आइन्स्टाईन-बोरच्या शतकातील वादावर चीनच्या संशोधकांनी टाकले पूर्णविराम? 

आइन्स्टाईन आणि नील्स बोर यांच्या EPR विरोधाभासावरील शतकातील वादाचा शेवट झाला का? चीनच्या संशोधकांच्या नव्या प्रयोगाचे विश्लेषण, क्वांटम एंटॅंगलमेंटचा अर्थ आणि भौतिकशास्त्रातील महत्त्व येथे वाचा. #EPRParadox #QuantumPhysics

आइन्स्टाईन विरुद्ध बोर: शतकाचा क्वांटम वाद आता शेवटाकडे? चीनच्या संशोधनाने दिलेले नवे उत्तर

नमस्कार मित्रांनो, २०वे शतक हे भौतिकशास्त्रातील क्रांतीचे शतक होते. आईन्स्टाईनचा सापेक्षतावाद आणि क्वांटम यांत्रिकी या दोन मोठ्या सिद्धांतांनी आपल्या जगाची समज पालटून टाकली. पण या दोन महान मनांमध्येच एक मूलभूत मतभेद निर्माण झाला होता. एक होते अल्बर्ट आइन्स्टाईन, ज्यांचा विश्वास होता की “ईश्वर जुगार खेळत नाही”. तर दुसरे होते नील्स बोर, जे क्वांटम जगातील अनिश्चितता आणि संभाव्यता यावर विश्वास ठेवत होते. हा वाद एका विचार प्रयोग (थॉट एक्सपेरिमेंट) पासून सुरू झाला, ज्याला EPR विरोधाभास (पॅराडॉक्स) म्हणतात. आठ दशकांनंतर, चीनमधील संशोधकांच्या एका गटाने अत्याधुनिक तंत्रज्ञानाच्या मदतीने हा वाद पूर्णपणे मिटवण्याच्या दिशेने एक निर्णायक पाऊल टाकले असावे असे वाटते. आज या लेखात, आपण या ऐतिहासिक वादाची मुळं, त्यातील तर्क, आणि शेवटी तो ‘कसा’ सोडवला जात आहे याचा सविस्तर शोध घेणार आहोत.

वादाचे मूळ: क्वांटम मेकॅनिक्सचे कोपनहेगन अर्थविचार

सुरुवातीस, क्वांटम सिद्धांत समजून घेणे गरजेचे आहे. सूक्ष्म जगात (इलेक्ट्रॉन, फोटॉन) कणांची स्थिती आणि गती एकाच वेळी निश्चित माहीत असत नाही (हायझेनबर्गचा अनिश्चिततेचा सिद्धांत). ते एका ‘संभाव्यतेच्या लहरी’ म्हणून अस्तित्वात असतात. जेव्हा आपण त्याचे मापन करतो, तेव्हाच तो लहर एका विशिष्ट स्थितीत ‘पडतो’. नील्स बोर आणि वर्नर हायझेनबर्ग यांच्या नेतृत्वाखालील ‘कोपनहेगन अर्थविचार’ नुसार, मापनापूर्वी कणाची कोणतीही निश्चित स्थिती नसते. मापनानेच वास्तवता निर्माण होते. ही संकल्पना आइन्स्टाईनला मान्य नव्हती.

EPR विरोधाभास: आइन्स्टाईनचा ‘भुताटकी क्रिया’ हा टोमणा

१९३५ मध्ये, आइन्स्टाईन, बोरिस पोडोल्स्की आणि नॅथन रोजेन या तिघांनी एक पेपर लिहिले. त्यांनी एक विचार प्रयोग मांडला. समजा, दोन कण (एक इलेक्ट्रॉन आणि एक पॉझिट्रॉन) एकमेकांपासून उत्पन्न झाले आहेत आणि त्यांचे ‘स्पिन’ (एक क्वांटम गुणधर्म) निश्चित पद्धतीने जोडलेले आहेत. क्वांटम सिद्धांतानुसार, जरी हे कण प्रकाशवर्षांच्या अंतरावर गेले तरीही, जर तुम्ही एका कणाचे मापन केले, तर दुसऱ्या कणाचा गुणधर्म तत्क्षणी ठरतो.

