White paper: 1-10 Hz matter-wave interferometer to test the spin entanglement witness for quantum gravity
यह श्वेत पत्र तर्क देता है कि क्वांटम ग्रेविटी-इंड्यूस्ड एंटैंगलमेंट ऑफ मैसेस (QGEM) प्रोटोकॉल के लिए आवश्यक निम्न-आवृत्ति शोर दमन को प्राप्त करना एक महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक चुनौती है जो आइंस्टीन टेलीस्कोप और कॉस्मिक एक्सप्लोरर जैसे अगली पीढ़ी के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों के भूकंपीय और गुरुत्वाकर्षण-ग्रेड शोर न्यूनीकरण लक्ष्यों के समानांतर है।
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गुरुत्वाकर्षण वह बल है जिसे हम सबसे निरंतर महसूस करते हैं, फिर भी यह आधुनिक भौतिकी के सबसे जिद्दी रहस्यों में से एक बना हुआ है। जबकि हम समझते हैं कि सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के गणित के माध्यम से गुरुत्वाकर्षण सेबों और ग्रहों को कैसे खींचता है, और हम समझते हैं कि क्वांटम मैकेनिक्स के नियमों के माध्यम से परमाणु और प्रकाश कैसे व्यवहार करते हैं, ये दोनों सिद्धांत एक साथ तालमेल बिठाने से इनकार करते हैं। एक सिद्धांत अंतरिक्ष और समय के एक सुचारू, निरंतर ताने-बाने का वर्णन करता है, जबकि दूसरा डिस्क्रीट (विभक्त), छिटपुट कणों की दुनिया का वर्णन करता है। दशकों से, वैज्ञानिक यह सोचते रहे हैं कि क्या गुरुत्वाकर्षण स्वयं क्वांटम कणों से बना है, या यह कुछ मौलिक रूप से भिन्न है। यदि गुरुत्वाकर्षण क्वांटम है, तो इसमें वह करने की क्षमता होनी चाहिए जो शास्त्रीय (क्लासिकल) बल नहीं कर सकते: यह दो अलग-अलग वस्तुओं को एक रहस्यमय संबंध के माध्यम से एक साथ जोड़ने में सक्षम होना चाहिए जिसे 'एंटैंगलमेंट' (उलझाव) कहा जाता है, जहाँ एक की स्थिति दूसरे को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे दूरी कितनी भी हो। इसे सिद्ध करना एक अत्यंत महत्वपूर्ण कदम होगा, जो बहुत बड़े और बहुत छोटे के बीच के अंतर को पाट देगा, लेकिन इसके लिए एक अत्यंत सूक्ष्म प्रयोग की आवश्यकता है ताकि उस बल की एक हल्की सी आहट को पकड़ा जा सके जो अविश्वसनीय रूप से कमजोर है।
दुनिया भर के भौतिकविदों के एक बड़े समूह ने अब उस आहट को पकड़ने के लिए एक विस्तृत योजना तैयार की है। एक नए श्वेत पत्र (व्हाइट पेपर) में, वे एक विशिष्ट प्रयोग का प्रस्ताव करते हैं जिसे यह परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि क्या गुरुत्वाकर्षण दो सूक्ष्म, भारी वस्तुओं के बीच क्वांटम एंटैंगलमेंट पैदा कर सकता है। विचार यह है कि दो सूक्ष्म हीरे लिए जाएं, जिनमें से प्रत्येक में एक परमाणु स्पिन हो, और उन्हें एक-दूसरे के बहुत करीब रखा जाए। चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके, शोधकर्ता प्रत्येक हीरे को क्वांटम सुपरपोजिशन की स्थिति में डालेंगे, जिसका अर्थ है कि हीरा एक ही समय में दो अलग-अलग स्थानों पर मौजूद है। यदि गुरुत्वाकर्षण एक क्वांटम बल है, तो इन दोनों हीरों के इन ओवरलैपिंग अवस्थाओं में होने की क्रिया उन्हें एक-दूसरे के साथ एंटैंगल्ड करने का कारण बनेगी। एक छोटी अवधि के बाद हीरों के स्पिन को मापकर, टीम देख सकती है कि क्या यह संबंध बना है। यदि ऐसा हुआ, तो यह सिद्ध हो जाएगा कि गुरुत्वाकर्षण केवल एक शास्त्रीय खिंचाव नहीं है, बल्कि एक क्वांटम इंटरेक्शन है जो कणों द्वारा संचालित होता है, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश फोटोन द्वारा संचालित होता है।
