Realisation of de Sitter space as an excited state in string theory
यह शोध पत्र डी सिटर स्पेस (de Sitter space) को एक क्षणिक ग्लौबर-सुडरशन (Glauber–Sudarshan) उत्तेजित अवस्था के रूप में टाइप IIB से M-सिद्धांत द्वैतता (M-theory dualities) के माध्यम से हेटरोटिक और स्ट्रिंग सिद्धांतों तक विस्तारित करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि ऐसी संरचनाएं निर्वात-आधारित नो-गो प्रमेयों (no-go theorems) से बचती हैं, शून्य ऊर्जा स्थिति (null energy condition) को संतुष्ट करती हैं, और ट्रांस-प्लैंकियन सेंसरशिप कंजैक्चर (Trans-Planckian Censorship Conjecture) का अनुपालन करती हैं।
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ब्रह्मांड फैल रहा है, और न केवल धीरे-धीरे अलग हो रहा है, बल्कि यह त्वरित (accelerating) भी हो रहा है। बीसवीं सदी के अंत में खगोलविदों द्वारा पुष्टि की गई इस अवलोकन से पता चलता है कि हमारा ब्रह्मांड एक रहस्यमय ऊर्जा से भरा हुआ है जो अंतरिक्ष को स्वयं से दूर धकेल रही है। भौतिकी की भाषा में, इस अवस्था को डी सिटर स्पेस (de Sitter space) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस त्वरित होते ब्रह्मांड को हमारे पास मौजूद सबसे आशाजनक क्वांटम ग्रेविटी सिद्धांत: स्ट्रिंग थ्योरी (string theory) में फिट करने का प्रयास कर रहे हैं। स्ट्रिंग थ्योरी सभी पदार्थ और बलों को सूक्ष्म, कंपन करती हुई डोरियों (strings) के रूप में वर्णित करने का प्रयास करती है, लेकिन इसे यह समझाने में संघर्ष करना पड़ा है कि हमारा ब्रह्मांड ऐसा क्यों दिखता है। एक प्रमुख बाधा गणितीय तर्क की एक श्रृंखला थी, जिन्हें 'नो-गो थ्योरम्स' (no-go theorems) के रूप में जाना जाता है, जो सुझाव देते हैं कि यदि आप एक मानक, खाली वैक्यूम अवस्था से शुरू करते हैं, तो स्ट्रिंग थ्योरी हमारे जैसे एक स्थिर, त्वरित ब्रह्मांड को उत्पन्न नहीं कर सकती है। ये नियम ऐसा प्रतीत होते थे जैसे उन्होंने इस विचार पर दरवाजा बंद कर दिया हो कि स्ट्रिंग थ्योरी हमारी वास्तविकता का वर्णन कर सकती है।
हालाँकि, दरवाजा बंद नहीं हुआ है, बस उसे एक अलग तरीके से खोला जा सकता है। एक स्थिर, अपरिवर्तित वैक्यूम खोजने के बजाय, शोधकर्ताओं ने यह पूछना शुरू किया है कि क्या एक त्वरित ब्रह्मांड एक अस्थायी, उत्तेजित अवस्था (excited state) के रूप में अस्तित्व में रह सकता है। एक शांत झील की कल्पना करें; इसकी सतह सपाट और स्थिर है। वह वैक्यूम है। लेकिन यदि आप इसमें पत्थर फेंकते हैं, तो लहरें फैलती हैं। पानी अब स्थिर नहीं है, लेकिन वह टूटा भी नहीं है। यह एक गतिशील, उत्तेजित अवस्था है। क्वांटम भौतिकी में, एक विशिष्ट प्रकार की उत्तेजित अवस्था होती है जिसे ग्लौबर-सुडरशान स्टेट (Glauber–Sudarshan state) कहा जाता है। ये विशेष विन्यास हैं जहाँ प्रणाली का औसत व्यवहार एक शास्त्रीय, सुचारू वास्तविकता की नकल करता है, भले ही अंतर्निहित क्वांटम क्षेत्र उतार-चढ़ाव कर रहे हों। प्रश्न यह बन गया: क्या हमारा त्वरित ब्रह्मांड स्ट्रिंग थ्योरी के भीतर ऐसी ही एक लहर हो सकता है, न कि एक स्थायी, स्थिर विशेषता?
