९ फाल्गुन २०८०, बुधबार

क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्तका आधारमा : पदार्थ

लेखक : गुणराज लाेहनि

जब हामी ब्रह्माणलाई बुझ्ने कोसिस गर्दछौँ तब यसका बारेमा पहिलो प्रश्न ब्रह्माण्डको बिल्डिङ ब्लक के हो ? साथै यो केबाट बनेको हुन्छ ? यी सबै बुझ्नका लागि परमाणुको संरचना र तीभन्दा साना कणहरूका बारेमा बुझ्न जरुरी रहेको छ । पहिलापहिला परमाणु सबैभन्दा सानो वस्तु हो र यसको केन्द्रमा न्युक्लिअस रहेको हुन्छ । यसमा न्युट्रोन प्रोटोन रहेको हुन्छ । यसबाहेक परमाणुमा इलेक्ट्रोन पनि रहेको हुन्छ । यसले न्युक्लिअसलाई घुमिरेहको हुन्छ भन्ने मान्यता रहेको थियो । तपाईं विश्वविद्यालयको विद्यार्थी हुनुहुन्छ भने यसभन्दा अगाडि गएर भन्नुहुन्छ– न्युट्रोन र प्रोटोन पनि प्रारम्भिक कण होइनन् किनभने तिनीहरू पनि आफैँ क्वार्कबाट बनेका हुन्छन् । यसको मतलब यो ब्रह्माण्ड इलेक्ट्रोन र क्वार्कसको समायोजनबाट बनेको हुन्छ । के यो धारणा पनि पूर्ण रूपले सही छ ? अवश्य पनि छैन भन्ने कुरा पछिल्ला खोजहरूले पुस्टि गरेका छन् ।
ब्रह्माण्ड केवल यिनै चीजहरू मिलेर बनेको हुन्छ ? पक्का पनि होइन । यो सिद्धान्तबाट यिनीहरूमाथि अलगअलग बलहरूले कसरी काम गरिराखेका हुन्छन् भन्ने कुरा उल्लेख गरिएको हुँदैन । यहाँ बुझ्नुपर्ने कुरा के हो भने क्वार्कस, इलेक्ट्रोन, प्रोटोन केबाट बनेको हुन्छ भन्ने कुरा स्पष्ट हुँदैन ।
हामी बहुब्रह्माण्ड, स्ट्रिङ सिद्धान्त र क्वान्टम यान्त्रिकीका बारेमा कुरा गर्न इच्छुक रहन्छौँ । यी सिद्धान्तका बारेमा हामीले कहीँ न कहीँ सुनेका छौँ । तर हामीले क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्तका बारेमा कमै सुनेका छौँ । यो ब्रह्माण्डलाई बुझ्नका लागि मानवद्वारा खोज गरिएको सबैभन्दा उत्तम सिद्धान्त नै क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्तलाई मान्ने गरिएको छ किनभने यसका धेरैजसो अनुमान सही साबित भएका छन् । यही सिद्धान्तको माध्यमबाट ब्रह्माण्डका कैयौँ व्यवहारहरूलाई बुझ्न सकिएको छ । हुनत यसलाई जटिल शीर्षक मानेर माथिल्लो तहमा मात्र पढाइने गरिएको छ । यहाँ म यसलाई सरल भाषामा बुझाउने कोसिस गर्नेछु ।
क्वान्ट फिल्ड सिद्धान्त र स्ट्यान्डर्ड मोडेल अफ पार्टिकल :
हामी यस शीर्षकमा क्वान्ट फिल्ड सिद्धान्त र स्ट्यान्डर्ड मोडेल अफ पार्टिकलका बारेमा छलफल गर्नेछौँ । क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्तलाई बुझ्नुभन्दा पहिला स्टान्डर्ड मोडेल अफ इलिमेन्टरी पार्टिकलका बारेमा कुरा गरौँ ।
