Quantum Relaxation Dynamics of Vacuum Energy from Pre-Geometric Gravity

द दशकों से, भौतिकविदों को एक एकल, जिद्दी संख्या ने परेशान कर रखा है: खाली स्थान का ऊर्जा घनत्व। क्वांटम भौतिकी के मानक नियमों के अनुसार, ब्रह्मांड का निर्वात (वैक्यूम) गतिविधियों से भरा होना चाहिए, आभासी कणों का एक उबलता हुआ झाग जो एक विशाल मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न करता है। फिर भी, जब खगोलशास्त्री रात के आकाश की ओर देखते हैं, तो वे एक ऐसे ब्रह्मांड को देखते हैं जो एक धीमी, लगभग नगण्य गति से फैल रहा है, जो डार्क एनर्जी की एक सूक्ष्म मात्रा द्वारा संचालित है। सैद्धांतिक भविष्यवाणी और देखी गई वास्तविकता के बीच का अंतर चौंकाने वाला है, जो एक सौ बीस परिमाण के क्रम (orders of magnitude) का अंतर है। यह ऐसा ही है जैसे रेत के पहाड़ की भविष्यवाणी करने वाला सिद्धांत वास्तव में एक एकल कण पा ले। यह बेमेल स्थिति 'कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट प्रॉब्लम' के रूप में जानी जाती है, और यह सुझाव देती है कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसकी हमारी वर्तमान समझ में पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा गायब है।

एक नए अध्ययन में, एक शोधकर्ता एक क्रांतिकारी समाधान प्रस्तावित करता है जो अवलोकन के अनुरूप संख्याओं को सटीक बनाने (fine-tuning) पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि एक गतिशील प्रक्रिया पर आधारित है जो समय के साथ ब्रह्मांड को बदलती है। 'प्री-जियोमेट्रिक ग्रेविटी' नामक एक ढांचे के भीतर काम करते हुए, जो यह सुझाव देता है कि स्थान (space) और समय मौलिक निर्माण खंड नहीं हैं बल्कि कुछ गहरे से उभरते हैं, लेखक एक ऐसी प्रक्रिया का वर्णन करते हैं जहाँ निर्वातक ऊर्जा स्वाभाविक रूप से एक उच्च-ऊर्जा अवस्था से आज के निम्न मान तक सहज होती है या स्थिर होती है। वे तर्क देते हैं कि ब्रह्मांड एक एकल, आकस्मिक विन्यास में अटका हुआ नहीं है, बल्कि उन संभावित अवस्थाओं के परिदृश्य (landscape) के माध्यम से सक्रिय रूप से विकसित हो रहा है, जो उन अवस्थाओं के व्यवस्थित होने के तरीकों की विशाल संख्या से प्रेरित है।

शोधकर्ता ने एक ऐसे सिद्धांत का परीक्षण करके शुरुआत की जहाँ स्पेसटाइम की ज्यामिति एक उच्च समरूपता (higher symmetry) के टूटने से उत्पन्न होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो वैसी ही है जैसे एक चुंबक ठंडा होने पर अपने आंतरिक स्पिन को संरेखित करता है। इस मॉडल में, हिग्स फील्ड (Higgs field) जिसे आमतौर पर कणों को द्रव्यमान प्रदान करता है, एक अलग भूमिका निभाता है: यह स्वयं स्थान की संरचना को निर्धारित करता है। जब यह क्षेत्र एक स्थिर अवस्था में बस जाता है, तो यह एक संक्रमण को ट्रिगर करता है जिससे परिचित गुरुत्वाकर्षण और ब्रह्मांड के विस्तार का जन्म होता है। हालाँकि, सिद्धांत यह भविष्यवाणी करता है कि इस क्षेत्र के पास केवल एक स्थिर विश्राम स्थल नहीं है। इसके बजाय, इसमें अनंत संख्या में संभावित घाटियाँ, या निर्वात अवस्थाएँ हैं, जो ऊर्जा बाधाओं द्वारा अलग की गई हैं। प्रत्येक घाटी कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट के एक अलग मान के अनुरूप है, वह संख्या जो यह निर्धारित करती है कि ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैलता है।

