Complementarity Test with Unmeasured, Permanently Inaccessible Path Markers
यह शोध पत्र उलझे हुए इडलर फोटॉनों को स्थायी रूप से अगम्य शून्य प्रक्षेप पथों पर प्रक्षेपित करके—जहाँ वे अपरिमेय और सिग्नल से कारणिक रूप से विच्छेदित रहते हैं—पूरकता परीक्षणों में कोलैप्स-लोकैलिटी लूपहोल को संबोधित करता है कि इससे व्यतिकरण (इंटरफेरेंस) की कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण बहाली नहीं होती है, जिससे यह पुष्टि होती है कि केवल पथ की जानकारी ही बिना किसी कारणिक मापन के तरंग-समान व्यवहार को नष्ट नहीं करती है।
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क्वांटम दुनिया में, वास्तविकता के नियम अक्सर एक एकल, विरोधाभासी प्रश्न पर टिके होते हैं: क्या एक कण को पता है कि उसने कौन सा रास्ता लिया था? जब एक फोटॉन, जो प्रकाश का एक छोटा सा पैकेट है, दो संभावित मार्गों वाले एक उपकरण से होकर गुजरता है, तो वह एक तरंग की तरह व्यवहार करता है, फैल जाता है और स्वयं के साथ हस्तक्षेप (interfere) करके चमकीली और अंधेरी पट्टियों का एक पैटर्न बनाता है। यह तरंग-जैसा व्यवहार क्वांटम यांत्रिकी का केंद्र है। हालाँकि, यदि कोई भी ऐसी जानकारी मौजूद है जो यह प्रकट कर सके कि फोटॉन ने वास्तव में किस विशिष्ट मार्ग को चुना था, तो वह तरंग-जैसा पैटर्न गायब हो जाता है, और कण एक ठोस वस्तु की तरह व्यवहार करता है, जो केवल एक ही पथ लेता है। पूरकता (complementarity) के रूप में ज्ञात यह सिद्धांत बताता है कि ब्रह्मांड हमें एक ही समय में प्रकाश की तरंग प्रकृति और कण प्रकृति दोनों को देखने से रोकता है। दशकों तक, भौतिकविदों ने इस विचार का परीक्षण किया है, लेकिन एक सूक्ष्म संदेह बना रहा। प्रत्येक पिछले प्रयोग में, फोटॉन के पथ को रिकॉर्ड करने वाला "मार्कर" अंततः किसी डिटेक्टर या वातावरण द्वारा पकड़ा, मापा या अवशोषित किया गया था। भले ही वह माप बाद में हुआ हो, जानकारी वास्तव में कभी खोई नहीं थी; वह भौतिक दुनिया की पहुंच में बनी रही। इसने एक खामी को खुला छोड़ दिया: शायद ब्रह्मांड केवल तब तरंग पैटर्न को नष्ट करने का निर्णय लेता है जब पथ की जानकारी वास्तव में कहीं दर्ज की जाती है, न कि केवल सिद्धांत के रूप में मौजूद होने पर।
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस खामी को एक ऐसे प्रयोग के साथ बंद कर दिया है जो पथ की जानकारी को हमेशा के लिए दूर भेज देता है। उन्होंने उलझे हुए (entangled) फोटॉन के जोड़े बनाए, जहाँ एक फोटॉन, जिसे 'सिग्नल' कहा जाता है, एक इंटरफेरोमीटर के भीतर रहा ताकि एक हस्तक्षेप पैटर्न बना सके, जबकि उसका साथी, 'इडलर', इस बात का एकमात्र रिकॉर्ड लेकर चला कि सिग्नल ने कौन सा पथ चुना था। इडलर को पकड़ने के बजाय, शोधकर्ताओं ने उसे छत से ऊपर की ओर प्रक्षेपित कर दिया, जिससे वह सीधे ब्रह्मांड में एक प्रक्षेपवक्र (trajectory) पर निकल गया। उन्होंने गणना की कि इन प्रक्षेपित फोटॉनों में से 73 से 82 प्रतिशत हमेशा यात्रा करेंगे और कभी भी किसी धूल के कण, गैस के बादल या डिटेक्टर से नहीं टकराएंगे। इन विशिष्ट फोटॉनों के लिए, पथ का रिकॉर्ड अनमापा और स्थायी रूप से अप्राप्य रहेगा, जो प्रकाश की गति से प्रयोगशाला से दूर बहता जाएगा। यदि वेव फंक्शन का पतन (collapse) इस बात पर निर्भर करता कि पथ की जानकारी वास्तव में कहीं दर्ज की गई है, तो सिग्नल फोटॉन का हस्तक्षेप पैटर्न बदल जाना चाहिए था जब उसके साथी को भेज दिया गया था। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने डेटा का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि इसमें कोई परिवर्तन नहीं हुआ। सिग्नल फोटॉन तरंगों की तरह व्यवहार करते रहे, इस तथ्य से पूरी तरह अप्रभावित कि उनके साथी ब्रह्मांड में विलीन हो रहे थे।
यह प्रयोग एक लेजर के सटीक सेटअप पर आधारित था जिसने उलझे हुए फोटॉन जोड़े उत्पन्न किए और दर्पणों तथा फाइबर की एक जटिल प्रणाली का उपयोग किया। सिग्नल फोटॉन एक डिले लाइन और एक मैक-ज़ेंडर इंटरफेरोमीटर (Mach–Zehnder interferometer) में गया, जो प्रकाश को दो पथों में विभाजित करता है और फिर उन्हें पुन: संयोजित करता है। इडलर फोटॉन एक अलग फाइबर के माध्यम से छत के स्टेशन तक गया। यहाँ, शोधकर्ता इडलर को पकड़ने, पथ की जानकारी मिटाने, या उसे आकाश में लॉन्च करने का विकल्प चुन सकते थे। महत्वपूर्ण परीक्षणों में, इडलर को ऊपर की ओर लॉन्च किया गया था। टीम ने वायुमंडल, मिल्की वे गैलेक्सी और गैलेक्सी के बीच के विशाल शून्य के माध्यम से इन फोटॉनों की यात्रा का मॉडल तैयार किया। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि इन फोटॉनों में से अधिकांश की यात्रा निर्बाध होगी। वे बिखरेंगे नहीं, अवशोषित नहीं होंगे, या वातावरण में कोई निशान नहीं छोड़ेंगे। इसका अर्थ था कि इन जीवित बचे फोटॉनों के लिए, पथ की जानकारी क्वांटम अवस्था में तो थी लेकिन कभी भी एक भौतिक रिकॉर्ड नहीं बनी।
शोधकर्ताओं ने सिग्नल फोटॉनों की निगरानी की कि क्या लॉन्च ने उनके व्यवहार को बदला है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के हस्तक्षेप फ्रिंज (interference fringe) की तलाश की जो तब दिखाई देता यदि पथ की जानकारी किसी तरह "खो" गई होती जिससे तरंग पैटर्न बहाल हो जाता। छह घंटे तक डेटा एकत्र करने और लाखों डिटेक्शन घटनाओं का विश्लेषण करने के बाद, उन्होंने पाया कि कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं हुआ। सिग्नल फोटॉन ठीक वैसा ही व्यवहार करते रहे जैसा कि मानक क्वांटम सिद्धांत भविष्यवाणी करता है, चाहे उनके साथी को मापा गया हो या भेज दिया गया हो। टीम ने गणना की कि यदि लॉन्च-प्रेरित परिवर्तन हुआ होता, तो वह उच्च विश्वास के साथ दिखाई देता। इसके बजाय, ऐसे किसी भी प्रभाव की ऊपरी सीमा उस अपेक्षा के 16 प्रतिशत से भी कम थी कि तरंग पैटर्न पूरी तरह से वापस आ जाएगा। यह परिणाम पुष्टि करता है कि पथ जानने की केवल संभावना ही हस्तक्षेप को नष्ट करने के लिए पर्याप्त नहीं है; बल्कि, हस्तक्षेप तब तक बना रहता है जब तक कि पथ की जानकारी अनमापी और अप्राप्य रहती है।
