શું છે આ Quantum Physics? (ભાગ-૨)
તમામ અલ્ટ્રામોર્ડન ફેસીલીટી વાળો એક શોપીંગ મોલ કલ્પી લો. ખૂબ મોટી સાઇઝનો આ મોલ છે. સમજો કે આખા ગાંધીનગર જેટલી મોટી સાઇઝનો એક વિરાટ શોપીંગ મોલ છે. તમે ફરતાં થાકી જાઓ તોય પુરો ના થાય એવડો મોટો. હવે કોઇ તમારી મેમરી ડીલીટ કરી તમેન એ મોલમાં મુકી દે છે. તમારી આંખો ખુલે છે ત્યારે તમે એક અતિસુંદર ભવ્યાતિભવ્ય મોલ જોઇ રહ્યાં છો. તમારા જેવાંજ બીજા દસેક હજાર માણસો એ વિશાળ મોલમાં હરી-ફરી રહ્યાં છે પણ કોઇ એ મોલની બહાર જઇ શકતું નથી. ખાણી-પીણીની એક એકથી ચડીયાતી વસ્તુઓ અહીં ઉપલબ્ધ છે. ગેમીંગ ઝોન છે. કેસીનો છે. સાત-આઠ વિશાળ મલ્ટીપ્લેક્ષ થિયેટર્સ છે. વર્ચ્યુઅલ રિયાલીટી (V.R.) નો અનુભવ કરાવી ખરેખરમાં મોજુદ ના હોય એવાં અદભૂત સ્થળોની તમને પ્રત્યક્ષ મુલાકાત કરાવી શકે એવાં બે વર્ચ્યુઅલ રિયાલીટી શો-રૂમ્સ છે. રિયાલીટી ગ્લાસ વાળો V.R. રૂમ છે. વર્ચ્યુઅલ પ્લેન રાઇડ છે. કપડાના શો-રૂમ્સ છે. રહેવાલાયક જગ્યાઓ છે. હોટેલ્સ, રેસ્ટોરન્ટ્સ, સ્વીમીંગ પુલ, જીમ, ટેનીસ ક્લબ, સ્પોર્ટ્સ ક્લબ, ડિસ્કોથેક, મ્યુઝીક ડીજે વગેરે વગેરે તમે જેટલું વિચારી શકો એ બધુંજ છે.
હવે તમારા દિલને પુછો. તમારી આંખો ખુલ્યા પછી તમે શું કરશો? પ્રશ્નને હજી વધુ સ્પષ્ટ બનાવીએ. તમે શું વિચારશો? તમને શું કરવાના વિચારો આવશે? તમારા જેવાં દસેક હજાર લોકો સાથે વાતચીત કરશો, ખાશો, પીશો, મિત્રો બનાવશો, ગીતો ગાશો, ડાન્સ કરશો અને જીંદગીને એન્જોય કરશો? કે પછી તમારા દિમાગમાં એવો પ્રશ્ન સળવળશે કે આ મોલ શું છે? એ શેનો બનેલો છે? એ ક્યાં આવેલો છે? એ મોલની બહાર શું છે? મોલ ભલે ગમે એટલો મોટો હોય એની બહાર કંઇક તો હશે ને! એ મોલની સાઇઝ શુ? અને એ સાઇઝમાં એને કોણે બનાવ્યો? મને આ મોલમાં કોણે મુક્યો? મને મુકનાર (કે બનાવનાર) કોણ? એ બનાવનાર ક્યાં છે? અને છેલ્લે સૌથી અગત્યનો પ્રશ્ન...
હું આ મોલની અંદર શું કરૂં છું? મતલબ કે મારા અહીં હોવાનો અર્થ શું? હેતુ શું? મકસદ શું? મારા અસ્તિત્વનો હેતું શું?... તમે ત્યાં મોજુદ બધાને પુછો છો, Why are we here?..