कुनै समय थियो परमाणु नै पदार्थको सबैभन्दा सानो रूप हो । त्यसैले परमाणुलाई विभाजन गर्न सकिँदैन । त्यसपछि अलि फरक तरिकाले अवधारणाको विकास हुन पुग्यो– परमाणुभित्र पनि इलेक्ट्रोन र न्युट्रोन हुन्छन् भन्न थालियो । यसपछि क्वान्टम सिद्धान्तको खोजी गरियो । यस सिद्धान्तले अरू कणहरूको खोजी ग¥यो । तिनीहरूका बारेमा हामी अनविज्ञ रहेका थियौँ । यो सिद्धान्तले कैयौँ. कणहरू रहेको अनुमान ग¥यो । जब कण स्केलेरटरमा उच्च ऊर्जामा यी कणहरूलाई ठोकाइयो तब हेर्दाहेर्दै यी कणहरूको सङ्ख्या यति धेरै भयो, यिनीहरूको विशेषताका आधारमा यिनीहरूलाई फरकफरक प्रवर्गहरूमा बाँड्नुपर्ने भयो । यी विशेषताहरू थिए– स्पिन, इलेक्ट्रिकल चार्ज पिण्ड र लाइफ टाइम (त्यो समय जबसम्म तिनीहरू डिके भएर हलुका कणमा बदलिँदैनन्) । वैज्ञानिकहरूले यस्तो एउटा मोडेल बनाए जसमा उनीहरूका विशेषताका आधारमा तिनीहरूलाई एकैसथामा राख्न सकियोस् । यसका साथै फरकफरक बलहरूले कसरी काम गरेका हुन्छन् । यसै मोडेललाई स्ट्यान्डर्ड पार्टिकल फिजिक्स मोडेलका रूपमा लिइन्छ ।
अब कुरा गरौँ ती पार्टिकल मोडेल केके हुन् । पार्टिकल मोडेललाई दुईवटा प्रवर्गमा बााँडिएको हुन्छ— फोर्मिओन्स र बोसोन । फोर्मिओन्सले सबै प्रकारका पदार्थको रूप निर्माण गर्दछ तर ब्रह्माण्डमा रहेका चार किसिमका बलहरूले बोसोनका कारण काम गर्दछन् । फोर्मिओन्सको परिवारमा दुई किसिमका कणहरू रहेका हुन्छन्– क्वार्कस र लेप्टोन । क्वार्कसको कुरा गर्ने हो भने यिनीहरू ६ किसिमका हुन्छन् । ती हुन्– अप, डाउन, चार्म, स्ट्रेन्ज, टप र बटम । यिनै क्वार्कसले न्युक्लिअसमा प्रोटोन र न्युट्रोनको निर्माण गर्दछन् । क्वार्कस स्थिर हुँदैनन् । त्यसैले आपसमा मिलेर कणहरू निर्माण गर्दछन् जसलाई हेड्रोनको नामबाट चिनिन्छ । हेड्रोनलाई पनि दुई भागमा बाँडिएको छ जसलाई मेसोन्स र ब्यारिओन भनिन्छ । ब्यारिओन ३ वटा क्वार्कको संयोजनबाट बनेको हुन्छ । प्रोटोन पनि ब्यारिओनमा नै पर्दछ । यो दुईटा अप र एउटा डाउन क्वार्कबाट बनेको हुन्छ जब कि न्युट्रोन एउटा अप र दुईवटा डाउन क्वार्कबाट बनेको हुन्छ । बाँकी रहेका चार किसिमका क्वार्कहरू आपसमा मिलेर अलग किसिमको कम्बिनेसन बनाउँछन् । यसैकारणले नयाँ पार्टिकल्स भेटिन्छन् ।
लेप्टोन क्वार्कसबाट बनेका हुँदैनन् जस्तै इलेक्ट्रोन, म्युओन, टाउ र न्युट्रिनो । यी कणहरूलाई संयोजन हुनुपर्ने आवश्यकता पर्दैन । हिसेन बर्गस्को अनिश्चयको सिद्धान्तले कुनै कारणबिना कणको परिकल्पना गर्दछ किनकि यिनीहरूको अस्तित्वमा रहने सम्भावना रहेको हुन्छ । यस्ता कणहरूलाई भर्चअल कण भनिन्छ । यस्ता कणहरू देखिएको पनि छ । यिनीहरू अचम्मका हुन्छन् तर यिनीहरूले खास ढाँचालाई पछ्याउँछन् । खासमा यिनीहरू जोडामा आउँछन् । यसमा एउटा नियमित पदार्थ हुन्छ र अर्कोमा प्रतिपदार्थ । यसका अनुसार जब इलेक्ट्रोन बन्दछ त्यो प्रतिपदार्थसँगै बन्दछ जसलाई पोजिट्रोन भन्ने गरिएको छ । यिनीहरूको पिण्ड समान हुन्छ तर चार्ज भने ठीक उल्टो रहेको हुन्छ । यिनीहरू ऊर्जाकै कारणले बनेका हुन्छन् । जब यिनीहरू एकअर्कासँग ठोकिन पुग्दछन् तब प्रशस्त मात्रामा शुद्ध ऊर्जा उत्पादन हुन्छ । इलेक्ट्रोनको जस्तै सबै लेप्टानका पनि प्रतिकण हुन्छन् । यसबाट थाहा हुन्छ– ब्रह्माण्डमा बन्ने सबै पदार्थमा फोर्मिअन्सको मुख्य भूमिका रहेको हुन्छ ।

