स्थळ‒काळ आणि पुंजवाद

आइनस्टाइनच्या स्थळ‒काळ सिद्धांताचा विवाद

अल्बर्ट आइनस्टाईनने विसाव्या शतकात विविध सिद्धांत मांडून भौतिकशास्त्राची व्याख्याच जणू बदलून टाकली होती. सापेक्षतेच्या दोन सिद्धांताव्यतिरिक्त, आइनस्टाईनचे पुंजभौतिकी सिद्धांत, फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट आणि स्पेसिफिक हीटचा क्वांटम सिद्धांत इत्यादीच्या विकासातदेखील योगदान आहे. त्याने मांडलेल्या विविध सिद्धांतापैकी स्थळ-काळ सिद्धांत हा अजून देखील वैज्ञानिकांसाठी विवादाचा विषय ठरत आहे. व्यापक  सापेक्षतेच्या सिद्धांतानुसार स्थळ-काळ सपाट नसून जड वस्तुमानाच्या वस्तूंमुळे वक्र आहे आणि ही वक्रता त्यातील वस्तूंच्या हालचालीस जबाबदार असते. काही निरीक्षणामुळे अलीकडेच असे सिद्ध झाले आहे की या सिद्धांताचे उल्लंघन झाले आहे. विश्वरूप नव्याने उलघडताना कदाचित विज्ञानातील या महत्त्वपूर्ण सिद्धांताचे पुनरावलोकन करावे लागेल असे दिसते.

विज्ञानाची क्रांती ही मानवी इतिहासाची जीवनवाहिनी आहे. भौतिकशास्त्र आणि खगोलशास्त्राच्या इतिहासामध्ये खूप साऱ्या गोष्टी बदलल्या गेल्या. पृथ्वी सौरमंडळाच्या केंद्रस्थानी आहे ही कल्पना जवळजवळ एक हजार वर्षांहून अधिक काळ राहिली. त्यानंतर पृथ्वी सूर्याभोवती फिरणाऱ्या इतर ग्रहांपैकी एखादा ग्रह मानला तर सौरमंडळ समजणे अधिक सोयीस्कर होईल असे कोपर्निकसने सांगितले. सुरुवातीस यास प्रचंड विरोध झाला पण अखेरीस नव्याने शोधलेल्या दुर्बिणीतून मिळालेल्या पुराव्यांच्या आधारे जुने भू-केंद्रीक चित्र लोप पावून कोपर्निकसनचे सूर्य-केंद्रीत चित्र जगासमोर आले. तर गुरुत्वाकर्षण बलामुळे पृथ्वी सूर्याभोवती फिरते आणि गुरुत्वाकर्षणशक्ती सर्व वस्तूंमध्ये अस्तित्त्वात असते हा महत्वाचा गुरुत्वाकर्षणाचा सिद्धांत न्यूटनने मांडला. वस्तुमान असलेल्या कोणत्याही दोन वस्तूंच्या एकमेकांकडे आकर्षिल्या जाण्याच्या प्रवृत्तीला गुरुत्वाकर्षण असे म्हणतात. त्याच्या कल्पनेनुसार आपण सूर्याभोवती त्याच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे फिरत असतो. या सिद्धांताने विज्ञान विश्वात सुमारे अडीच शतके राज्य केले.  

१९१५ साली आइनस्टाइने सापेक्षतेचा व्यापक सिद्धांत मांडत न्यूटनच्या या सिद्धांताला आव्हान दिले. आइनस्टाइनच्या मते गुरुत्वाकर्षण म्हणजे वस्तुमान असलेल्या कोणत्याही वस्तूने तिच्याभोवतीच्या काल-अवकाशात (स्थळ-काळ) निर्माण केलेली वक्रता होय. या सिद्धांताद्वारे त्याने बुध ग्रहाच्या कक्षेत असलेली विसंगती सुबकपणे स्पष्ट केली. १९१९ मध्ये आफ्रिकेच्या किनाऱ्यावरुन सूर्यग्रहणाच्या प्रसिद्ध निरीक्षणाद्वारे त्याची पुष्टी केली गेली. आइनस्टाइनच्या मते एका वक्राकार जागेमध्ये गुरुत्वाकर्षण निर्माण होते आणि विश्वातील सर्व वस्तु अंतराळ (स्थळ-काळ) नावाच्या चार-आयामी (वेळेचा समावेश केल्यास) विणलेल्या सपाट कापडासारख्या पृष्ठभागावर वसलेल्या आहेत. प्रचंड वस्तुमान असलेल्या सूर्यासारख्या वस्तूच्या वजनामुळे या चार-आयामी कापडावरती वक्रता निर्माण होते. पृथ्वी सूर्याभोवती फिरत आहे कारण ती सूर्यामुळे अवकाशात तयार झालेल्या वक्रतेच्या क्षेत्रात सापडते. हीच संकल्पना पृथ्वी आणि तिच्या चंद्र या उपग्रहा बाबतीत लागू होते. पृथ्वीची कक्षा ही याच वक्रतेचा परिणाम आहे. आइन्स्टाइनने व्यापक सापेक्षतेसाठीची क्षेत्र समीकरणे शोधून काढली. ही समीकरणे वस्तुमानाचा काल-अवकाशातील वक्रतेशी संबंध जोडतात.

