ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സിന്റെ 100 വര്‍ഷങ്ങള്‍- ‘സത്യത്തിന്‍റെ’ പൂച്ച ജീവിതങ്ങൾ

ഇരുണ്ട മുറി. കടുത്ത നിശ്ശബ്ദത. മുറിയില്‍ ഒരു കറുത്ത, പൂട്ടിയിട്ട പെട്ടി കാണാം. അതിനുള്ളില്‍ ഒരു പൂച്ചയുണ്ട്. പൂച്ചയ്ക്കരികിലായി പെട്ടിയില്‍ ഒരു മൂലയില്‍ മുകളിലായി ഒരു റേഡിയോ ആക്ടീവ് പദാര്‍ഥം. അതില്‍നിന്ന് റേഡിയോ ആക്ടീവ് കണം പുറത്തേക്കുവന്നാല്‍ അത് തിരിച്ചറിയാന്‍ ഒരു ഗീഗര്‍ കൗണ്ടര്‍ എന്ന മെഷീന്‍. ഗീഗര്‍ കൗണ്ടര്‍ ഇത് സെന്‍സ് ചെയ്താല്‍ അതിനോടുബന്ധിച്ചിരിക്കുന്ന ചുറ്റിക വീഴും. അത് വീഴാന്‍പോകുന്നത് വിഷവാതകം അടച്ചുവെച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു ഗ്ലാസ് കുപ്പിയിലേക്കാണ്. കുപ്പിപൊട്ടുകയും വിഷവാതകം പരക്കുകയും പൂച്ച മരിക്കുകയും ചെയ്യും.

കണം പുറത്തേക്കുവരുന്നില്ലെങ്കില്‍ മേല്‍പ്പറഞ്ഞ ഉപകരണം പ്രവര്‍ത്തിക്കില്ല, പൂച്ച ജീവിച്ചിരിക്കും. എന്നാല്‍, പുറത്തുനിന്നുകൊണ്ട് പെട്ടിക്കുള്ളില്‍ എന്തുസംഭവിക്കുന്നു എന്ന് നമുക്ക് പറയാന്‍ കഴിയില്ല. എന്നാല്‍, ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സിന്റെ നിയമപ്രകാരം ബോക്‌സിനുള്ളില്‍ റേഡിയോ ആക്ടീവ് ആറ്റത്തില്‍നിന്ന് ഒരേസമയം കണം പുറത്തേക്കുവന്നു, വന്നില്ല എന്ന അവസ്ഥയിലാണ്. ഈ രണ്ടവസ്ഥകളും ഒരേസമയം, സത്യമാണ്. അതുപ്രകാരം അതിനോട് ബന്ധിപ്പിക്കപ്പെട്ട ഉപകരണം ഒരേസമയം പ്രവര്‍ത്തിച്ചു, പ്രവര്‍ത്തിച്ചില്ല. അതായത്, പൂച്ച ഒരേസമയം ജീവിച്ചിട്ടുമുണ്ട്, മരിച്ചിട്ടുമുണ്ട് എന്ന സൂപ്പര്‍ പൊസിഷന്‍ അവസ്ഥ. എന്നാല്‍, നിങ്ങള്‍ പെട്ടി തുറക്കുകയാണെങ്കില്‍ നേരത്തേ പറഞ്ഞ സൂപ്പര്‍ പൊസിഷന്‍ അവസ്ഥ അപ്രത്യക്ഷമാകുന്നു. അന്‍പതുശതമാനം സാധ്യതയോടെ നിങ്ങള്‍ ഒരു ജീവനുള്ള പൂച്ചയെ കാണും, അന്‍പതുശതമാനം സാധ്യതയോടെ നിങ്ങള്‍ ഒരു ചത്ത പൂച്ചയെ കാണും. അതായത്, നിങ്ങള്‍ പെട്ടി തുറക്കുന്നതിനുമുന്‍പേ പൂച്ച ഒരേസമയം മരിച്ചും ജീവിച്ചുമിരിക്കും. പെട്ടി തുറന്ന് നിരീക്ഷിക്കുമ്പോള്‍മാത്രമാണ് പൂച്ച ഇതില്‍ ഏതെങ്കിലും ഒരു അവസ്ഥയില്‍ കാണുന്നത്.