इन घाटियों की कल्पना एक बहुत लंबी सीढ़ी के चरणों के रूप में करें, जहाँ प्रत्येक चरण निर्वातक ऊर्जा की एक अलग मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ता ने पाया कि ब्रह्मांड इस सीढ़ी के शीर्ष पर, अत्यधिक ऊर्जा वाली अवस्था में शुरू हो सकता है, और फिर धीरे-धीरे नीचे की ओर आ सकता है। इस यात्रा की कुंजी 'क्वांटम टनलिंग' नामक घटना है। क्वांटम दुनिया में, कण कभी-कभी उन बाधाओं के माध्यम से गुजर सकते हैं जिन्हें पार करना रोजमर्रा की जिंदगी में असंभव होता है। लेखक ने गणना की कि ब्रह्मांड एक निर्वात अवस्था से दूसरी अवस्था में टनल कर सकता है, एक उच्च-ऊर्जा घाटी से एक निचली घाटी की ओर बढ़ सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया यादृच्छिक (random) नहीं है। ब्रह्मांड के लिए निम्न-ऊर्जा वाली अवस्था की ओर बढ़ने की संभावना बहुत अधिक है क्योंकि उन निम्न-ऊर्जा वाली अवस्थाओं में अस्तित्व में होने के बहुत अधिक तरीके हैं।

यह प्राथमिकता एंट्रॉपी (entropy) द्वारा संचालित होती है, जो अव्यवस्था या किसी प्रणाली के पास संभावित व्यवस्थाओं की संख्या का माप है। शोधकर्ता ने दिखाया कि जैसे-जैसे ब्रह्मांड निम्न ऊर्जा अवस्थाओं की ओर बढ़ता है, उपलब्ध सूक्ष्म विन्यासों (microscopic configurations) की संख्या तेजी से बढ़ती है। यह एक ऐसी पहाड़ी से नीचे लुढ़कने वाले गेंद की तरह है जो न केवल चिकनी है, बल्कि निरंतर विस्तारित होते सूक्ष्म पथों से ढकी हुई है। गेंद सांख्यिकीय रूप से उस पथ का अनुसरण करने के लिए मजबूर है जिसमें सबसे अधिक विकल्प हैं। इस मामले में, सबसे अधिक विकल्पों वाला पथ एक छोटा कॉस्मोलऑजिकल कांस्टेंट है। अध्ययन बताता है कि ब्रह्मांड अपने पूरे इतिहास में इस पहाड़ी से नीचे लुढ़कता रहा है, एक उच्च-ऊर्जा शुरुआत से शुरू होकर धीरे-धीरे आज के सूक्ष्म मान तक स्थिर हुआ है।

यह शोध एक 'मास्टर इक्वेशन' के रूप में इस विकास का वर्णन करने वाले गणितीय ढांचे को प्रस्तुत करता है, जो एक नियम है जो यह नियंत्रित करता है कि किसी दी गई अवस्था में होने की संभावना समय के साथ कैसे बदलती है। परिणाम संकेत देते हैं कि संक्रमण दर निम्न ऊर्जा वाली अवस्थाओं की ओर भारी रूप से पक्षपाती है। लेखक का तर्क है कि कॉस्मोलॉलिक कांस्टेंट आज इतना छोटा क्यों है, इसका कारण यह है कि ब्रह्मांड के पास विश्राम करने के लिए एक सीमित समय था। यदि ब्रह्मांड अनंत काल से पुराना होता, तो यह स्थिरांक शून्य तक गिर सकता था, लेकिन क्योंकि इसकी एक शुरुआत है, हम एक ऐसी अवस्था में हैं जो छोटी है लेकिन अभी शून्य नहीं हुई है। यह भौतिकी के नियमों में किसी भी मनमाने समायोजन की आवश्यकता के बिना, देखे गए मान की एक स्वाभाविक व्याख्या प्रदान करता है।