बोसोन र बलहररु :
तर ब्रह्माण्डामा रहेका विभिन्न बलहरूले कसरी काम गर्दछन् भन्नेमा यिनीहरूको कुनै भूमिका रहेको हुँदैन । यो काम बोसोनले गर्दछ । बोसोन चार प्रकार हुन्छन् ः फोटोन्स, डब्ल्यू÷जेइड, ग्लुओन्स र ग्य्राभिटेन्स । पहिला इलेक्ट्रिक र म्याग्नेटिक बललाई अलगअलग रूपमा लिइन्थ्यो तर अहिले आएर यसलाई इलेक्ट्रो म्याग्नेटिक बलमा मिलाइएको छ । इलेक्ट्रो म्याग्नेटिक बल फोटोनको कारणले काम गर्दछ । चारवटा आधारभूत बलहरूमा न्युक्लिअर बल सबैभन्दा कमजोर हुन्छ । यसैकारणले बेटा डिके (विकिरणीय क्षय) हुन पुग्छ र प्रतिन्युट्रिनो बन्न पुग्छ । यसका लागि डब्ल्यू÷जेइड बोसोनको भूमिका रहेको हुन्छ । स्ट्रोङ न्युक्लअर फोर्स चारैवटा बलमा सबैभन्दा बलियो हुन्छ । यसैको कारण प्रोटोन र न्युट्रोन एकैसाथ रहन सकेका हुन् । यो बललाई बोक्ने काम ग्लुओनस्ले गर्दछ । चारैवटा बलमा सबैभन्दा कमजोर ग्य्राभिटेसनल हुन्छ । दुःखको कुरा, अहिलेसम्म यो बलका कारण कुनै कण बनेको जानकारी रहेको छैन तर यस्ता कणहरू पनि अस्तित्वमा रहेको अपेक्षा गरिएको छ । यस्तो कणको काल्पनिक नाम ग्य्राभिटोन भन्ने गरिएको छ ।

अहिलेसम्म हामीले यो मोडेलमा क्वार्कस र ल्याप्टनले त्यस्ता कणहरू बनाउँछ जुनबाट पदार्थ निर्माण हुन्छ भन्नेबारेमा जानकारी राख्यौँ । साथै हामीले विभिन्नखाले बोसोन्स जसले अलगअलगखाले बलहरूलाई बोक्ने गर्दछ भन्ने कुरामा जानकारी पाउन सक्यौँ । अर्को पनि बोसोन हुन्छ जसले कणलाई पदार्थ प्रदान गर्दछ । त्यसलाई हिग्स बोसोन भनिन्छ । वास्तवमा हिग्स बोसोनका बारेमा सही तरिकाले अध्ययन गरेर मात्र पदार्थ कसरी बन्छ भन्न सकिन्छ ।
यहाँसम्म पुग्दा पदार्थ बनाउने कण र तिनीहरूलाई बोक्ने बलका बारेमा जानकारी राख्यौँ । बलहरूका लागि जिम्मेवार बोसोन्स कणहरूको खोजी क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्तका आधारमा गरिएको थियो । वास्तवमा यो सिद्धान्त क्वान्टम यान्त्रिकी र फिल्ड सिद्धान्तको संयोजबाट क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्त बनेको हो ।