जर एखादा व्यक्ति प्रचंड गुरुत्वाकर्षण किंवा प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करत असेल तर त्याच्यासाठी काळाची गती संथ होईल. त्याच्या मते या शोधावरून आपण भूत आणि भविष्यकाळातील घटनांचे अनुमान लावू शकतो. ब्रह्मांडाच्या स्थळ‒काळ आलेखावरून त्याची उत्पत्ति आणि भविष्यकाळातील स्थितीचे अनुमान लावता येईल. हे स्थळ-काळाचे चित्र गेली १०० हून अधिक वर्षे विज्ञानाजगतात अधिराज्य करीत असून या संकल्पनेच्या सर्व विरोधकांना याने नामोहरण केले आहे.

२०१५ मध्ये लागलेला गुरुत्वलहरींचा शोध हे एक निश्चयात्मक निरीक्षण होते, परंतु, त्याच्या पूर्ववर्तींप्रमाणेच, हेदेखील गळून पडणारे होते. कारण भौतिकशास्त्राच्या प्राणिसंग्रहालयातील पुंजवाद सारख्या इतर मोठ्या प्राण्यांशी ते मूलत: विसंगत होते. पुंजवाद अगदी विलक्षण आणि गुंतागुंतीचा आहे. 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. यानुसार एकच कण एकाच वेळी दोन ठिकाणी असू शकतो. निरीक्षणापूर्वी आपण त्याच्या ठिकाणाची संभाव्यता मांडू शकतो. केवळ निरीक्षणाद्वारेच आपण त्यास ठिकाणाची निवड करण्यास भाग पाडू  शकतो.

एरविन श्रॉडिंजरने हि संकल्पना श्रॉडिंजरचे मांजर नावाच्या एका काल्पनिक प्रयोगाद्वारे स्पष्ट केली आहे. एका मोठ्या पेटीत मांजर बंदिस्त केलेले असते. पेटीत एक किरणोत्सारी पदार्थ आणि त्याजवळ एक सेन्सर ठेवलेला असतो. सेन्सरला हातोडा टांगलेला असतो आणि हातोड्याखाली विषारी रसायन असलेली काचेची बंद कुपी असते. काही वेळानंतर एखादा किरणोत्सर्गी अणू बाहेर पडेल किंवा पडणार नाही (दोन्हीची संभवता समान आहे). पण जर जर पडलाच तर सेन्सर कार्यान्वित होईल आणि हातोडा बाटलीवर आदळून विषाची बाटली फुटून मांजराचा तत्काळ मृत्यू होईल.

या काल्पनिक प्रयोगाद्वारे पुंजभौतिकी मधली पुंजस्थिती (क्वांटम स्टेट) 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 अवस्था अस्तित्वात असते. सर्व संभव अवस्था एकाचवेळी अस्तित्वात असणे यालाच पुंजस्थिती अवस्था म्हटले आहे.

या संकल्पनेबरोबर अखंड कापडाच्या सपाट स्थळ‒काळाच्या चित्राचा मेळ लावणे शक्य नाही. म्हणजे पुंजवादानुसार "गुरुत्वाकर्षण एकाच वेळी दोन ठिकाणी असू शकत नाही". आइन्स्टाईनच्या म्हणण्यानुसार स्थळ‒काळ हे द्रव्य आणि उर्जेने बनलेले असते परंतु पुंज यामिकीनुसार, पदार्थ आणि ऊर्जा एकाच वेळी एकापेक्षा जास्त अवस्थेत दोन्ही ठिकाणी असू शकतात. "मग गुरुत्वाकर्षण कुठे आहे?" होसेनफेल्डरने विचारलेल्या या प्रश्नाचे उत्तर सध्यातरी कोणाकडेच नाही. जर एक ही उच्चतम संभाव्यता मानली तर कोणतातरी एक परिणाम निश्चित असतो. एका विशिष्ट उर्जेच्यावर, आपणास एकापेक्षा अधिक संभाव्यता मिळते. पण आपण निश्चिततेच्या सीमेपलीकडे जाऊ शकत नाही. त्याचप्रमाणे, भौतिकशास्त्रातील गणना कधीकधी आपल्याला अनंत (इन्फिनिटी) उत्तर देतात, ज्याला अनैसर्गिकता म्हणतात. व्यापक सापेक्षता आणि पुंजवाद एकत्र कार्य करत नाहीत म्हणून ते गणिताशी विसंगत आहेत. त्यामुळे काही भौतिकशास्त्रज्ञ आता पुंजगुरुत्वाचा (क्वांटम ग्रॅव्हिटी) सिद्धांत शोधत आहेत. विश्वरचनाशास्त्रात पुंज सिद्धांत आणि व्यापक सापेक्षता सिद्धांत यांच्या एकत्रीकरणासाठी ‘पुंज गुरुत्व’ सारख्या संकल्पनेची गरज भासेल असे नोबेल पुरस्कार विजेते रॉजर पेनरोझ यांनी सांगितले होते.

