क्वांटम सुपरपोज़िशन हमें पूछने के लिए कहता है, "असली क्या है?"

बहुत-बहुत छोटी-सी दुनिया विचित्रताओं का अजूबा है। अणुओं, परमाणुओं और उनके घटक कणों ने 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में परमाणुओं के भौतिकी के साथ कुश्ती करने वाले वैज्ञानिकों के लिए अपने रहस्यों को आसानी से प्रकट नहीं किया। नाटक, हताशा, क्रोध, पहेली, और नर्वस ब्रेकडाउन लाजिमी था, और अब हमारे लिए, एक सदी बाद, यह समझना कठिन है कि दांव पर क्या था। जो हुआ वह विश्वदृष्टि के विध्वंस की एक सतत प्रक्रिया थी। आपको हर उस बात पर विश्वास करना छोड़ना पड़ सकता है जिसे आप किसी चीज़ के बारे में सच मानते हैं। क्वांटम भौतिकी के अग्रदूतों के मामले में, इसका मतलब उन नियमों की अपनी समझ को बदलना था जो तय करते हैं कि पदार्थ कैसे व्यवहार करता है।

स्ट्रिंग ऊर्जा

1913 में, बोह्र ने परमाणु के लिए एक मॉडल तैयार किया जो कुछ हद तक लघु रूप में सौर मंडल जैसा दिखता था। इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के चारों ओर वृत्ताकार कक्षाओं में घूमते थे। बोह्र ने अपने मॉडल में कुछ ट्विस्ट जोड़े - ट्विस्ट जिसने उन्हें अजीब और रहस्यमय गुणों का एक सेट दिया। बोह्र के मॉडल के लिए व्याख्यात्मक शक्ति होने के लिए ट्विस्ट आवश्यक थे - अर्थात, प्रायोगिक माप के परिणामों का वर्णन करने में सक्षम होने के लिए। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएँ नाभिक के चारों ओर रेल की पटरियों की तरह स्थिर थीं। इलेक्ट्रॉन कक्षाओं के बीच में नहीं हो सकता था, अन्यथा यह नाभिक में गिर सकता था। एक बार जब यह कक्षीय सीढ़ी में सबसे निचले पायदान पर पहुँच गया, तो एक इलेक्ट्रॉन वहाँ रुका रहा जब तक कि वह ऊँची कक्षा में नहीं कूद गया।

ऐसा क्यों हुआ, इस बारे में स्पष्टता डी ब्रोगली के इस विचार के साथ आने लगी कि इलेक्ट्रॉनों को कणों और तरंगों दोनों के रूप में देखा जा सकता है। प्रकाश और पदार्थ का यह तरंग-कण द्वैत चौंकाने वाला था, और हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत ने इसे सटीक बताया। जितना अधिक सटीक आप कण का स्थानीयकरण करते हैं, उतना ही कम आप जानते हैं कि यह कितनी तेजी से चलता है। हाइजेनबर्ग के पास क्वांटम यांत्रिकी का सिद्धांत था, जो प्रयोगों के संभावित परिणामों की गणना करने के लिए एक जटिल उपकरण था। यह सुंदर था लेकिन चीजों की गणना करना बेहद कठिन था।

थोड़ी देर बाद, 1926 में, ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी इरविन श्रोडिंगर के पास एक बहुत बड़ा विचार था। क्या होगा यदि हम एक समीकरण लिख सकें कि इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर क्या कर रहा है? चूंकि डी ब्रोगली ने सुझाव दिया था कि इलेक्ट्रॉन तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं, यह एक तरंग समीकरण की तरह होगा। यह वास्तव में एक क्रांतिकारी विचार था, और इसने क्वांटम यांत्रिकी की हमारी समझ को फिर से परिभाषित किया।

