What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

भौतिकी लंबे समय से दो ऐसे समूहों में विभाजित रही है जो अलग-अलग भाषाएं बोलते प्रतीत होते हैं। एक ओर क्वांटम मैकेनिक्स (quantum mechanics) है, जो अत्यंत सूक्ष्म कणों के लिए नियम पुस्तिका है, जहाँ कण एक साथ कई अवस्थाओं में रह सकते हैं और जहाँ किसी चीज़ को देखने की क्रिया स्वयं उस चीज़ को बदल देती है। दूसरी ओर जनरल रिलेटिविटी (general relativity) है, जो गुरुत्वाकर्षण और अत्यंत विशाल वस्तुओं का सिद्धांत है, जहाँ स्थान और समय लचीले हैं और जहाँ किसी वस्तु की स्थिति केवल किसी अन्य चीज़ की तुलना में ही अर्थपूर्ण होती है। दशकों से, भौतिकविदों ने देखा है कि दोनों सिद्धांत "रिलेशनलिटी" (relationality - संबंधपरकता) के विचार पर बहुत अधिक निर्भर हैं—यह धारणा कि गुण ब्रह्मांड के पूर्ण तथ्य नहीं हैं, बल्कि चीजों के बीच के संबंध हैं। गुरुत्वाकर्षण की दुनिया में, किसी वस्तु का स्थान बिना किसी संदर्भ बिंदु (reference point), जैसे कि घड़ी या मील के पत्थर के, अर्थहीन है। क्वांटम दुनिया में, एक कण की अवस्था अक्सर इस बात पर निर्भर करती है कि उसे कौन माप रहा है। फिर भी, संबंधपरकता पर इस साझा निर्भरता के बावजूद, दोनों सिद्धांत हठपूर्वक अलग रहे हैं, और यह स्पष्ट नहीं था कि उनके "रिलेशनलिटी" के संस्करण वास्तव में एक ही चीज़ हैं या केवल शब्दावली का संयोग।

एमिली एडलम का एक नया शोध पत्र एक साहसी एकीकरण का प्रस्ताव करता है: कि क्वांटम मैकेनिक्स की संबंधपरक प्रकृति उप-परमाणु दुनिया का एक अजीब, अद्वितीय गुण नहीं है, बल्कि वास्तव में वही घटना है जो सापेक्षता (relativity) में पाई जाती है। लेखिका का सुझाव है कि क्वांटम अवस्थाएँ इसलिए बदलती हुई प्रतीत होती हैं क्योंकि वे उन गुणों का वर्णन करती हैं जो स्वाभाविक रूप से सापेक्ष (relative) हैं, ठीक वैसे ही जैसे अंतरिक्ष में दिशा या स्थिति। इस दृष्टिकोण में, एक क्वांटम अवस्था किसी कण की पूर्ण वास्तविकता का वर्णन नहीं है, बल्कि यह एक वर्णन है कि वह कण एक विशिष्ट संदर्भ प्रणाली (reference system) के संबंध में कैसा है, ठीक वैसे ही जैसे एक दिशा-सूचक सुई (compass needle) का अर्थ तभी होता है जब उसकी तुलना आसपास के चुंबकीय क्षेत्र से की जाए। यदि यह विचार सही साबित होता है, तो यह क्वांटम भौतिकी के गहरे रहस्यों में से कुछ को सुलझा सकता है, विशेष रूप से इस भ्रमित करने वाली पहेली को कि कैसे संभावनाओं की दुनिया से एक एकल, निश्चित वास्तविकता उभरती है।

इस तर्क को समझने के लिए, सबसे पहले भौतिक राशियों के दो प्रकारों के बीच के अंतर को समझना आवश्यक है। भौतिकी में, कुछ तथ्य पूर्ण और अपरिवर्तनीय होते हैं, जबकि अन्य "आंशिक" (partial) होते हैं। एक आंशिक अवलोकन (partial observable) वह मात्रा है जिसे मापा जा सकता है लेकिन यह केवल तभी अर्थपूर्ण होती है जब इसे किसी संदर्भ से जोड़ा जाए। उदाहरण के लिए, यह कहना कि एक कार साठ मील प्रति घंटे की गति से चल रही है, एक आंशिक अवलोकन है; यह केवल सड़क के सापेक्ष सत्य है। गति अपने आप में कार का एक स्वतंत्र, निश्चित गुण नहीं है। इसके विपरीत, एक "पूर्ण" अवलोकन (complete observable) एक पूर्ण, आत्मनिर्भर तथ्य है, जैसे कि एक विशिष्ट क्षण पर कार और एक विशिष्ट पेड़ के बीच की दूरी। सापेक्षता के सिद्धांत में, भौतिकविदों को लंबे समय से पता है कि हम केवल आंशिक अवलोकन ही माप सकते हैं। हम कभी भी पूर्ण गति या पूर्ण दिशा को नहीं माप सकते; हम केवल यह माप सकते हैं कि चीजें हमारे मापने वाले उपकरणों के सापेक्ष कैसी हैं।

