Quantum-enabled measurement of gravitational forces at the milligram scale
यह शोध पत्र मिलीकेल्विन तापमान पर किए गए एक क्रांतिकारी प्रयोग को प्रस्तुत करता है जिसने एक माइक्रोवेव ऑप्टोमैकेनिकल सिस्टम का उपयोग करके मिलीग्राम-स्तर के द्रव्यमानों के बीच गुरुत्वाकर्षण बलों को सफलतापूर्वक मापा है, जिससे संवेदनशीलता में दो-आदेश-परिमाण (two-order-of-magnitude) का सुधार हुआ है और गैर-शास्त्रीय गति अवस्थाओं (non-classical motional states) से जुड़े गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रियाओं की जांच के लिए एक व्यवहार्य मंच स्थापित हुआ है।
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गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है और ग्रहों को उनकी कक्षाओं में बनाए रखता है, फिर भी यह ब्रह्मांड को नियंत्रित करने वाले सभी मौलिक बलों में सबसे कमजोर है। जबकि हम समझते हैं कि गुरुत्वाकर्षण बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड को कैसे आकार देता है, सूक्ष्म दुनिया में इसका व्यवहार एक रहस्य बना हुआ है। ऐसा इसलिए है क्योंकि नन्हे पिंडों के बीच का गुरुत्वाकर्षण खिंचाव इतना अविश्वसनीय रूप से हल्का होता है कि इसे आमतौर पर बिजली या चुंबकत्व जैसे अन्य, अधिक शक्तिशाली बलों द्वारा दबा दिया जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक छोटे द्रव्यमानों के बीच गुरुत्वाकर्षण को मापने के लिए संघर्ष कर रहे हैं, और वे कभी भी ऐसे वातावरण में ऐसा करने में सक्षम नहीं हो सके जहाँ वस्तुएं क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों के अनुसार व्यवहार करती हैं। बहुत बड़े और बहुत छोटे के भौतिकी के बीच के अंतर को पाटना आधुनिक विज्ञान की सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक है, और ऐसा करने के लिए उन वस्तुओं के बीच गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को मापना आवश्यक है जो क्वांटम प्रभावों से प्रभावित होने के लिए पर्याप्त हल्की हों।
फिनलैंड के आल्टो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक अत्यधिक नियंत्रित, अति-शीत वातावरण में दो छोटे सोने के गोलों के बीच गुरुत्वाकर्षण आकर्षण को सफलतापूर्वक मापकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम बढ़ाया है। इस प्रयोग में 87 मिलीग्राम वजन वाले एक स्रोत द्रव्यमान (source mass) और 1.3 मिलीग्राम वजन वाले एक परीक्षण द्रव्यमान (test mass) का उपयोग किया गया। इस माप को संभव बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने परीक्षण द्रव्यमान को सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक पतली, लचीली झिल्ली पर रखा, जिसने एक छोटे ड्रम की सतह की तरह कार्य किया। इस पूरे सेटअप को परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा किया गया था, एक ऐसी अवस्था जहाँ तापीय कंपन (thermal jitters) न्यूनतम होते हैं, जिससे नाजुक गुरुत्वाकर्षण संकेत उभर सके। स्रोत द्रव्यमान एक सोने का गोला था जो एक कंपन करने वाले पोल से जुड़ा था जो केवल कुछ माइक्रोमीटर की दूरी तक ऊपर-नीचे होता था। जैसे ही यह गोला हिलता था, इसकी बदलती स्थिति परीक्षण द्रव्यमान पर एक सूक्ष्म, लयबद्ध गुरुत्वाकर्षण खिंचाव डालती थी, जिससे झिल्ली उसी ताल में कंपन करती थी।