अब क्वान्टम यान्त्रिकी र फिल्ड सिद्धान्तका बारेमा कुरा गरौँ । हामी विगतका घटनालाई आधार मानेर भविष्य र भविष्यको सम्भावित घटनालाई आधार मानेर विगतका बारेमा एकदमै सटिक अनुमान गर्न सकिन्छ । जस्तै हामीलाई ग्रहको कक्ष र अक्षको अवस्थाका बारेमा जानकारी रहेको छ भने गएको वर्ष उक्त ग्रह यो समयमा कहाँ थियो होला भन्न सकिन्छ । अथवा २० वर्षपहिले उक्त ग्रह कहाँ थियो होला भन्न सकिन्छ । यो त भयो शास्त्रीय भौतिकीमा आधारित अवधारणा ।
तर क्वान्टम भौतिकीले के भन्छ भने हामी संसारलाई जति साधारण रूपमा मान्दछौँ, वास्तवमा त्यो त्यत्ति साधारण छैन । शास्त्रीय भौतिकीमा कि त कण हुन्छ कि त तरङ्ग मात्र हुन्छ । तर क्वान्टम भौतिकीमा वस्तु केवल कण वा तरङ्ग नभएर कण र तरङ्गको समायोजन हुन्छ । जबसम्म हामी यिनीहरूलाई अवलोकन गर्दैनौँ तबसम्म तिनीहरूको रूप फरक हुने गर्दछ । जब हामी अवलोकन गर्दछौँ कि यिनीहरू कणमा रहेका हुन्छन् कि त तरङ्गमा रहन्छन् । त्यसैले क्वान्टम भौतिकीमा हामीले विगतका घटनाहरूका आधारमा भविष्यमा हुने घटनाका बारेमा अनुमान लगाउन सक्दछौँ । तर निश्चयका साथ भन्न सकिँदैन परिणाम हामीले अनुमान गरेको जस्तो हुन्छ भनेर । जसरी शास्त्रीय भौतिकीमा समान परिमाण र शक्तिको बमलाई एकै समयमा विस्फोट गराइयो भने एकै समयमा नै विस्फोट हुन्छ । तर क्वान्टम भौतिकीमा दुवै बम एकैचोटि विस्फोट हुनसक्छ नहुन पनि सक्छ । सबै परिणामहरूको सम्भावनाको समायोजनलाई तरङक्रिया भनिन्छ । क्वान्टम भौतिकीमा वास्तविकता तरङक्रियामा अस्तित्वमा रहेको हुन्छ ।

क्वान्टम भौतिकी जत्तिकै अचम्मको भए पनि ब्रह्माण्डलाई बुझ्नका लागि यो नै सबैभन्दा सही तरिका हो । क्वान्टम भौतिकीका अनुसार हामी वस्तुलाई जुन रूपमा देख्छौँ वास्तवमा वस्तु त्यो रूपमा हुँदैन । त्यसको वास्तविक रूप त तरङक्रियामा देखिन्छ ।
फिल्ड सिद्धान्त :
अब कुरा गराैं फिल्ड सिद्धान्तको । हामीलाई लाग्छ, संसारमा पदार्थबाहेक अरू केही छैन । जहाँ पदार्थ छैन, त्यो ठाउँ खाली हुन्छ । के खाली ठाउँ साँच्चै नै खाली नै हुन्छ त ? त्यस्तो होइन । वास्तवमा खाली ठाउँ पनि पूर्ण रूपले खाली हुँदैन । यसलाई हामी साधारण उदाहरणमा चुम्बकलाई लिन सक्छौँ । दुईवटा चुम्बकका विपरीत धु्रवहरूका चीचमा आकर्षण र समान ध्रुवका बीचमा विकर्षण हुन्छ । तर ती दुई चुम्बक हामीले समान ध्रुवलाई जोड्ने कोसिस ग¥यौँ भने एक किसिमको बलले धकेलेको महसुस हुन्छ । यसो गर्दा हामीलाई अचम्म लाग्छ किनभने दुई चुम्बकको बीच भाग खाली हुन्छ तर बल लागिराखेको हुन्छ । यहाँ बलले कसरी काम गर्दछ त ? वास्तवमा यहाँ चुम्बकीय फिल्ड रहेको हुन्छ । यस्तै गरी ब्रह्माण्डको कुनै पनि ठाउँ खाली रहेको हुँदैन । त्यहाँ विभिन्न किसिमका फिल्डहरू रहेका हुन्छन् भन्ने मान्यता फिल्ड सिद्धान्तले राख्दछ । यही क्वान्टम यान्त्रिकी र फिल्ड सिद्धान्तलाई जोडिदियो भने क्वान्टम फिल्ड सिद्धान्त तयार हुन्छ । यो सिद्धान्तले ब्रह्माण्डका सबै ठाउँ र सबै समयमा विभिन्न फिल्डहरू अस्तित्वमा रहेका हुन्छन् । यी फिल्डहरूलाई हामी देख्न सक्दैनौँ । यी फिल्डहरू ग्य्राभिटी, चुम्बकीय, इलेक्ट्री, हिग्गस् हुन् ।

