The trans-Planckian problem and gravitational interactions

आधुनिक भौतिकी के हृदय में ब्लैक होल के किनारे को लेकर एक जिद्दी पहेली छिपी है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ब्लैक होल वास्तव में काले नहीं होते; वे विकिरण की एक मंद चमक उत्सर्जित करते हैं, जिसे 'हॉकिंग रेडिएशन' (Hawking radiation) के रूप में जाना जाता है। यह प्रकाश 'इवेंट होराइजन' (घटना क्षितिज), यानी वापसी न होने वाले बिंदु पर तीव्र गुरुत्वाकर्षण खिंचाव से आता है। हालाँकि, जब भौतिक विज्ञानी समय में पीछे जाकर इन बाहर निकलने वाले प्रकाश कणों के इतिहास का पता लगाते हैं, तो वे एक अजीब और परेशान करने वाली स्थिति का सामना करते हैं। जैसे-जैसे वे क्षितिज के करीब पहुँचते हैं, कण ऊर्जा के ऐसे स्तरों के साथ कंपन करते हुए प्रतीत होते हैं जो असंभव रूपसे उच्च हैं, जो किसी भी ऊर्जा पैमाने से कहीं अधिक है जिसे हम माप सकते हैं या कल्पना भी कर सकते हैं। यह 'ट्रांस-प्लैंकियन समस्या' (trans-Planckian problem) है। यह सुझाव देता है कि हमारे वर्तमान भौतिकी के नियम, जो बाकी सब कुछ के लिए खूबसूरती से काम करते हैं, ब्लैक होल के ठीक किनारे पर टूट सकते हैं, जिसके लिए हमें यह मानना होगा कि प्रकृति अल्ट्रा-हाई-एनर्जी अवस्थाओं के एक अनंत भंडार की अनुमति देती है। यदि यह सच हुआ, तो इसका अर्थ होगा कि ब्लैक होल में अव्यवस्था या एंट्रॉपी (entropy) की एक अनंत मात्रा है, जो इस विचार का खंडन करता है कि ब्लैक होल का आकार सूचना रखने की उसकी क्षमता को सीमित करता है।

मैरीलैंड विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी टेड जैकबसन ने अपने दिवंगत सहकर्मी रेनॉल्ड पेरेंटानी को एक श्रद्धांजलि लिखी है, जो इस रहस्य को सुलझाने के एक विशिष्ट प्रयास पर केंद्रित है। पेरेंटनी एक प्रखर विचारक थे जिनका मानना था कि समाधान इन चरम ऊर्जाओं को अनदेखा करने में नहीं, बल्कि यह समझने में है कि गुरुत्वाकर्षण स्वयं उनके साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। मूल विचार यह है कि ब्लैक होल के पास का तीव्र गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र केवल निष्क्रिय रूप से बैठा नहीं रहता; यह गुजरने वाले क्वांटम क्षेत्रों के साथ सक्रिय रूप से अंतःक्रिया करता है। पेरेंटनी ने प्रस्तावित किया कि क्षितिज से बाहर की ओर जाने वाली तरंगों और अंदर की ओर गिरने वाली तरंगों के बीच की अंतःक्रिया बाहर निकलने वाले कणों के व्यवहार को मौलिक रूप से बदल सकती है। बाहर की ओर जाने वाली तरंगें सरल, स्वतंत्र लहरें होने के बजाय, जो क्षितिज के करीब पहुँचते ही अनंत रूप से ऊर्जावान हो जाती हैं, वे गिरने वाली तरंगों के साथ उलझ (entangled) सकती हैं। यह अंतःक्रिया एक प्राकृतिक ब्रेक, या एक 'क्वेंचिंग मैकेनिज्म' (quenching mechanism) के रूप में कार्य कर सकती है, जो ऊर्जा को बढ़ने से पहले ही रोकने का काम करती है।

