क्वांटम मेकॅनिक्स म्हणजे काय? | What is quantum mechanics in Marathi?
आपण ज्या जगात राहतो, ते जग आपल्याला खूप ओळखीचे आणि निश्चित वाटते. एखादा चेंडू हवेत भिरकावला तर तो कुठे पडेल, हे आपण गणिताच्या साहाय्याने अचूक सांगू शकतो. काही दशकांपूर्वी शास्त्रज्ञांनाही असेच वाटत होते की, विश्वाचे सगळे नियम आपल्याला समजले आहेत आणि भौतिकशास्त्र आता परिपूर्ण झाले आहे. परंतु, विज्ञानाच्या या शांत तलावात एक असा खडा पडला, ज्याने सर्व जुने नियम मोडीत काढले. हा खडा म्हणजेच ‘क्वांटम मेकॅनिक्स’ किंवा क्वांटम भौतिकशास्त्र. आपल्या रोजच्या अनुभवांच्या पूर्णपणे विरुद्ध आणि चक्रावून टाकणारा हा सिद्धांत विज्ञानाच्या इतिहासातील सर्वात यशस्वी सिद्धांत मानला जातो. आज आपण या अदृश्य क्रांतीमागचे विज्ञान, त्याचा रंजक इतिहास आणि भविष्याला आकार देणारी ‘दुसरी क्वांटम क्रांती’ याविषयी सविस्तर जाणून घेणार आहोत.
निश्चिततेकडून अनिश्चिततेकडे: एक ऐतिहासिक वळण
एकोणिसाव्या शतकाच्या शेवटी भौतिकशास्त्रज्ञांना एक मोठे कोडे सतावत होते. गरम वस्तू प्रकाश कसा उत्सर्जित करतात, हे तत्कालीन जुने नियम (क्लासिकल फिजिक्स) समजावून सांगू शकत नव्हते. जुन्या नियमांनुसार, अल्ट्राव्हायोलेट (अतिनील) प्रकाशासाठी ऊर्जेचे उत्सर्जन अमर्याद व्हायला हवे होते, ज्याला ‘अल्ट्राव्हायोलेट कॅटस्ट्रॉफी’ असे नाव दिले गेले. पण प्रत्यक्षात असे काहीही घडत नव्हते. विज्ञान एका कोंडीत सापडले होते.
सन १९०० मध्ये मॅक्स प्लँक या शास्त्रज्ञाने या समस्येवर एक अतिशय धाडसी आणि त्या काळी ‘वेडी’ वाटणारी कल्पना मांडली. त्यांनी असे सुचवले की, ऊर्जा ही पाण्याच्या सलग प्रवाहासारखी वाहत नाही, तर ती छोट्या-छोट्या पॅकेट्समध्ये (किंवा पुडक्यांमध्ये) विभागलेली असते. या पॅकेट्सना त्यांनी ‘क्वांटा’ असे नाव दिले. या एका कल्पनेने अल्ट्राव्हायोलेटचा प्रश्न सुटला. पण स्वतः प्लँक यांना वाटत होते की हा केवळ एक गणितीय उपाय आहे, वास्तव नाही.
यानंतर १९०५ मध्ये अल्बर्ट आईन्स्टाईन यांनी या कल्पनेला खरा आकार दिला. ‘फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट’ (जेव्हा धातूवर प्रकाश पडतो तेव्हा इलेक्ट्रॉन बाहेर फेकले जाण्याची प्रक्रिया) समजावून सांगताना आईन्स्टाईन यांनी स्पष्ट केले की, प्रकाश स्वतःच ऊर्जेच्या सूक्ष्म कणांचा बनलेला आहे. या कणांना पुढे ‘फोटॉन’ म्हटले गेले. या संशोधनासाठी आईन्स्टाईन यांना नोबेल पारितोषिक मिळाले. पण गंमत म्हणजे, ज्या आईन्स्टाईन यांनी या सिद्धांताला मूर्त स्वरूप दिले, तेच पुढे जाऊन या सिद्धांताचे सर्वात मोठे टीकाकार बनले. कारण क्वांटमचे जग हे निश्चिततेवर नाही, तर ‘संभाव्यतेवर’ (Probability) चालते, जे आईन्स्टाईन यांना मान्य नव्हते.
