Loop quantum inflation with inverse volume corrections in light of ACT data

ब्रह्मांड की शुरुआत अत्यधिक गर्मी और घनत्व की एक अकल्पनीय अवस्था में हुई थी, जिसे हम बिग बैंग कहते हैं। लेकिन दशकों तक, उस शुरुआत की मानक कहानी में कुछ कमियाँ बनी रहीं। इसे यह समझाने में संघर्ष करना पड़ा कि ब्रह्मांड हर दिशा में इतना समान क्यों दिखता है और अंतरिक्ष एक कागज की शीट की तरह पूरी तरह से सपाट क्यों दिखाई देता है, जिसे एक कमरे में फैलाया गया हो। इन अंतरालों को भरने के लिए, ब्रह्मांडविदों ने तीव्र, घातांकीय विस्तार (exponential expansion) की एक अवधि का प्रस्ताव दिया जिसे इन्फ्लेशन (inflation) कहा जाता है। विकास के इस संक्षिप्त विस्फोट ने ब्रह्मांड को सुव्यवस्थित कर दिया और उसके बाद होने वाली हर चीज़ के लिए मंच तैयार कर दिया। इस विस्तार के दौरान, अंतरिक्ष के ताने-बाने में मौजूद सूक्ष्म क्वांटम उतार-चढ़ाव (quantum fluctuations) विशाल ब्रह्मांडीय संरचनाओं में बदल गए, जिससे ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश में एक धुंधली, जमी हुई छाप पीछे रह गई: कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड। इस प्राचीन प्रकाश के पैटर्न का अध्ययन करके, वैज्ञानिक इस बात का परीक्षण कर सकते हैं कि इन्फ्लेशन कैसे हुआ था।

लंबे समय तक, दो विशिष्ट विचार जो इस विस्तार को संचालित कर रहे थे, काफी आशाजनक लग रहे थे लेकिन वे समस्या में फंस गए। एक विचार सूपरसिमेट्री (supersymmetry) से जुड़े कण भौतिकी के सिद्धांत से आया था, जो एक ऐसी अवधारणा है जो सुझाव देती है कि प्रत्येक ज्ञात कण का एक भारी, अदृश्य साथी होता है। दूसरा एक सरल गणितीय मॉडल था जहाँ इन्फ्लेशन को चलाने वाली ऊर्जा तेजी से (exponentially) कम हो जाती थी। जब वैज्ञानिकों ने इन दोनों मॉडलों के भविष्यवाणियों की तुलना ब्रह्मांड के सबसे सटीक मानचित्रों से की, तो परिणाम निराशाजनक रहे। संख्याएँ मेल नहीं खाती थीं। मॉडलों ने एक ऐसे ब्रह्मांड की भविष्यवाणी की जो वास्तव में दूरबीनों द्वारा देखे गए ब्रह्मांड से थोड़ा अलग दिखता था, जिससे वे उस सीमा से बाहर हो गए जिसे एक अच्छे फिट के रूप में माना जाता है। हालाँकि, नए डेटा के साथ तस्वीर थोड़ी बदली है। ज़मीन पर स्थित दूरबीनों के हालिया अवलोकनों ने हमारे मापों को परिष्कृत किया है, जिससे अपेक्षित मानों को इतना सूक्ष्म रूप से बदला गया कि ये कभी अमान्य माने जाने वाले मॉडल दोबारा देखने योग्य बन गए।

यहीं पर एक नया अध्ययन एक ताज़ा दृष्टिकोण लेकर आता है, जो इन पुराने मॉडलों को आधुनिक गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत के साथ जोड़कर एक नया नजरिया पेश करता है। शोधकर्ताओं ने लूप क्वांटम कॉस्मोलॉजी (loop quantum cosmology) की ओर रुख किया, जो एक ऐसा दृष्टिकोण है जो अंतरिक्ष को एक चिकने, निरंतर ताने-बाने के बजाय छोटे, असतत (discrete) टुकड़ों से बना मानता है। इस दृष्टि में, जब आप सबसे छोटे पैमाने पर पहुँचते हैं, तो गुरुत्वाकर्षण के नियम बदल जाते हैं। विशेष रूप से, टीम ने "इनवर्स वॉल्यूम करेक्शन" (inverse volume corrections) पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक सूक्ष्म प्रभाव है क्योंकि अंतरिक्ष का आयतन अनंत रूप से विभाजित नहीं किया जा सकता है। हालाँकि ये क्वांटम प्रभाव इन्फ्लेशन की समग्र कहानी को बदलने के लिए बहुत छोटे हैं, फिर भी वे ब्रह्मांडीय प्रकाश में छोड़े गए पैटर्न के विवरण को बदल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: यदि हम इन दो संघर्षरत मॉडलों में इन सूक्ष्म क्वांटम सुधारों को जोड़ते हैं, तो क्या वे अंततः नए डेटा के साथ फिट बैठते हैं?