ഗൂഢമായ ചോദ്യം

ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സ് എന്ന ശാസ്ത്രശാഖയുടെ നേരത്തേയുള്ള കോപ്പന്‍ഹേഗന്‍ വ്യാഖ്യാനത്തിലെ ചില പോരായ്മകള്‍ ചൂണ്ടിക്കാട്ടാന്‍ വേണ്ടി എര്‍വിന്‍ ഷ്രോഡിങ്ങര്‍ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ നടത്തിയ ഒരു ചിന്താപരീക്ഷണമാണിത്. ഇത് യഥാര്‍ഥത്തിലുള്ള ഒരു പരീക്ഷണമായിരുന്നില്ല. ഒരു പൂച്ചയ്ക്ക് യഥാര്‍ഥത്തില്‍ ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കില്ല. എന്നിരുന്നാലും ആറ്റത്തിനുള്ളിലെ ഇലക്ട്രോണ്‍പോലുള്ള കണങ്ങളുടെ പെരുമാറ്റരീതി കാണിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു പരീക്ഷണമായാണ് ഇത് വിലയിരുത്തപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്. ഇലക്ട്രോണ്‍പോലുള്ള മൈക്രോസ്‌കോപ്പിക് കണങ്ങള്‍ ഒരേസമയം, ഇടത്തും വലത്തും കാണപ്പെടാം. അതേപോലെ ഒരു ഇലക്ട്രോണ്‍ ഒരിക്കലും ഒന്ന് ഒന്നില്‍നിന്നും വ്യത്യാസപ്പെട്ടിരിക്കുന്നില്ല. ഈ ചിന്താപരീക്ഷണം യഥാര്‍ഥ ലോകവും ക്വാണ്ടം ലോകവും എവിടെയാണ് കൂടിച്ചേരുന്നത് എന്നുള്ള ഗൂഢമായ ചോദ്യംചോദിക്കുന്നു. നാം ജീവിക്കുന്ന ലോകത്തില്‍നിന്ന് വളരെ വ്യത്യസ്തമായി, വളരെ വിചിത്രമായ കാര്യങ്ങള്‍ നടക്കുന്ന ഇടമാണ് മൈക്രോസ്‌കോപ്പിക് കണങ്ങളുടെ ലോകം അഥവാ ക്വാണ്ടംലോകം. എന്തൊക്കെയാണ് അവിടെ നടക്കുന്നതെന്നും ഇതിനെപ്പറ്റിയുള്ള പഠനം നമുക്ക് എങ്ങനെ ഉപകരിക്കുമെന്നും നോക്കാം.

'ഒന്നായ നിന്നെയിഹ...'

ക്ലാസിക്കല്‍ ലോകത്തുനിന്ന് ക്വാണ്ടം ലോകത്തേക്കുള്ള നീണ്ട യാത്ര പ്രപഞ്ചത്തെക്കുറിച്ചുള്ള നമ്മുടെ മനസ്സിലാക്കലില്‍ വിപ്ലവകരമായ മാറ്റമുണ്ടാക്കി. 17-ാം നൂറ്റാണ്ടില്‍ സര്‍ ഐസക് ന്യൂട്ടന്‍ ഗുരുത്വാകര്‍ഷണത്തെപ്പറ്റിയും ഭ്രമണത്തെപ്പറ്റിയും വിശദീകരിച്ചു. പ്രപഞ്ചം ഒരു യന്ത്രംപോലെ നിശ്ചിതവും പ്രവചനയോഗ്യവുമാണെന്ന് ഇത് നമ്മെ അറിയിച്ചു. അതായത്, ഒരു പന്തിന്റെ സ്ഥാനവും വേഗവും അറിയാമെങ്കില്‍ അത് എവിടെയെല്ലാം പോകുമെന്ന് നമുക്ക് കൃത്യമായി പ്രവചിക്കാം. പക്ഷേ, ആറ്റങ്ങളുടെ, അതുപോലെ ചെറുകണങ്ങളുടെ പെരുമാറ്റത്തില്‍ ഈ കാര്യമെല്ലാം പരാജയപ്പെട്ടു.

