മി. ഫോട്ടോണ്‍ , താങ്കൾ ഏത് വഴിയാണ് വന്നത്?

 വീട്ടിൽ വിശേഷങ്ങൾക്കും മറ്റും വരുന്ന ബന്ധു മിത്രാദികളോട് നാം ചോദിക്കുന്ന ഒരു  ചോദ്യമാണ് ഏതു വഴി വന്നു എന്ന് .  ഭംഗി വാക്കാണെന്നും ഏതു വഴി വന്നാലും പ്രത്യേകിച്ച് വ്യത്യാസങ്ങളൊന്നും ഇല്ലെന്നും വിരുന്നുകാരനും അറിയാം. എന്നാൽ വന്ന വഴി നമുക്ക് ട്രാക്ക് ചെയ്യാൻ കഴിഞ്ഞില്ലെങ്കിൽ  എത്തിയ വിരുന്നു കൂട്ടത്തിനു എന്തെങ്കിലും പ്രത്യേകത ഉണ്ടാവുമോ? ഏതൊരാളും ചിന്തിക്കും, "ഇതെന്തൊരു മണ്ടൻ ചോദ്യം ! അവർ വന്നോ അല്ലെങ്കിൽ എപ്പോൾ വന്നു എന്നത് മാത്രമല്ലേ വിരുന്ന് കൂട്ടത്തെ ബാധിക്കുകയുള്ളൂ, അല്ലാതെ അവർ വന്ന വഴിയെക്കുറിച്ചുള്ള നമ്മുടെ അറിവോ അറിവില്ലായ്മയോ ഒന്നിനേയും ബാധിക്കില്ലല്ലോ !" എന്ന്. എന്നാൽ ഈ വിരുന്നിന് പങ്കെടുക്കുന്നത്  തമ്മിൽ വേർതിരിച്ചരിയാനാവാത്ത കണങ്ങളായാലോ? പത്തോമ്പതാം നൂറ്റാണ്ടിലെ ഭൌതിക ശാസ്ത്രജ്ഞരും ഈ പൊതു ന്യായം ചോദിക്കും. എന്നാൽ ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആദ്യ ദശയിൽ തന്നെ ഇത്തരം അസംബന്ധ ചോദ്യങ്ങൾക്ക് പ്രാധാന്യം ലഭിക്കാൻ തുടങ്ങി. 

  ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ തുടക്കം ഭൌതിക ശാസ്ത്രത്തിനു ഒരുപാട് വഴിത്തിരിവുകൾ സമ്മാനിച്ചു. അതിലൊന്നാണ് സുക്ഷ്മ കണങ്ങളുടെ ക്വാണ്ടം സ്വഭാവം. ഇതിന്റെ അടിസ്ഥാനം ഇത്തരം കണികളുടെ വിവിധ സ്വഭാവങ്ങൾ അളക്കുനതിലുള്ള അസ്ഥിരത (uncertainty) ആണ്.  ജർമൻ ഭൌതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ വെർണർ ഗൈസൻബർഗിന്റെ ഈ അസ്ഥിരതാ സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് ഒരു കണത്തിന്റെ സ്ഥാനവും വേഗതയും (കൃത്യമായി പറഞ്ഞാൽ ആക്കവും) ഒരേ സമയം കൃത്യമായി അളക്കാൻ കഴിയില്ല. ഇതിന്റെ കാരണം സൂക്ഷ്മ കണങ്ങളുടെ തരംഗ സ്വഭാവമാണ്.  സബ് അറ്റോമിക് കണങ്ങളായ ഇലക്ട്രോണുകൾ, പ്രോട്ടോണുകൾ, പ്രകാശ കണങ്ങളായ ഫോട്ടോണുകൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്ന പരീക്ഷണങ്ങളിൽ ക്വാണ്ടം നിയമങ്ങൾ വളരെ പ്രാധാനമായി വരുന്നു.
                    