प्रत्येक प्रारम्भिक कणका आफ्ना फिल्डहरू हुन्छन् । जस्तै ग्य्राभिटी, चुम्बकीय, इलेक्ट्री, हिग्गस्, ग्लुओन फिल्ड आदि । प्रत्येक फिल्डलाई सङ्ख्यामा प्रतिनिधित्व गरिन्छ । यी फिल्डलाई जब ऊर्जा प्राप्त हुन्छ तब तिनीहरू उच्च ऊर्जा अवस्थामा पुग्छन् । यसैका कारण पानीजस्तै गरेर यी फिल्डहरूमा पनि फोका बन्न थाल्छन् । यिनै फोकाहरूलाई कण भनिन्छ । उदाहरणका लागि जब इलेक्ट्री फिल्डमा फोका बन्यो भने इलेक्ट्रोन बन्न पुग्छ । क्वार्क फिल्डमा फोका बन्यो भने क्वार्क बन्छ । जब यी फोकाहरू शान्त हुन पुग्छन् उनीहरूका सहायक कणहरू पनि हराएर जान्छन् । यसलाई कणको अन्त्य हुने भनिन्छ ।
यी फिल्डमा जुन अवस्थामा ऊर्जा दिइन्छ अनि कणहरू देखा पर्दछन् जबजब ऊर्जा फिल्डमा फैलिन थाल्छ अनि हामीलाई कण चलेको महसुस हुन्छ । फिल्डमा कणहरू उत्पादन गर्न धेरै ऊर्जाको आवश्यकता पर्दछ । तर कुनै कुनै फिल्डमा कम ऊर्जा दिए पनि कण उत्पादन हुन्छ । वास्तवमा कति ऊर्जा चाहिन्छ भन्ने कुरा कणको पिण्ड कति छ भन्ने कुरमा भर पर्दछ । उदाहरणका लागि हिग्गस् बोसोन इलेक्ट्रोनभन्दा कैयौँ गुना गह्रौँ हुन्छ । त्यसैले त्यसमा कण उत्पादन गर्न ठूलो हेड्रोन कोल्याडरको आवश्यकता पर्दछ । जसका कारण बल्ल हिग्गस् बोसोन देखा पर्दछ । यहाँसम्म पुग्दा हामीलाई थाहा भयो– कण कसरी बन्दछ ?

अलगअलग बलले कसरी काम गर्दछन् :
यी फिल्डहरू समय र कालमा एकैचोटि अस्तित्वमा रहेका हुन्छन् । यिनीहरूका बीचमा ऊर्जाको आदानप्रदान पनि भैराखेको हुन्छ । यसो गर्दा बलहरूले पनि काम गरिराखेका हुन्छन् जसका कारण एउटा कण अर्कोमा पनि परिवर्तन भैराखेका हुन्छन् । यो क्वान्टम सिद्धान्त नै अहिलेसम्मको सबैभन्दा उत्तम सिद्धान्त हो जसका आधारमा प्रकृति र वास्तविकतालाई बुझ्न सकिन्छ ।
क्रमशः