രണ്ടുനൂറ്റാണ്ടിനുശേഷം പരീക്ഷിച്ച ചില കാര്യങ്ങള്‍ ക്‌ളാസിക്കല്‍ ലോകമല്ലാതെ മറ്റൊരു ലോകം നമുക്ക് തുറന്നുകാണിച്ചുതന്നു. അതിലൊന്ന് ചൂടായ വസ്തുക്കള്‍ താപമോ പ്രകാശമോ പുറത്തുവിടുന്ന പരീക്ഷണമായിരുന്നു. അടുത്തത്, പ്രകാശം ചില ലോഹങ്ങളില്‍ തട്ടുമ്പോള്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ പുറത്തുവിടുന്ന പ്രതിഭാസമാണ്. മറ്റൊന്ന് ആറ്റത്തിന്റെ സ്ഥിരത സംബന്ധിച്ചുള്ള ചര്‍ച്ചകളാണ്. ആറ്റത്തില്‍ ന്യൂക്ലിയസിനുചുറ്റും ഇലക്ട്രോണുകള്‍ കറങ്ങുമ്പോള്‍ ശരിക്കും അതിന് ഊര്‍ജം നഷ്ടപ്പെട്ട് ന്യൂക്ലിയസില്‍ വീഴേണ്ടതാണ്. എന്നാല്‍, അത് സംഭവിക്കുന്നില്ല. ഈ മൂന്നുപ്രതിഭാസവും ക്‌ളാസിക്കല്‍ മെക്കാനിക്‌സിന്റെ അളവുകോലുകള്‍ ഉപയോഗിച്ച് വിസ്തരിക്കാന്‍ സാധിച്ചില്ല. അതുകൊണ്ടുപക്ഷേ, ക്‌ളാസിക്കല്‍ മെക്കാനിക്‌സ് എല്ലാം തെറ്റാണെന്ന് പറയാന്‍ കഴിയില്ല.

ഇത് ഒരുപാടുനിലയുള്ള ഒരു കെട്ടിടത്തിന്റെ താഴത്തെ നിലയില്‍നിന്നും ഏറ്റവും മുകളിലത്തെ നിലയില്‍നിന്നും രണ്ടുപേര്‍ താഴെ നടക്കുന്ന ഗോള്‍ഫ് കളി കാണുന്നപോലെയാണ്. താഴെ നില്‍ക്കുന്നവന്‍ ഗോള്‍ഫ് പന്ത് നീങ്ങി കുഴിയില്‍ വീഴുന്നത് കൃത്യമായി കാണുന്നു. എന്നാല്‍, മുകളില്‍ നില്‍ക്കുന്നവന്‍ കുഴി കാണുന്നില്ല. പന്ത് ഒന്ന് നീങ്ങിയശേഷം അപ്രത്യക്ഷമാവുന്നതാണ് അയാള്‍ കാണുന്നത്. രണ്ടുപേരും കണ്ടത് സത്യംതന്നെ. ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സ് താഴെനിന്ന് കളി കാണുമ്പോള്‍ ക്ലാസിക്കല്‍ മെക്കാനിക്‌സ് മുകളില്‍നിന്ന് കളി കാണുന്നു.

ഊര്‍ജത്തിന്റെ പാക്കറ്റുകള്‍ 

1900-ല്‍ മാക്‌സ് പ്ലാങ്ക് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍, വളരെ വിചിത്രമായിത്തോന്നുന്ന ഒരു ആശയവുമായി മുന്നോട്ടുവന്നു. ഊര്‍ജം പ്രവഹിക്കുന്നത് ഒരു നദിപോലെ തുടര്‍ച്ചയായല്ല. എന്നാല്‍, കൃത്യമായ അളവുകളുള്ള ചെറിയ പാക്കറ്റുകളായാണ് എന്നതാണ് ഈ ആശയം. ഇതുപ്രകാരം ഊര്‍ജത്തിന്റെ പാക്കറ്റുകളെ ക്വാണ്ട (Quanta) എന്ന് വിളിച്ചു. ഇത് നമ്മള്‍ റാംപിലൂടെയും സ്റ്റെപ്പിലൂടെയും നടക്കുന്നതിലുള്ള വ്യത്യാസംപോലെയാണ്.

