Josephson interferometry in an Oppenheimer--Snyder-like scale-dependent black-hole spacetime

आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, जहाँ अत्यंत विशाल की नियम और अत्यंत सूक्ष्म के नियम मिलते हैं, वैज्ञानिक लगातार इस बात का परीक्षण कर रहे हैं कि गुरुत्वाकर्षण और बिजली कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। दशकों से हम जानते हैं कि गुरुत्वाकर्षण प्रकाश को मोड़ता है और समय को धीमा करता है, एक ऐसी घटना जो इतनी स्थापित है कि हमारे फोन में जीपीएस (GPS) के सही ढंग से काम करने के लिए यह आवश्यक है। हम यह भी जानते हैं कि अतिचालक (superconductors), वे सामग्रियां जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली प्रवाहित करती हैं, एक ऐसा करंट ले जा सकती हैं जो 'फेज' नामक एक छिपी हुई क्वांटम लय पर निर्भर करता है। जब दो अतिचालकों को एक बहुत ही बारीक अवरोध द्वारा अलग किया जाता है, तो यह लय एक विशेष प्रकार का करंट बनाती है जो अपने परिवेश के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होता है। वह प्रश्न जो शोधकर्ताओं ने लंबे समय तक पूछा है, वह यह है: जब इस नाजुक क्वांटम लय को ब्लैक होल के अत्यधिक गुरुत्वाकर्षण में रखा जाता है, तो क्या होता है? क्या तारे का जबरदस्त खिंचाव बिजली के प्रवाह या समय के मापन को बदल देता है?

भौतिकविदों की एक टीम ने अब सटीक रूप से मानचित्रित किया है कि एक गिरते हुए तारे के विशिष्ट, सैद्धांतिक मॉडल में यह क्वांटम लय कैसे व्यवहार करती है। उन्होंने प्रयोगशाला में कोई वास्तविक ब्लैक होल नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने उन्नत गणित का उपयोग करके एक ऐसे ब्लैक होल का अनुकरण किया जो उसके केंद्र के करीब जाने पर अपने गुणों को बदलता है, जिसे स्केल-डिपेंडेंट ग्रेविटी (scale-dependent gravity) कहा जाता है। उनके मॉडल में, तारा ठीक वैसे ही ढहता है जैसे मानक भौतिकी में होगा, लेकिन स्वयं गुरुत्वाकर्षण विकसित होता है, जिससे क्षितिजों (horizons) का एक जटिल परिदृश्य बनता है और एक केंद्रीय कोर निर्मित होता है जो अनंत रूप से तीव्र होने के बजाय सुचारू (smooth) होता है। शोधकर्ताओं ने फिर एक सैद्धांतिक सुपरकंडक्टिंग जंक्शन—एक छोटा सा पुल जहाँ यह क्वांटम करंट बहता है—को इस वातावरण में रखा। उन्होंने ट्रैक किया कि अंतरिक्ष में दूर स्थित किसी प्रेक्षक के लिए करंट, वोल्टेज और सिग्नल की टाइमिंग कैसी दिखाई देगी, इसकी तुलना उस प्रेक्षक से की जो गिरते हुए तारे के साथ नीचे गिर रहा है।