एडलम सापेक्षता के इस स्थापित तथ्य को क्वांटम क्षेत्र पर लागू करती हैं। उनका तर्क है कि हमने अब तक जितनी भी क्वांटम अवस्थाएँ लिखी या मापी हैं, वे सभी एक आंशिक अवलोकन का वर्णन करती हैं। जब एक भौतिक विज्ञानी किसी कण के 'स्पिन' (spin) के लिए एक क्वांटम अवस्था लिखता है, तो वह ब्रह्मांड में स्पिन की किसी पूर्ण दिशा का वर्णन नहीं कर रहा होता है। इसके बजाय, वह एक विशिष्ट अक्ष (axis) के सापेक्ष स्पिन के ओरिएंटेशन का वर्णन कर रहा होता है, जो मापने वाले उपकरण द्वारा परिभाषित किया गया है। शोध पत्र का सुझाव है कि प्रसिद्ध "विग्नर्स फ्रेंड" (Wigner's Friend) विरोधाभास—एक विचार प्रयोग जहाँ दो पर्यवेक्षक इस बात पर असहमत होते हैं कि क्या एक कण एक एकल अवस्था में ढह (collapse) गया है या सुपरपोजिशन (superposition) में बना हुआ है—केवल इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि दोनों पर्यवेक्षक अलग-अलग संदर्भ अक्षों (reference axes) का उपयोग कर रहे हैं। एक पर्यवेक्षक कण का वर्णन अपने प्रयोगशाला उपकरणों के सापेक्ष कर रहा है, जबकि दूसरा उसे एक अलग फ्रेम के सापेक्ष वर्णित कर रहा है। लेखिका का तर्क है कि इसमें कोई विरोधाभास नहीं है, क्योंकि दोनों केवल अलग-अलग संबंधों की रिपोर्ट कर रहे हैं।

यह शोध पत्र यह दिखाकर अपना मामला बनाता है कि सममिति-परिवर्तनीय (symmetry-variant) गुणों की क्वांटम अवस्थाएँ—वे गुण जो आपके दृष्टिकोण को घुमाने या बदलने पर बदल जाते हैं—को हमेशा सापेक्षीकृत (relativized) किया जाना चाहिए। यदि आप बिना किसी संदर्भ प्रणाली के एक क्वांटम अवस्था का वर्णन करने का प्रयास करते हैं, तो वह वर्णन एक अव्यवस्थित, असंगत मिश्रण बन जाता है जो कण की अवस्था के बारे में सभी विशिष्ट जानकारी खो देता है। हालाँकि, एक बार जब आप एक संदर्भ प्रणाली पेश करते हैं, जैसे कि अंतरिक्ष में एक विशिष्ट दिशा जिसे चुंबक द्वारा परिभाषित किया गया है, तो क्वांटम अवस्था एक स्पष्ट, सुसंगत रूप में आ जाती है। लेखिका अन्य शोधकर्ताओं द्वारा विकसित एक ढांचे का उपयोग करके यह प्रदर्शित करती हैं कि यह गणितीय रूप से सुसंगत है कि ऐसी स्थिति हो सकती है जहाँ दो प्रणालियों के बीच का संबंध एक निश्चित, गैर-सुपरपोज्ड तथ्य है, जबकि एक संदर्भ प्रणाली के सापेक्ष दूसरी प्रणाली की अवस्था सुपरपोजिशन में दिखाई देती है। इसका अर्थ है कि "अजीबोगरीब" क्वांटम सुपरपोजिशन वास्तविकता की एक विशेषता नहीं हो सकती है, बल्कि यह एक संदर्भ बिंदु के सापेक्ष चीजों को वर्णित करने का एक तरीका हो सकता है।