ഒരു സ്റ്റെപ്പില്‍നിന്ന് അടുത്ത സ്റ്റെപ്പിലേക്കാണ് നമ്മള്‍ കാലെടുത്തുവെക്കുന്നത്. ഒരിക്കലും രണ്ടുസ്റ്റെപ്പിനിടയില്‍ എന്ന് ഒരു തിരഞ്ഞെടുക്കലില്ല. ഈ സ്റ്റെപ്പുകള്‍ മൈക്രോസ്‌കോപ്പിക് ലോകത്തെ നിശ്ചിതമായ ഊര്‍ജനിലകളെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. പ്ലാങ്കിന്റെ ഈ ആശയമുപയോഗിച്ച് ആല്‍ബര്‍ട്ട് ഐന്‍സ്‌റ്റൈന്‍ ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് ഇഫക്ട് എന്ന പ്രതിഭാസത്തെ കൃത്യമായി വിശദീകരിച്ചു. ഊര്‍ജത്തിന്റെ തുള്ളികളായ ക്വാണ്ടയെപ്പോലെ പ്രകാശവും നിശ്ചിത പാക്കറ്റുകള്‍ അടങ്ങിയതാണെന്നും അതിനെ നമുക്ക് ഫോട്ടോണ്‍ എന്ന് വിളിക്കാമെന്നും അദ്ദേഹം നിര്‍ദേശിച്ചു.

പ്രകാശത്തിന് കണ സ്വഭാവമുണ്ടെന്ന് ഇങ്ങനെ ആദ്യമായി കണ്ടെത്തി. നെല്‍സ് ബോര്‍ എന്ന മറ്റൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ ആറ്റത്തിലെ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ക്ക് നിശ്ചിത ഊര്‍ജസഞ്ചാരനിലകളുണ്ടെന്നും അതുകൊണ്ട് ആറ്റങ്ങള്‍ക്ക് സ്ഥിരതയുണ്ടെന്നും കണ്ടെത്തി. ഇതിനെയെല്ലാം ഒരുമിച്ച് പഴയ ക്വാണ്ടം നിയമം എന്നുപറയാം. ഇതൊരു തുടക്കംമാത്രമായിരുന്നു.

ക്വാണ്ടം പഠനങ്ങള്‍

1920-കളുടെ തുടക്കത്തില്‍ ഗണിതശാസ്ത്രത്തിന്റെ അകമ്പടിയോടെ ആധുനിക ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സിന് അനുയോജ്യമായ സാഹചര്യമൊരുങ്ങി. ഇതിനുശേഷം 1925-ല്‍ വെര്‍ണര്‍ ഹൈസന്‍ബര്‍ഗ് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ അവതരിപ്പിച്ച മാട്രിക്‌സ് മെക്കാനിക്‌സ് എന്ന, ഗണിതശാസ്ത്രത്തിലധിഷ്ഠിതമായ സിദ്ധാന്തത്തോടെ ആധുനിക ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സിന് തുടക്കം കുറിക്കപ്പെട്ടു. അതെ, ആധുനിക ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സിന് ഈ വര്‍ഷം 100 വയസ്സാകുന്നു. അതിനുതുടര്‍ച്ചയായി വന്ന ഹൈസന്‍ബര്‍ഗിന്റെതന്നെ അനിശ്ചിതത്വതത്ത്വം വലിയ വഴിത്തിരിവായി.

