The small effect of graviton-induced decoherence

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अदृश्य महासागर के रूप में करें। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने इस महासागर को एक पूर्णतः चिकने और शांत रूप में देखा, जो एक ऐसा मंच था जहाँ तारे और ग्रह गुरुत्वाकर्षण की लय पर नृत्य करते थे। लेकिन पिछले दशक में, हमें पता चला कि यह महासागर केवल एक मंच नहीं है; यह लहरों का एक उथल-पुथल भरा समुद्र है। जब विशाल ब्लैक होल आपस में टकराते हैं, तो वे अंतरिक्ष-समय (space-time) के ताने-बाने में लहरें भेजते हैं। हम इन लहरों को गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहते हैं, और हमने उन्हें सुनने के लिए विशाल, लेजर-संचालित कान (जैसे LIGO डिटेक्टर) बनाए हैं।

अब, यहाँ एक मोड़ है: क्या होगा यदि ये लहरें केवल चिकनी लहरें नहीं हैं, बल्कि वास्तव में छोटे, व्यक्तिगत कणों से बनी हैं, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश फोटोन से बना होता है? क्वांटम दुनिया में, सब कुछ ऊर्जा के इन छोटे पैकेटों से बना है। यदि गुरुत्वाकर्षण क्वांटम है, तो ये लहरें "ग्रैविटॉन" (gravitons) से बनी होंगी। बड़ा सवाल यह है: यदि हम एक ऐसा डिटेक्टर बना सकें जो एक एकल ग्रैविटॉन को महसूस करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो, तो क्या होगा? क्या डिटेक्टर केवल हिलेगा, या ग्रैविटॉन के टकराने की क्रिया डिटेक्टर के भीतर के नाजुक क्वांटम रहस्यों को बिखेर देगी? यह शोध पत्र ठीक इसी प्रश्न की खोज करता है, यह पता लगाता है कि कैसे ये भूतिया कण पदार्थ की क्वांटम अवस्था के साथ छेड़छाड़ कर सकते हैं, इसे एक बिलियर्ड बॉल की तरह टकराकर नहीं, बल्कि इसे धीरे से दबाकर और खींचकर।

शोध पत्र की कहानी: एक क्वांटम झूला और एक ब्रह्मांडीय दबाव

इस शोध पत्र के लेखक, गुरी के. बुज़ा और मार्को तोरोस ने एक वैचारिक प्रयोग (thought experiment) खेलने का निर्णय लिया। उन्होंने एक छोटे, क्वांटम मैकेनिकल "झूले" की कल्पना की—एक कण जो एक बॉक्स में फंसा हुआ है और एक पेंडुलम की तरह आगे-पीche उछलता रहता है। यह उनका "पदार्थ तंत्र" (matter system) है। फिर, उन्होंने कल्पना की कि यह झूला ग्रैविटॉन्स के एक स्नान (bath) में बैठा है। लेकिन उन्होंने केवल एक शांत, खाली स्नान की कल्पना नहीं की; उन्होंने कल्पना की कि यह स्नान विभिन्न "मूड्स" में हो सकता है: खाली (वैक्यूम), एक स्थिर प्रवाह से भरा (coherent), कणों की एक विशिष्ट संख्या से भरा (number state), गर्म और अराजक (thermal), या अजीब तरह से दबा हुआ (squeezed state)।

सबसे महत्वपूर्ण बात जो उन्होंने खोजी, वह यह है कि ग्रैविटॉन झूले को कैसे छूता है। प्रकाश और परमाणुओं की दुनिया में, एक फोटॉन आमतौर पर एक इलेक्ट्रॉन को एक हल्के स्पर्श की तरह छूता है, एक "एक-से-एक" (one-to-one) संपर्क। लेकिन गुरुत्वाकर्षण अलग है। क्योंकि गुरुत्वाकर्षण इस बात की परवाह करता है कि द्रव्यमान कैसे फैला हुआ है (इसका "क्वाड्रुपोल मोमेंट"), एक ग्रैविटॉन केवल झूले को थपथपाता नहीं है; वह झूले को दो हाथों से पकड़ता है और उसे एक दबाव (squeeze) देता है। इसका मतलब है कि यह संपर्क "द्विघाती" (quadratic) है—यह झूले की स्थिति के वर्ग पर निर्भर करता है। क्वांटम यांत्रिकी की भाषा में, यह एक "दो-फोनन" (two-phonon) प्रक्रिया है। एक ग्रैविटॉन द्वारा कंपन की एक इकाई को हटाने के बजाय, यह एक जटिल नृत्य की तरह है जहाँ दो कंपन इकाइयाँ एक साथ उत्पन्न या नष्ट होती हैं।

