Where should we look for the deviation from quantum mechanics?
यह शोध पत्र तर्क देता है कि मेटास्टेबल हीलियम के जीवनकाल और क्षय नियम (decay law) को मापना मानक क्वांटम यांत्रिकी से विचलन का पता लगाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, क्योंकि विग्नर-वीज़कोफ़ सन्निकटन (Wigner–Weisskopf approximation) के भीतर सूक्ष्म चतुर्थ घात विरूपण (quartic deformations) भी औसत जीवनकाल और गैर-घातांकीय क्षय पैटर्न में महत्वपूर्ण, अवलोकन योग्य परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं।
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लगभग एक शताब्दी से, क्वांटम यांत्रिकी के नियम उपपरमाणु जगत की हमारी समझ को आश्चर्यजनक सटीकता के साथ नियंत्रित कर रहे हैं। यह ढांचा बताता है कि कण कैसे व्यवहार करते हैं, वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और समय के साथ कैसे बदलते हैं, और ऐसे परिणामों की भविष्यवाणी करता है जिन्हें अनगिनत प्रयोगों में पुष्ट किया गया है। फिर भी, भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि ये नियम अंतिम शब्द नहीं हो सकते। जिस तरह न्यूटन के गति के नियम रोजमर्रा की वस्तुओं के लिए पूरी तरह से काम करते हैं लेकिन प्रकाश की गति या एक परमाणु के पैमाने पर विफल हो जाते हैं, उसी तरह क्वांटम यांत्रिकी के वर्तमान नियम भी चरम स्थितियों या पर्याप्त संवेदनशीलता के साथ परीक्षण किए जाने पर अंततः अपनी दरारें प्रकट कर सकते हैं। प्रश्न यह नहीं है कि क्या ये नियम गलत हैं, बल्कि यह है कि उन्हें कहाँ और कैसे समायोजन की आवश्यकता हो सकती है। इस तरह के विचलन को खोजने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों या कणों के एक-दूसरे से टकराने (स्कैटरिंग) के तरीके को देखते हैं। हालांकि, यदि विचलन बहुत सूक्ष्म है, तो ये मानक परीक्षण इसे पूरी तरह से अनदेखा कर सकते हैं। एक अधिक आशाजनक दृष्टिकोण यह देखने में निहित है कि कोई कण या परमाणु क्षय (decay) होने से पहले कितनी देर तक जीवित रहता है। क्योंकि किसी कण का जीवनकाल उसके क्षय की दर का व्युत्क्रम (inverse) होता है, इसलिए भौतिकी में होने वाला मामूली सा बदलाव भी समय के साथ संचित हो सकता है, जिससे इस बात में स्पष्ट अंतर आता है कि कण कितनी देर तक जीवित रहता है।
यह वह विशिष्ट क्षेत्र है जिसे जेरोम निकोलस और अल्बर्ट श्वार्ज़ ने अपने हालिया कार्य में खोजा है। उन्होंने अपना ध्यान एक बहुत ही विशिष्ट परमाणु पर केंद्रित किया: मेटास्टेबल अवस्था में हीलियम। यह हीलियम परमाणु का एक ऐसा संस्करण है जो उत्तेजित और अस्थिर है, फिर भी यह आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक—लगभग दो घंटे—बना रहता है—इससे पहले कि वह अंततः अपनी ऊर्जा मुक्त करे और निचली अवस्था में आ जाए। शोधकर्ताओं ने इस परमाणु को इसलिए चुना क्योंकि इसका जीवनकाल न केवल उच्च सटीकता के साथ मापा जाने के लिए पर्याप्त लंबा है, बल्कि यह इतना छोटा भी है कि वैज्ञानिक मानक क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके सटीक रूप से गणना कर सकें कि इसे कितने समय तक जीवित रहना चाहिए। यह एक आदर्श सेटअप बनाता है: यदि मापा गया जीवनकाल गणना से मेल खाता है, तो नियम कायम हैं; यदि वे भिन्न होते हैं, तो नियमों को फिर से लिखने की आवश्यकता हो सकती है। लेखकों ने जांच की कि क्या होगा यदि क्वांटम यांत्रिकी के मानक नियमों को थोड़ा सा परिवर्तित किया जाए। उन्होंने पूरी तरह से एक नया सिद्धांत प्रस्तावित नहीं किया, बल्कि मौजूदा सिद्धांत का एक छोटा, विशिष्ट विरूपण (deformation) प्रस्तुत किया, जिसमें एक सूक्ष्म पद (term) जोड़ा गया जो परमाणु की ऊर्जा के उसकी अवस्था पर निर्भरता को बदल देता है।