एक शोधकर्ता ने, जो भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान बॉम्बे में अर्चना माजी के नेतृत्व में था, इस प्रश्न का उत्तर देने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने सफलतापूर्वक एक ऐसा मॉडल बनाया है जहाँ एक चार-आयामी त्वरित ब्रह्मांड दो अलग-अलग स्ट्रिंग थ्योरीज़: हेटरोटिक SO(32) और हेटरोटिक E8 × E8 सिद्धांतों के भीतर एक क्षणिक, उत्तेजित अवस्था के रूप में उभरता है। ये स्ट्रिंग थ्योरी के विशिष्ट, अच्छी तरह से अध्ययन किए गए कोने हैं क्योंकि वे स्वाभाविक रूप से उन कणों और बलों को शामिल कर सकते हैं जिन्हें हम अपनी दुनिया में देखते हैं। शोधकर्ता ने केवल यह विचार प्रस्तावित नहीं किया; उन्होंने एक जटिल, ग्यारह-आयामी संस्करण, जिसे एम-थ्योरी (M-theory) कहा जाता है, से इन चार-आयामी स्ट्रिंग थ्योरीज़ तक जोड़ने वाला एक विस्तृत गणितीय सेतु बनाया।
प्रक्रिया वैसी ही थी जैसे विभिन्न भौतिक सिद्धांतों के परिदृश्य के माध्यम से एक घुमावदार पथ का अनुसरण करना। उन्होंने एम-थ्योरी में एक विशिष्ट, समय-स्वतंत्र विन्यास के साथ शुरुआत की, जो एक उच्च-आयामी ढांचा है जो स्ट्रिंग थ्योरी के विभिन्न संस्करणों को एकीकृत करता है। यह शुरुआती बिंदु एक सुपरसिमेट्रिक मिन्कोव्स्की स्पेस (supersymmetric Minkowski space) था—एक सपाट, अपरिवर्तित और स्थिर पृष्ठभूमि जो बिना किसी त्वरण के भौतिकी के नियमों का पालन करती है। इस शांत आधार से, उन्होंने 'ड्यूलिटीज' (dualities) नामक रूपांतरणों की एक श्रृंखला लागू की। ये वे गणितीय संचालन हैं जो भौतिकविदों को ब्रह्मांड के एक वर्णन से दूसरे, समकक्ष वर्णन में समस्या को अनुवादित करने की अनुमति देते हैं। इस अनुक्रम को सावधानीपूर्वक नेविगेट करके, उन्होंने दिखाया कि प्रणाली गतिशील रूप से विकसित हो सकती है। जैसे-जैसे समय भविष्य की ओर बढ़ा, ब्रह्मांड के आंतरिक, छिपे हुए आयामों की ज्यामिति एक सटीक तरीके से बदली, जिससे हमारे द्वारा अनुभव किए जाने वाले चार आयाम त्वरित दर से फैलने लगे।
महत्वपूर्ण रूप से, यह त्वरित अवस्था एक स्थायी वैक्यूम नहीं है। यह एक उत्तेजित अवस्था है, एक ग्लौबर-सुडरशान स्टेट, जो स्थिर, सुपरसिमेट्रिक पृष्ठभूमि पर निर्मित है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह मॉडल को उन नो-गो थ्योरम्स से बचने की अनुमति देता है जिन्होंने पिछले प्रयासों को बाधित किया था। वे प्रमेय केवल स्थिर वैक्यूम अवस्थाओं पर लागू होते हैं। ब्रह्मांड को एक गतिशील उत्तेजना के रूप में मानकर, शोधकर्ता ने सभी आवश्यक भौतिक नियमों को संतुष्ट करने का एक तरीका खोज लिया। उन्होंने सत्यापित किया कि उनका निर्माण 'नल एनर्जी कंडीशन' (null energy condition) का सम्मान करता है, जो सामान्य सापेक्षता का एक मौलिक नियम है जो यह सुनिश्चित करता है कि ऊर्जा भौतिक रूप से समझदारीपूर्ण तरीके से प्रवाहित हो। उन्होंने यह भी जाँच की कि मॉडल 'ट्रांस-प्लैंकियन सेंसरशिप कंजेक्चर' (Trans-Planckian Censorship Conjecture) के भीतर फिट बैठता है, जो एक आधुनिक सिद्धांत है जो सुझाव देता है कि ब्रह्मांड बिना टूटे बहुत लंबे समय तक त्वरित चरण को बनाए नहीं रख सकता। उनके गणनाओं ने दिखाया कि इस त्वरित चरण की अवधि सीमित और इन सीमाओं के अनुरूप है, जिसका अर्थ है कि वर्णित ब्रह्मांड क्षणिक है, जो विवरण बदलने से पहले एक विशिष्ट, गणनीय समय अंतराल के लिए अस्तित्व में रहता है।
