पुंजभौतिकी: तरंगकण द्विधावस्था (Wave–particle duality) म्हणजे काय? - विज्ञानभाषा मराठी (३)

पुंजभौतिकी मध्ये तरंगकण द्विधावस्था (Wave–particle duality) अशी एक संकल्पना आहे. प्रकाशाच्या मुलभूत अवस्थेचे स्वरूप शोधताना असे लक्षात आले कि तो तरंग आणि कण या दोन्ही अवस्थेत आहे असे मानले तरच प्रकाशासंबंधी आढळून आलेल्या परस्परविरोधी गुणधर्मांची गणिती पडताळणी करता येते. त्यातूनच तरंगकण द्विधावस्था हि कल्पना पुढे आली.

जेंव्हा आपण एखाद्या विशिष्ट गोष्टीला "कण" म्हणतो तेंव्हा त्या गोष्टीची ती "आपल्याला माहित झालेली अवस्था" असते. त्याचे स्थान त्याचा आकार त्याची गती वगैरे. पण आपल्याला जेंव्हा यातले काहीच माहित नसते तेंव्हा पुंजभौतिकी नुसार हीच गोष्ट पुंजस्थिती मध्ये असते. पुंजस्थिती (Quantum State) हि कल्पना समजून घेणे महत्वाचे आहे. कोणतीही गोष्ट पुंजस्थितीत असते तेंव्हा तिच्या एकापेक्षा अधिक संभाव्य अवस्था अस्तिवात असू शकतात. यातील दोन किंवा दोनपेक्षा अधिक अवस्था एकाच वेळी अस्तित्वात असणे याला त्या गोष्टीची सुपरपोजिशन म्हणतात. हे आपल्याला कल्पना करणे अवघड आहे. कारण हे आपल्या नेहमीच्या जगात घडत नाही. पण पुंजभौतिकी मध्ये शक्य आहे. प्रकाशकणांच्या बाबत सर्वात प्रथम हि गोष्ट निदर्शनास आली. थॉमस यंग यांनी दोन झरोक्यांचा प्रयोग करून प्रकाश हा तरंगांनी बनलाय हे दाखवून दिले. पण आईनस्टाईन यांनी पुढे फोटोइलेक्ट्रिकचा शोध लावून प्रकाश हा कणांपासून बनलेला आहे हे शोधले. म्हणजे प्रकाश एकदा आपले लहरींचे अस्तित्व दाखवतो तर एकदा कणांचे. यातून तरंगकण या अवस्थेची कल्पना उदयास आली.

इथे खरी गम्मत आहे. "एकाच वेळी एकाच गोष्टीच्या दोनहून अधिक अवस्था एकाच वा अधिक ठिकाणी" त्या गोष्टीला फक्त तरंग स्वरूप मानले तरच गणिताने मांडता येऊ शकतात. (कारण दोन तरंग हे एकाच वेळी एकाच ठिकाणी असू शकतात. त्यांना पॉलीएक्सक्लुजन तत्व लागू होत नाही). पुंजस्थिती मधील या तरंगाचे कार्यगणित एरविन श्रॉडिंजर यांनी मांडले. पण जेंव्हा आपण त्या गोष्टीचे निरीक्षण/मोजमाप करतो तेंव्हा सुपरपोजिशन मधली एकच अवस्था आपण पाहतो तेंव्हा तरंगाचे कार्यगणित कोसळते (Wave function collapses) आणि त्या गोष्टीला कणाचे नियम लागू पडू लागतात. निरीक्षणानंतर आता ती तरंगकण अशी सुपरपोजिशन राहत नाही. तो कण होतो.