इसके अलावा, अध्ययन सूचना (information) की अवधारणा के साथ इस विश्राम प्रक्रिया को जोड़ता है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि ब्रह्मांड का विस्तार और इसकी एंट्रॉपी की वृद्धि, उन 'क्यूबिट्स' (qubits), या सूचना की इकाइयों की संख्या से जुड़ी है, जिन्हें कॉस्मिक क्षितिज (cosmic horizon) पर संग्रहीत किया जा सकता है। जैसे-जैसे ब्रह्मांड निम्न ऊर्जा अवस्थाओं की ओर बढ़ता है, क्षितिज का विस्तार होता है, जिससे अधिक सूचना संग्रहीत करने की अनुमति मिलती है। यह सुझाव देता है कि कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट केवल एक ऊर्जा घनत्व नहीं है, बल्कि ब्रह्मांड की सूचना क्षमता का एक माप है। आज हम जो सूक्ष्म मान देखते हैं, वह एक ऐसी अवस्था के अनुरूप है जहाँ ब्रह्मांड ने एक विशाल मात्रा में सूचना संचित की है, जो प्रारंभिक अवस्था से लगभग एक सौ बीस परिमाण के क्रम अधिक है।

लेखक ब्रह्मांड के भविष्य के लिए इस मॉडल के निहितार्थों की भी खोज करते हैं। यदि विश्राम जारी रहता है, तो ब्रह्मांड के विस्तार की दर धीरे-धीरे धीमी हो जाएगी, जिससे संभावित रूप से एक ऐसी स्थिति पैदा होगी जहाँ त्वरण रुक जाएगा और ब्रह्मांड संकुचन शुरू कर देगा। यह एक चक्रीय या उछाल वाले ब्रह्मांड विज्ञान (cyclic or bouncing cosmology) का प्रतिनिधित्व करेगा, जहाँ ब्रह्मांड विस्तार से पतन की ओर एक चरण संक्रमण (phase transition) से गुजरता है। हालाँकि पेपर इस भविष्य के परिदृश्य को सिद्ध करने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह सुझाव देता है कि वही तंत्र जो वर्तमान कम डार्क एनर्जी को चला रहा है, अंततः ब्रह्मांड के भाग्य में एक नाटकीय परिवर्तन ला सकता है।

अध्ययन हाल के खगोलीय अवलोकनों पर भी स्पर्श करता है जो डार्क एनर्जी के बदलते 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' की ओर संकेत करते हैं। शोधकर्ता का सुझाव है कि उनका मॉडल, जो निर्वातक ऊर्जा के गतिशील विकास की भविष्यवाणी करता है, इन अवलोकनों के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान कर सकता है। यदि ब्रह्मांड वास्तव में विश्राम की प्रक्रिया में है, तो इस परिवर्तन की दर को अगली पीढ़ी के दूरबीनों द्वारा पता लगाया जा सकता है। यह कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट को एक स्थिर, अपरिवर्तनीय संख्या से बदलकर एक गतिशील चर (dynamic variable) में बदल देगा जो कॉस्मिक समय के साथ विकसित होता है, जो गुरुत्वाकर्षण और स्पेसटाइम की मौलिक प्रकृति का परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

अंततः, यह कार्य भौतिकी के सबसे गहरे रहस्यों में से एक पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। निर्वातक ऊर्जा को एक ऐसी प्रणाली के रूप में मानकर जो टोपोलॉजिकल अवस्थाओं के परिदृश्य के माध्यम से विकसित होती है, लेखक एक ऐसी प्रक्रिया प्रदान करते हैं जो स्वाभाविक रूप से ब्रह्मांड को उस अवस्था की ओर ले जाती है जिसे हम देखते हैं। कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट का छोटा होना कोई संयोग या सूक्ष्म ट्यूनिंग वाला हादसा नहीं है, बल्कि एक ऊष्मागतिक (thermodynamic) प्रक्रिया का परिणाम है जहाँ ब्रह्मांड उस अवस्था की तलाश करता है जिसमें उच्चतम एंट्रॉपी हो। यह दृष्टिकोण गुरुत्वाकर्षण, क्वांटम यांत्रिकी और सूचना सिद्धांत की अवधारणाओं को एकीकृत करता है, यह सुझाव देता है कि समय का तीर स्वयं ब्रह्मांड की अधिकतम सूचना और न्यूनतम ऊर्जा की अवस्था की ओर यात्रा से उभरता है। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनका मॉडल गुरुत्वाकर्षण की अंतर्निहित संरचना के बारे में विशिष्ट धारणाओं पर निर्भर करता है, लेकिन वे तर्क देते हैं कि इस विश्राम प्रक्रिया की गुणात्मक विशेषताएं सुदृढ़ हैं और ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ को नया आकार दे सकती हैं।