Optical time travel: proposal for testing Hawking's Chronology Protection Conjecture in an optical analogue

एक डिब्बे में टाइम मशीन

कल्पना कीजिए कि आप अपने अतीत के स्वरूप को एक संदेश भेज सकते हैं, शायद उन्हें एक खराब ग्रेड या कॉफी गिरने के बारे में चेतावनी देने के लिए। फिल्मों और काल्पनिक कथाओं की दुनिया में, यह साहसिक कहानियों का एक मुख्य हिस्सा है। लेकिन विज्ञान की वास्तविक दुनिया में, समय यात्रा भौतिकी के एक बहुत ही अजीब कोने में स्थित है जहाँ दो विशाल नियम आपस में असहमत दिखाई देते हैं। एक तरफ, आपके पास आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (General Relativity) का सिद्धांत है, जो गुरुत्वाकर्षण और अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने का वर्णन करता है। आश्चर्यजनक रूप से, यह सिद्धांत कहता है कि यदि आप अंतरिक्ष को सही तरीके से मोड़ सकें, तो आप एक ऐसा लूप बना सकते हैं जहाँ आप समय के एक पिछले क्षण में वापस लौट आते हैं। यह एक ऐसे रास्ते की तरह है जो खुद पर वापस मुड़ जाता है, जिससे आप उस स्थान पर जा सकते हैं जहाँ आप पहले जा चुके हैं।

दूसरी ओर, आपके पास क्वांटम मैकेनिक्स (Quantum Mechanics) है, जो परमाणुओं और प्रकाश की सूक्ष्म दुनिया का नियमकोश है। यह सिद्धांत अपनी अनिश्चितता और अस्पष्टता के लिए प्रसिद्ध है; चीजें हमेशा वैसी नहीं होतीं जैसी उन्हें होनी चाहिए। स्टीफन हॉकिंग नामक एक प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी ने "क्रोनोलॉजी प्रोटेक्शन कंजेक्चर" (Chronology Protection Conjecture) प्रस्तावित किया था, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि प्रकृति के पास शायद एक सुरक्षा स्विच होता है। उन्होंने अनुमान लगाया कि भले ही नक्शे पर वह रास्ता मौजूद हो (सापेक्षता), लेकिन क्वांटम दुनिया उस क्षण में एक बड़ा ट्रैफिक जाम या विस्फोट पैदा कर देगी जब आप उस पर चलने की कोशिश करेंगे, जो समय यात्रा को सुरक्षित रखने के लिए प्रभावी रूप से प्रतिबंधित कर देगी। बड़ा सवाल यह है: क्या ब्रह्मांड समय यात्रा से सख्ती से वर्जित है, या यह बस बहुत, बहुत कठिन है? डेविड बर्मुडेज़ और उलफ लियोनहार्ट ने इसी पहेली को सुलझाने का फैसला किया, किसी अंतरिक्ष यान से नहीं, बल्कि प्रकाश से जुड़े एक बहुत ही चतुर प्रयोग के माध्यम से।

प्रकाश का पल्स जो पीछे की ओर कूदता है

इस शोध पत्र में, लेखक प्रकाश और फाइबर ऑप्टिक्स से बने एक "टाइम मशीन" का उपयोग करके हॉकिंग के विचार का परीक्षण करने का एक तरीका प्रस्तावित करते हैं। एक इंसान के मशीन में कदम रखने के बजाय, वे फाइबर ऑप्टिक केबल के एक लूप के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश के एक पल्स (pulse) की कल्पना करते हैं। यहाँ उनका "टाइम मशीन" कैसे काम करता है:

एक सीधी राजमार्ग (एक फाइबर ऑप्टिक केबल) की कल्पना करें जिसमें एक साइड रोड है जो खुद पर वापस मुड़ जाता है। जहाँ राजमार्ग लूप से मिलता है, वहाँ एक विशेष उपकरण होता है जिसे पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (parametric amplifier) कहा जाता है। यह उपकरण एक जादुई ट्रैफिक पुलिसकर्मी की तरह कार्य करता है। जब प्रकाश का एक पल्स जंक्शन पर पहुँचता है, तो एम्पलीफायर लूप के भीतर एक "जुड़वां" पल्स बना सकता है। जिस तरह से लूप को व्यवस्थित किया गया है, उसके कारण यह जुड़वां पल्स मुख्य पल्स के सापेक्ष समय में पीछे यात्रा करता है।

इसके पूरी तरह से काम करने के लिए, पीछे की ओर जाने वाले पल्स को मुख्य पल्स के पहुँचने से पहले जंक्शन पर पहुँचना चाहिए। जब वे मिलते हैं, तो उन्हें एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द कर देना चाहिए, जैसे पानी में लहर एक गड्ढे से टकराती है। परिणाम? मूल पल्स वर्तमान से गायब होता हुआ प्रतीत होता है और भविष्य में फिर से प्रकट होता है, या यूँ कहें कि एक नया पल्स भविष्य में दिखाई देता है जो ऐसा लगता है जैसे अतीत से आया हो। लेखक दिखाते हैं कि यदि आपके पास केबल में प्रकाश के प्राकृतिक नुकसान को दूर करने के लिए पर्याप्त "गेन" (gain/प्रवर्धन) है, तो यह समय यात्रा प्रभाव गणितीय रूप से संभव है। वास्तव में, वे गणना करते हैं कि 10 के मामूली गेन के साथ, प्रकाश का पल्स डिवाइस में प्रवेश करने से पहले ही बाहर निकल सकता है, जो समय में पीछे की यात्रा की नकल करता है।

क्वांटम पेच: यह इतना सरल क्यों नहीं है?