आइन्स्टाईन यावर म्हणाले, हे शक्य नाही! त्यांच्या मते, भौतिकशास्त्र ‘स्थानिक वास्तववाद’ (Local Realism) चे पालन करते. याचे दोन भाग:
१. वास्तववाद (Realism): कणांचे गुणधर्म मापनापूर्वीच अस्तित्वात असतात.
२. स्थानिकता (Locality): कोणतीही माहिती प्रकाशाच्या वेगापेक्षा वेगाने प्रवास करू शकत नाही. (आईन्स्टाईनच्या सापेक्षतावादानुसार)

म्हणून, दूर असलेल्या कणावर तत्क्षण प्रभाव पाडणे ही “भूताटकी लांबून क्रिया (spooky action at a distance)” आहे. EPR पेपरचा निष्कर्ष असा होता की, क्वांटम मेकॅनिक्स हा एक अपूर्ण सिद्धांत असावा. त्याखाली काही ‘लपलेले चल (Hidden Variables)’ असावेत जे आपल्याला दिसत नाहीत, पण जे वास्तविकता नियंत्रित करतात आणि ती स्थानिक आणि निर्धारित करणारी (Deterministic) आहे.

बोरचे उत्तर आणि वादाची सुरुवात

बोर यांनी अगदी लगेचच याला प्रतिसाद दिला. त्यांचे म्हणणे होते की, दोन्ही कण एकच क्वांटम प्रणाली आहेत, त्या अविभाज्य आहेत. जरी ते भौतिकदृष्ट्या दूर गेले तरी, त्यांच्यातील क्वांटम संबंध तुटत नाही. एकाचे मापन केल्याने संपूर्ण प्रणालीची अवस्था बदलते. त्यामुळे ‘भुताटकी क्रिया’ ही नसून, क्वांटम जगाचा एक मूलभूत गुणधर्म आहे. पण हा फक्त एक तात्त्विक वाद होता. प्रत्यक्षात तपासणे शक्य नव्हते. अशाप्रकारे हा वाद दशकांपर्यंत भौतिकशास्त्रज्ञांना छटपटत ठेवणारी एक पेचप्रसंगी बाब बनली राहिली.

बेलचे प्रमेय: वाद प्रयोगशाळेत आणणारी गुरुकिल्ली

१९६४ मध्ये आयरिश भौतिकशास्त्रज्ञ जॉन स्टीवर्ट बेल यांनी ही परिस्थिती पालटली. त्यांनी एक गणितीय असमानता मांडली जिला आता बेलचे प्रमेय म्हणतात. त्यांचे म्हणणे असे होते की, जर आइन्स्टाईन बरोबर असतील म्हणजे जग स्थानिक वासेकवादी असेल आणि त्यात लपलेले चल असतील, तर दोन कणांच्या मापनांचे परिणाम एका विशिष्ट गणितीय मर्यादेत (बेल असमानता) असले पाहिजेत. दुसऱ्या बाजूला, जर क्वांटम मेकॅनिक्स बरोबर असेल, तर ही मर्यादा ओलांडली जाईल.

याचा अर्थ असा की, हा तात्त्विक वाद आता प्रयोगाने तपासता येण्याजोगा झाला! तुम्हाला फक्त एंटॅंगल्ड कण तयार करायचे, त्यांना वेगळे करायचे, आणि त्यांची स्वतंत्रपणे मापने घ्यायची. जर मापनांचे निकाल बेल असमानतेचे उल्लंघन करतात, तर आइन्स्टाईनचा स्थानिक वासेकवाद चुकीचा ठरतो.

चीनच्या संशोधकांचा निर्णायक प्रयोग: शेवटचे ‘लूपहोल’ बंद करणे

पहिले बेल चाचणी प्रयोग १९७० च्या दशकात झाले. तेव्हापासून अनेक प्रयोगांनी बेल असमानतेचे उल्लंघन दाखवले, आणि म्हणून क्वांटम मेकॅनिक्सची पुष्टी केली. पण आइन्स्टाईनच्या समर्थकांनी (आणि काळजीवान शास्त्रज्ञांनी) नेहमीच या प्रयोगांतील काही ‘लूपहोल्स’ (छिद्रे/दोष) दाखवले.

