কোয়ান্টাম বলবিদ্যা ও স্থানকাল

কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় কণারা সুপার পজিশনে থাকে। কণা তরঙ্গের সুপারপজিশন। সেখানে কি স্থান-কালও এমন সুপারপজিশনে থাকে?
কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় স্থান ও কালের বিচ্ছিন্ন মান আছে। অনেকটা ফোটনের মতো।

তারমানে হলো, স্পেস-টাইম বা স্থান-কাল কোয়ান্টামের আইন মেনে চলে। তাহলে স্থানকালেও অনিশ্চয়তা থাকবে। আর অনিশ্চয়তা থাকা মানেই সেখানে সুপারপজিশনের ব্যাপারটা চলে আসে।

কোয়ান্টাম মেকানিকসে বলা হয়, কোয়ান্টাম কণিকারা একই সঙ্গে তরঙ্গ ও কণা অবস্থায় থাকে।

এটাই আসলে সুপারপজিশন। শুধু তাই নয়, একটা নির্দিষ্ট কোনো বিন্দুতে এরা থাকে না। তার বদলে কণাদের যতটকু অঞ্চলে থাকার কথা, তার সবটুকু অঞ্চল জুড়েই মেঘের মতো করে অবস্থান করে। অর্থাৎ কণাদের অবস্থান ও গতিবেগ এক সঙ্গে জানা যায় না।

তবে সুপারপজিশনে থাকে বলেই আপনি এদের কণা হিসেবে যেমন দেখতে পাবেন, তেমনি চাইলে তরঙ্গ আকারেও দেখতে পারেন। কিন্তু কখনোই একসঙ্গে কণা ও তরঙ্গ উভয় রূপেই দেখতে পােবেন না।

কোয়ান্টাম মেকানিকসের হিসাব অনুযায়ী, সময়ের ক্ষেত্রেও এমন সুপার পজিশনে দেখা যেতে পারে। সেই সুপারপজিশনটা হচ্ছে—সময়ের একমুখি তীর থাকতেও পারে, আবার একই সঙ্গে নাও থাকতে পারে পারে। এটাই হলো সময়ের সুপারপজিশনের মূল বক্তব্য।

২.
সময়ের তীর থাকা আর না থাকার যে ব্যাপারটা, এটা বর্তমান পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে বড় প্রহেলিকাগুলোর একটা। এর কোনো সমাধান এখনো বিজ্ঞানীরা বের করতে পারেননি। তবে সেটা বের করা গুরুত্বপূর্ণ। বৃহৎ জগতে মহাকর্ষ বল ছড়ি ঘোরায়, সেখানে কোয়ান্টাম বলবিদ্যার প্রভাব খাটে না। আসলেই খাটে না, নাকি খাটে, আমরা সেটা বুঝতে পারছি না?

এর জবাব দিতে পারে একমাত্র কোয়ান্টাম গ্র্যাভিটি। কিন্ত এই তত্ত্বের দেখা এখনো মেলেনি। কোয়ান্টাম মহাকর্ষ এখন বিজ্ঞানীদের জন্য সবচেয়ে বড় চ্যালেঞ্জ।

মার্কিন কোয়ান্টামতত্ত্ববিদ রিচার্ড ফাইনম্যান বলেছিলেন, তরঙ্গ-কণা দ্বৈতাতাই কোয়ান্টাম বলবিদ্যার একমাত্র রহস্য। এর থেকেই অন্য রহস্যগুলো ডালপালা মেলে। তরঙ্গ কণার এই দ্বৈত নীতির জন্য একটা বিখ্যাত পরীক্ষণ আছে। সেটা ডাবল স্লিট এক্সপেরিমেন্ট বা দ্বি-চির পরীক্ষণ নামে পরিচিত। 