यह दृष्टिकोण 'मेज़रमेंट प्रॉब्लम' (measurement problem) को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जो यह समझाने की दीर्घकालिक कठिनाई है कि क्यों हम एक परिणाम देखते हैं जबकि एक क्वांटम प्रणाली कई संभावनाओं में प्रतीत होती है। मानक क्वांटम मैकेनिक्स में, सुपरपोजिशन की संभावनाओं से एक एकल परिणाम में संक्रमण को अक्सर वेवफंक्शन (wavefunction) के "पतन" (collapse) के रूप में वर्णित किया जाता है, जो एक गणितीय रूप से अचानक और भौतिक रूप से रहस्यमय प्रक्रिया है। एडलम का सुझाव है कि यह पतन एक अचानक, जादुई घटना नहीं है, बल्कि एक आंशिक अवलोकन और एक संदर्भ प्रणाली के बीच की अंतःक्रिया का एक स्वाभाविक परिणाम है। जब एक क्वांटम प्रणाली एक मापने वाले उपकरण के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करती है, तो वह प्रणाली केवल सापेक्ष गुणों का संग्रह नहीं रह जाती; वह संदर्भ फ्रेम के साथ इस तरह से उलझ (entangled) जाती है कि क्वांटम विकास के रैखिक नियम टूट जाते हैं। "पतन" केवल वह क्षण है जब सिस्टम को संदर्भ फ्रेम से स्वतंत्र मानने का अनुमान विफल हो जाता है।

शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि उसने मेज़रमेंट प्रॉब्लम को पूरी तरह से हल कर दिया है। यह कोई नया समीकरण प्रदान नहीं करता है जो सटीक रूप से भविष्यवाणी करे कि पतन कब होता है, न ही यह उस भौतिक तंत्र का पूर्ण मॉडल प्रस्तुत करता है जो सापेक्ष क्वांटम दुनिया को पूर्ण शास्त्रीय (classical) दुनिया से जोड़ता है। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि समाधान इस बात को पहचानने में निहित है कि क्वांटम मैकेनिक्स केवल आंशिक अवलोकनों पर लागू होती है, जबकि जो निश्चित परिणाम हम देखते हैं वे पूर्ण अवलोकन हैं। लेखिका का तर्क है कि क्योंकि हम केवल आंशिक अवलोकन ही माप सकते हैं, हमने वास्तव में कभी भी एक पूर्ण अवलोकन की क्वांटम अवस्था नहीं देखी है। क्वांटम मैकेनिक्स का विचित्र व्यवहार, जिसमें एक साथ दो स्थानों पर होने की क्षमता शामिल है, केवल सापेक्ष, सममिति-परिवर्तनीय मात्राओं पर लागू होता है। जो निश्चित, एकल परिणाम हम अनुभव करते हैं, वे वे अपरिवर्तनीय, पूर्ण तथ्य हैं जो एक संदर्भ प्रणाली से जुड़ने पर उभरते हैं।

यह प्रस्तावित करके कि क्वांटम संबंधपरकता और सापेक्षतावादी संबंधपरकता एक ही और समान हैं, यह शोध पत्र उस अंतर को पाटता है जिसने एक सदी से भौतिकी को विभाजित कर रखा है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड पूर्ण, स्वतंत्र वस्तुओं से नहीं, बल्कि संबंधों से बना है। क्वांटम अवस्था किसी कण की आत्मा का स्नैपशॉट नहीं है, बल्कि पर्यवेक्षक के सापेक्ष उसके रुख का एक वर्णन है। यह दृष्टिकोण हमें एक वास्तविक, वस्तुनिष्ठ दुनिया के विचार को छोड़ने की आवश्यकता नहीं देता है; बल्कि, यह उस दुनिया को संबंधों के एक नेटवर्क के रूप में पुनर्गठित करता है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि इन संबंधों के बनने और टूटने को पूरी तरह से समझाने के लिए और अधिक कार्य की आवश्यकता है, लेकिन आगे का मार्ग यह है कि पूर्ण क्वांटम अवस्थाओं को खोजने के बजाय उन विशिष्ट, संबंधपरक मात्राओं को समझना शुरू किया जाए जिन्हें हम वास्तव में माप सकते हैं। ऐसा करके, शोध पत्र एक शांत, तार्किक स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि क्वांटम दुनिया इतनी अजीब क्यों लगती है: यह इसलिए अजीब है क्योंकि हम सापेक्ष चीजों को पूर्ण मानकर उनका वर्णन करने की कोशिश कर रहे हैं।