Observing relativistic trajectories of single photons
यह शोध पत्र एक मिशेलसन-साग्नैक इंटरफेरोमीटर में एकल फोटॉन के सापेक्षतावादी बोहमियन प्रक्षेपवक्रों (trajectories) को प्रयोगात्मक रूप से पुनर्गठित करता है, जो सापेक्षतावादी बोहमियन यांत्रिकी तक पहला परिचालन संबंधी पहुँच प्रदान करने के लिए अनुमानित उप-प्रकाशमान (subluminal) और अति-प्रकाशमान (superluminal) विशेषताओं का अवलोकन करता है।
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शास्त्रीय भौतिकी की दुनिया में, एक चलती हुई वस्तु का पथ एक सीधा और सरल वृत्तांत है। यदि आप जानते हैं कि किसी भी क्षण एक गेंद कहाँ है और उसकी गति कितनी है, तो आप सटीक रूप से गणना कर सकते हैं कि वह एक सेकंड बाद या एक साल बाद कहाँ होगी। इस दृष्टिकोण में, ब्रह्मांड एक घड़ी जैसी मशीन है जहाँ प्रत्येक कण एक निश्चित और पूर्वानुमेय रेखा का अनुसरण करता है। क्वांटम यांत्रिकी ने, जो बहुत सूक्ष्म वस्तुओं के लिए नियम पुस्तिका है, इस निश्चितता को खंडित कर दिया। जिस तरह से भौतिकविदों ने लगभग एक सदी से क्वांटम सिद्धांत को समझा है, उसके अनुसार फोटॉन जैसे कणों का कोई एकल, वास्तविक पथ नहीं होता है। इसके बजाय, वे संभावनाओं की एक फैली हुई तरंग के रूप में मौजूद होते हैं, और "फोटॉन अभी कहाँ है?" पूछना तब तक एक निरर्थक प्रश्न माना जाता है जब तक कि उसे मापा न जाए। इससे एक लंबे समय से चल रही बहस छिड़ गई है कि क्या कण वास्तव में बिना किसी मानचित्र के भटक रहे हैं, या वे केवल एक छिपे हुए पथ का अनुसरण कर रहे हैं जिसे हमारे वर्तमान उपकरण देख नहीं पा रहे हैं।
क्वांटम सिद्धांत की एक विशिष्ट व्याख्या, जिसे बोहमियन मैकेनिक्स (Bohmian mechanics) के रूप में जाना जाता है, यह तर्क देती है कि कणों के निश्चित प्रक्षेपवक्र (trajectories) होते हैं, भले ही उन्हें ढूँढना कठिन हो। हालाँकि, दशकों तक, यह विचार आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत के साथ फिट होने के लिए संघर्ष करता रहा, जो इस बात को नियंत्रित करता है कि चीजें उच्चतम गति पर कैसे चलती हैं। हाल ही में, एक नया सैद्धांतिक ढांचा उभरा जिसने इन दोनों दुनियाओं को सफलतापूर्वक जोड़ दिया, जिसमें यह प्रस्तावित किया गया कि एक एकल फोटॉन की गति और पथ की गणना कैसे की जाए, भले ही वह प्रकाश की गति से चल रहा हो। इस नए सिद्धांत ने कुछ अजीब भविष्यवाणी की: कि एक फोटॉन का पथ कुछ स्थानों पर प्रकाश की गति से धीमा और कुछ स्थानों पर प्रकाश की गति से तेज़ दिखाई दे सकता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि उसकी तरंग-समान प्रकृति स्वयं के साथ कैसे हस्तक्षेप करती है। अब तक, यह एक गणितीय जिज्ञासा मात्र थी, जिसका वास्तविक दुनिया में परीक्षण नहीं हुआ था।
क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, सिडनी और मैक्वेरी विश्वविद्यालय के सहयोगियों के साथ मिलकर, इस सिद्धांत को प्रयोगशाला में उतारा है। उन्होंने मिशेलसन-साग्नैक इंटरफेरोमीटर (Michelson-Sagnac interferometer) नामक एक विशेष उपकरण के माध्यम से यात्रा करते हुए एक एकल फोटॉन के वास्तविक पथ को पुनर्गठित करने का लक्ष्य रखा। इस सेटअप में, एक एकल फोटॉन को दो भागों में विभाजित किया जाता है जो विपरीत दिशाओं में यात्रा करते हैं और फिर वापस मिलते हैं। शोधकर्ताओं ने फोटॉन को सीधे