এই পরীক্ষাটা প্রথম করেন ১৮০১ সালে ব্রিটিশ পদার্থবিদ টমাস ইয়াং। কারণ তখন মনে করা হত, আলো আসলে কণাধর্মী। আলোর এই কণাধর্মের কথা বলেছিলেন সর্বকালের অন্যতম সেরা পদার্থবিদ আইজ্যাক নিউটন। কাছাকাছি সময়ে ডাচ পদার্থবিদ ক্রিশ্চিয়ান হাইগেনস বলেছিলেন আলো আসলে তরঙ্গধর্মী। দুই বিজ্ঞানীর কথাতেই যুক্তি ছিল। 

আলোর প্রতিফল-প্রতিসণের মতো ধর্মগুলোর ব্যাখ্যা সম্ভব, যদি আলো কণাধর্মী হয়। তাই এক্ষেত্রে নিউটন ঠিক কথাই বলেছিলেন। কিন্তু ক্রিশ্চিয়ান হাইগেনস বলেছিলেন অপবর্তন, ব্যাতিচার ইত্যাদি ধর্মগুলোর ব্যাখ্যা দেওয়া তখনই সম্ভব, যদি আলো তরঙ্গধর্মী হয়। সেকালে নিউটনের প্রভাব ছিল ব্যাপক। তাই বিজ্ঞানী সমাজ আলোর কণাধর্মই মেনে নিয়েছিল। 

কিন্তু সব বিজ্ঞানী মানেননি। তাই প্রায় দেড়শ বছর পর নিউটনের স্বদেশী বিজ্ঞানী ক্রিশ্চিয়ান হাইগেনস পরীক্ষা করে দেখার কথা ভাবেন ব্যাপারটা। তিনি একটা একটা অন্ধাকার বাক্সের দুটি ছিদ্র করেন। সেই ছিদ্রের এপারে ছিদ্র দুটি ঠিক থেকে সমান দূরত্বে একটা আলোর উৎস রাখেন। উৎস থেকে নির্গত আলো দুই ছিদ্র দিয়ে ওপারে চলে যায়। দেয়ালের ওপাশে রাখা একটা পর্দায় ব্যাতিচারের নকশা তৈরি করে। অর্থাৎ আলো যে তরঙ্গধর্মী এটা নিরঙ্কুশভাবে প্রমাণিত হয়। তরঙ্গধর্মী না হলে এই নকশা দেখা যেত না। তখন থেকে বিজ্ঞানীরা বিশ্বাস করতে শুরু করেন, আলো তরঙ্গধর্মী।

কিন্তু এ বিশ্বাসের ভিত কেঁপে যায় ১৯০০ সালে। জার্মান বিজ্ঞানী ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক দেখান, আলো বা বিকিরণ গুচ্ছ গুচ্ছ আকারে নির্গত হয়। বছর পাঁচেক পরে স্বদেশী আলবার্ট আইনস্টাই প্রমাণ করেন আলো আসালে শক্তির কোয়ান্টা বা প্যাকেট আকারে নির্গত হয়। একেকটা কোয়ান্টাকে তিনি তুলনা করেন একেকটা কণার সঙ্গে। গড়ে ওঠে আলোর কোয়ান্টাম তত্ত্ব। এই তত্ত্ব দেখায় আলো একই সঙ্গে কণা এবং তরঙ্গ। 

১৯১০-এর দশকে নীলস বোর ইলেকট্রনের জন্য কোয়ান্টাম তত্ত্ব ব্যবহার করেন এবং সফল হন। ১৯২০-এর দশকে ফরসী বিজ্ঞানী লুই দা ব্রগলি গাণিতিকভাবে প্রমাণ করেন প্রতিটা বস্তু বা কণার একটা করে তরঙ্গ ধর্ম আছে। কণার ভর যত কম, তার তরঙ্গ ধর্ম তত স্পষ্ট।
এর পরপরই জার্মান বিজ্ঞানী ওয়ার্নার হাইজেনবার্গ, ম্যাক্স বর্ন, অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ এরউইন শ্রোডিঙ্গার, উলফগ্যাং পাউলিরা মিলে কোয়ান্টাম বলবিদ্যার অনিশ্চয়তার নীতি প্রতিষ্ঠা করেন। এই নীতিতেই দেখানো হয়, কোনো কণার গতিবেগ ও অবস্থান একই সঙ্গে পরিমাপ করা অসম্ভব। 