क्वांटम जगाचे चक्रावून टाकणारे नियम
क्वांटम जगाचे नियम आपल्या नेहमीच्या तर्काला थेट आव्हान देतात. यातला पहिला आणि सर्वात महत्त्वाचा नियम म्हणजे ‘वेव-पार्टिकल ड्युएलिटी’ (लहर-कण द्वैतता). याचा अर्थ असा की, विश्वातील प्रत्येक मूलभूत घटक (उदा. फोटॉन किंवा इलेक्ट्रॉन) एकाच वेळी कणासारखा (Particle) आणि लहरीसारखा (Wave) वागतो. प्रसिद्ध ‘डबल स्लिट’ प्रयोगात असे दिसून आले की, जेव्हा एकच इलेक्ट्रॉन दोन फटींमधून पाठवला जातो, तेव्हा तो एखाद्या लाटेसारखा दोन्ही फटींमधून एकाच वेळी आरपार जातो आणि स्वतःशीच मिसळून पडद्यावर एक पॅटर्न तयार करतो. तो कण कुठे सापडेल, हे एका ‘संभाव्यतेच्या लहरी’वरून (Wave function) ठरते.
या लहरीच्या स्वरूपामुळे क्वांटम कण एकाच वेळी अनेक अवस्थांमध्ये असू शकतो. याला ‘सुपरपोझिशन’ असे म्हणतात. जसे एखादे नाणे हवेत उडवले असता, जोपर्यंत ते खाली पडत नाही तोपर्यंत ते एकाच वेळी ‘छापा आणि काटा’ अशा दोन्ही अवस्थांमध्ये असते; तसेच क्वांटम कण एकाच वेळी दोन ठिकाणी किंवा दोन वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळ्यांवर असू शकतो.
पण यातील सर्वात रहस्यमय भाग पुढेच आहे. जेव्हा आपण या सुपरपोझिशनमधील कणाला पाहण्याचा किंवा मोजण्याचा प्रयत्न करतो (Measurement Problem), तेव्हा ती संभाव्यतेची लहर अचानक कोसळते (Wave function collapse) आणि तो कण एका निश्चित ठिकाणी प्रकट होतो. याचाच अर्थ, आपले ‘निरीक्षण’ (Observation) वास्तवाला आकार देते! जुन्या विज्ञानात आपण फक्त निसर्गाचे निरीक्षण करत होतो, पण क्वांटम जगात आपले बघणे वास्तवाला घडवते.
याशिवाय ‘क्वांटम एन्टँगलमेंट’ ही संकल्पना तर आईन्स्टाईन यांना ‘दूर अंतरावरची भुताटकी’ (Spooky action at a distance) वाटली होती. यात दोन कण एकमेकांशी असे जोडले जातात की, एका कणाची अवस्था मोजली असता, दुसऱ्या कणाची अवस्था त्याच क्षणी निश्चित होते, मग तो दुसरा कण लाखो प्रकाशवर्षे दूर का असेना. तसेच ‘क्वांटम टनेलिंग’ नावाच्या नियमानुसार, कणाकडे पुरेशी ऊर्जा नसतानाही तो एखाद्या अडथळ्यातून बोगदा खणल्यासारखा आरपार जाऊ शकतो. सूर्याच्या गाभ्यात होणारी ऊर्जा निर्मिती आणि आपला साधा पेनड्राईव्ह याच टनेलिंगच्या तत्त्वावर काम करतो.
तत्त्वज्ञानाचा संघर्ष आणि श्रोडिंगरची मांजर
हा सिद्धांत प्रयोगांच्या पातळीवर प्रचंड यशस्वी ठरत होता, पण त्याच्या अर्थावरून शास्त्रज्ञांमध्ये दोन गट पडले होते. नील्स बोर यांच्या नेतृत्वाखालील गटाने ‘कोपनहेगन इंटरप्रिटेशन’ मांडले. त्यांच्या मते, जोपर्यंत आपण मोजमाप करत नाही, तोपर्यंत कणांना निश्चित गुणधर्म नसतात. भौतिकशास्त्राचे काम निसर्ग कसा आहे हे सांगणे नाही, तर आपण त्याच्याबद्दल काय मोजू शकतो हे सांगणे आहे (Shut up and calculate). पण आईन्स्टाईन यांनी “देव फासे टाकत नाही” असे म्हणत या संभाव्यतेच्या जगाला विरोध केला.