इस गति का पता लगाने के लिए एक अत्यंत संवेदनशील विधि की आवश्यकता थी, क्योंकि शामिल बल 'एटटोन्यूटन' (attonewtons) की सीमा में मापा गया था, जो कि इतनी छोटी इकाई है जिसे समझना कठिन है। शोधकर्ताओं ने 'माइक्रोवेव ऑप्टोमैकेनिक्स' नामक तकनीक का उपयोग किया, जहाँ उन्होंने एक सुपरकंडक्टिंग कैविटी (superconducting cavity) में माइक्रोवेव संकेतों को प्रवाहित किया जिसमें वह झिल्ली स्थित थी। कंपन करती हुई झिल्ली की स्थिति ने इन माइक्रोवेव के गुणों को बदल दिया, जिससे टीम को अविश्वसनीय सटीकता के साथ झिल्ली की गति को ट्रैक करने में मदद मिली। प्रयोग को विद्युत हस्तक्षेप और कंपन से सावधानीपूर्वक बचाकर, वे गुरुकर्षण संकेत को पृष्ठभूमि के शोर से अलग करने में सक्षम रहे। डेटा ने दिखाया कि परीक्षण द्रव्यमान वास्तव में स्रोत द्रव्यमान की गति के प्रति प्रतिक्रिया कर रहा था और बल न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण नियम के अनुमानों से मेल खाता था। शोधकर्ताओं ने इसे स्रोत द्रव्यमान को विभिन्न स्थानों पर ले जाकर और यह देखकर पुष्ट किया कि बल कैसे बदलता है, यह पाया कि आकर्षण तब मजबूत हो गया जब गोले करीब आए, जैसा कि एक गुरुत्वाकर्षण परस्पर क्रिया के लिए अपेक्षित था।
यह उपलब्धि सूक्ष्म स्तर पर गुरुत्वाकर्षण को मापने की क्षमता में एक बड़ी छलांग है, जो पिछले प्रयोगों की संवेदनशीलता में लगभग सौ गुना सुधार करती है। हालांकि उपयोग किए गए द्रव्यमान अभी भी शास्त्रीय वस्तुओं (classical objects) के रूप में माने जाने के लिए पर्याप्त बड़े थे, न कि क्वांटम वस्तुओं के रूप में, लेकिन प्रयोग को एक ऐसे परिवेश में आयोजित किया गया था जो अंततः क्वांटम अवस्थाओं का समर्थन करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनका सेटअप एक मानव बाल की चौड़ाई से भी कम दूरी तक चलने वाले द्रव्यमान के गुरुत्वाकर्षण प्रभाव का पता लगाने में सक्षम था। उन्होंने अन्य संभावित कारणों, जैसे कि विद्युत बल या सहायक संरचना के माध्यम से होने वाले कंपन को भी खारिज कर दिया, यह दिखाकर कि संकेत केवल तभी दिखाई दिया जब गोले उस तरह से संरेखित थे जिससे गुरुत्वाकर्षण खिंचाव अधिकतम हो सके और जब उन्हें दूर किया गया तो वह गायब हो गया।
इस प्रयोग की सफलता भविष्य के उन अध्ययनों के द्वार खोलती है जहाँ शामिल द्रव्यमानों को वास्तविक क्वांटम अवस्थाओं में रखा जा सकता है, जैसे कि 'सुपरपोजिशन' (superposition), जहाँ एक वस्तु एक ही समय में दो स्थानों पर मौजूद होती है। यदि वैज्ञानिक अंततः ऐसी अवस्थाओं में वस्तुओं के बीच गुरुत्वाकर्षण को मापने में सक्षम होते हैं, तो यह इस बात का पहला प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान कर सकता है कि गुरुत्वाकर्षण क्वांटम यांत्रिकी के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड के एक एकीकृत सिद्धांत की ओर ले जा सकता है। फिलहाल के लिए, टीम ने यह सिद्ध कर दिया है कि मिलीग्राम-स्तर के पिंडों के बीच गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को उच्च सटीकता के साथ मापना संभव है, जिससे एक सैद्धांतिक चुनौती एक व्यावहारिक वास्तविकता में बदल गई है। यह कार्य अभी तक क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के रहस्य को हल नहीं करता है, लेकिन यह प्रयोगशाला की शांत, ठंडी गहराइयों में उत्तर की खोज जारी रखने के लिए आवश्यक उपकरण और आत्मविश्वास प्रदान करता है।
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