१. स्थानिकता लूपहोल: मापन साधने एकमेकांशी काही प्रकारचा संवाद साधू शकतात का? ते प्रकाशाच्या वेगानेही संवाद साधू शकत असतील, अशी शक्यता.
२. मापन कार्यक्षमता लूपहोल: मापन साधने १००% कार्यक्षम नसतात. कदाचित फक्त विशिष्ट कणच निवडले जातात, ज्यामुळे परिणाम बदलू शकतात.
३. मुक्त इच्छा लूपहोल: मापन करताना कोणती सेटिंग निवडली जाते ते पूर्णपणे यादृच्छिक नसेल तर?

चीनच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विद्यापीठ (USTC) च्या संशोधकांनी ही सर्व छिद्रे एकाच वेळी बंद करणारा एक अत्यंत अचूक प्रयोग केला. त्यांनी १०० किलोमीटरपेक्षा जास्त अंतरावर अत्यंत उच्च कार्यक्षमतेच्या डिटेक्टर्सचा वापर करून एंटॅंगल्ड फोटॉन जोड्यांची मापने घेतली. मापन सेटिंग्स निवडण्यासाठी त्यांनी दूरच्या ताऱ्यांच्या यादृच्छिक प्रकाशाचा वापर केला, ज्यामुळे ‘मुक्त इच्छा’ लूपहोलही बंद झाले. त्यांच्या निकालांनी बेल असमानतेचे ठोस उल्लंघन दाखवले.

सारणी: आइन्स्टाईन विरुद्ध बोर – मूलभूत मतभेद

या शोधाचे महत्त्व आणि भविष्यावरील परिणाम

१. तात्त्विक भौतिकशास्त्रासाठी: हे संशोधन स्थानिक वासेकवादाचा शेवटचा दावा मोडून काढते असे म्हटले जाऊ शकते. आता हे स्पष्ट आहे की क्वांटम जग अशा ‘भूताटकी’ क्रियांनी भरलेले आहे आणि ते स्थानिक नाही. क्वांटम यांत्रिकी हा एक पूर्ण सिद्धांत आहे.
२. क्वांटम तंत्रज्ञानासाठी: हा प्रयोग क्वांटम एंटॅंगलमेंट ही केवळ एक कल्पना नसून, एक खरी आणि विश्वसनीय घटना आहे हे दृढ करतो. हे क्वांटम संगणक, क्वांटम एन्क्रिप्शन (क्वांटम की वितरण), आणि क्वांटम नेटवर्किंग या भविष्यातील तंत्रज्ञानासाठी पाया मजबूत करते.
३. वैज्ञानिक पद्धतीसाठी: ही गोष्ट दाखवते की गहन तात्त्विक वादही, शेवटी, काळजीपूर्वक रचलेल्या प्रयोगांद्वारे सोडवले जाऊ शकतात. हे विज्ञानाच्या सामर्थ्याचे प्रतीक आहे.

एक युगाचा शेवट, नवीन युगाची सुरुवात

आइन्स्टाईन आणि बोर यांच्या या शतकापुराण्या वादाला एक प्रकारचा ‘समाप्तीपत्र’ मिळाल्यासारखे आहे. आइन्स्टाईनचा आक्षेप, जो त्यांनी सिद्धांताची पूर्णता सिद्ध करण्यासाठी घेतला होता, तोच आज त्याच्या चुकीचेपणाचा पुरावा बनला आहे. ही आइन्स्टाईनची पराभूत नव्हे, तर विज्ञानाची विजयगाथा आहे. त्यांच्या तीव्र आक्षेपामुळेच बेल यांनी आपले प्रमेय शोधले आणि आजचे अचूक प्रयोग शक्य झाले.

आता प्रश्न उरतो, “मग वास्तवता काय आहे?” क्वांटम जग हे अवास्तव, अंतःस्थ अस्थिर आणि गुंतागुंतीचे आहे. आपली ‘स्थानिक’ आणि ‘निश्चित’ वास्तवतेची भावना ही केवळ आपल्या मोठ्या, उष्ण आणि गोंधळलेल्या दैनंदिन जगाची आहे. सूक्ष्म जगाचे नियम वेगळे आहेत. आता भविष्यातील संशोधन या एंटॅंगलमेंटचा उपयोग क्वांटम तंत्रज्ञानात कसा करायचा यावर केंद्रित असेल. शतकाच्या वादाने आपल्याला एक नवीन, विचित्र, पण अद्भुत जगाचा शोध दिला आहे. आणि हा शोध अजूनही पूर्ण झालेला नाही.