તમને થશે કે, ક્વોન્ટમ ફીઝીક્સના વર્ણન વચ્ચે આ ઉદાહરણ ક્યાંથી ટપક્યું? તમે કહેશો, અસ્તિત્વના અર્થને જાણતાં પહેલાં આ ઉદાહરણનો અર્થ શું એ તો કહો? વેલ, તમે ઉપરના ઉદાહરણમાં શોપીંગ મોલની જગ્યાએ બ્રહ્માંડ શબ્દ મુકી દો. ઉદાહરણનો અર્થ સ્વયંસ્પષ્ટ થઇ જશે. ઇન શોર્ટ, અસ્તિત્વના મહાનતમ પ્રશ્નો વિશે વિચારવાની કોઇને ફૂરસદ નથી, કહો કે આદત જ નથી. પહેલેથી આપણું કન્ડીશનીંગ જ એવી રીતે થયું છે કે આપણે પદ, પ્રતિષ્ઠા, પૈસા અને સત્તા પાછળ જ ભાગીએ છીએ. આપણે શું છીએ, ક્યાં છીએ અને શા માટે છીએ એ વિચારવું આપણને વ્યર્થ લાગે છે અને બ્રહ્માંડની સાપેક્ષ જે ખરા અર્થમાં વ્યર્થ વસ્તુઓ છે એજ આપણને અગત્યની લાગે છે. તો...... અસ્તિત્વના પ્રશ્નો વિશે, બ્રહ્માંડના પ્રશ્નો વિશે જેનું મન સવાલો કરતું હોય એના માટે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ છે. જેને આવા કોઇ જ સવાલો થતાં નથી એણે અહીંથી આગળનું વાંચવાની કોઇ જરૂર નથી, કારણ કે એને ક્વોન્ટમ ફિઝીક્સમાં કોઇ રસ પડવાનો નથી. પરંતુ જેને ખરેખર વાસ્તવિકતાના સ્વરૂપ વિશે, આપણા બ્રહ્માંડના અને અણુ-પરમાણુના સ્વરૂપ વિશે જાણવાની ઇચ્છા છે એના માટે આ વર્ણન છે. ગયા અંકે ડબલ સ્લીટના પ્રયોગ સુધી આવીને આપણે અટ્ક્યાં હતાં. ત્યાંથી આગળ વધીએ.
Quantum Physics ની શરૂઆત થઇ એના ઘણા વર્ષો 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.
સો વર્ષ સુધી આ વાત સો ટચના સોના જેવી રહી. પરંતુ ઇ.સ.૧૯૦૫ના Miracle Year માં પ્રખર બુધ્ધીમાન આલ્બર્ટ આઇનસ્ટાઇને જર્મન વૈજ્ઞાનિક મેક્સ પ્લાન્કની લાઇટ ઉર્જા નાના પેકેટ્સ સ્વરૂપે અસતત રીતે વહન પામે છે એ સંકલ્પનાનો ઉપયોગ કરી ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસર સમજાવી. પ્રકાશ કણ સ્વરૂપે વહેતો હોય તો તેનો કણ (ફોટોન) ધાતુના ઇલેક્ટ્રોનને મુક્ત કરે છે અને ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસર પેદા થાય છે. આઇનસ્ટાઇને ખુબ સરસ Mathematical Proof આપ્યું. કોઇપણ સંકલ્પના ગાણીતીક રીતે સાચી પડે એનો મતલબ એ કે કોઇપણ રીતે તે ક્યારેય ખોટી ન જ પડે કદાચ પ્રાયોગિક ધોરણે એના proof શોધવા મથામણ કરવી પડે, બાકી મેથેમેટીક્સનું સર્ટીફીકેટ હંમેશા ફુલ પ્રુફ હોય છે. સંકલ્પના ત્યારેજ ખોટી પડે જ્યારે એની ગાણીતીક સાબિતી આપવામાં આપનારે ક્યાંક ભુલ કરી હોય. આજ તો મેથેમેટીક્સની બ્યુટી છે. Mathematics is the language of The Universe. તો... આઇનસ્ટાઇનની ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસરના વર્ણને પ્રકાશના કણ સ્વરૂપ હોવાનો પુરાવો આપી દીધો. ગડબડ ઓર વધી ગઇ. જો પ્રકાશ તરંગ સ્વરૂપે હોય તો ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસર શક્ય બની શકે નહી અને જો કણ સ્વરૂપે હોય તો વ્યતિકરણ-વિવર્તન સહિતની કેટલીય ઘટનાઓ શક્ય બને નહી. પ્રકાશ કણ કે તરંગ એ બાબત ગુંચવાઇ ગઇ. પ્રકાશના તરંગ હોવાના પુરાવા વર્ષોથી હતાં પણ હવે આઇનસ્ટાઇન પ્રકાશના કણ હોવા અંગેના સજ્જડ પુરાવાઓ આપી રહ્યાં હતાં.
માની લો પ્રકાશ કણ છે. હવે આપણે ડબલ સ્લીટ પ્રયોગ કરીએ તો પરિણામ શું મળે? આવા કિસ્સામાં પરિણામ બહુ સિમ્પલ હોય છે. બંને સ્લીટની એક્ઝેટ સામે પડદા પર પ્રકાશિત પેટર્ન બનશે કેમકે ત્યાં પ્રકાશ સીધો જ આપાત થાય છે. જ્યારે બાકીનો ભાગ ડાર્ક રહેશે. પણ શું ખરેખરમાં આવું થાય છે? ખરેખરમાં શું થશે એ સમજવા વૈજ્ઞાનિકોએ ડબલ સ્લીટનો પ્રયોગ દોહરાવ્યો. પરંતુ પરિણામ તો એજ મળ્યું જે બસો વર્ષોથી મળતું હતું. તરંગ પેટર્ન. પરંતુ પ્રકાશ કણ સ્વરૂપે તો હતો જ, એટલે જ ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસર શક્ય બનતી હતી.