हे स्पष्ट करण्यासाठी एरविन श्रॉडिंजर या नोबेल पुरस्कार विजेत्या वैज्ञानिकाचा एक काल्पनिक प्रयोग श्रॉडिंजरचे मांजर या नावाने प्रसिद्ध आहे. एका मोठ्या बंद पेटीत मांजर बंदिस्त केले आहे. पेटीतच एक किरणोत्सर्ग होणारा पदार्थ ठेवला आहे. त्याजवळ एक सेन्सर आहे. सेन्सरला हातोडा टांगलेला आहे. आणि हातोड्या खाली अत्यंत विषारी रसायन असलेली काचेची बंद बाटली आहे. तासाभरात एखादा अणू त्या किरणोत्सर्गी पदार्थातून बाहेर पडेल किंवा पडणार नाही (दोन्हीची संभवता समान आहे). पण जर एखादा अणूउत्सर्ग झालाच, तर तिथे जवळच ठेवलेला सेन्सर कार्यरत होईल आणि हातोडा बाटलीवर आदळून विषाची बाटली फुटून मांजराचा तत्काळ मृत्यू होईल.

या काल्पनिक प्रयोगाद्वारे पुंजभौतिकी मधली पुंजस्थिती (Quantum State)ची कल्पना स्पष्ट केली आहे. जेंव्हा पेटी बंद असते तेंव्हा तासाभराने मांजर "जिवंतमृत" अवस्थेत असते. म्हणजे जिवंत सुद्धा आणि मृत सुद्धा. (हि आपल्यासाठी काल्पनिक अवस्था आहे जी आपल्याला अनुभवता येणे शक्य नाही. आपल्याला एकतर मांजर जिवंत दिसेल किंवा मृत). म्हणजे त्या तासाभरात जर किरणोत्सर्गी पदार्थातून एखादा अणू बाहेर पडला असेल तर मांजर मृत झाले असेल अन्यथा मांजर जिवंत असेल. पण जेंव्हा पेटी उघडली जाते तेंव्हाच ते आपल्याला कळेल. म्हणजे तोवर मांजराची जिवंतमृत हि सुपरपोजिशन अस्तित्वात असते. सर्व संभव अवस्था एकाचवेळी अस्तित्वात असणे. त्यालाच पुंजस्थिती (Quantum State) अवस्था म्हटले आहे. पण आपल्या पाहण्यामुळे/निरीक्षणामुळे त्यातील जिवंत अथवा मृत अशी एकच अवस्था आपल्याला दिसते. (थोडे हलकेफुलके: कॉलेजमध्ये असताना पहिल्यांदा जेंव्हा या प्रयोगाविषयी वाचले होते तेंव्हा "वैचारिक प्रयोग का असेना पण बिचाऱ्या मांजराच्या जीवाशी आपण मनातल्या मनात तरी का खेळायचे? दुसरे एखादे चांगले उदाहरण सुचले नसते का ह्या श्रॉडिंजरला" असा एक विचार मनात येऊन गेला होता. पण असो)

अगदी सामान्य ढोबळ व्यवहारी भाषेत सांगायचे तर आपण नेहमीच्या आयुष्यात एखादी घटना घडत असताना पुढच्या क्षणी ज्या ज्या संभव अवस्था आहेत त्या सर्व पुंजस्थिती मध्ये अस्तित्वात असतात. पण प्रत्यक्ष तो क्षण आला कि मात्र आपल्याला त्यातली फक्त एकच अवस्था दिसते/अनुभवता येते. अशी हि थियरी मांडलेली आहे. आणि त्यावरून गणिती समीकरणे बनवून ती विविध प्रयोगांद्वारे पडताळली गेली. विज्ञानच्या तत्वानुसार एखाद्या थियरीशी संबंधित गणिती समीकरणे मांडून त्याच्याशी इतर सगळी निरीक्षणे जुळायला हवीत. मगच ती थियरी सिद्ध होते. जोवर एखादा अपवाद सापडत नाही तोवर ती थियरी ग्राह्य मानली जाते. पुंजभौतिकीचा पाया शे-सव्वाशे वर्षापूर्वी घातला गेला. त्यानंतर त्यात खूप साऱ्या नामवंत भौतिकशास्त्रज्ञांनी तत्वज्ञांनी आणि गणिततज्ञांनी प्रचंड काम केले आहे. अद्याप तरी हीच थियरी ग्राह्य मानली जाते.

ब्रुसेल्स (बेल्जियम) येथे १९२७ साली भरलेल्या परिषदेत जगातील नामांकित भौतिकशास्त्रज्ञ. मध्यभागी अल्बर्ट आईन्स्टाईन.