അടുത്ത ഘട്ടങ്ങള്‍

ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സ് എന്നത് കേവലം സൈദ്ധാന്തികമായ ഒരു വിഷയംമാത്രമല്ല. നാം നിത്യജീവിതത്തില്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന പല ഉപകരണങ്ങളും പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത് ഈ ശാസ്ത്രശാഖ ഉപയോഗിച്ചാണ്. ആധുനിക ഇലക്ട്രോണിക്‌സിന്റെ ഹൃദയമായ ട്രാന്‍സിസ്റ്റര്‍ പ്രവര്‍ത്തനം ഇതിനുദാഹരണമാണ്. ട്രാന്‍സിസ്റ്ററുകള്‍ ഇല്ലെങ്കില്‍ കംപ്യൂട്ടറുകള്‍, സ്മാര്‍ട്ട് ഫോണുകള്‍, ടെലിവിഷന്‍ എന്നിവയൊന്നും ഉണ്ടാകുമായിരുന്നില്ല. ലക്ഷക്കണക്കിന് ട്രാന്‍സിസ്റ്ററുകള്‍ തുന്നിച്ചേര്‍ത്ത് ചെറിയ ചിപ്പുകള്‍ നിര്‍മിക്കാന്‍ ഇത് നമ്മെ സഹായിക്കുന്നു.

ഇന്ന് വൈദ്യശാസ്ത്രത്തിലും ആശയവിനിമയത്തിലും സെന്‍സറുകളിലും മറ്റും ഉപയോഗിക്കുന്ന ലേസര്‍ പ്രകാശം ഒരു ക്വാണ്ടം പ്രതിഭാസമാണ്. എംആര്‍ഐ സ്‌കാനിങ് എന്ന മെഷീന്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത് ഒരു കാന്തികക്ഷേത്രത്തിനുള്ളില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ ആറ്റത്തിനുള്ളിലെ ന്യൂക്ലിയസിന്റെ സ്പിന്‍ അഥവാ കറക്കംമൂലമാണ്. പെറ്റ് സ്‌കാനില്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന റേഡിയോ ആക്ടീവ് ഐസോടോപ്പുകളുടെ വിഘടനം ഒരു ക്വാണ്ടം പ്രക്രിയയാണ്.

ഉപഗ്രഹങ്ങളിലെ അറ്റോമിക് ക്ലോക്കുകള്‍ ക്വാണ്ടം തത്ത്വം പ്രകാരമാണ് പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്. സോളാര്‍ സെല്ലുകളിലും ഇമേജിങ് ഉപകരണങ്ങളിലും പ്രിന്റിങ് സാങ്കേതികവിദ്യകളിലും ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്‌സ് കടന്നുചെല്ലുന്നു. ഭാവിയില്‍ അതിവേഗമേറിയ ക്വാണ്ടം കംപ്യൂട്ടിങ്, വളരെ ദൂരേക്കുവരെ ആശയവിനിമയം വേഗത്തിലാക്കല്‍, ഒരു വസ്തുവിനെ ഒരിടത്തുനിന്ന് അപ്രത്യക്ഷമാക്കി മറ്റൊരു സ്ഥലത്ത് പുനര്‍നിര്‍മിക്കല്‍, പുതിയ മരുന്നുകള്‍ വേഗത്തില്‍ രൂപകല്പനചെയ്യല്‍, നിര്‍മിക്കല്‍ എന്നിവ ഇതിന്റെ ഭാഗമായി നമ്മുടെ ജീവിതത്തില്‍ എത്തും. ക്വാണ്ടം സെന്‍സറുകള്‍, ക്വാണ്ടം ഗുരുത്വാകര്‍ഷണം, ക്വാണ്ടം ബയോളജി എന്നിവ വരാനിരിക്കുന്നു. ഇവയെല്ലാം ഈ ക്വാണ്ടം യാത്രയുടെ അടുത്ത ഘട്ടങ്ങളായിരിക്കും. മനുഷ്യജീവിതത്തില്‍ ഈ ശാസ്ത്രശാഖയ്ക്ക് ശക്തമായി ഇടപെടാന്‍ കഴിഞ്ഞത് ചെറു കണങ്ങളുടെ ലോകത്തിലെ വിചിത്രമായ കാര്യങ്ങള്‍ നാം മനസ്സിലാക്കിയതുകൊണ്ടാണ്. ഈ യാത്ര തുടരും...

(കോഴിക്കോട് എന്‍ഐടിയില്‍ കെമിസ്ട്രി പ്രൊഫസറാണ് ലേഖകന്‍)

Content Highlights: The Nobel Prize for research in Quantum Mechanics has been awarded to scientists John Clarke, Michel H. Devoret, and John M. Martinis for their groundbreaking contributions to the field.