For Whom Does Bell Hold?

भौतिकी के वे नियम जो सबसे छोटे कणों को नियंत्रित करते हैं, वे ब्रह्मांड की विशालतम संरचनाओं को भी नियंत्रित करते हैं, एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन से लेकर आकाशगंगाओं के निर्माण तक। दशकों से, वैज्ञानिक शास्त्रीय प्रायिकता (classical probability) द्वारा संचालित दुनिया और क्वांटम यांत्रिकी (quantum mechanics) द्वारा संचालित दुनिया के बीच अंतर करने के लिए एक विशिष्ट सेट नियमों पर भरोसा करते आए हैं। शास्त्रीय दुनिया में, चीजों के गुण निश्चित होते हैं चाहे हम उन्हें देखें या नहीं, और घटनाओं की संभावनाओं की गणना साधारण संख्याओं को जोड़कर की जाती है। क्वांटम दुनिया में, चीजें मापे जाने तक संभावनाओं के एक धुंधलेपन (haze) में मौजूद रहती हैं, और संभावनाओं की गणना जटिल संख्याओं (complex numbers) का उपयोग करके की जाती है जो एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) कर सकती हैं, जिससे ऐसे पैटर्न बनते हैं जो शास्त्रीय क्षेत्र में असंभव हैं। किसी प्रणाली को क्वांटम सिद्ध करने का सबसे प्रसिद्ध तरीका दो अलग-अलग गुणों को मापना है जिन्हें एक ही समय में नहीं जाना जा सकता, जिसे 'बेल टेस्ट' (Bell test) कहा जाता है। हालांकि, यह विधि तब विफल हो जाती है जब हम पूरे ब्रह्मांड को देखते हैं। हम प्रारंभिक ब्रह्मांड को दो अलग-अलग तरीकों से मापने के लिए समय को पीछे नहीं घुमा सकते, और आज जो अवलोकन (observables) हम देख सकते हैं, जैसे कि आकाशगंगाओं का वितरण, वे साधारण, शास्त्रीय संख्याओं की तरह व्यवहार करते हैं। यह एक गहरा रहस्य छोड़ देता है: यदि सभी ब्रह्मांडीय संरचनाओं के बीज क्वांटम उतार-चढ़ाव (quantum fluctuations) से विकसित हुए थे, तो अब हम इसे कैसे सिद्ध कर सकते हैं जब वे उतार-चढ़ाव एक शास्त्रीय दिखने वाले पैटर्न में स्थिर हो चुके हैं?

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के शोधकर्ताओं के एक दल ने यह सुझाव देकर इस पहेली को सुलझाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है कि हम केवल इस बात पर नहीं देखते कि हम क्या मापते हैं, बल्कि इस पर देखते हैं कि वे माप समय के साथ कैसे बदलते हैं। उनका सुझाव है कि एक प्रणाली के विकास का इतिहास एक फिंगरप्रिंट रखता है जो क्वांटम मूल को शास्त्रीय मूल से अलग करता है, भले ही अंतिम परिणाम समान दिखें। उनका कार्य एक प्रणाली के विभिन्न हिस्सों के बीच सांख्यिकीय सहसंबंधों (statistical correlations) पर केंद्रित है। एक शास्त्रीय प्रणाली में, यदि आप यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के साथ शुरू करते हैं और उन्हें विकसित होने देते हैं, तो प्रणाली के विभिन्न हिस्सों के बीच संबंध अंततः फीके पड़ जाते हैं क्योंकि गति की विभिन्न आवृत्तियाँ एक-दूसरे के साथ तालमेल खो देती हैं, जिसे 'डीफेजिंग' (dephasing) कहा जाता है। हालांकि, एक क्वांटम प्रणाली में, वैक्यूम स्टेट (vacuum state)—संभव सबसे कम ऊर्जा अवस्था—अलग तरह से व्यवहार करती है। भले ही प्रणाली अपनी सबसे शांत अवस्था में हो, क्वांटम नियम कुछ ऐसे सहसंबंधों के अस्तित्व को अनिवार्य बनाते हैं जो समय से पूरी तरह स्वतंत्र होते हैं। शोधकर्ता दिखाते हैं कि यदि आप एक शास्त्रीसीय प्रणाली को इन क्वांटम सहसंबंधों की नकल करने के लिए मजबूर करने की कोशिश करते हैं, तो जब गति की आवृत्तियाँ पूरी तरह से एक सीध में आती हैं, तो वह अनिवार्य रूप से एक विशिष्ट प्रकार की अस्थिरता विकसित करेगी, जिसे 'रेजोनेंस' (resonance) नामक स्थिति कहा जाता है।

