Disordered hyperuniform modulated phases and the cosmic web from one free energy
यह शोध पत्र एक पैरामीटर-मुक्त मुक्त-ऊर्जा फलन (free-energy functional) प्रस्तुत करता है जो सॉफ्ट मैटर में अव्यवस्थित हाइपरयूनिफॉर्म लैबिरिंथ संरचनाओं और एक विस्तार होते ब्रह्मांड में कॉस्मिक वेब के निर्माण को एकीकृत करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि दोनों परिघटनाएं एक ही अंतर्निहित भौतिकी से उत्पन्न होती हैं जहाँ लंबी-तरंग दैर्ध्य के उतार-चढ़ाव गतिकी द्वारा उत्पन्न होने के बजाय प्रारंभिक स्थितियों से विरासत में प्राप्त होते हैं।
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ब्रह्मांड ऐसे पैटर्न से भरा हुआ है जो सरल स्पष्टीकरण को चुनौती देते हुए प्रतीत होते हैं। सूक्ष्म स्तरों पर, कांच या एक जीवित पत्ते की कोशिकाओं जैसी सामग्रियों के भीतर, पदार्थ अक्सर इस तरह व्यवस्थित होता है जो अव्यवस्थित दिखता है लेकिन उसमें एक छिपा हुआ, गहरा क्रम होता है। वैज्ञानिक इसे "डिसऑर्डर्ड हाइपरयूनिफॉर्मिटी" (disordered hyperuniformity) कहते हैं, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ पदार्थ तरल की तरह बिखरा हुआ होता है लेकिन यह उन बड़े पैमाने के उतार-चढ़ाव और गुच्छों को दबा देता है जो आमतौर पर ऐसे बिखराव में दिखाई देते हैं। यह गुण मंगल ग्रह पर रेत के ढेर बनने के तरीके से लेकर पक्षियों की आंखों में प्रकाश-संवेदनशील कोशिकाओं की व्यवस्था तक, हर चीज़ में पाया जाता है। सबसे बड़े पैमानों पर, स्वयं ब्रह्मांड भी एक समान, विशाल वास्तुकला प्रदर्शित करता है: तंतुओं (filaments) का एक कॉस्मिक वेब और गैलेक्सियों के घने पिंड, जो विशाल, खाली शून्य (voids) द्वारा अलग किए गए हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने इन दो दुनियाओं को—कोमल सामग्रियों की सूक्ष्म दुनिया और गुरुत्वाकर्षण की मैक्रोस्कोपिक दुनिया को—पूरी तरह से अलग क्षेत्रों के रूप में माना है, जो अलग-अलग नियमों द्वारा शासित हैं और अलग-अलग समुदायों द्वारा अध्ययन की जाती हैं। एक परमाणु की थर्मल हलचल (thermal jiggling) से संचालित होती है, जबकि दूसरा अरबों वर्षों में गुरुत्वाकर्षण के निरंतर खिंचाव से आकार लेता है।
एक नया अध्ययन इस अलगाव को चुनौती देते हुए प्रस्तावित करता है कि ये दो बेहद भिन्न संरचनाएं एक ही, एकीकृत स्रोत से उत्पन्न हो सकती हैं। शोधकर्ताओं ने, यह समझने के लिए कि पदार्थ खुद को कैसे व्यवस्थित करता है, एक गणितीय मॉडल के साथ काम करते हुए एक सरल प्रश्न पूछा: क्या वे समान अंतर्निहित ऊर्जा नियम जो कोमल सामग्रियों के जटिल भूलभुलैया (labyrinths) बनाते हैं, वही कॉस्मिक वेब भी उत्पन्न कर सकते हैं, यह केवल इस पर निर्भर करता है कि सिस्टम कैसे चलता है? उन्होंने एक सैद्धांतिक ढांचा तैयार किया जो पदार्थ को व्यक्तिगत कणों को ट्रैक करने के बजाय, पूरे पदार्थ के घनत्व (density) को देखकर वर्णित करता है। इस ढांचे में दो प्रतिस्पर्धी बल शामिल हैं: एक जो पदार्थ को एक निश्चित आकार पर एक विशिष्ट, दोहराव वाले पैटर्न बनाने के लिए प्रोत्साहित करता है, और दूसरा जो गुरुत्वाकर्षण के दीर्घ-रेंज खिंचाव की नकल करता है, जो विशाल दूरियों पर पदार्थ को एक साथ खींचने की कोशिश करता है। इस मॉडल को चरम सीमाओं तक धकेलने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, टीम ने पाया कि समान नियमों का सेट दोनों—सूक्ष्म भूलभ dilihat और कॉस्मिक वेब—को बना सकता है, बस इस बात को बदलकर कि पदार्थ कितनी गति से प्रतिक्रिया करता है।