Interference of two wavefronts (image: Google)

 ഇത്തരം ക്വാണ്ടം നിയമങ്ങളുടെ ദൃഷ്ടാന്തമാണ് യങ്ങിന്റെ ഡബിൾ സ്ലിറ്റ് പരീക്ഷണത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത വകഭേദങ്ങൾ. തരംഗങ്ങളുടെ ഇന്റർഫറൻസ് എന്ന പ്രതിഭാസം കാണിക്കാനാണ് ആദ്യമായി ഈ പരീക്ഷണം നടത്തിയത്. രണ്ട് സമാന തരംഗങ്ങളുടെ ശ്രംഗങ്ങൾ/ഗർത്തങ്ങൾ കൂടിച്ചേരുമ്പോൾ അവ ഇരട്ടി വലുപ്പം ഉള്ള ശ്രംഗങ്ങൾ/ഗർത്തങ്ങൾ ഉണ്ടാവുകയും (constructive ), ഒന്നിന്റെ ശ്രംഗവും മറ്റതിന്റെ ഗര്ത്തവും കൂടി ചേരുമ്പോൾ   അവയുടെ വ്യത്യാസത്തിനു സമമായ ശ്രംഗങ്ങൾ/ഗർത്തങ്ങൾ (destructive) ഉണ്ടാവുന്നു. constructive ഇന്റർഫറൻസ് ശോഭാമയമായ fringe കളും (കട്ടിയുള്ള വ്രുത്തങ്ങളോ കമാന രൂപങ്ങളോ നേർ രേഖകളോ ആവം ) destructive ഇന്റർഫറൻസ്  ഇരുണ്ട fringe കളും ഉണ്ടാക്കുന്നു.  ഇത് ഒരു തരംഗത്തിന് മാത്രം സാധിക്കുന്ന പ്രതിഭാസമാണ്. എന്നാൽ സബ്‌ അറ്റോമിക കണങ്ങളായ ഇലക്ട്രോണുകളും ഇത്തരം പാറ്റേണുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു എന്നത് അമ്പരപ്പിക്കുന്ന ഒന്നാണ്. ഇതിനു കാരണം കണികകളുടെ ദ്വൈത സ്വഭാവമാണ്. അവ കണികകളായും തരംഗങ്ങൾ ആയും വർത്തിക്കുന്നു. ഒന്നാമത്തെ ചിത്രത്തിലെ ഹൈസൻബർഗിന്റെ വാചകം ശ്രദ്ധിക്കുക.  " നാം കാണുന്ന പ്രകൃതി യഥാർഥ പ്രകൃതി അല്ല. അത് നമ്മുടെ ചോദ്യ രീതിക്ക് അനുസരിച്ചുള്ള പ്രകൃതിയുടെ പ്രദർശനമാണു". നമ്മുടെ ചോദ്യങ്ങൾ / അന്വേഷണങ്ങൾ ക്ലാസ്സിക്കൽ രീതിയിലാണെങ്കിൽ പ്രകൃതിയുടെ ക്ലാസിക്കൽ രൂപമേ കാണാനാവൂ. ക്വാണ്ടം സ്വഭാവം കാണുന്നതിന് നമ്മുടെ അന്വേഷണങ്ങൾ ക്വാണ്ടം തലത്തിൽ (ഓരോ സൂക്ഷ്മ കണികകളേയും പരിശോധിച്ചുകൊണ്ട്) ആകണം. അതുപോലെ ഈ കണികാ/തരംഗ സ്വഭാവങ്ങളുടെ പ്രദർശനം നമ്മുടെ പരീക്ഷണത്തിനനുസരിച്ച് ആയിരിക്കും.

  ഇനി വഴി ചോദിക്കലിലേക്ക് വരാം. യങ്ങിന്റെ ഇന്റർഫരൻസ് പരീക്ഷണത്തിൽ ഒരു സ്രോതസ്സിൽ നിന്നുള്ള 