शोध पत्र गणना करता है कि प्रत्येक अलग ग्रैविटॉन मूड में झूले के साथ वास्तव में क्या होता है, जो "मास्टर इक्वेशन्स" नामक गणितीय नियमों के एक सेट का उपयोग करता है ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि झूले के क्वांटम रहस्य (इसकी सुसंगतता/coherence) समय के साथ कैसे लुप्त हो जाते हैं।

वैक्यूम और कोहेरेंट वेव: शांत और शोर वाला
सबसे पहले, उन्होंने "वैककीम" (vacuum) अवस्था को देखा, जहाँ कोई ग्रैविटॉन नहीं है, केवल अंतरिक्ष का खाली क्वांटम शोर है। आश्चर्यजनक रूप से, उन्होंने पाया कि इस खाली अवस्था में भी, झूला सुरक्षित है। संपर्क की "दो-हाथों वाले दबाव" वाली प्रकृति का अर्थ है कि झूले की दो सबसे निचली ऊर्जा अवस्थाएँ (ग्राउंड स्टेट और पहली उत्तेजित अवस्था) "डार्क" (dark) हैं। वे वैक्यूम शोर के प्रति अदृश्य हैं। झूला इन दो अवस्थाओं के बीच एक क्वांटम रहस्य रख सकता है, और वैक्यूम ग्रैविटॉन इसे चुरा नहीं पाएंगे।

इसके बाद, उन्होंने एक "कोहेरेंट" (coherent) बाथ को देखा। यह वह अवस्था है जो एक शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण तरंग का प्रतिनिधित्व करती है, जैसे कि वे जिन्हें LIGO पहचानता है। यहाँ, ग्रैविटॉन्स एक लय में मार्च कर रहे हैं। शोध पत्र ने पाया कि यह मार्चिंग बैंड डिकोहेरेंस (क्वांटम रहस्यों का नुकसान) को खाली वैक्यूम की तुलना में अधिक खराब नहीं बनाता है। यह केवल झूले को एक अनुमानित तरीके से आगे-पीछे धकेलता है, ठीक वैसे ही जैसे एक शास्त्रीय तरंग करेगी। इसलिए, यदि आपके पास एक वास्तविक गुरुत्वाकर्षण तरंग गुजर रही है, तो यह आपके क्वांटम कंप्यूटर को नष्ट नहीं करेगी; यह केवल उसे थोड़ा सा धकेलेगी।

अराजक बाथ: नंबर और थर्मल
फिर चीजें अस्त-व्यस्त हो गईं। लेखकों ने "नंबर" अवस्थाओं (जहाँ ग्रैवियसों की एक विशिष्ट, निश्चित संख्या मौजूद है) और "थर्मल" अवस्थाओं (जहाँ ग्रैविटॉन्स बेतरतीब ढंग से इधर-उधर घूम रहे हैं, जैसे गर्म कमरे में गैस के अणु) को देखा। इन मामलों में, सुरक्षा गायब हो जाती है। अराजक ग्रैविटॉन्स झूले को उत्तेजित करना शुरू कर देते हैं, जिससे नए कंपन पैदा होते हैं और क्वांटम रहस्य बिखर जाते हैं। "कोहेरेंस लैडर" (coherence ladder) खुल जाता है, जो निचली अवस्थाओं को उच्च और उच्च ऊर्जा स्तरों से जोड़ देता है। हालाँकि, लेखकों ने गणना की कि आज हम जो भी वास्तविक परिदृश्य सोच सकते हैं, उसके लिए यह प्रभाव अविश्वसनीय रूप से छोटा है। भले ही बाथ प्रारंभिक ब्रह्मांड जितना गर्म होता, भी वह समय जिसमें क्वांटम रहस्य लुप्त हो जाते, इतना लंबा (लगभग $10^{60}$ सेकंड) होता कि यह व्यावहारिक रूप से अनंत है। प्रभाव मौजूद है, लेकिन यह बहुत सूक्ष्म है।