उनकी जांच का मुख्य केंद्र यह देखना था कि यह सूक्ष्म संशोधन परमाणु के क्षय को कैसे प्रभावित करेगा। मानक क्वांटम यांत्रिकी में, एक अस्थिर परमाणु आमतौर पर एक अनुमानित, घातीय पैटर्न (exponential pattern) में क्षय होता है, जिसका अर्थ है कि इसके जीवित रहने की संभावना समान समय अंतराल के दौरान एक निश्चित प्रतिशत से घटती जाती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि क्या होगा यदि संशोधित नियम सत्य होते। उन्होंने पाया कि भले ही मौलिक नियमों में परिवर्तन अविश्वसनीय रूप से छोटा हो, परमाणु के कुल जीवनकाल पर प्रभाव आश्चर्यजनक रूप से बड़ा हो सकता है। चूंकि परमाणु लंबे समय तक जीवित रहता है, इसलिए छोटी त्रुटि संचित होती है, जिससे औसत उत्तरजीविता समय में एक मापने योग्य बदलाव आता है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि जीवनकाल में पूर्ण परिवर्तन इतना महत्वपूर्ण हो सकता है कि भविष्य के प्रयोगों द्वारा इसे पकड़ा जा सके, भले ही भौतिकी में अंतर्निहित संशोधन बहुत सूक्ष्म हो।
केवल परमाणु के जीवित रहने के कुल समय के अलावा, अध्ययन ने क्षय वक्र (decay curve) के आकार को भी देखा। मानक दृष्टिकोण में, क्षय सहज और घातीय होता है। हालांकि, संशोधित नियमों के तहत, शोधकर्ताओं ने पाया कि क्षय इस सरल पैटर्न का पालन नहीं करेगा। इसके बजाय, परमाणु के क्षय होने की दर परमाणु के स्वयं बदलने के साथ बदल जाएगी। जैसे-जैसे परमाणु अपनी ऊर्जा खोता है और अपनी मूल अवस्था (ground state) की ओर बढ़ता है, इसके क्षय की गति बदल जाएगी, जिससे उत्तरजीविता वक्र मानक सिद्धांत द्वारा अपेक्षित सीधी रेखा से दूर हट जाएगा। घातीय नियम से यह विचलन परमाणु के जीवनकाल के समान समय पैमाने पर दिखाई देगा। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह संशोधित भौतिकी का एक विशिष्ट संकेत है, जो कुल समय के साधारण बदलाव से अलग है।
इस कार्य का महत्व एक ठोस प्रयोगात्मक मार्ग के प्रस्ताव में निहित है। शोधकर्ताओं का तर्क है कि हीलियम के जीवनकाल को पहले की तुलना में अधिक सटीकता के साथ मापकर, वैज्ञानिक या तो वर्तमान क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को सटीकता के एक नए स्तर तक पुष्ट कर सकते हैं या उनके टूटने के पहले प्रमाण को उजागर कर सकते हैं। वे उल्लेख करते हैं कि हालांकि हीलियम के जीवनकाल के वर्तमान मापों में कुछ अनिश्चितता है, एक अधिक सटीक प्रयोग या तो उस अंतर को पाट सकता है या एक विसंगति को प्रकट कर सकता है। यदि कोई विचलन पाया जाता है, तो यह केवल एक संख्या में सुधार नहीं होगा; यह सुझाव देगा कि ब्रह्मांड के मूलभूत निर्माण खंडों के बारे में हमारी समझ अधूरी है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि मेटास्टेबल हीलियम इस खोज के लिए एक आदर्श उम्मीदवार है क्योंकि इसका व्यवहार प्रथम सिद्धांतों (first principles) से गणना किया जा सकता है, जो हमारे वर्तमान ज्ञान की सीमाओं का परीक्षण करने के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करता है।
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