अध्ययन से पता चलता है कि गुरुत्वाकर्षण सूचना पर एक फिल्टर की तरह कार्य करता है जो अतिचालक से आ रही होती है। जब जंक्शन को ब्लैक होल के पास स्थिर रखा जाता है, तो क्वांटम लय की आवृत्ति और उससे बहने वाला करंट उस कारक से कम हो जाता है जो यह निर्धारित करता है कि उस स्थान पर समय कितना धीमा हुआ है। हालाँकि, सिग्नल द्वारा ले जाई गई शक्ति, यानी ऊर्जा, उस कारक के वर्ग (square) से भी अधिक कम हो जाती है। इसका अर्थ है कि जैसे-जैसे जंक्शन इवेंट होराइजन (घटना क्षितिज) के करीब आता है, दूर स्थित प्रेक्षक के लिए संकेत बहुत विशिष्ट और अनुमानित तरीके से धुंधला और धीमा होता जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि जंक्शन इसके विपरीत गिरते हुए तारे के साथ नीचे गिर रहा है, तो कहानी बदल जाती है। दूर स्थित प्रेक्षक द्वारा प्राप्त सिग्नल न केवल ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण द्वारा धीमा किया जाता है, बल्कि गिरने वाले जंक्शन की गति द्वारा भी परिवर्तित किया जाता है। गिरते हुए तारे का गुरुत्वाकर्षण और जंक्शन की गति मिलकर एक अनूठा हस्ताक्षर बनाते हैं जो एक गिरती हुई घड़ी को स्थिर घड़ी से अलग पहचान प्रदान करता है।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक उन संकेतों के यात्रा समय से संबंधित है जो ब्लैक होल के समीप से बाहरी दुनिया तक पहुँचते हैं। जैसे-जैसे जंक्शन ब्लैक होल के किनारे के करीब पहुंचता है, सिग्नल निकलने में लगने वाली देरी लघुगणकीय (logarithmically) रूप से बढ़ती है, जिसका अर्थ है कि यह बहुत तेजी से बढ़ता है लेकिन एक सुचारू वक्र (curve) के रूप में। शोधकर्ताओं ने इस विलंब के सटीक गणितीय आकार की गणना की और ब्लैक होल के बिल्कुल किनारे के बारे में कुछ चौंकाने वाला खोजा। यदि ब्लैक होल ऐसी अवस्था में है जहाँ उसका गुरुत्वाकर्षण अपने अधिकतम संभव स्तर पर है, तो विलंब केवल बढ़ता ही नहीं है; वह अपना व्यवहार पूरी तरह से बदल लेता है। एक सामान्य ब्लैक होल के सुचारू वक्र का अनुसरण करने के बजाय, विलंब एक भिन्न, अधिक तीक्ष्ण नियम का पालन करता है। यह संक्रमण एक सुचारू वक्र से एक तीक्ष्ण नियम में केवल तभी होता है जब प्रेक्षक क्षितिज से एक निश्चित दूरी पर रहता है; यदि वे अंदर गिर जाते हैं, तो नियम फिर से बदल जाते हैं। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दर्शाता है कि ब्लैक होल के पास समय और दूरी को मापने का तरीका पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि हम कैसे गति कर रहे हैं।

टीम ने एक उपकरण का भी अन्वेषण किया जिसे स्क्विड (SQUID - Superconducting Quantum Interference Device) कहा जाता है, जिसका उपयोग सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने के लिए किया जाता है। उन्होंने पाया कि यदि उपकरण के दोनों हाथ ब्लैक होल से विभिन्न दूरियों पर हैं, तो गुरुत्वाकर्षण सिग्नल में असंतुलन पैदा करता है। यह असंतुलन सिग्नल पैटर्न के शिखर (peaks) की ऊंचाई को बदल देता है लेकिन शिखरों की स्थिति को स्थानांतरित नहीं करता है, बशर्ते डिवाइस पर्याप्त छोटा हो। हालांकि, यदि डिवाइस माइक्रोवेव द्वारा संचालित है, तो तरंगों के विभिन्न भुजाओं के माध्यम से यात्रा करने का समय पैटर्न में बदलाव लाता है। यह बदलाव सीधे तौर पर गुरुत्वाकर्षण के कारण नहीं होता है, बल्कि यात्रा के समय के अंतर के कारण होता है, और यह केवल तभी प्रकट होता है जब डिवाइस को अपने आंतरिक चुंबकीय फ्लक्स को गतिशील रूप से समायोजित करने की अनुमति दी जाती है। यह भेद वैज्ञानिकों को भविष्य के प्रयोगों में गति और समय के प्रभावों से गुरुत्वाकर्षण के प्रभावों को अलग करने में मदद करता है।