હવે વૈજ્ઞાનિકોએ એક માસ્ટર સ્ટ્રોક માર્યો. પ્રકાશના એક જ કણ અર્થાત એક જ ફોટોનનો ઉપયોગ કરવાનો માસ્ટર સ્ટ્રોક. એક ફોટોન તો કણ જ હશે. એટલે એ તો ૧૦૦% કણ પેટર્ન જ બતાવશે. હવે, એક ફોટોનને ડબલ સ્લીટ પર આપાત કરીએ તો એક જ ફોટોન હોઇ એ કાંતો પ્રથમ અથવા તો બીજી સ્લીટ (ટુંકમાં કોઇપણ એક સ્લીટ) માંથી પસાર થશે. એટલે પડદા પર એકજ સ્લીટ આગળ પ્રકાશિત ભાગ દેખાશે. આ કોમન સેન્સ છે. પણ ફોટોન તો માસ્ટર સ્ટ્રોકનોય બાપ નીકળ્યો એટલે કોમન સેન્સને ગોળી મારી દો. એક ફોટોન (એક માત્ર એકલો ફોટોન) પણ પડદા પર તરંગ પેટર્ન (વિવર્તન ભાત) બનાવતો હતો. આ સૌથી મોટું આશ્ચર્ય હતું. ફોટોન એક જ હતો. એક ફોટોન એક સમયે એકજ સ્લીટમાંથી પસાર થઇ શકે. કાંતો પ્રથમ કાંતો બીજી. બંનેમાંથી એકસાથે કેવી રીતે પસાર થઇ શકે? શું ફોટોન એકજ સમયે એકસાથે બંને સ્લીટમાંથી પસાર થઇ શકે ખરો? હવે, ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ બરાબરના ગુંચવાયા. જ્યાં સુધી પ્રકાશના કણ સ્વરૂપ પર આંગળી ચીંધવાની વાત હતી ત્યાં સુધી એય જાણી લઇએ કે ત્યારબાદ થયેલા અનેક પ્રયોગોએ પ્રકાશનું કણ સ્વરૂપ પણ સાબિત કર્યું હતું. ઇનફેક્ટ ગાણિતીક રીતે પ્રકાશનું કણ સ્વરૂપજ વધુ આસાન જણાતું હતું. ફોટો-ઇલેક્ટ્રીક અસરનોજ ઉપયોગ કરીને દુનિયાના સૌપ્રથમ સોલાર સેલ બન્યાં. આ થિયરીના સમીકરણોએ જ લેસરની શોધના પાયા નાંખ્યા.
વૈજ્ઞાનિક જીવ ક્યારેય નવરો ના બેસી શકે. એટલે પ્રકાશના કણ સ્વરૂપ સાથેના ડબલ સ્લીટના પ્રયોગનું ક્રોસ-વેરીફીકેશન શરૂ થઇ ગયું. પરંતુ વાસ્તવિકતા પોતાનામાં અનેકાનેક અચરજ લઇને બેઠી હોય છે. એક સામાન્ય માણસને જે મોકો ક્યારેય નથી મળતો એ વાસ્તવિકતાને જાણવાનો, સમજવાનો અને બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો ઇશ્વરના દિમાગને અવલોકવાનો મોકો ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓને મળે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓએ બંને સ્લીટ આગળ એક-એક ડીટેક્ટર મુકી દીધું. સ્લીટમાં પ્રવેશતાં પહેલાં ડીટેક્ટર પ્રકાશ કણ સ્વરૂપે છે કે તરંગ સ્વરૂપે એ નોંધશે. પછી એ સ્લીટમાં પ્રવેશશે અને સામેના પડદા પર પેટર્ન બનાવશે. ડીટેક્ટરના પરિણામો અને સામેના પડદા પરના પરિણામોમાં કેટલો તફાવત આવે એ પણ જોયું જશે. પ્રયોગ શરૂ થયો. ડીટેક્ટર્સે પ્રકાશનું કણ સ્વરૂપ ડીટેક્ટ કર્યું અને અહો આશ્ચર્યમ!!! અરે, અહો જોરદાર આશ્ચર્યમ!!!!!.... સામેના પડદા પર માત્ર સ્લીટની સામેનો ભાગજ પ્રકાશિત મળ્યો. બાકી બધું અંધારપટ. તરંગ પેટર્ન ગાયબ. આવું કઇ રીતે બન્યુ? વૈજ્ઞાનિકોએ ડીટેક્ટર્સ કાઢી નાંખ્યા. ફરીથી પ્રયોગ કર્યો. આ વખતે તરંગ પેટર્ન હાજર હતી. ફરી ડીટેક્ટર્સ જોડ્યાં. તરંગ પેટર્ન ફરીથી ગાયબ... આ બધું થઇ શું રહ્યું હતું એ વૈજ્ઞાનિકો સમજી શક્યા નહી. એક જ પ્રયોગ, એકસમાન પ્રકારના સંજોગો પણ ડીટેક્ટર્સની હાજરીથી અલગ પરિણામ અને ડીટેક્ટર્સની ગેરહાજરીથી અલગ પરિણામ? આવું કઇ રીતે? ફોટોનને કઇ રીતે ખબર પડી ગઇ કે આપણે ડીટેક્ટર વડે અવલોકન કરી રહ્યાં છીએ કે નથી કરી રહ્યાં? એને તો જેવો એનો કુદરતી સ્વભાવ (કણ કે તરંગ) હોય એ રીતે વર્તન કરવાનું થાય. આતો આપણા અવલોકન કરવા અને ના કરવાની અસરો પ્રયોગના પરિણામો પર થતી હતી. માનો યા ન માનો જેવી વાત હતી.