നിരീക്ഷകൻ പ്രതിഭാസം

ഫോട്ടോണുകൾ/ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു ഡബിൾ സ്ലിറ്റ് (വിടവ്) വഴി രണ്ടായി തിരിക്കപ്പെടുന്നു. ഇവയിൽ നിന്നും വരുന്ന കണങ്ങളാണു ഇന്റർഫരൻസിനു വിധേയമാകുന്നത്. ഇനി സ്രോതസ്സ് ഒരു സമയം ഒരു കണം മാത്രമേ ഉത്സർജിക്കുന്നുള്ളൂ എങ്കിലും ഈ പ്രഭാവം കാണാം. അതിനു കാരണം കണങ്ങളുടെ തമ്മിൽ തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയാത്ത സ്വഭാവമാണ് (indistinguishability). ഓരോ കണവും ഏത് വിടവിലൂടെയാണു പോയത്  (വഴി)എന്ന് പറയാനാവില്ല. ഇനി നമ്മൾ വഴിയറിയാനായി വിടവുകളിനടുത്ത്  ഒരു ക്യാമറ വച്ച് നിരീക്ഷിച്ചാലോ?   ഈ ഇന്റർഫറൻസ് fringe കൾ ഇല്ലാതാവുന്നതായി കാണാം. ഇതിനെയാണ് ക്വാണ്ടം ഭൌതിക നിയമത്തിൽ  "നിരീക്ഷകൻ  പ്രതിഭാസം" (observer effect ) എന്ന് പറയുന്നത്. അതിനാൽ കണങ്ങളുടെ സ്വഭാവത്തെ ബാധിക്കാതെ അവയുടെ സഞ്ചാര പാത നിണയിക്കാൻ കഴിയില്ല. ഇത്തരം പാതയെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനങ്ങൾക്ക് ഒരു ദശാബ്ദമായി വളരെ പ്രാധാന്യം ശാസ്ത്രലോകം നല്കി വരുന്നു.

  സ്വഭാവത്തെ ബാധിക്കാതെ സഞ്ചാര  മറ്റും പഠിക്കുന്ന രീതിയാണു ദുർബല അളക്കൽ (weak measurements). ഇത് രൂപപ്പെടുത്തിയത് യാകിർ അഹാറാനോവ്, ഡേവിഡ് ആൽബർട്ട് , ലേവ് വൈഡ്മാൻ എന്നിവരാണ്.  ഈ പഠനത്തിൽ ക്വാണ്ടം സിസ്റ്റം നമ്മുടെ അളക്കുന്ന സിസ്റ്റവുമായി വളരെ ദുര്ബലമായ രീതിയിൽ കൊളുത്തി (coupling) കിടക്കുന്നു. ഇത്തരം അളക്കൽ വഴി കണങ്ങളുടെ സ്വഭാവത്തിൽ മാറ്റം വരുത്താതെ അവയുടെ വികാസ(evolution)ത്തെക്കുറിച്ച് അറിയാനാകും.  അങ്ങനെ ഫോട്ടോണുകളോട് അവർ എവിടെയായിരൂന്നു എന്നോ ഏതു വഴി വന്നു എന്നോ ചോദിക്കാം. അവർ തരുന്ന മറുപടികളോ അല്ഭുതപ്പെടുത്തുന്നതാണ്.

ദുർബല അളക്കൽ

    ലേവ് വൈഡ്മാനും സംഘവും ഫിസിക്കൽ റിവ്യൂ ലറ്റേർസ് ( ഡിസംബർ 13 ,2013 പതിപ്പ് ) ഇൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച "Asking Photons where they  have  been " എന്ന ലേഖനം ഇത്തരം ഒരു അമ്പരപ്പിക്കുന്ന കണ്ടെത്തലാണ്. ഇതിനെ കുറിച്ചുള്ള ഒരു പോപ്പുലർ ലേഖനം ഇവിടെ കാണാം. ഫോടോണുകളെ പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്ന കണ്ണാടികളെ സൂക്ഷമായി ഇളക്കിക്കൊണ്ടാണു (oscillate)   ഈ പഠനം നടത്തിയത് . (പരീക്ഷണത്തിന്റെ രേഖാ ചിത്രം മുകളിൽ കാണാം )
 ഇതിന്റെ പ്രധാന കണ്ടെത്തലുകൾ ഇവയാണ് 

1. പ്രകാശകണങ്ങൾ അഥവാ ഫോട്ടോണുകൾ ഏതു വഴിയാണ് വന്നത് എന്ന് സ്വയം വ്യക്തമാക്കുന്നു (ദുര്ബല അലക്കൽ വഴി ). 
2. ഫോട്ടോണുകൾ തുടര്ച്ചയായ ഒരു പാതയിലൂടെ മാത്രമല്ല സഞ്ചരിക്കുന്നത്.