मैक्सवेल के विद्युत चुंबकत्व की भावना में, जो प्रकाश को लहराते विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के रूप में वर्णित करता है, श्रोडिंगर ने तरंग यांत्रिकी का अनुसरण किया जो डी ब्रोगली की पदार्थ तरंगों का वर्णन कर सकता था। डी ब्रोगली के विचार के परिणामों में से एक यह था कि यदि इलेक्ट्रॉन तरंगें थे, तो यह समझाना संभव था कि केवल कुछ कक्षाओं की अनुमति क्यों दी गई। यह देखने के लिए कि यह सच क्यों है, कल्पना कीजिए कि दो लोग अना और बॉब एक ​​तार को पकड़े हुए हैं। एना बॉब की ओर बढ़ते हुए एक लहर पैदा करते हुए इसे तेजी से झटका देती है। यदि बॉब ऐसा ही करता है, तो एक लहर एना की ओर बढ़ती है। यदि एना और बॉब अपने कार्यों को सिंक्रनाइज़ करते हैं, तो एक स्थायी तरंग दिखाई देती है, एक पैटर्न जो बाएं या दाएं नहीं चलता है और जो उनके बीच एक निश्चित बिंदु प्रदर्शित करता है जिसे नोड कहा जाता है। अगर एना और बॉब अपने हाथों को तेजी से हिलाते हैं, तो उन्हें दो नोड्स, फिर तीन नोड्स, और इसी तरह से नई स्थायी तरंगें मिलेंगी। जब तक आप अलग-अलग संख्या में नोड्स के साथ खड़ी तरंगें नहीं पाते हैं, तब तक आप अलग-अलग ताकत के साथ एक गिटार स्ट्रिंग को खींचकर स्थायी तरंगें उत्पन्न कर सकते हैं। खड़ी लहर की ऊर्जा और नोड्स की संख्या के बीच एक-से-एक पत्राचार होता है।

पैदा हुई विरासत

डी ब्रोगली ने इलेक्ट्रॉन को नाभिक के चारों ओर एक स्थिर तरंग के रूप में चित्रित किया। जैसे, केवल कुछ स्पंदन पैटर्न एक बंद सर्कल में फिट होंगे - कक्षाएँ, प्रत्येक को दी गई संख्या में नोड्स द्वारा दर्शाया गया है। अनुमत कक्षाओं को इलेक्ट्रॉन तरंग के नोड्स की संख्या से पहचाना गया, प्रत्येक इसकी विशिष्ट ऊर्जा के साथ। श्रोडिंगर की तरंग यांत्रिकी ने समझाया कि डी ब्रोगली की एक स्थिर तरंग के रूप में इलेक्ट्रॉन की तस्वीर सटीक क्यों थी। लेकिन यह इस सरल चित्र को तीन स्थानिक आयामों में सामान्यीकृत करते हुए और भी आगे बढ़ गया।

छह उल्लेखनीय पेपरों के क्रम में, श्रोडिंगर ने अपने नए यांत्रिकी को तैयार किया, उन्हें सफलतापूर्वक हाइड्रोजन परमाणु पर लागू किया, समझाया कि कैसे उन्हें अधिक जटिल स्थितियों के अनुमानित उत्तर देने के लिए लागू किया जा सकता है, और हाइजेनबर्ग के साथ अपने यांत्रिकी की अनुकूलता को साबित किया।

श्रोडिंगर के समीकरण के समाधान को तरंग फलन के रूप में जाना जाता था। प्रारंभ में, उन्होंने इसे इलेक्ट्रॉन तरंग का वर्णन करने के रूप में सोचा। यह नियतत्ववाद का पालन करते हुए समय के साथ तरंगों के विकास की शास्त्रीय धारणाओं के अनुरूप था। उनकी प्रारंभिक स्थिति और वेग को देखते हुए, हम उनकी गति के समीकरण का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए कर सकते हैं कि भविष्य में क्या होगा। श्रोडिंगर को इस तथ्य पर विशेष रूप से गर्व था - कि उनके समीकरण ने परमाणु भौतिकी के कारण होने वाली वैचारिक गड़बड़ी के लिए कुछ क्रम बहाल किया। असतत कक्षाओं के बीच इलेक्ट्रॉन "कूद" के विचार को उन्होंने कभी पसंद नहीं किया।

हालांकि, हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत ने लहर समारोह की इस नियतात्मक व्याख्या को बर्बाद कर दिया। क्वांटम दुनिया में, सब कुछ फजी था, और इलेक्ट्रॉन के समय के विकास की सटीक भविष्यवाणी करना असंभव था, चाहे वह कण या तरंग हो। प्रश्न बन गया: फिर इस तरंग क्रिया का क्या अर्थ है?

