रहते हैं, तो यह इस विचार का समर्थन करेगा कि गुरुत्वाकर्षण सशर्त है।

शोध पत्र क्वांटम सर्किट का उपयोग करके अधिक प्रत्यक्ष परीक्षण का भी सुझाव देता है। शोधकर्ता एक ऐसा सर्किट बना सकते हैं जहाँ वे सटीक रूप से नियंत्रित कर सकें कि एक सिस्टम कब एक "निर्धारण श्रृंखला" में प्रवेश करता है। एक सिस्टम को अलग करके और फिर उसे चुनि적으로 अन्य सिस्टम की एक श्रृंखला के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति देकर, वे सिस्टम के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को चालू और बंद कर सकते हैं। यदि सिद्धांत सही है, तो सिस्टम केवल तभी मापने योग्य गुरुत्वाकर्षण खिंचाव पैदा करेगा जब वह सक्रिय रूप से श्रृंखला का हिस्सा होगा। यह वैज्ञानिकों को क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण के स्रोत बनने की क्रिया को नियंत्रित करने की अनुमति देगा, जो कि एक ऐसी क्षमता है जिसे पहले कभी प्रदर्शित नहीं किया गया है।

पिपा का कार्य बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड की प्रकृति को भी संबोधित करता है। यदि गुरुत्वाकर्षण केवल इन अंतःक्रियाओं की श्रृंखलाओं से उत्पन्न होता है, तो अंतरिक्ष का निर्वात (vacuum), जो ऐसी अंतःक्रियाओं से रहित है, उसका अपना गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र नहीं होगा। यह कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (cosmological constant) को समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जो ब्रह्मांड के विस्तार को चलाने वाला रहस्यमय बल है। शोध पत्र सुझाव देता है कि इस स्थिरांक का मान स्थिर नहीं हो सकता है, बल्कि यह बदल सकता है क्योंकि ब्रह्मांड में अंतःक्रियाओं की संख्या बदलती रहती है। यह समझा सकता है कि डार्क एनर्जी (dark energy) धीरे-धीरे क्यों कमजोर हो रही है, एक ऐसी घटना जिसे वर्तमान सिद्धांत समझाने में संघर्ष कर रहे हैं।

इस प्रस्ताव की शक्ति बिना किसी नए कण या बल के आविष्कार के लंबे समय से चले आ रहे विरोधाभासों को हल करने की इसकी क्षमता में निहित है। यह सुझाव देता है कि क्वांटम यांत्रिकी की "अजीबोगरीब प्रकृति" और गुरुत्वाकर्षण की "सुचारू प्रकृति" आपस में संघर्ष नहीं कर रहे हैं; बल्कि, गुरुत्वाकर्षण केवल इस बात का परिणाम है कि क्वांटम सिस्टम अंतःक्रिया के माध्यम से कैसे निश्चित होते हैं। यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने इस सिद्धांत को सिद्ध कर दिया है। इसके बजाय, यह नियमों का एक स्पष्ट सेट और भविष्यवाणियां प्रदान करता है जिन्हें प्रयोगशाला में परखा जा सकता है। विशिष्ट प्रयोगों, जैसे कि नियंत्रित क्वांटम सर्किट और संशोधित बोस-मारलेटो-वेड्रल सेटअप को प्रस्तावित करके, पिपा वैज्ञानिकों को यह निर्धारित करने के लिए एक मार्ग प्रदान करते हैं कि क्या गुरुत्वाकर्षण एक मौलिक बल है जो हर जगह मौजूद है, या एक सशर्त प्रभाव है जो केवल तभी प्रकट होता है जब क्वांटम दुनिया स्वयं के साथ अंतःक्रिया करती है।

इसके निहितार्थ अत्यंत गहरे हैं। यदि गुरुत्वाकर्षण सशर्त है, तो इसका अर्थ है कि स्पेसटाइम का ताना-बाना कोई स्थिर मंच नहीं है जिस पर घटनाएं घटित होती हैं, बल्कि एक गतिशील संरचना है जो पदार्थ की अंतःक्रियाओं से उभरती है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड एक निरंतर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से भरा हुआ नहीं है, बल्कि गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रियाओं के एक नेटवर्क के माध्यम से फैलता है, ठीक वैसे ही जैसे सूचना लोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से गुजरती है। यह दृष्टिकोण सिंगुलैरिटी (singularity) की समस्या को हल कर सकता है, जो ब्लैक होल के केंद्र में अनंत घनत्व वाले बिंदु होते हैं। यदि गुरुत्वाकर्षण केवल वहीं मौजूद है जहाँ अंतःक्रियाएं होती हैं, तो ब्लैक होल के सबसे गहरे कोर में, जहाँ अंतःक्रियाएं समाप्त हो सकती हैं, गुरुत्वाकर्षण बस गायब हो जाएगा, जिससे एक सिंगुलैरिटी के बजाय एक सपाट, खाली स्थान बचेगा।

अंततः, यह शोध पत्र हमें क्वांटम दुनिया और ब्रह्मांड के बीच के संबंध पर पुनर्विचार करने के लिए आमंत्रित करता है। यह प्रस्तावित करता है कि वह बल जो सितारों और आकाशगंगाओं को आकार देता है, वह एक निरंतर पृष्ठभूमि उपस्थिति नहीं है, बल्कि इस बात का परिणाम है कि पदार्थ वास्तविकता में कैसे स्थिर होता है। गुरुत्वाकर्षण कब प्रकट होता है इसकी स्थितियों पर ध्यान केंद्रित करके, पिपा एक नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं जो बहुत छोटे और बहुत बड़े के बीच के अंतर को पाट सकता है। अगला कदम उन प्रयोगों का निर्माण करना है जो इन विचारों की पुष्टि या खंडन कर सकें, जिससे एक सैद्धांतिक संभावना को एक भौतिक वास्तविकता में बदला जा सके।