हालाँकि, जब हम "क्लासिकल" प्रकाश (पूर्ण, चिकनी तरंगों) से "क्वांटम" प्रकाश (वास्तविक प्रकाश जो फोटॉन से बना है) की ओर बढ़ते हैं, तो यह शोध पत्र तुरंत एक बड़ी बाधा का सामना करता है। क्वांटम दुनिया में, कुछ भी पूरी तरह से चिकना नहीं होता; सब कुछ थरथराता और उतार-चढ़ाव करता है। यह हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत (Heisenberg's Uncertainty Principle) के कारण है, जो कहता है कि आप एक ही समय में किसी कण के बारे में सब कुछ नहीं जान सकते।

लेखक समझाते हैं कि टाइम मशीन के काम करने के लिए, लूप में "पीछे" जाने वाला पल्स, "आगे" जाने वाले पल्स की एक सटीक, पूर्ण प्रति होनी चाहिए ताकि वह उसे रद्द कर सके। लेकिन क्वांटम दुनिया में, आप उन सूक्ष्म, अपरिहार्य उतार-चढ़ावों के कारण कभी भी एक पूर्ण प्रति नहीं बना सकते। अंतरिक्ष का निर्वात (vacuum) स्वयं इन सूक्ष्म उतार-चढ़ावों से भरा हुआ है। जब एम्पलीफायर सिग्नल को बढ़ाने की कोशिश करता है ताकि समय यात्रा संभव हो सके, तो वह केवल सिग्नल को ही नहीं बढ़ाता; वह निर्वात के शोर (vacuum noise) को भी बढ़ा देता है।

इसे एक भीड़भाड़ वाले, शोर वाले कमरे में अपने अतीत के स्वरूप को एक गुप्त बात फुसफुसाने की कोशिश करने जैसा समझें। यदि कमरा शांत है (क्लासिकल भौतिकी), तो आप ऐसा कर सकते हैं। लेकिन क्वांटम दुनिया में, कमरा स्टेटिक (static) से भरा है। आप अपने फुसफुसाने को सुनने योग्य बनाने के लिए जितना अधिक एम्प्लीफाई करने की कोशिश करेंगे, स्टेटिक उतना ही तेज़ होता जाएगा। लेखकों ने पाया कि यह "स्टेटिक" तेजी से बढ़ता है। जब तक प्रकाश पीछे जाने की कोशिश करता है, शोर इतना तेज़ हो जाता है कि वह संदेश को दबा देता है। "टाइम मशीन" अनिवार्य रूप से एक लेज़र में बदल जाती है जो एक स्पष्ट संकेत भेजने के बजाय यादृच्छिक शोर के साथ चिल्लाती है।

इसका समय यात्रा के लिए क्या अर्थ है

तो, अंतिम निर्णय क्या है? शोध पत्र सुझाव देता है कि जबकि समय यात्रा का विचार समीकरणों में सख्ती से असंभव नहीं है, लेकिन इसकी वास्तविकता क्वांटम शोर द्वारा बाधित है।

1. क्लासिकल बनाम क्वांटम: यदि प्रकाश एक पूर्ण, क्लासिकल तरंग होता, तो समय यात्रा काम करती। आप एक पल्स पीछे भेज सकते थे, और वह स्पष्ट रूप से पहुँच जाता। लेकिन वास्तविक प्रकाश क्वांटम है, और अनिश्चितता का सिद्धांत यह सुनिश्चित करता है कि "पीछे" जाने वाला पल्से "आगे" जाने वाले पल्स के साथ कभी भी पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ नहीं हो सकता।
2. लेज़र प्रभाव: लेखक बताते हैं कि समय यात्रा के लिए आवश्यक स्थिति (लॉस से अधिक गेन) वही है जो एक लेज़र को काम करना शुरू करने के लिए आवश्यक है। इसका मतलब है कि टाइम मशीन अनिवार्य रूप से एक लेज़र की तरह काम करेगी, जो निर्वात के उतार-चढ़ाव को बढ़ा देगी। यह अस्थिरता उस "विस्फोट" का ऑप्टिकल संस्करण है जिसकी भविष्यवाणी हॉकिंग ने समय यात्रा को रोकने के लिए की थी।
3. अपूर्ण समय यात्रा: यह पत्र यह नहीं कहता कि समय यात्रा हमेशा के लिए 100% असंभव है। यह सुझाव देता है कि यदि आप मशीन को बहुत कम समय के लिए चलाते हैं, तो शोर प्रबंधनीय हो सकता है। आपको एक "धुंधला" समय यात्रा अनुभव मिल सकता है जहाँ सिग्नल मौजूद है लेकिन स्टेटिक से ढका हुआ है। यह अतीत की एक पूर्ण यात्रा नहीं है, बल्कि एक शोर भरी, अपूर्ण यात्रा है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि उनका प्रस्तावित प्रयोग व्यवहार्य है और इन सीमाओं का परीक्षण करने के लिए प्रयोगशाला में बनाया जा सकता है। वे यह दावा नहीं कर रहे हैं कि उन्होंने 'डेलोरियन' (DeLorean) बना लिया है, बल्कि वे यह देखने का एक तरीका प्रदान कर रहे हैं कि प्रकृति समय यात्रा पर ब्रेक कैसे लगाती है। ब्रह्मांड, ऐसा लगता है, आपको अतीत की एक झलक देखने की अनुमति देता है, लेकिन वह इस बात पर जोर देता है कि छवि को धुंधला कर दिया जाए ताकि आप कुछ भी बदल न सकें। जैसा कि हॉकिंग ने मजाक में कहा था, यदि समय यात्रा आसान होती, तो भविष्य के पर्यटकों ने आक्रमण कर दिया होता; तथ्य यह है कि वे नहीं आए हैं, यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड का "शोर" अपना काम बहुत अच्छी तरह से कर रहा है।