इस शोध पत्र में, जैकबसन पाठक को पेरेंटानी की जटिल गणितीय यात्रा के माध्यम से ले जाते हैं, और सघन समीकरणों को एक स्पष्ट वृत्तांत में अनुवादित करते हैं कि वास्तव में क्या गणना की गई थी। पेरेंटनी ने ब्रह्मांड को एक गोलाकार मॉडल में सरल बनाया, एक ऐसा ब्लैक होल की कल्पना की जो ऊर्जा के एक गिरते हुए आवरण (collapsing shell) से बना हो। फिर उन्होंने गणना को प्रबंधनीय बनाने के लिए बड़ी संख्या में समान, अदृश्य क्षेत्रों (fields) को पेश किया। गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को एक स्थिर मंच के बजाय एक उतार-चढ़ाव वाले बैकग्राउंड के रूप में मानकर, वे यह देखने में सक्षम हुए कि आने वाली तरंगों की क्वांटम थरथराहट बाहर जाने वाली तरंगों के पथ को कैसे बाधित करती है। परिणाम यह था कि बाहर की ओर जाने वाली तरंगें अपने अतीत के साथ एक तीक्ष्ण, एकल संबंध बनाए नहीं रखती हैं। इसके बजाय, गुरुत्वाकर्षण की अंतःक्रिया इस संबंध को धुंधला कर देती है।

गणना ने दिखाया कि जैसे-जैसे कोई क्षितिज के करीब देखता है, दो बिंदुओं के बीच का सहसंबंध (correlation) बाहर जाने वाले क्षेत्र में फीका पड़ने लगता है। इस गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रिया के बिना मानक दृष्टिकोण में, संबंध तीक्ष्ण और विलक्षण बना रहता, जिससे अनंत ऊर्जा की समस्या उत्पन्न होती। लेकिन इस अंतःक्रिया को शामिल करने के साथ, संबंध तेजी से (exponentially) घटता है। इसका अर्थ है कि चरम, उच्च-ऊर्जा अवस्थाएं जो समस्या पैदा कर रही थीं, प्रभावी रूप से दब जाती हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि क्षितिज से एक विशिष्ट दूरी पर, जो ब्रह्मांड की सबसे छोटी संभावित लंबाई की इकाई से थोड़ी अधिक है, यह दमन पूर्ण हो जाता है। इस बिंदु के परे, बाहर जाने वाली तरंगें अतीत की सरल, उच्च-ऊर्जा भूतिया तरंगें नहीं रह जातीं; वे गिरते हुए पदार्थ के साथ एक जटिल नृत्य का परिणाम होती हैं, और उनकी ऊर्जा सीमित और प्रबंधनीय रहती है।

पेरेंटनी का कार्य कोई अंतिम प्रमाण नहीं था, बल्कि एक मजबूत सुझाव था कि सामान्य सापेक्षता (general relativity) और क्वांटम यांत्रिकी की मशीनरी नई, अज्ञात भौतिकी के नियमों की आवश्यकता के बिना इस समस्या को हल करने के लिए पर्याप्त हो सकती है। शोध पत्र इस बात पर प्रकाश डालता है कि यह तंत्र इस तथ्य पर निर्भर करता है कि जैसे-जैसे ऊर्जा बढ़ती है, गुरुत्वाकर्षण मजबूत होता जाता है, एक ऐसी विशेषता जिसे मानक सिद्धांत अक्सर अनदेखा कर देते हैं। इसे ध्यान में रखकर, पेरेंटनी ने दिखाया कि अनंत ऊर्जा के "दानव" को वश में किया जा सकता है। शोध पत्र इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि हालांकि गणना में कई सरलीकरण और अनुमान शामिल थे, परिणाम भौतिकी में एक गहरे एकीकरण की ओर संकेत करता है। यह सुझाव देता है कि वही चीज़ जो ब्लैक होल को रहस्यमय बनाती है—उनका तीव्र गुरुत्वाकर्षण—वही चीज़ है जो भौतिकी के नियमों को उनके किनारे पर टूटने से बचाती है। यह अंतर्दृष्टि एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, जो बताती है कि ब्रह्मांड के पास अपने सबसे चरम वातावरणों को उन नियमों को नष्ट करने से रोकने का एक अंतर्निहित तरीका है जो उन्हें नियंत्रित करते हैं।