याच वादातून ‘श्रोडिंगरची मांजर’ (Schrödinger’s Cat) हा प्रसिद्ध विचार-प्रयोग जन्माला आला. एरविन श्रोडिंगर यांनी कल्पना केली की, एका बंद पेटीत एक मांजर आणि एक किरणोत्सारी अणू आहे. जर अणूचे विघटन झाले तर विषारी वायूची बाटली फुटून मांजर मरेल. क्वांटम नियमानुसार, पेटी बंद असेपर्यंत तो अणू विघटन झालेला आणि न झालेला अशा दोन्ही (सुपरपोझिशन) अवस्थांमध्ये असेल. याचाच अर्थ, पेटी उघडण्यापूर्वी ती मांजर एकाच वेळी जिवंत आणि मृत अशा दोन्ही अवस्थांत असेल! हा प्रयोग सूक्ष्म क्वांटम जग आणि आपले मोठे जग यांच्यातील सीमारेषेवर प्रश्नचिन्ह निर्माण करतो.
पहिली क्वांटम क्रांती: आपल्या खिशातील तंत्रज्ञान
एकीकडे हे तत्त्वज्ञानाचे वाद सुरू असताना, अभियंत्यांनी या नियमांचा वापर करून आधुनिक जगाचा चेहरामोहरा बदलून टाकला. याला ‘पहिली क्वांटम क्रांती’ म्हणतात. यात पदार्थांमधील अब्जावधी कणांच्या एकत्रित क्वांटम गुणधर्मांचा वापर करण्यात आला.
१९४७ मध्ये लागलेला ट्रान्झिस्टरचा शोध हा याच क्रांतीचा भाग होता. सेमीकंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉन्सच्या ऊर्जा स्तरांचे (Energy bands) नियंत्रण करून डिजिटल क्रांतीचा पाया रचला गेला. आजचा संगणक, स्मार्टफोन आणि इंटरनेट या ट्रान्झिस्टरशिवाय शक्यच नव्हते. ‘लेझर’ तंत्रज्ञान हे देखील ‘स्टिमुलेटेड एमिशन’ या क्वांटम प्रक्रियेवर चालते, ज्याचा अंदाज आईन्स्टाईन यांनी वर्तवला होता. वैद्यकीय क्षेत्रातील एमआरआय (MRI) स्कॅन हे शरीरातील पाण्याच्या रेणूंमधील प्रोटॉनच्या ‘स्पिन’ या क्वांटम गुणधर्माचा वापर करून शरीराची अचूक त्रिमितीय प्रतिमा तयार करते. अगदी पीईटी (PET) स्कॅनमध्ये तर ‘अँटी-मॅटर’चा (पॉझिट्रॉन) प्रत्यक्ष वापर करून कॅन्सरसारख्या आजारांचे अचूक निदान केले जाते.
दुसरी क्वांटम क्रांती: भविष्याची चाहूल
पहिली क्रांती केवळ एक सुरुवात होती. आज आपण दुसऱ्या क्वांटम क्रांतीच्या उंबरठ्यावर उभे आहोत. यात आपण अब्जावधी कणांच्या एकत्रित गुणधर्मांऐवजी, ‘वैयक्तिक’ क्वांटम कणांना (Individual particles) नियंत्रित करायला शिकत आहोत. सुपरपोझिशन आणि एन्टँगलमेंट यांसारख्या विचित्र नियमांना थेट कामाला लावण्याचे हे युग आहे.