पहले परिदृश्य में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम सिम्युलेट किया जहाँ पदार्थ धीरे और सुस्त गति से चलता है, जैसे कि एक गाढ़ा तरल जहाँ घर्षण (friction) हावी होता है। इस "ओवरडैम्प्ड" (overdamped) अवस्था में, पदार्थ गति नहीं बना सकता; यह बस निकटतम स्थिर व्यवस्था में व्यवस्थित हो जाता है। इन परिस्थितियों में, पैटर्न बनाने वाले बल और गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव के बीच का संघर्ष एक जमी हुई, निरंतर (bicontinuous) भूलभुलैया का परिणाम होता है। यह संरचना एक स्पंज या एक भूलभुलैया की तरह दिखती है, जिसमें पदार्थ और खाली स्थान के दो आपस में जुड़े हुए नेटवर्क होते हैं जो पूरी तरह से संतुलित होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अवस्था डिसऑर्डर्ड हाइपरयूनिफॉर्मिटी का एक विशिष्ट प्रकार है, जिसे क्लास III स्टेट (Class III state) कहा जाता है, जो ठीक उसी तरह का क्रम है जैसा कि सीमित तरल पदार्थों और ब्लॉक कोपोलिमर्स (block copolymers) में देखा जाता है। महत्वपूर्ण रूप से, इस भूलभुलैया की बड़े पैमाने की चिकनाई (smoothness) पदार्थ की गति से नहीं बनाई गई थी। इसके बजाय, सिमुलेशन ने दिखाया कि सिस्टम ने उस चिकनाई को संरक्षित किया जो उसके पास शुरू में थी। यदि प्रारंभिक पदार्थ बड़े पैमाने पर चिकना था, तो अंतिम जमी हुई भूलभुलैया चिकनी ही रही, चाहे छोटे पैमाने के पैटर्न कैसे भी विकसित हुए हों। सिस्टम की गतिशीलता (dynamics) एक फिल्टर की तरह कार्य करती थी, जिसने बड़े पैमाने की विशेषताओं को स्थिर कर दिया जबकि छोटे पैमाने की संरचनाओं को विकसित होने दिया।
दूसरे परिदृश्य में, शोधकर्ताओं ने नियमों को बदल दिया ताकि एक ऐसा सिस्टम सिम्युलेट किया जा सके जहाँ जड़त्व (inertia) मायने रखता है, जैसे कि प्रारंभिक ब्रह्मांड जहाँ पदार्थ गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में स्वतंत्र रूप से उड़ता है। यहाँ, पदार्थ घर्षण द्वारा धीमा नहीं होता है; यह त्वरित होता है और संवेग (momentum) बनाता है। जब टीम ने इन्हीं ऊर्जा नियमों को लागू करने के लिए इस "इनर्शियल" (inertial) डायनेमिक्स का उपयोग किया, तो परिणाम एक कॉस्मिक वेब था। सिमुलेशन ने तंतुओं (filaments) और घने नोड्स (nodes) का एक नेटवर्क बनाया जो विशाल शून्य (voids) से अलग थे, जो हमारे अपने ब्रह्मांड में गैलेक्सियों के वितरण के आश्चर्यजनक रूप से समान था। शोधकर्ताओं ने अपने सिमुलेशन की तुलना केवल गुरुत्वाकर्षण द्वारा संचालित ब्रह्मांड से करके इसका परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि वेब का 'टाइडल स्केलेटन' (tidal skeleton)—जिस तरह से पदार्थ शीट, तंतुओं और नोड्स में ढहता है—प्रत्येक रूपात्मक श्रेणी (morphological category) में 0.03 की सटीकता के भीतर गुरुत्वाकर्षण-मात्र भविष्यवाणी से मेल खाता है। एकमात्र अंतर यह था कि उनके मॉडल में व्यवस्था करने वाला बल (ordering force) पदार्थ को अनंत रूप से घने बिंदुओं में दबने से रोकता था, जिससे घनत्व के अंतर को एक विशिष्ट सीमा तक सीमित कर दिया गया। यह सुझाव देता है कि कॉस्मिक वेब की बड़े पैमाने की संरचना मजबूत है और केवल गुरुत्वाकर्षण के अलावा नियमों के एक व्यापक सेट द्वारा भी उत्पन्न की जा सकती है।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह है कि ये दो दुनियाएँ कैसे जुड़ती हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सूक्ष्म भूलभुलैया से कॉस्मिक वेब में संक्रमण निरंतर (continuous) है। पदार्थ की "कठोरता" (stiffness) या दबाव का प्रतिनिधित्व करने वाले एक एकल पैरामीटर को समायोजित करके, वे सिस्टम को एक अवस्था से दूसरी अवस्था में स्लाइड कर सके। कॉस्मिक वेब सिमुलेशन में, उन्होंने पाया कि व्यवस्था करने वाला बल, जो छोटे पैमाने की बनावट बनाता है, सबसे बड़े पैमाने पर एक सूक्ष्म लेकिन मापने योग्य छाप छोड़ता है। जैसे-जैसे पदार्थ इकट्ठा होता है, व्यवस्था करने वाला पद (ordering term) एक प्रकार का अवशिष्ट दबाव (residual pressure) उत्पन्न करता है जो बहुत बड़े संरचनाओं के विकास को थोड़ा कम कर देता है। यह दमन सुचारू और अनुमानित है, जो समग्र स्पेक्ट्रम के स्वरूप को विकृत किए बिना