এ বিষয়ে ফাইনম্যান আরও বলেছিলেন, কণা পদার্থবিজ্ঞানের যে দ্বৈততার নীতি, আপনি কখনোই বলতে পারবেন না, এটা কীভাবে কাজ করে। তার বদলে আপনি বলতে পারবেন, কীভাবে এটা কাজ করবে বলে মনে হচ্ছে।

অর্থাৎ অনিশ্চয়তার নীতি সম্পূর্ণভাবে দাঁড়িয়ে আছে সম্ভবনা তত্ত্বের ওপর। এখানে শতভাগ নিশ্চিত বলে কিছু নেই।

৩.
আমরা ডাবল স্লিট এক্সপেরিমেন্টের কথা বলেছিলাম, যেটা করেছিলেন টমাস ইয়ং। এর ঠিক ১২৬ বছর পর ১৯২৭ সালে এই পরীক্ষা আবার করেন দুই মার্কিন বিজ্ঞানী ক্লিনটন ডেভিসন ও লেস্টার গার্মার এবং স্বতন্ত্রভাবে ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জি পি টমসন। তবে এবার আর আলো নিয়ে পরীক্ষা করা হয়নি। এবারকার পরীক্ষায় ব্যবহার করা হয় কণা, বিশেষ করে ইলেকট্রন। এবং এ পরীক্ষাতেও ইলেকট্রনের ব্যতিচার নকশ পাওয়া যায়। অর্থাৎ ইলেকট্রনের মতো ভরযুক্ত কণাদেরও যে তরঙ্গ ধর্ম আছে সেটা সন্দেহাতীত ভাবে প্রমাণীত হয় এ পরীক্ষায়।

এরপর ডাবল স্লিট এক্সিপেরিমেন্ট নানা ভাবে করা হয়, বিশেষ করে কোয়ান্টাম কণিকাদের অদ্ভুত আচরণ ব্যাখ্যার জন্য।

এই ডাবল স্লিট পরীক্ষার সাহায্যে কিন্ত কণিকাদের কণা ধর্মের প্রমাণও মেলে। ধরা যাক, দুটি ছিদ্রের একটা বন্ধ রাখা হলো। তখন একগুচ্ছ ইলেকট্র ছুড়ে মারা হলো ছিদ্রের দিকে। তখন ইলেকট্রনগুলো কণার মতো করে ওপারের দেয়ালে গিয়ে আঘাত করবে। কিন্তু এবার আপনাকে দেওয়া হলো একটা মাত্র ইলেকট্রন। আপনি ছুড়ে মারলেন খোলা ছিদ্রটা দিয়ে। দেখবেন ইলেকট্রন কণার মতো করে গিয়ে ওপারের পর্দায় আঘাত করবে। কিন্তু এবার যদি খুলে দেওয়া অন্য ছিদ্রটাও। আর আপনার হাতে একটা মাত্র ইলেকট্রন। তাহলে কী হবে?

