શું છે આ Quantum Physics? (ભાગ-૧)
· પૃષ્ઠભૂમિ
“Now, I am fully convinced that Quantum Physics is the actual Philosophy.”
– Max Born
પ્રખ્યાત ભૌતિકવિજ્ઞાની મેક્સ બોર્નના ઉપરોક્ત વાક્ય સાથે આજના સમયના મોટાભાગના ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ અને ફિલોસોફર્સ સંપૂર્ણપણે સહમત થાય છે. આ ઉપરાંત સમજદાર ધર્મગુરૂઓ પણ આ વાત સ્વીકારે છે અને આ બધાનું એકમાત્ર કારણ એ છે કે Quantum Physics વાસ્તવિકતાને જોવાના નવા નવા દ્વાર ખોલી રહ્યું છે. આ બ્રહ્માંડ અને અસ્તિત્વની વાસ્તવિકતાઓ આપણા ધાર્યા કરતાં અનેકગણી વધુ રોમાંચક સ્વરૂપે આપણી સામે ઉજાગર થઇ રહી છે, છતાં ઘણાબધા લોકો Quantum Physics ના આ વિકાસથી સાવ અજાણ છે.
એક સામાન્ય માણસનું મગજ જેને Physics અથવા તો વિશાળ અર્થમાં Science તરીકે ઓળખે છે એ Classical Physics છે. Physics એટલે કુદરતને જાણવા માટેનું વિજ્ઞાન. બ્રહ્માંડને જાણવા માટેનું વિજ્ઞાન. Physics ના મુખ્ય ચાર પ્રકાર પાડી શકાય. પ્રથમ Classical Physics, બીજું Quantum Physics, ત્રીજું Electrodynamics અને ચોથું Relativity. આમાં Electrodynamics અને Relativity ઘણીબધી રીતે classical થિયરી ગણાતી હોઇ તેને Classical Physics સાથે જોડી દઇએ તો Physics ના મુખ્ય બે જ ભાગ ગણી શકાય. Classical Physics અને Quantum Physics. એક સામાન્ય માણસના વિજ્ઞાનને લગતા તમામ ખ્યાલો classical ides છે. Quantum Physics હજી સામાન્ય માણસો સુધી પહોંચ્યુ જ નથી. વિજ્ઞાન એટલે કુદરતના નિયમો. એમાં ગમો અણગમો ન હોય. એ આપણને સૌને એકસરખા લાગુ પડે છે. તેમ છતાં વિજ્ઞાનમાં રસ ધરાવતા ન હોય એવા લોકો વિજ્ઞાનનો વિરોધ કરે કે તેને નાપસંદ કરે એનું એકમાત્ર કારણ છે Classical Physics. Classical Physics ના નિયમો છે તો ૧૦૦% સાચા અને ફુલપ્રુફ પણ થોડા જડ કહી શકો એવાં અને માત્ર સ્થૂળ જગતને લાગુ પડે એવાં છે. બસ, આ એક વાતને લઇ વિજ્ઞાનના અજ્ઞાનીઓ હોબળો કરતાં રહે છે.
વિજ્ઞાનમાં રસ ધરાવતાં વ્યક્તિ તરીકે મને ઘણીવાર એવો અનુભવ થાય છે. લોકો કોઇ રહસ્યમય ઘટનાનો ઉલ્લેખ કરી મોઢું થોડુ ત્રાંસુ કરી પુછે છે, “કહો, આમાં તમારૂં વિજ્ઞાન શું કહે છે?”
ઘણા લોકોના પ્રશ્નો હોય છે “ભગવાન છે કે નહી? અથવા ભૂત-પ્રેત છે કે નહી?”
અમુક લોકો સીધો વિરોધનો જ સ્વર શરૂ કરી દે છે, “તમારૂ વિજ્ઞાન તો ધર્મનો વિરોધ જ કરશે ને!! વિજ્ઞાન તો જીવ અને આત્મામાં નહી જ માને ને!!”
આવા ઘણા વાક્યો સાંભળવા મળી જાય છે. આ બધાંજ સવાલોનો એકમાત્ર જવાબ છે અને એ પણ માત્ર બે જ શબ્દોનો... Quantum Physics.
જોકે આવા સવાલો પુછવામાં મૂળત: જે ખ્યાલ ઘર કરી ગયો છે એ Classical Physics નો છે અને લોકોનું વિજ્ઞાન પ્રત્યેનું અજ્ઞાન પણ એમાં કારણભૂત છે. વિજ્ઞાન તમારૂં કે મારૂં નથી. પ્રથમ તો વિજ્ઞાન કોઇ વસ્તુ નથી કે એના પર કોઇની માલીકી હોય. વિજ્ઞાન તો આ બ્રહ્માંડની Rule Book છે અને એ નિયમો આપણને બધાને, આખા બ્રહ્માંડને લાગુ પડે છે.