बड़े पैमाने पर एक हल्के ब्रेक की तरह कार्य करता है। हालाँकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने मॉडल को "कोल्ड मैटर" (cold matter) की सीमा की ओर धकेला—जहाँ पदार्थ में कोई आंतरिक दबाव नहीं होता—यह अवशिष्ट प्रभाव गायब हो गया। इस सीमा में, सिमुलेशन ने दिखाया कि ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की चिकनाई 1363 के ग्रोथ फैक्टर पर 1 प्रतिशत से बेहतर सटीकता के साथ गुरुत्वाकर्षण के विकास का अनुसरण करती है। इसका अर्थ है कि ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की चिकनाई एक नाजुक दुर्घटना नहीं है, बल्कि एक मजबूत विरासत है, जो ब्रह्मांड के विस्तार और पतन के बावजूद सुरक्षित रहती है।
अध्ययन ने ब्रह्मांड में व्यवस्था की उत्पत्ति के बारे में एक मौलिक प्रश्न को भी स्पष्ट किया। लंबे समय से, इस बात पर बहस होती रही थी कि कॉस्मिक वेब की चिकनाई गुरुत्वाकर्षण और पदार्थ के जटिल, गैर-रेखीय नृत्य का परिणाम थी, या यह केवल उन चिकनी स्थितियों की स्मृति थी जो शुरुआत में मौजूद थीं। सिमुलेशन ने एक निर्णायक उत्तर प्रदान किया: बड़े पैमाने की चिकनाई विरासत में मिली है। शोधकर्ताओं ने समान छोटे पैमाने की संरचनाओं लेकिन अलग-अलग बड़े पैमाने की चिकनाई के साथ दो सेट सिमुलेशन चलाए। धीमे, घर्षण-प्रधान सीमा में, सिस्टम ने शुरुआती बिंदु की बड़े पैमाने की चिकनाई को स्थिर कर दिया। तेज़, गुरुत्वाकर्षण-प्रधान सीमा में, सिस्टम ने उस शुरुआती चिकनाई को उसके चरित्र को बदले बिना प्रवर्धित (amplify) किया। ब्रह्मांड की गतिशीलता ने चिकनाई का निर्माण नहीं किया; इसने केवल जो पहले से मौजूद था उसे संरक्षित और प्रवर्धित किया। यह निष्कर्ष बताता है कि लंबे तरंग दैर्ध्य (long-wavelength) के उतार-चढ़ाव का असामान्य दमन, जो डिसऑर्डर्ड हाइपरयूनिफॉर्मिटी को परिभाषित करता है, आवश्यक रूप से एक पूर्ण संतुलन या किसी विशिष्ट व्यवस्था तंत्र का संकेत नहीं है। इसके बजाय, यह स्वाभाविक रूप से इस परिणाम के रूप में उभर सकता है कि एक सिस्टम अपनी प्रारंभिक अवस्था से कैसे विकसित होता है, चाहे वह प्रयोगशाला में एक कोमल पदार्थ हो या संपूर्ण ब्रह्मांड।
इस कार्य के निहितार्थ केवल ब्रह्मांड के आकार को समझाने तक ही सीमित नहीं हैं। यह दिखाते हुए कि एक एकल फ्री एनर्जी फंक्शनल (free energy functional) को सॉफ्ट मैटर की सूक्ष्म दुनिया और कॉस्मिक विज्ञान (cosmology) की मैक्रोस्कोपिक दुनिया, दोनों का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने दो ऐसे क्षेत्रों के लिए एक साझा भाषा प्रदान की है जो शायद ही कभी एक-दूसरे से बात करते हैं। मॉडल यह प्रदर्शित करता है कि समान गणितीय सिद्धांत जो पॉलीमर मेल्ट में भूलभुलैया के निर्माण को नियंत्रित करते हैं, वही कॉस्मिक वेब के निर्माण को भी नियंत्रित कर सकते हैं। यह एकीकरण यह सुझाव देता है कि डिसऑर्डर्ड सिस्टम में पाया जाने वाला गहरा क्रम प्रकृति की एक सार्वभौमिक विशेषता है, जो स्थानीय व्यवस्था बलों और दीर्घ-रेंज इंटरैक्शन के बीच परस्पर क्रिया से उत्पन्न होती है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने ब्रह्मांड के हर रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन यह एक शक्तिशाली नया दृष्टिकोण प्रदान करता है: कि ब्रह्मांड और वे सामग्रियां जिन्हें हम छूते हैं, एक ही अंतर्निहित भौतिक नियमों की अलग-अलग अभिव्यक्तियाँ हैं, जो केवल उनके चलने की गति और जिस पैमाने पर हम उन्हें देखते हैं, उससे अलग होती हैं। इन सैद्धांतिक नियमों पर आधारित पूरी तरह से कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त परिणाम, सूक्ष्म और ब्रह्मांडीय के बीच एक ठोस सेतु प्रदान करते हैं, यह दिखाते हुए कि ब्रह्मांड की भव्य वास्तुकला पदार्थ के सबसे छोटे पैटर्न के समान आधार पर निर्मित है।
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