एक परमाणु दो रास्तों से गिरा—और उसकी क्वांटम कला आइंस्टीन के अनुसार बदली

प्रयोगशाला से दिखने वाले पतन की तुलना उसी पतन से कैसे की जाए जिसे साथ गिरता हुआ पर्यवेक्षक देखेगा? एक अंतरराष्ट्रीय दल ने आइंस्टीन के इस प्रश्न को परमाणु इंटरफेरोमीटर में बदला। एक पथ पर हर रूबिडियम-87 परमाणु से जुड़ी तरंग पृथ्वी के सापेक्ष लगभग स्थिर रही; दूसरे पर उसे थोड़ी देर ऊपर की ओर धक्का मिला और फिर वह गुरुत्व के अधीन परवलयाकार पथ पर चली। दोनों पथों को फिर मिलाकर शोधकर्ताओं ने संचित कला-अंतर मापा। 2 सितंबर को Science Advances में प्रकाशित परिणाम ने परीक्षण किए गए क्षेत्र में समतुल्यता सिद्धांत द्वारा अनुमानित समय-निर्भरता का अनुसरण किया।

प्रयोग लगभग 20,000 परमाणुओं के बोस–आइंस्टीन संघनन से शुरू हुआ, जिसे कोलिमेशन के बाद 3.3 नैनोकेल्विन के प्रभावी तापमान तक लाया गया। परमाणु बादल एक एटम चिप से करीब 113 माइक्रोमीटर नीचे था। माइक्रोवेव स्पंदों ने हर परमाणु को दो आंतरिक अवस्थाओं के अध्यारोपण में रखा। दोनों अवस्थाएँ चुंबकीय क्षेत्र पर अलग प्रतिक्रिया करती हैं, इसलिए चिप की सूक्ष्म तारों ने एक तरंग-पुंज को गुरुत्व के विरुद्ध थामा और दूसरे को बैलिस्टिक पथ पर भेजा। लेख में दिए उदाहरण में अधिकतम अलगाव 7.5 माइक्रोमीटर था, जो पुंज के आकार का लगभग सात गुना है।

निर्णायक राशि गिरने की दूरी नहीं, बल्कि कला थी—क्वांटम तरंग के चक्र में उसका स्थान। जब दोनों पुंज स्थिति और वेग में फिर एक-दूसरे पर आए, एक स्पंद ने उन्हें पुनः जोड़ा और व्यतिकरण उत्पन्न किया। प्रत्येक अवस्था में मिले परमाणुओं के अनुपात ने सापेक्ष कला बताई। उड़ान-समय बदलने पर दल ने घनात्मक संकेत देखा: कला समय के घन के साथ बढ़ी, जैसा प्रयोगशाला निर्देश-तंत्र और मुक्त-पतन निर्देश-तंत्र के बीच रूपांतरण बताता है। आँकड़ों ने लगभग 80 रेडियन, यानी करीब 13 व्यतिकरण दोलन, को तीन से छह घंटे की मापन अवधियों में दर्ज किया।

यह घनात्मक वृद्धि जड़त्वीय द्रव्यमान और गुरुत्वीय द्रव्यमान को बराबर मानने पर निर्भर है। पहला त्वरण के प्रतिरोध को मापता है, दूसरा पृथ्वी के क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया को; उनकी समानता समतुल्यता सिद्धांत का मूल है। बैलिस्टिक पुंज के साथ गिरते निर्देश-तंत्र में गुरुत्व स्थानीय रूप से गायब हो जाता है, जबकि प्रयोगशाला में वही विकास अतिरिक्त कला के रूप में दिखता है। क्वांटम गैलीलियो इंटरफेरोमीटर नाम का नया यंत्र परमाणु पथों के दर्पण के रूप में प्रकाश स्पंद इस्तेमाल किए बिना दोनों तंत्रों की सीधी तुलना करता है। चुंबकीय क्षेत्र पुंजों को नियंत्रित करते हैं, पर गिरते समय उन्हें किसी परमाणु संक्रमण से अनुनादी बने रहने की जरूरत नहीं पड़ती।

आदर्श विश्लेषणात्मक मॉडल और त्रिविम गति, अपूर्ण पुनर्संयोजन, पुंज-विस्तार तथा परमाणु–परमाणु अंतःक्रियाओं वाली सिमुलेशन ने आँकड़ों को पुनरुत्पादित किया। सिमुलेशन और माप के बीच अवशेष लगभग 2.5% रहे। मुख्य व्यवस्थित अनिश्चितता पुंजों को धक्का देने और थामने वाली धाराओं के अनुपात से आई; छोटा असंतुलन समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ने वाली कला जोड़ देता है। इसलिए मेल इस उपकरण और मानकों की सीमा में अनुमानित कला की पुष्टि करता है, पर सर्वोत्तम शास्त्रीय परीक्षणों की सटीकता से समतुल्यता के हर संभावित उल्लंघन की जाँच नहीं करता।

परिणाम यह भी नहीं दिखाता कि गुरुत्व क्वांटम है। पृथ्वी का गुरुत्वीय क्षेत्र प्रयोग में शास्त्रीय पृष्ठभूमि था; उसे न तो अध्यारोपण में रखा गया, न परमाणुओं ने उसे मापने योग्य ढंग से बदला। नवीनता अधिक सीमित और ठोस है: अध्यारोपण में पदार्थ-तरंग ने गुरुत्व और त्वरण की समतुल्यता द्वारा अपेक्षित कला-संबंध बनाए रखा। माप सामान्यतः अलग पढ़े जाने वाले दो वर्णनों को जोड़ता है, लेकिन अकेले सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी का साझा सिद्धांत नहीं देता।

यह संरचना कठिन प्रश्नों के लिए प्रयोगात्मक रास्ता खोलती है। लेखक ऐसी तरंगों को नियंत्रित करने का प्रस्ताव देते हैं जो क्वांटम घड़ी की तरह काम करें और भविष्य में परमाणुओं की जगह कहीं अधिक भारी नैनोकण लें। ऐसे तंत्र द्रव्यमान को अध्यारोपण का प्रभावशाली भाग बना सकते हैं और गुरुत्व-प्रेरित पतन के प्रस्तावों को परख सकते हैं। उससे पहले भी क्वांटम गैलीलियो इंटरफेरोमीटर एक मापनीय कसौटी देता है: जब कोई परमाणु एक साथ थामे गए और मुक्त-पतन वाले पथ में होता है, उनके बीच की कला आइंस्टीन और क्वांटम यांत्रिकी की संयुक्त भविष्यवाणी के अनुसार विकसित होती है।