বিজ্ঞানীরা অবাক হয়ে দেখলেন, একটা ইলেকট্রন পর্দায় ব্যতিচার নকশা তৈরি করেছে। কীভাবে এটা সম্ভব হলো। দুটো ছিদ্র খোলা থাকলে একটা ইলেকট্রনের পক্ষে ওপরে গিয়ে পর্দায় ব্যতিচার নকশা তৈরি হওয়ার কথা নয়। তাহলে কি একটা ইলেকট্রন একই সঙ্গে দুই ছিদ্র দিয়েই ঢুকেছে এবং ওপারের নকশায় ব্যতিচার তৈরি হয়েছে? আসলেই তাই।

এই পরীক্ষাতেই নিশ্চিত হয় কোয়ান্টাম কণিকাদের অদ্ভুত আচরণের ব্যাপারটা। কোয়ান্টাম তত্ত্বের অন্যতম প্রতিষ্ঠা খোদ আলবার্ট আইনস্টাইন এই তত্ত্বের অদ্ভুত ব্যাপারগুলি মেনে নেননি। আইনস্টাইন বিরোধিতাও রুখতে পারেনি কোয়ান্টাম বলবিদ্যার অগ্রগতি।
কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় শুধু কণাদের অবস্থানের ও ভরবেগ নয়, শক্তিসহ অন্য সব ধর্মেও অনিশ্চয়তা দেখা যায় । অর্থাৎ অবস্থান, বেগ, শক্তিসহসবগুলো ধর্মের একটা মিলিত সুপারপজিশনে থাকে কোয়ান্টাম কণিকারা। 

৪. 
কোয়ান্টাম কণাদের অনিশ্চয়তা থেকে আরেকটা তত্ত্ব বেরিয়ে এসেছিল। সেটাকে বলে কোয়ান্টামে এন্টেঙ্গেলমেন্ট। প্রস্তাবটাই তুলেছিলেন খোদ আইনস্টাইন। অবশ্য তিনি কোয়ান্টামের অদ্ভূতুড়ে নীতির বিরোধিতা করতে গিয়ে কোয়ান্টাম এনন্টেঙ্গেলমেন্টের ধারণা দেন।
তিনি পুরো ব্যাপারটিকে তাচ্ছিল্য করে বলেন ‘স্পুকি অ্যকশন টু ডিসট্যান্স’ অর্থাৎ দূর থেকে ভূতুড়ে কাণ্ড। কেন বলেছিলেন এ কথা, সেটা বুঝতে হলে জানতে হবে কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গেলমেন্টটা কী।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যার আইন অনুযায়ী, কোনো একটা শক্তিস্তরের একই কক্ষে দুটি একই কণা থাকতে গেলে কিছু শর্ত মানতে হবে। শর্ত না মানলে কণাদুটো একই জায়গায় থাকেতে পারবে। শর্ত হলো, এসব কণাদের চার্জ, ভরসহ যাবতীয় ধর্ম একই থাকবে। কিন্তু এদের স্পিন হবে পরস্পরের বিপরীত দিকে। ধরা যাক, ইলেকট্রনের কথা। দুনিয়ার তাবৎ ইলেকট্রনের ভর, চার্জ বা অন্যান্য ধর্ম একই। পার্থক্য শুধু স্পিনে। কোনো ইলেকট্রনের স্পিন ঘড়ির কাঁটা দিকে। কোনোটার আবার উল্টো দিকে।

এখন ধরা যাক, কোনো বিন্দুতে একই সঙ্গে একজোড়া ইলেকট্রনের জন্ম হলো। একই বিন্দুতে জোড়ায় জোড়ায় জন্ম হয়েছে বলে দুটি কণার স্পিন হবে পরস্পরের বিপরীত। ধরা যাক, ইলেকট্রন দুটির একটি আপনি ল্যাবরেটরিতে আটকে রাখলেন। আরেকটা ছুটতে থাকল সেকেন্ডে প্রায় দুই লাখ কিলোমিটার গতিতে। ছুটতে ছুটতে এক সময় ওটা পৌঁছে গেল অ্যান্ড্রোমিডা গ্যালাক্সিতে।

অ্যান্ড্রোমিডায় সেই ইলেকট্রনটি কীভাবে আছে জানতে চান?