यह खोज इस बारे में लंबे समय से चल रही बहस को संबोधित करती है कि कब और कैसे क्वांटम सिस्टम संभावनाओं के धुंधले सुपरपोजिशन से एक निश्चित वास्तविकता में संक्रमण करते हैं। कुछ सिद्धांतों ने सुझाव दिया था कि ब्रह्मांड तब तक प्रतीक्षा कर सकता है जब तक कि एक रिकॉर्ड बन न जाए, भले ही वह रिकॉर्ड भविष्य में बने या किसी दूरस्थ घटना द्वारा बने। यह सुनिश्चित करके कि पथ मार्कर को ऐसी जगह भेजा गया जहाँ कोई भविष्य की घटना उस तक कभी नहीं पहुँच सकती, शोधकर्ताओं ने इस विचार की सीमाओं का परीक्षण किया। यह तथ्य कि हस्तक्षेप पैटर्न अपरिवर्तित रहा, यह दर्शाता है कि क्वांटम अवस्था मापन के लिए प्रतीक्षा नहीं करती है। इसके बजाय, तरंग-जैसा व्यवहार उलझे हुए जोड़े की संयुक्त अवस्था द्वारा निर्धारित होता है, और यदि मार्कर अनमापा और अपलभ्य रहता है, तो हस्तक्षेप बना रहता है। यह प्रयोग यह सिद्ध नहीं करता है कि ब्रह्मांड नियतत्ववादी (deterministic) है या छिपे हुए चर (hidden variables) मौजूद नहीं हैं, लेकिन यह उन सिद्धांतों के एक विशिष्ट वर्ग को खारिज करता है जहाँ वेव फंक्शन का पतन पथ की जानकारी की कारण संबंधी सुलभता (causal accessibility) पर निर्भर करता है।
इस कार्य का महत्व सूचना को एनकोड करने के कार्य को उसे मापने के कार्य से अलग करने की इसकी क्षमता में निहित है। पिछले प्रयोगों में, पथ मार्कर को हमेशा मापा जाता था, भले ही वह मापन सिग्नल के पता लगाए जाने के बाद हुआ हो। इस नए सेटअप ने यह सुनिश्चित किया कि फोटॉनों के एक बड़े हिस्से के लिए, मार्कर को कभी मापा ही नहीं गया। शोधकर्ताओं ने दावा नहीं किया कि उन्होंने कोई नया बल या नया कण देखा है, बल्कि उन्होंने एक मौलिक भविष्यवाणी की पुष्टि की जो पहले कभी परीक्षित नहीं की गई थी। परिणाम यह है कि यह एक शांत लेकिन शक्तिशाली पुष्टि है कि क्वांटम दुनिया उन नियमों के अनुसार संचालित होती है जो दृश्य ब्रह्मांड के किनारे तक धकेले जाने पर भी सुसंगत रहते हैं। आकाश में लॉन्च किए गए फोटॉन अपनी अनमापी रहस्यों को अपने साथ लेकर अपनी यात्रा जारी रखते हैं, जबकि नीचे की प्रयोगशाला अपरिवर्तित रहती है, उसका हस्तक्षेप पैटर्न बरकरार रहता है।
टीम का निष्कर्ष उस डेटा पर आधारित है जो उन्होंने एकत्र किया था, जिसने मानक मॉडल से किसी भी विचलन को नहीं दिखाया। उन्हें इस बात का कोई प्रमाण नहीं मिला कि फोटॉन को लॉन्च करने के कार्य ने सिग्नल को अलग तरह से व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया। उन्होंने किसी भी संभावित प्रभाव पर जो ऊपरी सीमा निर्धारित की थी, वह इतनी छोटी थी कि वह इस विचार को खारिज कर दे कि ब्रह्मांड हस्तक्षेप के भाग्य का निर्णय लेने से पहले एक रिकॉर्ड बनने की प्रतीक्षा करता है। इसका मतलब यह नहीं है कि क्वांटम यांत्रिकी कैसे वास्तविकता से जुड़ती है, इस प्रश्न को पूरी तरह से हल कर दिया गया है, लेकिन यह एक विशिष्ट अनिश्चितता को हटा देता जो क्षेत्र में बनी हुई थी। प्रयोग यह प्रदर्शित करता है कि जब तक पथ की जानकारी वास्तव में ब्रह्मांड के लिए खो जाती है, कण की तरंग प्रकृति बनी रहती है। यह क्वांटम यांत्रिकी की सीमाओं का एक परीक्षण है, और अब तक, सिद्धांत अडिग है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि ब्रह्मांड को नाजुक क्वांटम हस्तक्षेप को बनाए रखने के लिए किसी सचेत पर्यवेक्षक या भौतिक रिकॉर्ड की आवश्यकता नहीं है; इसे केवल यह आवश्यक है कि जानकारी पहुंच से बाहर रहे।
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