(FAQs)

१. मग आइन्स्टाईन पूर्णपणे चुकीचे होते का?
नाही, तसे नाही. आइन्स्टाईनने दाखवून दिले की क्वांटम यांत्रिकी एक नॉन-लोकल (स्थानिक नसलेली) सिद्धांत आहे, जो त्यांच्या सापेक्षतावादाशी विसंगत वाटतो. हा एक महत्त्वाचा मुद्दा होता. बेलच्या प्रमेयाने आणि त्यानंतरच्या प्रयोगांनी हेच सिद्ध झाले की क्वांटम जग खरोखरच नॉन-लोकल आहे. त्यामुळे, आइन्स्टाईनचा आक्षेप चुकीचा ठरला, पण त्यांनी मांडलेला मूलभूत प्रश्न योग्य होता, ज्याने संशोधनाला दिशा दिली.

२. ‘भुताटकी लांबून क्रिया’ म्हणजे माहिती वेगाने पाठवता येईल का?
नाही, अजिबात नाही. हे क्वांटम एंटॅंगलमेंटचे सर्वात मोठे गैरसमज आहे. एंटॅंगलमेंटमुळे दूरच्या कणांमध्ये सहसंबंध निर्माण होतात, पण माहिती पाठवणे शक्य होत नाही. मापनाचा परिणाम यादृच्छिक असतो. जरी दुसऱ्या बाजूच्या कणाची स्थिती तत्क्षण ठरली तरी, ती माहिती कोणीही नियंत्रित करू शकत नाही किंवा वाचू शकत नाही. त्यामुळे आपल्याला त्यातून संदेश पाठवता येत नाहीत. त्यामुळे आइन्स्टाईनच्या सापेक्षतावादाचा वेग मर्यादेचा उल्लंघन होत नाही.

३. क्वांटम एंटॅंगलमेंट साध्या शब्दात समजावून सांगा.
दोन जुळे फासे (dice) कल्पना. सामान्य फाशाप्रमाणे, प्रत्येक फासा स्वतंत्रपणे १ ते ६ यापैकी काहीही दाखवू शकतो. पण जर ते ‘एंटॅंगल्ड’ असतील, तर जेव्हा तुम्ही एक फासा फेकता आणि त्यावर ३ येतो, तेव्हाच तुम्हाला ताबडतोब माहिती होते की दूर असलेल्या दुसऱ्या फाशावर देखील ३ आला आहे. क्वांटम जगात हे ‘फासे’ फेकण्यापूर्वी कोणतीही संख्या निश्चित नसते. पहिल्या फाशाचे मापन झाल्यावरच दोन्हीची संख्या एकदम ठरते. हे सहसंबंध निर्माण होणे म्हणजे एंटॅंगलमेंट.

४. या प्रयोगाने क्वांटम मेकॅनिक्सचे इतर अर्थविचार (मल्टीवर्स इ.) नाकारले का?
नाही. बेल चाचणी फक्त स्थानिक लपलेल्या चलांच्या सिद्धांतांना नाकारते. नॉन-लोकल हिडन व्हेरिएबल थिअरी (डेव्हिड बोहमचा सिद्धांत) आणि मल्टीवर्स सिद्धांत (प्रत्येक शक्यता वेगवेगळ्या विश्वात घडते) अशा सिद्धांतांना नाकारत नाही. हे प्रयोग कोपनहेगन अर्थविचाराची पुष्टी करतात, पण इतर अर्थविचारांवर मात करत नाहीत.

५. सामान्य माणसाच्या दैनंदिन जीवनावर याचा काय परिणाम होईल?
थेट परिणाम फारसे नाही. पण दीर्घकाळात, या पायावर उभारली जाणारी क्वांटम तंत्रज्ञाने आपले जीवन बदलू शकतात. अधिक शक्तिशाली औषधं शोधण्यासाठी क्वांटम संगणक, अतिशय सुरक्षित संदेशवहन (क्वांटम इंटरनेट), आणि अत्यंत अचूक सेन्सर्स हे सर्व क्वांटम एंटॅंगलमेंटवर अवलंबून आहेत. म्हणून, हा तात्त्विक शोध हा भविष्यातील तंत्रज्ञानाचा पाया आहे.