पुंजगुरुत्वामध्ये त्यांनी तर्कसंगतपणे सुप्रसिद्ध स्ट्रिंग सिद्धांताची (स्ट्रिंगथेरी) मदत घेतली आहे. हा सिद्धांत स्ट्रिंग्सचा अवकाशातून संचार तसेच परस्परसंवाद याचे वर्णन करतो. यामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि क्वार्क्स सारखे अतिसुक्ष्म प्राथमिक कण लहान कंपन होणाऱ्या दोरा किंव्हा तारेसारखे (स्ट्रिंग) वर्तन करत असतात असे मानले जाते. वेगवेगळे संगीत नोड्स तयार करण्यासाठी वाद्यांवर ज्याप्रमाणे आपण वेगवेगळ्या तारा छेडतो तस स्ट्रिंग सिद्धांतांचा असा तर्क आहे की तारांची वेगवेगळी कंपने वेगवेगळे प्राथमिक कण तयार करतात. हा स्ट्रिंग्सच्या अनेक कंपनांपैकी एक म्हणजे गुरुत्वाकर्षण शक्ती वाहणारे क्वांटम यांत्रिक कण; ग्रॅव्हिटनशी संबंधित आहे. स्ट्रिंगथेरी किमान कागदावर तरी व्यापक सापेक्षता आणि पुंजभौतिकी मध्ये समेट घडवू शकते. या सिद्धांतामध्ये ११ (चार-आयाम + ७) काल्पनिक आयाम वापरले आहेत. अद्याप हे सात अतिरिक्त आयाम अस्तित्त्वात असल्याचा कोणताही प्रयोगात्मक पुरावा उपलब्ध नाही. कदाचित आपणास हे एक मनोरंजक गणित वाटेल परंतु आपण ज्या ठिकाणी राहतो त्या स्थळ‒काळाचे वर्णन, अर्थात प्रयोगाअंती सिद्ध झाल्यास, यामार्फत केले जाऊ शकते. म्हणून या सिद्धांतास प्रायोगिक पुराव्यांची आवश्यकता आहे.

मग स्ट्रिंग थिअरीच्या कथित अंशतः अपयशातुन प्रेरित होऊन इतर भौतिकशास्त्रज्ञ लूप क्वांटम ग्रॅव्हिटी (एलक्यूजी) च्या पर्यायाकडे वळले. एलक्यूजी सिद्धांतानुसार कण आणि स्थळ-काळामधील संघर्षाचे निराकरण करण्यासाठी स्थळ आणि काळ बिटमध्ये थोडेसे विलग करावे - एक अंतिम पृथक्करण ज्याच्या पलीकडे मोठे होऊ शकत नाही. त्यांचा असा कयास आहे की, स्थळ-काळ हे वळसा घातलेल्या कपड्याच्या (इंटरव्होव्हन लूप) गुंफणातून बनलेले आहे. हे अंशतः कापडाच्या लांबीसारखे असते. प्रथमदर्शनी जरी ते एका गुळगुळीत आणि सपाट कापडासारखे दिसत असले तरी बारकाईने पाहिल्यास जाळीप्रमाणे भासते. वैकल्पिकरित्या, हे संगणकाच्या स्क्रीनवरील छायाचित्र झूम केल्यानंतर ते वास्तविकपणे लहान लहान पिक्सेलने बनलेले दिसते. पण एलक्यूजीत भौतिकशास्त्रज्ञानी सुचवलेले स्थळ‒काळ सिद्धांतामधील दोष हे फक्त प्लँकने तयार केलेल्या मापणाच्या पद्धतीमध्येच (प्लँक स्केल) दिसून येतात. असे असले तरी स्थळ‒काळ सिद्धांत केवळ मापकपट्टीवर भिन्न असेल आणि कोणत्याही कण प्रवेगकात हे तपासणे कठीण होईल. यासाठी आपणास सीईआरएन (युरोपियन ऑर्गनायझेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च) येथील लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (एलएचसी) पेक्षा एक हजार ट्रिलियन (एकावर बारा शून्ये इतकी संख्या)-पट मोठ्या अणू स्मॅशरची आवश्यकता भासेल. तरीसुद्धा स्थळ‒काळाच्या या सूक्ष्म दोषांचे निरीक्षण करणे कठीण जाईल. पर्यायी यासाठी मोठी जागा गृहीत धरणे सोयीचे ठरेल असे मत काहीनी मांडले.

