Bell's go theorem: regaining local causality with a new notion of realism

क्वांटम भौतिकी के केंद्र में एक ऐसी पहेली है जिसने दशकों से वैज्ञानिकों को परेशान कर रखा है: कैसे दो कण, विशाल दूरियों पर अलग होने के बावजूद, तुरंत यह जान सकते हैं कि दूसरा क्या कर रहा है? यह घटना, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है, हमारे रोजमर्रा के कारण और प्रभाव के अनुभव को चुनौती देती है। वर्षों तक, मानक स्पष्टीकरण यह था कि ब्रह्get को "नॉन-लोकल" (non-local) होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि कणों के बीच उनके व्यवहार को समन्वित करने के लिए कुछ प्रकाश से तेज यात्रा करता है, या ब्रह्get इस तरह से व्यवस्थित है जो इस संबंध को हमसे छिपाए रखता है। यह निष्कर्ष एक प्रसिद्ध परिणाम से निकलता है जिसे बेल का प्रमेय (Bell's theorem) कहा जाता है, जिसने सुझाव दिया था कि यदि हम यह मान लें कि कणों के पास हमारे द्वारा उन्हें मापने से पहले निश्चित गुण होते हैं (एक अवधारणा जिसे यथार्थवाद या realism कहा जाता है) और कि कुछ भी प्रकाश से तेज यात्रा नहीं करता (स्थानीय कारणता या local causality), तो उनके व्यवहार के आंकड़े एक सख्त सीमा का पालन करेंगे। क्वांटम प्रयोग लगातार इस सीमा को तोड़ते हैं, जिससे भौतिकविदों को एक वास्तविक, स्वतंत्र दुनिया के विचार को छोड़ने या यह स्वीकार करने के बीच चयन करने के लिए मजबूर होना पड़ता है कि प्रकृति डरावने, प्रकाश से तेज प्रभावों की अनुमति देती है।

लोरेंजो कैटानी, नेस्टा वैन डेर शाफ़, और रुई सोरेस बारबोसा द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस दुविधा की नींव को ही चुनौती देता है। वे तर्क देते हैं कि संघर्ष इसलिए नहीं है क्योंकि प्रकृति टूटी हुई है, बल्कि इसलिए है क्योंकि "यथार्थता" (reality) का हमारा गणितीय विवरण बहुत कठोर है। शोधकर्ता एक नया ढांचा प्रस्तावित करते हैं जहाँ ब्रह्get के बुनियादी निर्माण खंड निश्चित, स्वतंत्र बिंदु नहीं हैं जिनके पास हर संभावित प्रश्न के लिए पूर्व-निर्धारित उत्तर हों। इसके बजाय, वे सुझाव देते हैं कि वास्तविकता "रिकॉर्ड्स" (records) से बनी है—संबंधपरक सूचना के टुकड़े जो केवल एक विशिष्ट माप के संदर्भ में अस्तित्व में होते हैं। वास्तविकता का अर्थ क्या है इसे पुनर्व्याख्या करके, वे दिखाते हैं कि यह संभव है कि क्वांटम कणों के अजीब सहसंबंधों को केवल स्थानीय कारणों का उपयोग करके समझाया जा सके, बिना किसी प्रकाश से तेज संकेतों या छिपे हुए षड्यंत्र के। उनका कार्य एक प्रसिद्ध "असंभवता" प्रमाण को "संभावना" प्रमाण में बदल देता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि क्वांटम यांत्रिकी के लिए एक स्थानीय रूप से कारण स्पष्टीकरण न केवल संभव है बल्कि इसे स्पष्ट रूप से निर्मित किया जा सकता है।