   ഇതിലെ രണ്ടാമത്തെ കണ്ടെത്തൽ നോക്കുക. ഫോട്ടോണുകൾ  ഒരിക്കലും എത്തിപ്പെടാൻ കഴിയില്ലെന്ന് വിശ്വസിക്കപ്പെടുന്ന വഴികളിലൂടെ സഞ്ചരിച്ച തെളിവുകൾ തന്നതിനാലാണ് ഈ കാര്യം വ്യക്തമാകുന്നത്.  ചിത്രം നോക്കുക. ഇത് ഫോടോണിന്റെ സഞ്ചാരം കാണിക്കുന്ന ഒന്നാണ്. ഇതിൽ 1st Beam splitter നു ശേഷം രണ്ട് മാർഗങ്ങൾ കണ്ടല്ലോ. 5 കണ്ണാടികൾ ഫോട്ടോണുകളെ പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നു. ഫോട്ടോണുകൾ തങ്ങൾ തട്ടിയ 5  കണ്ണാടികളുടെയും വിവരം തരും. ഇനി   ഇന്റർഫരൻസ് പ്രതിഭാസം വച്ച് കണ്ണാടി 5 ലേക്ക് ഒരു ഫോട്ടോണും കടത്താതെ ആക്കി നോക്കുക . അപ്പോൾ ഡിറ്റക്ടരിൽ എത്തുന്ന ഫോട്ടോണ്‍ കണ്ണാടി 1 ഇൽ പോയ വിവരം മാത്രമേ പറയാൻ പാടുള്ളൂ. മറ്റ് കണ്ണാടികളെ കുറിച്ച് ആ ഫോട്ടോണിനു അറിവ് ഉണ്ടാകില്ല. എന്നാൽ കണ്ടെത്തിയത് തികച്ചും വ്യത്യസ്തം. ഫോട്ടോണുകൾ കണ്ണാടി 1,3,4 എന്നിവയിൽ  പോയതിന്റെ തെളിവ് തന്നു ! കണ്ണാടി 5 ലോ 2 ലോ തട്ടാതെ എങ്ങനെ ആ ചെറിയ ചതുരത്തിനുള്ളിൽ (dotted rectangle) ഫോട്ടോണുകൾ എത്തും !

  ഇത് ക്വാണ്ടം പ്രതിഭാസത്തിലെ  Two state vector formalisam  എന്ന രീതി ഉപയോഗിച്ചാണ് വിശദീകരിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഇതനുസരിച്ച് ഏതൊരു ക്വാണ്ടം കണത്തിന്റെ വികാസവും സമയത്തിനനുസരിച്ച് സിമട്രിക്  (time-symmetric description) ആകണം. സമയത്തിനെ തിരിച്ചിട്ടാൽ, അതായത് നെഗറ്റീവ് സമയം, കണം അതേ പാതയിൽ സഞ്ചരിക്കണം. സമയത്തിൽ മുന്നോട്ടും പിന്നോട്ടുമുള്ള പാതകൾ കൂടിച്ചേരുന്ന വഴികളിലൂടെ മാത്രമേ ഫോട്ടോണുകൾ സഞ്ചരിക്കൂ. 

അങ്ങനെ തലക്കെട്ടിൽ ചോദിച്ച ചോദ്യത്തിനു ഫോട്ടോണ്‍ ഇങ്ങനെ മറുപടി തരും

സുഹൃത്തേ ഞാൻ x എന്ന ഒരു തുരുത്തിൽ ഉണ്ടായിരുന്നു. എന്നാൽ അതിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുകയോ അതിൽ നിന്ന് പുറത്തിറങ്ങുകയോ ചെയ്തിട്ടില്ല !

ചിത്രങ്ങൾ : ഗൂഗിൾ , ഫിസിക്കൽ റിവ്യൂ ലെറ്റർ