यह पत्र यह दावा नहीं करता है कि यह प्रयोग पहले ही किया जा चुका है, बल्कि यह इस बात का मानचित्र तैयार करता है कि इसे सफल बनाने के लिए किन सटीक स्थितियों की आवश्यकता है। शोधकर्ता गणना करते हैं कि इस प्रभाव को देखने के लिए, हीरे लगभग एक छोटे वायरस के आकार के होने चाहिए, जिनका वजन लगभग एक दस-खरबवां ग्राम होगा। उन्हें निर्वात (वैक्यूम) में रखा जाना चाहिए और परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) के करीब ठंडा किया जाना चाहिए ताकि गर्मी इन नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट न कर दे। हीरों को लगभग तीस से पचास माइक्रोमीटर की दूरी पर रखा जाना चाहिए, जो मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है, और उन्हें एक सेकंड के अंश से लेकर पूरे एक सेकंड तक अपनी सुपरपोजिशन अवस्था में रहना होगा। चुनौती केवल सेटअप बनाना नहीं है, बल्कि इसे पूरी तरह से स्थिर रखना है। पृथ्वी लगातार यातायात, समुद्री लहरों और यहाँ तक कि आस-पास के लोगों की हलचल से होने वाले कंपन से हिल रही है। ये सूक्ष्म झटके एक ऐसा बैकग्राउंड शोर पैदा करते हैं जो क्वांटम संबंध के मापे जाने से पहले ही उसे नष्ट कर देगा।
इस समस्या को हल करने के लिए, लेखक टकराते हुए ब्लैक होल से निकलने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने वाले विशाल उपकरणों के साथ एक आश्चर्यजनक समानता खींचते हैं। वे दिखाते हैं कि उनके टेबलटॉप प्रयोग के लिए आवश्यक शांति का स्तर आइंस्टीन टेलीस्कोप और कॉस्मिक एक्सप्लोरर के समान है, जो दो प्रस्तावित भूमिगत वेधशालाएं हैं जिन्हें ब्रह्मांड की सबसे हल्की लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है। छोटा हीरा प्रयोग और विशाल दूरबीन दोनों को एक ही निम्न-आवृत्ति सीमा (वन से दस हर्ट्ज़ के बीच) में काम करना चाहिए, जहाँ पर्यावरणीय शोर सबसे तीव्र होता है। पत्र सुझाव देता है कि विशाल दूरबीनों को भूकंपीय शोर और वायुमंडल के बदलते भार से बचाने के लिए विकसित की जा रही तकनीकों को नन्हे हीरों की सुरक्षा के लिए अपनाया जा सकता है। इसमें प्रायोगिक कक्ष को परिष्कृत आइसोलेशन सिस्टम में लटकाना और कंपन को वास्तविक समय में रद्द करने के लिए उन्नत निगरानी का उपयोग करना शामिल है।
शोधकर्ता सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह एक प्रस्ताव है, कोई पूर्ण खोज नहीं। उन्होंने उन विशिष्ट बाधाओं की पहचान की है जिन्हें पार करना आवश्यक है, विशेष रूप रूप से एक मानक प्रयोगशाला में वर्तमान में संभव स्तर से बहुत नीचे 'रिलेटिव एक्सीलरेशन नॉइज़' को कम करने की आवश्यकता। वे अनुमान लगाते हैं कि हीरों का उनके कंटेनर के सापेक्ष त्वरण को एक विशिष्ट सीमा से नीचे रखा जाना चाहिए, जो लगभग एक क्वाड्रिलियनवां मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ है, ताकि क्वांटम सिग्नल को शोर में दबने से बचाया जा सके। हालांकि यह एक असंभव मानक लग सकता है, पत्र तर्क देता है कि यदि हम अगली पीढ़ी के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों से शोर-नियंत्रण रणनीतियों को उधार लेते हैं, तो यह संभव की सीमा के भीतर है। यह कार्य एक रोडमैप के रूप में कार्य करता है, यह दर्शाता है कि गुरुत्वाकर्षण की क्वांटम प्रकृति को सिद्ध करने का मार्ग सिद्धांत की कमी से नहीं, बल्कि एक पर्याप्त शांत वातावरण बनाने की अत्यधिक कठिनाई से बाधित है। यदि सफल रहा, तो ऐसा प्रयोग अंततः पुष्टि करेगा कि गुरुत्वाकर्षण, ब्रह्मांड की अन्य सभी चीजों की तरह, क्वांटम टुकड़ों से बना है।
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