यह कहानी एलिस और बॉब नामक दो दोस्तों के एक सरल विचार प्रयोग के साथ शुरू होती है, जिन्हें पृथ्वी के विपरीत छोरों पर भेजा जाता है। उनसे एक प्रश्न पूछा जाता है और उन्हें एक उत्तर देना होता है। जब वे बाद में अपने उत्तरों की तुलना करते हैं, तो वे पाते हैं कि वे पूरी तरह से सहसंबद्ध (correlated) हैं। एक शास्त्रीय दुनिया में, स्वाभाविक स्पष्टीकरण यह है कि उन्होंने पहले से ही एक योजना पर सहमति बनाई थी, हर उस संभावित प्रश्न के लिए उत्तरों की एक पूर्ण सूची जो उनसे पूछा जा सकता था। यह साझा योजना, जो उनके सामान्य अतीत में स्थिर थी, उनके बीच संचार की किसी भी आवश्यकता के बिना सहसंबंध की व्याख्या करती है। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी एक मोड़ लाती है: एलिस और बॉब जो प्रश्न पूछ सकते हैं वे "असंगत" (incompatible) हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें एक ही समय में नहीं पूछा जा सकता। एलिस एक दिशा या दूसरी दिशा में कण के स्पिन के बारे में पूछने का विकल्प चुन सकती है, लेकिन वह दोनों एक साथ नहीं पूछ सकती। क्वांटम सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि एलिस और बॉब के उत्तरों के बीच के सहसंबंध किसी भी पूर्व-सहमत योजना की तुलना में अधिक मजबूत होंगे जो संभव हो सकती थी।

द दशकों तक, आम सहमति यह थी कि यह अधिक-संभव सहसंबंध इस बात का संकेत था कि दोस्तों को दूरी के पार तुरंत एक-दूसरे को प्रभावित करना चाहिए, जिससे प्रकाश की गति का उल्लंघन होता है, या उनके चुनाव गुप्त रूप से पूर्व-निर्धारित थे जो प्रभाव को छिपाते हैं। यह "फाइन-ट्यूनिंग" (fine-tuning) की समस्या है: ब्रह्get को इतनी सटीकता से व्यवस्थित होना होगा कि प्रकाश से तेज प्रभाव किसी भी प्रयोग के लिए पूरी तरह से अदृश्य रहे। इस अध्ययन के शोधकर्ता तर्क देते हैं कि हमें इसे स्वीकार करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, वे सुझाव देते हैं कि हमें स्वयं "योजना" की प्रकृति पर पुनर्विचार करना चाहिए। मानक दृष्टिकोण में, एक योजना एक एकल, सार्वभौमिक सूची है जो हर संभावित प्रश्न के लिए एक उत्तर सौंपती है, यहाँ तक कि उन प्रश्नों के लिए भी जिन्हें एक साथ कभी नहीं पूछा जा सकता। नया ढांचा इस सार्वभौमिक सूची के विचार को खारिज करता है। इसके बजाय, साझा अतीत रिकॉर्ड्स का एक जाल है।

एक रिकॉर्ड को किसी प्रश्न के पूर्ण उत्तर के रूप में नहीं, बल्कि यह पहचानने के एक तरीके के रूप में देखें कि एक विशिष्ट प्रश्न पूछा गया था। यदि एलिस एक ऐसा प्रश्न पूछती है जो दो अलग-अलग परिदृश्यों में दिखाई देता है, तो एक रिकॉर्ड बस यह कहता है, "यह दोनों मामलों में वही प्रश्न है।" यह हर संभावित प्रश्न के लिए उत्तर नहीं सौंपता; यह केवल उन विशिष्ट उदाहरणों को जोड़ता है जहाँ वह प्रश्न दिखाई देता है। ये रिकॉर्ड संबंधपरक हैं; वे केवल उन परिदृश्यों के बीच के संबंध में अस्तित्व में होते हैं जिन्हें वे जोड़ते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इन रिकॉर्ड्स को गणितीय स्थान में "बिंदु" होने की आवश्यकता नहीं है जो सभी उत्तरों को एक साथ धारण करते हैं। वे एक संपूर्ण के "भाग" हो सकते हैं जो बिंदुओं से बने बिना अस्तित्व में रहते हैं। यह अनुमति देता है कि एक ही प्रश्न दो अलग-अलग, असंगत परिदृश्यों में वही हो सकता है, बिना उन परिदृश्यों को एक एकल, सर्वव्यापी सूची में विलय करने के लिए मजबूर किए।