इसे प्रदर्शित करने के लिए, लेखकों ने चुंबकीय क्षेत्रों में रखे गए सरल घूमते हुए पिंडों, जैसे कि छोटे चुंबकों, का उपयोग करके एक सैद्धांतिक मॉडल बनाया। इस मॉडल के क्वांटम संस्करण में, स्पिन को उनकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था में रखा गया है। जब शोधकर्ताओं ने एक ऐसा संपर्क (interaction) पेश किया जिसने स्पिन को एक-दूसरे को प्रभावित करने की अनुमति दी, तो उनके बीच के सांख्यिकीय संबंध स्थिर और अपरिवर्तित रहे, जो केवल ग्राउंड स्टेट और उत्तेजित अवस्थाओं के बीच के ऊर्जा अंतराल द्वारा निर्धारित थे। शास्त्रीय संस्करण में, स्पिन लगातार घूम रहे हैं, जैसे लट्टू की तरह प्रीसेसन (precession) कर रहे हों। क्वांटम सांख्यिकी से मेल खाने के लिए, शोधकर्ताओं को यह मानना पड़ा कि स्पिन यादृच्छिक चरणों (random phases) के साथ शुरू हुए थे। जब उन्होंने शास्त्रीय स्पिनों में वही संपर्क पेश किया, तो प्रणाली अलग तरह से व्यवहार करती है। शुरुआत में, सहसंबंध बढ़े, लेकिन जैसे-जैसे समय बीता, स्पिन की यादृच्छिक गति के अंतर के कारण संबंध धुंधले होकर क्षय (decay) होने लगे। सबसे उल्लेखनीय अंतर तब दिखाई दिया जब शोधकर्ताओं ने प्रणाली को एक रेजोनेंस पर ट्यून किया, जहाँ एक स्पिन की आवृत्ति अन्य स्पिनों की संयुक्त आवृत्तियों से मेल खाती है। शास्त्रीय दुनिया में, इस रेजोनेंस के कारण सहसंबंधों में अचानक उछाल आया और फिर जैसे ही प्रणाली ने अपनी सुसंगतता (coherence) खो दी, वे तेजी से क्षय हो गए। क्वांटम दुनिया में, ग्राउंड स्टेट स्थिर रही, और सहसंबंधों ने इस रेजोनेंट क्षय को प्रदर्शित नहीं किया।

शोधकर्ताओं ने इस निष्कर्ष को सामान्यीकृत करते हुए दिखाया कि यह केवल साधारण घूमते हुए चुंबकों की एक विचित्रता नहीं है, बल्कि यह कि क्वांटम और शास्त्रीय प्रणालियाँ कैसे विकसित होती हैं, इसका एक मौलिक लक्षण है। उन्होंने पाया कि शास्त्रीय प्रणालियाँ, अंतःक्रियाओं द्वारा विकृत होने पर, अनिवार्य रूप से एक "रेजोनेंट हैमिल्टोनियन" (resonant Hamiltonian) विकसित करती हैं, जो ऊर्जा के प्रवाह का एक गणितीय विवरण है जब उनकी आवृत्तियाँ संरेखित होती हैं। यह प्रवाह एक समय-निर्भर व्यवहार की ओर ले जाता है जो प्रारंभिक स्थितियों की यादृच्छिक प्रकृति के कारण अंततः शून्य तक औसत हो जाता है। इसके विपरीत, क्वांटम प्रणालियों में उनके ग्राउंड स्टेट में यह रेजोनेंट फ्लो नहीं होता है क्योंकि वैक्यूम एक अद्वितीय, स्थिर अवस्था है जिसे ऊर्जा जोड़े बिना उत्तेजित नहीं किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह अंतर एक ऐसे परीक्षण की अनुमति देता है जिसमें गैर-कम्यूटिंग चरों (non-commuting variables) को मापने या ब्रह्मांड को पीछे घुमाने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, आप बस समय के साथ विकसित होने वाली प्रणाली में सहसंबंधों के पैटर्न को देख सकते हैं। यदि प्रणाली शास्त्रीय है, तो सहसंबंधों में एक रेजोनेंट चरण से गुजरने के संकेत मिलेंगे, और अंततः वे क्षय होंगे। यदि प्रणाली क्वांटम है, तो सहसंबंध समय-स्वतंत्र रहेंगे और उसी क्षय पैटर्न को प्रदर्शित नहीं करेंगे।