આવા રહસ્યમય Quantum Physics ને સમજવાની શરૂઆત કરીએ. અહીં આપણો મુખ્ય મુદ્દો હશે Quantum Physics નું Philosophy ટાઇપનું વર્ણન તેમ છતાં વચ્ચે કેટલાંક ટેકનીકલ ફીઝીક્સ ખ્યાલો તો આવશે જ. એના વિશે અલગથી બીજા લેખોમાં સમજણ મેળવીશું અથવા તો આપ મારા ઇ-મેઇલ પર વ્યક્તિગત રીતે પણ એ પ્રશ્નો પુછી શકો છો.
· Quantum Physics ની શરૂઆત
Classical Physics મુખ્યત્વે સ્થૂળ જગત એટલે કે Macro world સાથે સંલગ્ન છે. જેના નિયમો neat and clean છે. સીધા અને સટ. આપણું ચાલવું, સાયકલનું ચાલવું, તમામ મશીનોનું ચાલવું, રોકેટનું ઉડવું વગેરે સહિતની આસપાસની તમામ ઘટનાઓ Classical Physics નો ભાગ છે. પરંતુ આપણે જ્યારે સ્થૂળ જગતને છોડી સૂક્ષ્મ જગત એટલે કે Micro world માં જઇએ અર્થાત અણુ, પરમાણુ અને પરમાણ્વીક કણોના સ્તર પર જઇએ ત્યારે નિયમો બદલાવા લાગે છે. કણોની વર્તણૂકો બદલાવા લાગે છે. સ્થૂળ જગતમાં વૈજ્ઞાનિક રીતે બધું જ પ્રેડીક્ટેબલ હોય છે જ્યારે સૂક્ષ્મ સ્તર પર અનપ્રેડીક્ટેબીલીટીનું સામ્રાજ્ય છે. તો, Quantum Physics ની મૂળભૂત શરૂઆત કંઇક આમ થઇ.
વર્ષોથી પ્રકાશને તરંગ સ્વરૂપે લેવામાં આવે છે કારણકે એ તરંગ જ છે. પાણીના તરંગોને તમે પથરા ન કહી શકો. એ તરંગ છે કારણ કે તરંગ જેવી પેટર્ન બનાવે છે અને તરંગ જેવા ગુણધર્મો ધરાવે છે. બિલકુલ એ જ રીતે પ્રકાશ પણ તરંગ છે. સત્તરમી સદીના પ્રખર ભેજાબાજ સંશોધકો એવાં બ્રિટનના સર આઇઝેક ન્યુટન અને ફ્રાન્સના ઓગસ્ટીન જીન ફ્રેનલ પણ એ વાત સંપૂર્ણપણે સાબિત કરી ચુક્યાં હતાં કે પ્રકાશ તરંગ સ્વરૂપે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. પરંતુ ઓગણીસમી સદીના અંત ભાગ સુધી રેડીયોએક્ટીવીટી, ક્ષ-કિરણો વગેરે જેવા સંશોધનોએ તથા “બ્લેક બોડી રેડીયેશન” જેવા પ્રશ્નોએ વૈજ્ઞાનિકોને વિચારતાં કરી મુક્યાં. ઇ.સ.૧૯૦૦ માં જર્મનીના ભેજાબાજ મેક્સ પ્લાન્ક એમની કણ થિયરી સાથે મેદાનમાં આવ્યાં. જો કે બીજા વૈજ્ઞાનિકોને એમની કણ થિયરીમાં રસ પડવાને હજી પાંચ વર્ષની વાર હતી. ઇ.સ.૧૯૦૫માં શ્રી શ્રી પ.પૂ.ધ.ધૂ વિશેષણો પણ જેના માટે ઓછા પડે એવા આલ્બર્ટ આઇનસ્ટાઇને રજૂ કરેલા પાંચ રિસર્ચ પેપરમાંનું એક હતું ફોટોઇલેક્ટ્રીક ઇફેક્ટ, જેમાં એમણે પ્લાન્કની કણ થિયરીનો ઉપયોગ કરી એ સાબિત કર્યું કે પ્રકાશ કણ સ્વરૂપનો બનેલો છે અને એટલેજ ધાતુની લીસી સપાટી પર પ્રકાશનું કિરણ આપાત કરવામાં આવે તો એ કણ સ્વરૂપ જ (જેને આજે આપણે ‘ફોટોન’ નામથી ઓળખીએ છીએ.) કેરમના સ્ટાઇકરની જેમ ધાતુના પરમાણુઓની ભ્રમણકક્ષામાંથી ઇલેક્ટ્રોનને બહાર કઢી નાંખે છે. આમ પ્રકાશ કણ છે. (આ ફોટોઇલેક્ટ્રીક ઇફેક્ટ માટે આઇનસ્ટાઇનને ઇ.સ.૧૯૨૧નું નોબેલ પ્રાઇઝ મળ્યું હતું.) પણ હવે તો ગૂંચવાડો વધી ગયો. પ્રકાશ તરંગ સ્વરૂપ તો છે જ એ પુરાવા સાથે સિધ્ધ થયેલું હતું પણ હવે પ્રકાશ કણ સ્વરૂપનો બનેલો છે એ પણ સિધ્ધ થઇ ગયું. તો હવે પ્રકાશ કણ છે કે તરંગ?? કે પછી પ્રકાશ કણ અને તરંગ બંને છે?? પણ કણ અને તરંગ બંને એકસાથે કેવી રીતે હોઇ શકે??