उत्तर खोजने के लिए, टीम ने सूपरसिमेट्रिक और एक्सपोनेंशियल मॉडलों के समीकरणों को लिया और उन्हें क्वांटम सुधारों को शामिल करने के लिए संशोधित किया। इसके बाद उन्होंने नई भविष्यवाणियों की तुलना अटाकामा कॉस्मोलॉजी टेलीस्कोप के नवीनतम डेटा और अन्य उच्च-सटीक अवलोकनों के साथ की। परिणाम चौंकाने वाले थे। इन मॉडलों के मानक संस्करण में, बिना क्वांटम सुधारों के, भविष्यवाणियाँ डेटा के सबसे विश्वसनीय दायरे से बाहर थीं। लेकिन एक बार इनवर्स वॉल्यूम करेक्शन शामिल होने के बाद, मॉडल संरेखण (alignment) में आ गए। क्वांटम प्रभावों ने एक फाइन-ट्यूनिंग नॉब की तरह काम किया, जिससे अनुमानित पैटर्न को डेटा के साथ तालमेल बिठाने के लिए पर्याप्त रूप से समायोजित किया गया, जिससे वे नए अवलोकनों के 95 प्रतिशत विश्वास अंतराल (confidence interval) के भीतर आ गए, और विशेष मामलों में सूपरसिमेट्रिक मॉडल के लिए, यहाँ तक कि सख्त 68 प्रतिशत अंतराल के भीतर भी। इसका मतलब यह है कि पहली बार, ये विशिष्ट मॉडल अब खारिज नहीं किए गए हैं; वे प्रारंभिक ब्रह्मांड का वर्णन करने के लिए व्यवहार्य उम्मीदवार बन गए हैं।

अध्ययन में पाया गया कि यह बचाव कार्य प्रत्येक मॉडल के लिए अलग तरह से काम करता है। सूपरसिमेट्रिक मॉडल के लिए, क्वांटम सुधारों ने डेटा में फिट होने के लिए मापदंडों (parameters) की एक विस्तृत श्रृंखला की अनुमति दी, जो यह सुझाव देता है कि यदि क्वांटम प्रभाव मौजूद हैं, तो यह विचार वास्तविकता का एक सच्चा वर्णन हो सकता है। एक्सपोनेंशियल मॉडल के लिए, स्थिति अधिक नाजुक थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि मॉडल तभी काम करता है जब ऊर्जा क्षेत्र की शक्ति का वर्णन करने वाला एक विशिष्ट पैरामीटर बहुत छोटा हो, विशेष रूप से 0.076 से कम। इसके अलावा, 0.064 और 0.076 के बीच के मानों के लिए, मॉडल को 95 प्रतिशत विश्वास स्तर पर डेटा के साथ सुसंगत किया जा सकता है, लेकिन यह अधिक सख्त 68 प्रतिशत कंटूर (contour) के बाहर रहता है। यदि वह संख्या इससे बड़ी है, तो मॉडल हमारे देखे गए ब्रह्मांड से मेल खाने में विफल रहता है, चाहे क्वांटम सुधार कितने भी लागू क्यों न किए जाएं। यह एक स्पष्ट सीमा प्रदान करता है कि यह सिद्धांत कहाँ तक सत्य हो सकता है और कहाँ इसे त्याग दिया जाना चाहिए।

यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण क्यों है, इसका कारण यह है कि इसके लिए नए कणों के आविष्कार या भौतिकी के मौलिक नियमों को नाटकीय रूप से बदलने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह दिखाता है कि अंतरिक्ष की सूक्ष्म, क्वांटम प्रकृति स्वयं पहेली का गायब हिस्सा हो सकती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि अंतरिक्ष को असतत इकाइयों से बना मानने के तथ्य को ध्यान में रखकर, ब्रह्मांड का इतिहास हमारे सबसे सटीक मापों के साथ सुसंगत हो जाता है। यह सुझाव देता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड केवल एक शास्त्रीय घटना नहीं था बल्कि एक क्वांटम घटना थी, जहाँ अंतरिक्ष की कणमयता (graininess) ने आज हम जिस ब्रह्मांड में रहते हैं उसे आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी। यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि ये मॉडल निश्चित रूप से सही हैं, लेकिन यह उस प्रमुख बाधा को हटा देता है जिसने पहले इन्हें किनारे कर दिया था, जिससे भविष्य के अवलोकनों के विरुद्ध इनका और अधिक परीक्षण करने का मार्ग प्रशस्त होता है।