भौतिक विज्ञानी खो गए थे। पदार्थ और प्रकाश के तरंग-कण द्वैत और हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत को श्रोडिंगर के सुंदर (और निरंतर) तरंग यांत्रिकी के साथ कैसे समेटा जा सकता है? फिर से एक मौलिक नए विचार की आवश्यकता थी, और फिर से किसी के पास थी। इस बार मैक्स बॉर्न की बारी थी, जो क्वांटम यांत्रिकी के प्रमुख वास्तुकारों में से एक होने के अलावा 1970 के दशक के रॉक स्टार ओलिविया न्यूटन-जॉन के दादा भी थे।

बोर्न ने प्रस्तावित किया, सही ढंग से, कि श्रोडिंगर की तरंग यांत्रिकी ने इलेक्ट्रॉन तरंग के विकास का वर्णन नहीं किया, लेकिन अंतरिक्ष में इस या उस स्थिति में इलेक्ट्रॉन को खोजने की संभावना। श्रोडिंगर के समीकरण को हल करते हुए, भौतिक विज्ञानी गणना करते हैं कि यह संभावना समय में कैसे विकसित होती है। हम निश्चित रूप से यह अनुमान नहीं लगा सकते कि इलेक्ट्रॉन यहाँ मिलेगा या वहाँ। एक बार माप करने के बाद हम केवल यहां या वहां पाए जाने की संभावनाएं दे सकते हैं। क्वांटम यांत्रिकी में, संभाव्यता निश्चित रूप से तरंग समीकरण के अनुसार विकसित होती है, लेकिन स्वयं इलेक्ट्रॉन नहीं होता है। एक ही परिस्थिति में एक ही प्रयोग को कई बार दोहराने से अलग-अलग परिणाम मिल सकते हैं।

क्वांटम सुपरपोजिशन

यह काफी अजीब है। पहली बार, भौतिकी में एक समीकरण है जो किसी वस्तु से संबंधित किसी भौतिक वस्तु के व्यवहार का वर्णन नहीं करता है - जैसे किसी गेंद या ग्रह की स्थिति, संवेग या ऊर्जा। वेव फंक्शन दुनिया में कुछ वास्तविक नहीं है। (कम से कम, इस भौतिक विज्ञानी के लिए ऐसा नहीं है। हम जल्द ही इस बोझिल मुद्दे को संबोधित करेंगे।) यह वर्ग है - इसका पूर्ण मूल्य, चूंकि यह एक जटिल मात्रा है - एक बार अंतरिक्ष में एक निश्चित बिंदु पर कण को ​​खोजने की संभावना देता है। एक माप किया जाता है। लेकिन माप से पहले क्या होता है? हम नहीं बता सकते। हम जो कहते हैं वह यह है कि तरंग कार्य इलेक्ट्रॉन के लिए कई संभावित अवस्थाओं का एक सुपरपोजिशन है। प्रत्येक स्थिति एक स्थिति का प्रतिनिधित्व करती है, एक बार माप किए जाने पर इलेक्ट्रॉन को पाया जा सकता है।

एक संभवतः उपयोगी छवि (वे सभी iffy हैं) अपने आप को एक कमरे में चित्रित करना है जो अंधेरा है, एक दीवार की ओर चल रहा है जहां कई तस्वीरें लटकी हुई हैं। जब आप पेंटिंग के सामने दीवार पर किसी विशिष्ट स्थान पर पहुँचते हैं तो रोशनी चालू हो जाती है। बेशक, आप जानते हैं कि आप एक अकेले व्यक्ति हैं जो चित्रों में से एक की ओर चल रहे हैं। लेकिन अगर आप एक इलेक्ट्रॉन या फोटॉन की तरह एक उप-परमाण्विक कण होते, तो आपकी कई प्रतियां एक साथ दीवार की ओर चलती होंगी। आप अपने कई लोगों की सुपरपोजिशन में होंगे, और केवल एक प्रति दीवार तक पहुंच जाएगी और रोशनी चालू कर देगी। आप की प्रत्येक प्रति की दीवार तक पहुँचने की एक अलग संभावना होगी। प्रयोग को कई बार दोहराने पर, इन विभिन्न संभावनाओं का पता चलता है।

क्या सभी प्रतियां अंधेरे कमरे में चलती हैं, या केवल एक ही है जो दीवार से टकराती है और रोशनी चालू करती है? यदि केवल वही वास्तविक है, तो दूसरे कैसे दीवार से टकरा सकते थे? क्वांटम सुपरपोजिशन के रूप में जाना जाने वाला यह प्रभाव शायद उन सभी में सबसे अजीब है। इतना अजीब और आकर्षक कि यह एक पूरे लेख का हकदार है।