সেটার সঙ্গে যোগাযোগ করার উপায় কিন্তু আছে। আপনি ল্যাবরেটির ইলেকট্রনটি পরীক্ষা করুনর। দেখবেন এটার যেসব ভৌত ধর্ম আছে। কোটি কোটি কিলোমিটার দূরের ইলেকট্রনটিরও তাই তা-ই থাকবে। ধরা যাক, ল্যাবরেটরির ইলেকট্রনটির স্পিন ঘড়ির কাটার দিকে রয়েছে। অন্যিদিকে এর জমজ, যেটা এখন অ্যান্ডেমিডায় রয়েছে, সেটার স্পিন হলো ঘড়ির কাটার দিকে।

আপনি বৈদ্যূতিক বা চুম্বক প্রভাব খাটিয়ে ল্যাবরেটরির ইলেকট্রনটির স্পিনের দিক বদলে দিন। ধরুণ ঘড়ির কাঁটার উল্টোদিকে ঘুরিয়ে দিলেন। তাহলে কোটি কাটি মাইল দূরের অ্যান্ড্রোমিডার ইলেকট্রনটিরও স্পিন বদলে যাবে। সেটা সঙ্গে সঙ্গেই ঘড়ির কাঁটার দিকে ঘুরতে থাকবে। অর্থাৎ ইলেকট্রনের এই যে স্পিন বদলের তথ্য অন্য ইলেকট্রনটিতে পৌঁছে যাচ্ছে মূহূর্তেই। তাই সেই ইলেকট্রন কোটি কোটি মাইল দূরে থেকেও নিজের স্পিন বদলে ফেলেছে। কারণ জন্ম থেকেই দুই ইলকট্রন সম্পর্কযুক্ত, ডেসটা যত দূরেই যাক, আর তাই দূর থেকেই মানতে বাধ্য কোয়ান্টাম বলবিদ্যার আইন।

অথচ মহাবিশ্বের পদার্থবৈজ্ঞানিক সূত্র অনুযায়ী কোনো তথ্যই আলোর চেয়ে বেশি গতিতে পাঠানো সম্ভব নয়। কিন্তু এক্ষেত্রে তথ্য পৌঁছে গেল মুহূর্রে মধ্যেই। এটাকেই আইনস্টাইন বলেছিলেন দূর থেকে ভূতুড়ে কাণ্ড। এটা অসম্ভব।

কিন্তু কণা লেভেলে অসম্ভবই আসলে সম্ভব। পরে বার বারই তা প্রমাণ হয়েছে পরীক্ষার মাধ্যমে।

এখন প্রশ্ন হলো এর সঙ্গে সময়ের সম্পর্ক কী?

সম্পর্ক আছে। আর সেজন্যিই কোয়ান্টাম বলবিদ্যা নিয়ে এত কথা বলতে হলো।

আগেও বার বার বলেছি, স্পেস ও টাইম পরস্পরের সঙ্গে ওতপ্রোতভাবে জড়িত। একটাকে বাদ দিয়ে আরেকটাকে নিয়ে চর্চা চলে না। তবু এদের স্বাধীন স্বত্ত্বা আছে। কোয়ান্টাম জগতে এরা আলাদা আলাদাভাবে নিজেদের বৈশিষ্ট্য প্রকাশ করতে পারে।

আধুনিক কোয়ান্টাম তত্ত্ববিদেরা দেখিয়েছেন, স্পেসটাইম অর্থাৎ স্থান-কালের স্থান অংশটার জন্ম হয় কোয়ান্টাম এন্টেঙ্গলমেন্ট থেকে। অন্যদিকে সময়ের জন্য রয়েছে অন্য একটা গল্প। সেই গল্পটা তোলা থাক আগামী পর্বের জন্য। 

আগামী পর্বেই আমরা জানব। আপনার বন্ধু তাঁর হাতের বলটা আপনার দিকে ছুড়ে দেওয়ার আগেই সেটা কীভাবে আপনার হাতে পৌঁছে যেতে পারে।