સામાન્ય માણસના મગજને ચકરાવે નાખી દેતા આ પ્રશ્નનો જવાબ છે, પ્રકાશ બંને છે. આજે આ ખ્યાલને કણ-તરંગ દ્વૈતવાદ (Wave-Particle Duality) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. કોઇપણ વસ્તુ કણ અને તરંગ બંને એકસાથે કઇ રીતે હોઇ શકે? પથ્થર એ પથ્થર છે અને પાણી એ પાણી છે. પથ્થર સખત છે તો પાણી વહેતું છે અને એમાં તરંગો ઉત્પન્ન થઇ શકે છે. જો કોઇ તમને એમ કહે કે પાણી અને પથ્થર બંને એક જ છે તો??? મગજ ચકરાવે ચડી જાય ને!!
આ Wave-Particle Dualityને સમજવા ડબલ સ્લીટનો પ્રયોગ કરવામાં આવે છે જે સૌપ્રથમ બ્રિટનના થોમસ યંગ નામના વૈજ્ઞાનીકે કર્યો હતો. આ ડબલ સ્લીટનો પ્રયોગ પ્રકાશનું તરંગ સ્વરૂપ સાબિત કરતો હતો પરંતુ એણે કણ અને તરંગની જે મગજમારી ઉભી કરી એ આજે પણ ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓને ગુંચવી રહી છે. આજે પણ વાસ્તવિકતા કણ અને તરંગ બંને સ્વરૂપે મગજને ચકરાવે ચડાવી રહી છે.
પહેલાં ઇ.સ.૧૮૦૧માં થોમસ યંગ નામના બ્રિટીશ વૈજ્ઞાનીકે ડબલ સ્લીટનો પ્રયોગ કરેલો. પ્રકાશનો તરંગ સ્વભાવ સાબિત કરવા માટેનો આ પ્રયોગ હતો. પ્રકાશ તરંગ સ્વરૂપે વહન પામે છે એવું માનીએ. એક દિવાલમાં બે સ્લીટ (ફાચર અથવા તિરાડ) પાડેલી છે તેમ માનો. દિવાલની એક તરફ પ્રકાશનું ઉદગમસ્થાન છે તો દિવાલની બીજી તરફ પડદો મુકેલો છે. હવે, પ્રકાશ તેના ઉદગમસ્થાનમાંથી તરંગ સ્વરૂપે નીકળશે. પ્રકાશનું એક તરંગ બે સ્લીટ (ફાચર) માંથી પસાર થશે એટલે એકમાંથી બે તરંગ બનશે. હવે, આ બંને તરંગો આગળ વધશે અને બંને એકબીજા સાથે સંપાત (superpose) થશે. તરંગો હંમેશા શૃંગ (peak) અને ગર્ત (valley) ના સ્વરૂપમાં આગળ વધે છે. પ્રકાશના બંને તરંગ અંદર અંદર સંપાત થશે, જેમાં બંને શૃંગ-શૃંગ ભેગા થશે તે ભાગ વધુ પ્રકાશિત (light) હશે અને બંનેના ગર્ત-ગર્ત ભેગા થશે તે ભાગ અપ્રકાશિત (dark) હશે. આ પ્રયોગ પાણી સાથે કરીએ અને પાણી પર અજવાળું આવતું હોય તો આ પ્રકાશિત-અપ્રકાશિત ભાગ સ્પષ્ટ જોઇ શકાય. હવે, યંગના પ્રયોગમાં સ્લીટની સામેના પડદા પર પ્રકાશિત-અપ્રકાશિત શલાકાઓ (fringes) અર્થાત light અને dark પટ્ટીઓ જેવી પેટર્ન મળશે, જે આકૃતિ-૨ માં સ્પષ્ટ જોઇ શકાય છે. આ પેટર્ન જ તરંગ સ્વરૂપની સાબિતી બની ગઇ. યંગનો પ્રયોગ એટલો સફળ હતો કે કોઇપણ તરંગ સ્વરૂપ બે સ્લીટમાંથી પસાર થાય એટલે કે સામે પડદા પર પ્રકાશિત-અપ્રકાશિત શલાકાઓ બનાવે અને એનાથી ઉલટુ, જે વસ્તુ પડદા પર પ્રકાશિત-અપ્રકાશિત શલાકાઓ બનાવે એને જ તરંગ કહેવાય એવી વ્યાખ્યા બની ગઇ. બસો વર્ષ પહેલા આ પ્રયોગ પ્રકાશના તરંગ સ્વરૂપનો પર્યાય થઇ ગયો હતો. વ્યતિકરણ (interference) અને વિવર્તન (diffraction) જેવી ઘટનાઓએ પણ પ્રકાશના તરંગ હોવા બાબતે સજ્જડ પુરાવાઓ આપી દીધાં. તારણ – પ્રકાશ તરંગ સ્વરૂપે અસ્તિત્વ ધરાવે છે.