सबसे गहरा परिणाम शायद गर्मी और शोर (noise) से जुड़ा है जो ब्लैक होल से संबद्ध है। तापीय संतुलन (thermal equilibrium) की स्थिति में, ब्लैक होल एक विशिष्ट तापमान उत्सर्जित करता है जो उसके गुरुत्वाकर्षण पर निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब एक दूरस्थ प्रेक्षक द्वारा मापा जाता है, तो सुपरकंडक्टिंग जंक्शन द्वारा उत्पन्न शोर, ब्लैक होल से जंक्शन की निकटता से पूरी तरह स्वतंत्र होता है। क्षितिज के पास समय का धीमा होना और ब्लैक होल का ताप प्रभाव एक दूसरे को पूर्णतः संतुलित कर देते हैं। इससे सिग्नल के बाहर निकलने के समय और सिस्टम में मौजूद शोर के बीच एक सार्वभौमिक संबंध स्थापित होता है। यह संबंध इतना सटीक है कि यह ब्लैक होल या जंक्शन के किसी भी विशिष्ट विवरण पर निर्भर नहीं करता है, जो बिना ब्लैक होल के द्रव्यमान या आकार को जाने भी भौतिक विज्ञान के मौलिक नियमों का परीक्षण करने का एक संभावित तरीका प्रदान करता है।

यह अध्ययन एक कठोर सीमा भी निर्धारित करता है कि वास्तव में एक अतिचालक (superconductor) ब्लैक होल के कितने करीब जा सकता है। चूंकि ब्लैक होल ऊष्मा विकिरित करता है, इसलिए क्षितिज के पास का तापमान अविश्वसनीय रूप से उच्च हो जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि किसी भी ज्ञात अतिचालक सामग्री के लिए, क्षितिज से एक न्यूनतम दूरी होती जहाँ वह पदार्थ पिघल जाएगा और अपने अतिचालक गुण खो देगा। यह बहिष्करण क्षेत्र (exclusion zone) केवल सामग्री के अपने क्रिटिकल टेम्परेचर और प्रकृति के मूलभूत स्थिरांकों द्वारा निर्धारित होता है, न कि ब्लैक होल के आकार द्वारा। एक सामान्य अतिचालक के लिए, यह दूरी क्षितिज से लगभग कुछ सौ माइक्रोमीटर है। इसका मतलब है कि जबकि ये सैद्धांतिक प्रभाव आकर्षक हैं, ब्लैक होल के एकदम किनारे पर वास्तविक उपकरण रखना शारीरिक रूप से असंभव है क्योंकि क्वांटम प्रभावों को मापने से पहले ही गर्मी इसे नष्ट कर देगी।

अंत में, शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों को ब्लैक होल की "छाया" (shadow) से जोड़ा, जो पृष्ठभूमि के प्रकाश के विरुद्ध दिखने वाला काला सिल्हूट है। उन्होंने दिखाया कि वही कारक जो सुपरकंडक्टिंग करंट को बदलता है, ब्लैक होल की छाया के आकार को भी बदल देता है। ब्लैक होल की छाया और सुपरकंडक्टिंग सिग्नल दोनों को मापकर, वैज्ञानिक आइंस्टीन के मूल समीकरणों से आगे जाने वाले बदलते गुरुत्वाकर्षण पैरामीटर के सटीक मान को जाने बिना भी गुरुत्वाकर्षण के नियमों की निरंतरता की जांच कर सकते हैं। यद्यपि ये परिदृश्य वर्तमान में सैद्धांतिक हैं और आकाश में दिखने वाले ब्लैक होल के बजाय गिरते हुए तारों के मॉडलों पर लागू होते हैं, यह कार्य एक स्पष्ट गणितीय ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि सबसे चरम गुरुत्वीय वातावरण में क्वांटम पदार्थ कैसा व्यवहार करता है। यह सुझाव देता है कि यदि हम कभी इतना संवेदनशील डिटेक्टर बना सकें जो गर्मी से बच सके, तो ब्लैक होल स्वयं समय, गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम मैकेनिक्स के गहरे संबंधों का परीक्षण करने के लिए एक विशाल, प्राकृतिक प्रयोगशाला के रूप में कार्य करेगा।