વૈજ્ઞાનિકોએ એક સ્લીટ પર ડીટેક્ટર મુક્યું અને બીજી સ્લીટ એમની એમ રાખી. જવાબ – કણ પેટર્ન. બીજી સ્લીટ આગળ ડીટેક્ટર રાખ્યું. જવાબ – કણ પેટર્ન. એક ડીટેક્ટર કે બે, એનાથી ફરક પડતો ન હતો. મતલબ કે ડીટેક્ટરની હાજરી પ્રકાશને કણ બનાવતી હતી અને ડીટેક્ટરની ગેરહાજરી પ્રકાશને તરંગ બનાવતી હતી. આ વસ્તુને નામ અપાયું ઓબ્સર્વર ઇફેક્ટ અર્થાત અવલોકનકર્તાની અસર.. કોઇ ઘટનાનું અવલોકન કરવાનું તમારૂં ડીસીઝન એ મૂળ ઘટનાનેજ બદલી નાંખતું હતું. આજ તો કુદરતની લીલા હતી.
ડબલ સ્લીટના કુદરતી પરિણામો વૈજ્ઞાનિકોના મગજને તોડી-મરોડી રહ્યાં હતાં એ દરમિયાન Quantum Physics ની એક અલગ ઘટનાએ વૈજ્ઞાનિકોનું ધ્યાન ખેંચ્યું. ઇ.સ.૧૯૨૦માં ડેન્માર્કના ભૌતિકવિજ્ઞાની નિલ્સ બોહર પરમાણુની આંતરીક સંરચના પર અભ્યાસ કરી રહ્યાં હતાં. એમનો અભ્યાસ એક જુદા અને જૂના વિષય પર હતો. પરમાણુનું મોડેલ હજી સુધી કોઇ સમજાવી શક્યું ન હતું. જે.જે.થોમ્સન અને અર્નેસ્ટ રૂથરફોર્ડના મોડેલ નિષ્ફળ નિવડ્યા હતાં. પરમાણુના સફળ મોડેલની બધાને તલાશ હતી. એવું મોડેલ જે પરમાણુને સ્થિરતા પ્રદાન કરે. પરમાણુમાં તેનાં કેન્દ્ર (ન્યુક્લિયસ) ની આસપાસ ઇલેક્ટ્રોન ફરતાં હોય છે એવું તો રૂથરફોર્ડ કહી ચુક્યાં હતાં પણ તેઓ ઇલેક્ટ્રોનની વર્તુળગતી સમજાવી શક્યા નહી. કોઇપણ વર્તુળગતિ કરતો પદાર્થ પ્રવેગી ગતિ કરતો હોય છે. પ્રવેગ એટલે વેગનાં મૂલ્ય અથવા દિશા અથવા બંનેમાં થતો વધારો. પરંતુ સ્કોટીશ બેજાબાજ ભૌતિકવિજ્ઞાની જેમ્સ ક્લાર્ક મેક્સવેલના નિયમ મુજબ પ્રવેગી ગતિ કરતો પદાર્થ સતત ઉર્જાનું ઉત્સર્જન કરતો હોય છે અને સતત ઉર્જાનું ઉત્સર્જન કરતો ઇલેક્ટ્રોન ધીમે ધીમે કેન્દ્ર તરફ ધસતો જવો જોઇએ અને spiral ભ્રમણકક્ષા બનાવી કેન્દ્રમાં તુટી પડવો જોઇએ, અને એ સાથે પરમાણુનું Bang Bang થઇ જશે.