या दुसऱ्या क्रांतीचा पहिला मोठा स्तंभ म्हणजे ‘क्वांटम कम्प्युटिंग’. पारंपरिक संगणक हे शून्य किंवा एक (Bits) वापरतात. पण क्वांटम संगणक ‘क्युबिट्स’ (Qubits) वापरतात, जे सुपरपोझिशनमुळे एकाच वेळी शून्य आणि एक अशा दोन्ही अवस्थांमध्ये असू शकतात. यामुळे त्यांची गणित सोडवण्याची क्षमता अफाट वाढते. जे प्रश्न सोडवायला आजच्या सुपर कम्प्युटरला अब्जावधी वर्षे लागतील, ते प्रश्न क्वांटम कम्प्युटर काही मिनिटांत सोडवू शकतील. यामुळे नवीन औषधांचा शोध, हवामान बदलांचा अचूक अंदाज आणि कृत्रिम बुद्धिमत्तेला (AI) अभूतपूर्व वेग मिळेल.
पण या प्रचंड वेगामुळे आजची आपली सायबर सुरक्षा धोक्यात येऊ शकते. बँक खाती आणि गुप्त संदेश सुरक्षित ठेवणारी आजची एन्क्रिप्शन प्रणाली क्वांटम कम्प्युटर सहज तोडू शकतो. यावर उपाय म्हणून दुसरा स्तंभ उभा राहतोय, तो म्हणजे ‘क्वांटम कम्युनिकेशन’. यात ‘क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन’ (QKD) चा वापर केला जातो. क्वांटम नियमानुसार, जर कोणीही मध्यस्थानी तो संदेश वाचायचा (निरीक्षण करायचा) प्रयत्न केला, तर त्याची अवस्था आपोआप बदलते आणि संदेश पाठवणाऱ्याला धोक्याची पूर्वकल्पना मिळते. यातूनच भविष्यात ‘अभेद्य क्वांटम इंटरनेट’ तयार करण्याचे स्वप्न पाहिले जात आहे.
तिसरा स्तंभ म्हणजे ‘क्वांटम सेन्सिंग’. क्वांटम कण हे पर्यावरणातील बदलांना अत्यंत संवेदनशील असतात. या नाजूकपणाचा वापर करून अतिशय अचूक सेन्सर्स बनवले जात आहेत. हे सेन्सर्स मेंदूतील न्यूरॉन्सचे सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र मोजून अल्झायमरसारख्या आजारांचे खूप आधी निदान करू शकतील. तसेच, जीपीएस शिवाय अचूक दिशादर्शन करणे आणि भूगर्भातील पाण्याचे व खनिजांचे अचूक नकाशे बनवणे यामुळे शक्य होणार आहे.
आव्हाने आणि एक नवीन दृष्टिकोन
हे सर्व एखाद्या जादूसारखे वाटत असले तरी, प्रत्यक्षात आणणे अत्यंत कठीण आहे. यातील सर्वात मोठे आव्हान म्हणजे ‘डी-कोहेरन्स’ (Decoherence). क्युबिट्स अत्यंत नाजूक असतात. बाहेरच्या तापमानातील किंचितसा बदल किंवा साधा आवाजही त्यांची क्वांटम अवस्था नष्ट करू शकतो. त्यामुळे त्यांना ‘अॅब्सोल्युट झिरो’ (उणे २७३ अंश सेल्सिअस) च्या आसपास थंड ठेवावे लागते, जे प्रचंड खर्चिक आणि गुंतागुंतीचे आहे. त्यामुळे सर्वसामान्यांच्या वापरासाठी क्वांटम संगणक येण्यासाठी २०३५ किंवा त्यानंतरचा काळ उजाडू शकतो.
क्वांटम भौतिकशास्त्राने आपल्याला केवळ नवीन तंत्रज्ञान दिले नाही, तर विश्वाकडे पाहण्याचा आपला दृष्टिकोनच बदलून टाकला आहे. एका निश्चित घड्याळासारख्या (Deterministic) विश्वाकडून आपण आता अशा विश्वाकडे आलो आहोत, जे अनेक ‘शक्यतांनी’ (Probabilities) भरलेले आहे. आणि सर्वात आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे, वास्तव काय आहे हे ठरवण्यात आपल्या ‘निरीक्षणाची’ भूमिका महत्त्वाची ठरत आहे. ज्या जगात भविष्य हे दगडात कोरलेले नसून, ते ‘घडण्याची वाट पाहणारी एक शक्यता’ आहे, त्या जगात जगणे खरोखरच विचार करायला लावणारे आणि अद्भुत आहे!
Also Read