ट्रैक करने की कोशिश नहीं की, जो कि इसे नष्ट किए बिना असंभव है। इसके बजाय, उन्होंने "वीक मेजरमेंट" (weak measurements) यानी मंद मापन की एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप किसी भूत की गति को बिना उसकी उड़ान में बाधा डाले, उसके पास से धीरे से गुजरकर निर्धारित करने की कोशिश कर रहे हैं; यह अनिवार्य रूप से वह किया जो टीम ने किया। उन्होंने फोटॉन के संवेग (momentum) पर कई सौम्य, गैर-आक्रामक जांच की, और उसके बाद अंत में यह देखा कि फोटॉन कहाँ समाप्त हुआ। हजारों समान फोटॉनों के साथ इस प्रक्रिया को बार-बार दोहराकर, वे एक औसत पथ को जोड़ने में सक्षम हुए जिसका पालन फोटॉन करते प्रतीत हुए।
परिणामों ने नए सापेक्षतावादी सिद्धांत की पुष्टि की। जैसे ही फोटॉन उनके दो विपरीत पथों द्वारा बनाए गए व्यतिकरण पैटर्न (interference pattern) के माध्यम से यात्रा कर रहे थे, उनके पुनर्गठित प्रक्षेपवक्र एक विचित्र व्यवहार दर्शाते थे। जिन क्षेत्रों में तरंगें एक-दूसरे को सुदृढ़ करती थीं, वहाँ फोटॉन प्रकाश की गति से धीमे चलते हुए प्रतीत हुए। जिन क्षेत्रों में तरंगें एक-दूसरे को रद्द कर देती थीं, वहाँ फोटॉन प्रकाश की गति से तेज़ चलते हुए प्रतीत हुए। इसका अर्थ यह नहीं है कि फोटॉनों ने सार्वभौमिक गति सीमा को तोड़ा या सूचना को समय में पीछे भेजा; बल्कि, यह बोहमियन पथ के स्वयं के एक अंतर्निहित विरोधाभासी गुण को प्रकट करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक एकल फोटॉन, जिसके बारे में मानक भौतिकी कहती है कि वह एक पथ लेता है, प्रभावी रूप से व्यतिकरण फ्रिंजों (interference fringes) के माध्यम से यात्रा करते समय उप-प्रकाश और अति-प्रकाश गतियों के बीच बारी-बारी से बदलता रहता है।
प्रयोग का संचालन लेजर से उत्पन्न एकल फोटॉनों का उपयोग करके किया गया था, जिन्हें यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया गया था कि वे व्यक्तिगत कणों की तरह व्यवहार करें। टीम ने प्रकाश को निर्देशित करने के लिए दर्पणों और बीम स्प्लिटर की एक श्रृंखला का उपयोग किया, और एक विशिष्ट प्रकार के हाफ-वेवप्लेट का उपयोग किया ताकि फोटॉन के ध्रुवीकरण (polarization) के माध्यम से उसके संवेग को बस इतना ही कोड किया जा सके कि आवश्यक डेटा एकत्र किया जा सके बिना उसकी तरंग प्रकृति को बाधित किए। उनके द्वारा एकत्र किए गए डेटा ने दिखाया कि फोटॉन का व्यवहार, जो हमारे रोजमर्रा के अनुभव से बिल्कुल अलग है, बोहमियन मैकेनिक्स के लेंस से देखे जाने पर एक शास्त्रीय सापेक्षतावादी ढांचे में पूरी तरह से फिट बैठता है। यह अध्ययन इन सापेक्षतावादी प्रक्षेपवक्रों तक पहला प्रायोगिक पहुँच प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि क्वांटम यांत्रिकी की इस विशिष्ट व्याख्या द्वारा अनुमानित असामान्य, विरोधाभासी गुण केवल सैद्धांतिक अवशेष नहीं हैं, बल्कि भौतिक दुनिया की वास्तविक विशेषताएं हैं। इन पथों को मानचित्रित करके, शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए एक नया झरोखा खोला है कि कण गति और स्थान की सीमाओं पर कैसे चलते हैं, जो एक ऐसे वास्तविकता को समझने का एक ठोस तरीका प्रदान करता है जहाँ कणों का हमेशा एक स्थान होता है, भले ही वह स्थान हमारी कल्पना से कहीं अधिक कठिन से परिभाषित हो।
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