इन रिकॉर्ड्स पर आधारित एक गणितीय मॉडल बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार की स्थानीय वास्तविकता का निर्माण किया। इस मॉडल में, एलिस और बॉब के बीच के सहसंबंध उनके अतीत से साझा किए गए रिकॉर्ड्स द्वारा समझाए जाते हैं। जब एलिस एक माप लेती है, तो उसका परिणाम केवल उसकी सेटिंग और बॉब के साथ साझा किए गए रिकॉर्ड्स पर निर्भर करता है। उनके बीच कोई संकेत भेजने की आवश्यकता नहीं है, और न ही ब्रह्get को उनके बीच प्रकाश से तेज प्रभाव को छिपाने की आवश्यकता है। मॉडल सटीक रूप से क्वांटм यांत्रिकी द्वारा अनुमानित सांख्यिकी को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है, जिसमें प्रयोगों में देखे गए सबसे मजबूत सहसंबंध भी शामिल हैं। वास्तव में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके मॉडल सहसंबंधों की एक श्रृंखला उत्पन्न कर सकते हैं जो शास्त्रीय सीमा से लेकर गणित द्वारा अनुमत अधिकतम मान तक जाती है, जिसमें वह विशिष्ट मान भी शामिल है जिसे क्वांटम यांत्रिकी प्राप्त करती है।

इस सफलता की कुंजी शास्त्रीय संभाव्यता (classical probability) से विमुख होना है। हमारे रोजमर्रा के अनुभव में, यदि आपके पास दो अलग-अलग स्थितियाँ हैं, तो उनके परिणामों की संभावनाएँ एक सीधे तरीके से जुड़ती हैं। लेकिन इस नए ढांचे में, जब आप दो असंगत स्थितियों को एक साथ देखते हैं, तो जोड़ने के नियम बदल जाते हैं। संभावनाओं को एक एकल, एकीकृत खाते में फिट होने की आवश्यकता नहीं है क्योंकि स्थितियाँ एक ही समय में घटित नहीं हो सकतीं। यह मानक संभाव्यता नियमों की विफलता एक त्रुटि नहीं है; यह एक विशेषता है जो मॉडल को स्थानीय कारणता के नियमों को तोड़े बिना मजबूत क्वांटम सहसंबंधों को समझाने की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं ने इसे इन रिकॉर्ड्स के बीच साझा अतीत के "भार" (weight) को वितरित करके, जहाँ यह क्वांटम भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाता है, स्पष्ट रूप से मॉडल बनाकर प्रदर्शित किया।

यह कार्य इस दावे के साथ नहीं है कि इसने क्वांटम यांत्रिकी के हर रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि यह दृष्टिकोण में एक गहरा बदलाव प्रदान करता है। यह दिखाता है कि क्वांटम सिद्धांत के प्रति अक्सर आरोपित "नॉन-लोकैलिटी" (non-locality), प्रकृति की एक मौलिक विशेषता के बजाय, वास्तविकता को परिभाषित करने के हमारे तरीके का एक उपोत्पाद (artifact) हो सकती है। स्वतंत्र, पूर्व-निर्धारित इकाइयों के विचार को संबंधपरक रिकॉर्ड्स के जाल से बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक स्थानीय रूप से कारण स्पष्टीकरण संभव है। उन्होंने एक ऐसे प्रमेय को बदल दिया है जो कभी स्थानीय यथार्थवाद को खारिज करने वाला प्रतीत होता था, एक ऐसे प्रमेय में जो यह सिद्ध करता है कि यह अस्तित्व में हो सकता है। सबक यह है कि ब्रह्get को क्वांटम होने के लिए साजिशकर्ता या नॉन-लोकल होने की आवश्यकता नहीं है; इसे बस उन रिकॉर्ड्स के संदर्भ में समझने की आवश्यकता है जो यह जोड़ते हैं कि क्या जाना जा सकता है, बिना सभी संभावित उत्तरों की एक एकल, असंभव सूची को थोपे। यह एक नए अनुसंधान कार्यक्रम के द्वार खोलता जिसका उद्देश्य क्वांटम सिद्धांत को एक ऐसे तरीके से पुनर्गठित करना है जो यथार्थवादी और फाइन-ट्यूनिंग से मुक्त हो, जो हमें जिस दुनिया में रहते हैं उसकी एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करे।