विश्वाच्या दूरदूरच्या ठिकाणाहून येणारा प्रकाश कोट्यवधी प्रकाश-वर्षांच्या अंतराचा प्रवास करत असतो. त्याने बरेच स्थळ-काळ पृष्ठभाग कापलेले असतात.  प्रत्येक स्थळ‒काळ दोषाचा प्रभाव अल्प असेल, परंतु प्रचंड अंतरामुळे असे बहुविध अल्प दोष एकत्र येऊन संभाव्यरित्या निरीक्षण करण्यायोग्य स्थिति बनू शकते. गेल्या दशकापासून, एलक्यूजीच्या समर्थनार्थ पुरावे शोधण्यासाठी खगोलशास्त्रज्ञ दुरवरच्या ताऱ्यांचे आयुष्य संपल्यानंतर त्यांच्या स्फोटातून निर्माण होणाऱ्या गॅमा किरणांचा अभ्यास करत आहेत. गॅमा किरणांचे गुणधर्म हे दूरस्थ विस्फोट कि स्थळ‒काळ सिद्धांतामधील दोष यामुळे आहेत याबद्दलचे गमक खगोलशास्त्रज्ञ अजूनदेखील समजू शकले नाहीत.

आइनस्टाइनच्या म्हणण्यानुसार, स्थळ‒काळ पृष्ठभाग त्यावरील ग्रह, तारे इत्यादी घटकांवर अवलंबून नसून स्वतंत्रपणे अस्तित्वात असतो. तथापि, लॉरेन्ट फ्रीडेल, रॉबर्ट लेह आणि जोर्डजे मिनीक या शास्रज्ञाच्यामते स्थळ‒काळ पृष्ठभाग त्यातील घटकांपासून स्वतंत्रपणे अस्तित्वात नसतो. त्याच्यातील घटकांच्या परस्परसंवाद करण्याच्या पद्धतीने स्थळ‒काळ परिभाषित केला जातो. ही कल्पना आइन्स्टाईनच्या स्थळ‒काळ आणि पुंजवादामधील एक दुवा म्हणून काम करू शकते. मिनीक मानतात की ही धारणा विलक्षण असली तरी समस्या निराकरणाचा हा अगदी तंतोतंत मार्ग आहे. या सिद्धांताचे आकर्षण पाहता याला परिवर्तनसुलभ अर्थात मॉड्यूलर स्थळ‒काळ असे म्हटले गेले.

मॉड्यूलर स्थळ‒काळाचा वापर करून आपण सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रातील स्थानबद्धता आणि पुंजवादी गुंतागुंत (क्वांटम एंटॅग्लिमेंट) सारखी दीर्घकालीन समस्या सोडवू शकतो. क्वांटम एंटॅग्लिमेंटनुसार दोन कण एकत्र आणून त्यांच्या क्वांटम गुणधर्मांना जोडण्याची स्थिती निश्चित करता येऊ शकते. त्यानंतर त्यांना मोठ्या अंतरावर विभक्त करूनसुद्धा त्यांनी दुवा साधलेले दिसते. एखाद्याचा गुणधर्म बदलला की त्वरित दुसर्या्चे गुणधर्म बदलतात कारण येथे माहिती ही प्रकाशाच्या गतीपेक्षा अधिक गतीने एकापासून दुसऱ्याकडे जाते. म्हणजेच ही घटना आइन्स्टाईनच्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताचे उल्लंघन करते. याला मॉड्यूलर स्थळ‒काळ सिद्धांत पूर्णपणे समर्थन देतो. सध्या शास्त्रज्ञानी यावर लक्ष केंद्रित केले असून ते हळूहळू प्रगती करत आहेत. त्यांच्या मते हे विलक्षण आणि रोमांचकारी आहे. आपली आत्ताची सर्व उपकरणे केवळ पुंज यामिकी सिद्धांतामुळेच कार्य करतात. जर आपणास स्थळ‒काळ आणि पुंजवाद संकल्पना अधिक चांगल्या प्रकारे समजलया तर त्याचा उपयोग भविष्यातील तंत्रज्ञानवृद्धीवर होईल.

- श्री रुपेश पेडणेकर आणि प्राध्यापक डॉ केशव राजपुरे

संदर्भ:- [1] [2] [3]