इस कार्य ने एक्सियन (axion) से संबंधित एक विशिष्ट चुनौती को भी संबोधित किया, जो एक काल्पनिक कण है जो कण भौतिकी के एक गहरे रहस्य को हल कर सकता है कि कुछ अंतःक्रियाएं समरूपता का उल्लंघन क्यों नहीं करती हैं। E8 × E8 सिद्धांत के संदर्भ में, शोधकर्ता ने पाया कि इस एक्सियन के गुण, विशेष रूप से इसका क्षय स्थिरांक (decay constant), इस बात पर सख्त प्रतिबंध लगाता है कि ब्रह्मांड कैसे विकसित हो सकता है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि अपने मॉडल में समय-निर्भर कारकों को समायोजित करके, वे एक्सियन के गुणों को खगोलीय अवलोकनों द्वारा आवश्यक सीमाओं के भीतर रख सकते हैं। इसका अर्थ है कि उनका मॉडल न केवल गणितीय रूप से सुसंगत है बल्कि फेनोमेनोलॉजिकल रूप से भी व्यवहार्य है, जो हमारे ब्रह्मांड के ज्ञात कणों और बलों को समाहित करने में सक्षम है।
शोधकर्ता ने केवल एक स्ट्रिंग थ्योरी संस्करण पर ही नहीं रोका। उन्होंने पहले सरल हेटरोटिक SO(32) सिद्धांत में विधि स्थापित की और फिर इसे अधिक जटिल E8 × E8 सिद्धांत तक विस्तारित किया। बाद वाले के लिए यह सुनिश्चित करने के लिए कि ज्यामिति सही ढंग से विकसित हो, आंतरिक आयामों में केवल दो के बजाय तीन समय-निर्भर कारकों वाले अधिक जटिल सेटअप की आवश्यकता थी। इस अतिरिक्त जटिलता के बावजूद, मूल परिणाम वही रहा: एक चार-आयामी त्वरित ब्रह्मांड स्वाभाविक रूप से एक क्षणिक उत्तेजित अवस्था के रूप में उभरता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि ऐसी अवस्था को एक सुपरिभाषित प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत (effective field theory) द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो भौतिकविदों द्वारा बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड के बारे में भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किया जाने वाला मानक उपकरण है।
यह कार्य एक लंबे समय से चली आ रही सैद्धांतिक संभावना का एक ठोस मूर्तीकरण है। यह दिखाता है कि स्ट्रिंग थ्योरी अनिवार्य रूप से एक त्वरित ब्रह्मांड को वर्जित नहीं करती है; यह केवल यह मांग करती है कि हम ब्रह्मांड को एक स्थिर स्नैपशॉट के रूप में नहीं, बल्कि एक गतिशील, विकसित होती अवस्था के रूप में देखें। मॉडल सुझाव देता है कि हमारा वर्तमान ब्रह्मांडीय त्वरण एक अस्थायी चरण हो सकता है, जो ब्रह्मांड के क्वांटम फोम में एक लहर की तरह है, न कि वैक्यूम की एक स्थायी विशेषता। हालांकि शोधकर्ता ने अभी तक यह सिद्ध नहीं किया है कि यह वास्तव में हमारे ब्रह्मांड के साथ कैसे काम करता है, लेकिन उन्होंने एक कठोर, गणितीय रूप से सुदृढ़ ढांचा प्रदान किया है जहाँ यह संभव है। उन्होंने दिखाया है कि जिन बाधाओं को पहले अजेय माना जाता था, उन्हें नेविगेट किया जा सकता है यदि आप ब्रह्मांड को एक विश्राम अवस्था के बजाय एक उत्तेजित अवस्था के रूप में देखने के लिए तैयार हैं। ये निष्कर्षों ने यह समझने के लिए एक नया मार्ग खोला है कि कैसे क्वांटम ग्रेविटी के मौलिक नियम आज देखे जाने वाले त्वरित विस्तार को जन्म दे सकते है, जो इस बात की झलक देते हैं कि ब्रह्मांड कैसा रहा होगा, और गहरे भविष्य में यह कैसे बदल सकता है।
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