यह दृष्टिकोण एक ऐसे ब्रह्मांड और एक ऐसे ब्रह्मांड के बीच अंतर करने का एक तरीका प्रदान करता है जो क्वांटम उतार-चढ़ाव के साथ शुरू हुआ था और जो शास्त्रीय उतार-चढ़ाव के साथ शुरू हुआ था, एक ऐसा प्रश्न जिसने लंबे समय से ब्रह्मांड विज्ञानियों को परेशान किया है। जबकि अन्य परीक्षण मौजूद हैं, जैसे कि प्रकाश के विशिष्ट शोर पैटर्न को देखना या प्रायिकता वितरण में नकारात्मक मानों की जांच करना, उन विधियों के लिए अक्सर विशिष्ट स्थितियों की आवश्यकता होती है या वे तब विफल हो जाती हैं जब प्रणाली को केवल एक तरीके से देखा जाता है। प्रस्तावित विधि स्वयं समय विकास की संरचना पर निर्भर करती है। लेखक तर्क देते हैं कि एक शास्त्रीय प्रणाली के सहसंबंधों में कुछ 'पोल्स' (poles), या गणितीय विलक्षणताओं (singularities) की उपस्थिति, इस बात का संकेत है कि प्रणाली एक रेजोनेंट इंटरैक्शन से गुजर रही है जिसका अनुभव क्वांटम वैक्यूम नहीं करता है। यह विश्लेषण करके कि ये सहसंबंध विकसित होते समय कैसे व्यवहार करते हैं, एक बल के सटीक विवरण को जाने बिना अंतर्निहित भौतिकी की प्रकृति का अनुमान लगाया जा सकता है।

यह अध्ययन क्वांटम कंप्यूटरों में देखे जाने वाले गति लाभ जैसे ज्ञात क्वांटम घटनाओं के संदर्भ में भी इस नए परीक्षण को रखता है। जबकि क्वांटम कंप्यूटर कुछ समस्याओं को शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में तेजी से हल कर सकते हैं, शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह गति अक्सर विशिष्ट एल्गोरिदम पर निर्भर करती है और हमेशा उनके प्रस्तावित सहसंबंध परीक्षण की तरह क्वांटम विकास का सीधा, मॉडल-स्वतंत्र परीक्षण प्रदान नहीं करती है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि उनका काम क्वांटम ब्रह्मांड के रहस्य को सुलझाने का दावा नहीं करता है, बल्कि यह जांचने के लिए एक नया, सामान्यीकृत उपकरण प्रदान करता है। परिणाम बताते हैं कि क्वांटम और शास्त्रीय विकास के बीच का अंतर केवल पैमाने या जटिलता का मामला नहीं है, बल्कि यह कि प्रायिकता और समय कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसका एक मौलिक अंतर है। समय बीतने के सांख्यिकीय पैटर्न पर ध्यान केंद्रित करके, वैज्ञानिक अंततः ब्रह्मांड की क्वांटम उत्पत्ति के इतिहास को पढ़ सकेंगे, भले ही साक्ष्य लंबे समय से शास्त्रीय स्वरूप में स्थिर हो चुके हों।

इस कार्य के निहितार्थ ब्रह्मांड विज्ञान से परे भी विस्तृत हैं। उन्हीं सिद्धांतों को किसी भी बंद प्रणाली (closed system) पर लागू किया जा सकता है जहाँ क्वांटम यांत्रिकी की भूमिका होने की उम्मीद है लेकिन जहाँ गैर-कम्यूटिंग चरों का प्रत्यक्ष मापन असंभव है। चाहे वह प्रारंभिक ब्रह्मांड में पदार्थ का व्यवहार हो या जटिल क्वांटम सामग्रियों की गतिशीलता, समय-निर्भर सहसंबंधों के आधार पर क्वांटम और शास्त्रीय विकास के बीच अंतर करने की क्षमता आगे बढ़ने का एक नया मार्ग प्रदान करती है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि वास्तविकता की क्वांटम प्रकृति को समझने की चुनौती अपार बनी हुई है, समय विकास की संरचना स्वयं इसे अनलॉक करने की कुंजी हो सकती है। सहसंबंधों के बढ़ने, घटने और गूँजने (resonate) के तरीके को देखकर, हम पा सकते हैं कि ब्रह्मांड अपने क्वांटम जन्म के हस्ताक्षर को अपने सांख्यिकीय इतिहास के ताने-बाने में छोड़ देता है।