स्क्वीज़्ड बाथ: कहानी में मोड़
अंत में, सबसे दिलचस्प हिस्सा: "स्क्वीज़्ड" (squeezed) बाथ। क्वांटम यांत्रिकी में, "स्क्वीजिंग" अनिश्चितता को नियंत्रित करने का एक तरीका है, जिससे एक गुण बहुत सटीक हो जाता है जबकि दूसरा बहुत धुंधला। जब ग्रैविटॉन बाथ स्क्वीज़ किया जाता है, तो नियम फिर से बदल जाते हैं। लेखकों ने पाया कि निचली अवस्थाओं की सरल सुरक्षा टूट जाती है, लेकिन एक नया प्रकार का संरक्षण प्रकट होता है। सिस्टम एक "ड्रेस्ड डार्क सेक्टर" (dressed dark sector) खोज लेता है।

कल्प脹 करें कि झूला स्क्वीज़्ड ग्रैविटॉन्स से बना एक विशेष सूट पहने हुए है। इस सूट के अंदर, झूला नए "डार्क स्टेट्स" पाता है जो अराजकता से मुक्त हैं। क्वांटम रहस्य खो नहीं जाते; वे बस झूले के एक अलग, अधिक जटिल संस्करण में चले जाते जो शोर से छिपा हुआ है। शोध पत्र दिखाता है कि जबकि मूल, नग्न झूला अपने रहस्य खो देता है, यह नया, "ड्रेस्ड" (dressed) झूला उन्हें पूरी तरह सुरक्षित रखता है। यह ऐसा है जैसे स्क्वीज़्ड बाथ का अराजक माहौल सिस्टम को एक ऐसे किले में पुनर्गठित होने के लिए मजबूर करता है जिसे शोर भेद नहीं सकता।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक ग्रैविटॉन को पकड़ने वाली मशीन बनाई है। इसके बजाय, यह एक सटीक मानचित्र प्रदान करता है कि क्या होगा यदि हम ऐसा कर सकें। यह इस विचार को खारिज करता है कि गुरुत्वाकर्षण प्रकाश की तरह कार्य करता है (एक साधारण स्पर्श); इसके बजाय, यह पुष्टि करता है कि गुरुत्वाकर्षण एक जटिल, दो-हाथों वाला दबाव है। यह सुझाव देता है कि जबकि ग्रैविटॉन्स का एक अराजक समुद्र अंततः हमारी क्वांटम मशीनों को बिखेर देगा, प्रभाव इतना कमजोर है कि वर्तमान में यह नगण्य है। लेकिन, यह एक सुंदर आश्चर्य का संकेत भी देता है: यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र "स्क्वीज़्ड" है, तो प्रकृति क्वांटम जानकारी को सुरक्षित रखने का एक नया, छिपा हुआ तरीका प्रदान कर सकती है, इसे एक "ड्रेस्ड" अवस्था में छिपा सकती है जिसे शोर छू भी नहीं सकता।

लेखक बहुत सावधानी से कहते हैं कि ये हमारे वर्तमान क्वांटम गुरुत्वाकर्षण की समझ पर आधारित सैद्धांतिक गणनाएँ हैं। उन्होंने इसे अभी तक मापा नहीं है, लेकिन उन्होंने हमें खेल के नियम दिखा दिए हैं। यदि हमारे पास कभी गुरुत्वाकर्षण की क्वांटम फुसफुसाहट को सुनने की तकनीक होगी, तो अब हम जानते हैं कि ब्रह्मांड शायद इस तरह से वापस फुसफुसा रहा है जो विनाशकारी भी है और आश्चर्यजनक रूप से सुरक्षात्मक भी।