प्रकाश और पदार्थ तरंग-कण द्वैत दर्शाते हैं – अर्थात, वे कण और तरंग दोनों के रूप में मौजूद हैं। हाल के वर्षों के प्रयोगों से पता चला है कि प्रति-पदार्थ भी कण और तरंग दोनों के रूप में मौजूद है। लेकिन सबसे पहले, एंटीमैटर क्या है?
हममें से कई लोगों के लिए, एंटी-मैटर किसी विज्ञान कथा लेखक की कल्पना जैसा लगता है। लेकिन एंटीमैटर वास्तविक है – और किसी भी कल्पना से भी अजीब है।
पदार्थ के प्रत्येक कण में एक दर्पण जुड़वां होता है, जो लगभग हर तरह से समान होता है, लेकिन विपरीत चार्ज के साथ। जब दोनों मिलते हैं, तो वे एक दूसरे को ऊर्जा की शुद्ध चमक में समाप्त कर देते हैं।
एंटीमैटर को पहली बार गणितीय मॉडल में लगभग एक सदी पहले सिद्धांतित किया गया था; चार वर्षों में, यह पॉज़िट्रॉन, इलेक्ट्रॉन के एंटीमैटर ट्विन की खोज के साथ वैज्ञानिक क्षेत्र में चला गया।
हालाँकि यह समझा गया था कि सभी पदार्थों की तरह एंटीमैटर भी तरंग-कण द्वैत प्रदर्शित करेगा, लेकिन यह प्रयोगों में कभी साबित नहीं हुआ।
2019 तक, स्विस और इतालवी शोधकर्ताओं की एक टीम ने एकल पॉज़िट्रॉन को डबल-स्लिट-जैसे प्रयोग के माध्यम से रखा और परिणाम प्राप्त किए जो तरंग हस्तक्षेप दिखाते थे।
डबल स्लिट प्रयोग क्या है?
प्रकाश की तरंग प्रकृति का प्रमाण देने के लिए डबल स्लिट प्रयोग पहली बार 1801 में किया गया था।
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यह मूल रूप से दो संकीर्ण, निकट दूरी वाली दरारों के माध्यम से प्रकाश चमकाकर किया गया था। यह देखा गया कि प्रकाश ने स्क्रीन पर केवल दो धब्बों के बजाय उज्ज्वल और अंधेरे फ्रिंज का एक पैटर्न उत्पन्न किया – जिसका अर्थ है कि यह एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने वाली दो तरंगों के रूप में व्यवहार करता है। सौ साल बाद, अल्बर्ट आइंस्टीन ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की अपनी व्याख्या के माध्यम से प्रकाश की कण प्रकृति को साबित किया।
बाद के प्रयोगों से पता चला कि इलेक्ट्रॉनों ने भी तरंग हस्तक्षेप प्रदर्शित किया।
लेकिन एंटीमैटर पर प्रयोग को बढ़ाने के लिए किस प्रकार के कण का उपयोग किया जा सकता है? इस सवाल का जवाब है ‘परमाणु’, जिसका अस्तित्व ही हैरान करने वाला है।
पॉज़िट्रोनियम दर्ज करें – ‘परमाणु’ जिसका अस्तित्व नहीं होना चाहिए
पॉज़िट्रोनियम एक इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन से बना एक परमाणु है – इसका एंटीमैटर जुड़वां। लेकिन एक-दूसरे को नष्ट करने के बजाय, दोनों एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं और बहुत कम समय के लिए नाजुक साझेदारी बनाए रखते हैं। तकनीकी रूप से, यह पदार्थ-प्रतिपदार्थ से बंधी अवस्था है।
चूँकि दोनों कणों का द्रव्यमान बिल्कुल समान है, पॉज़िट्रोनियम किसी भी अन्य परमाणु से भिन्न है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन के केंद्र में एक भारी प्रोटॉन होता है और एक बहुत हल्का इलेक्ट्रॉन इसकी परिक्रमा करता है। पॉज़िट्रोनियम में ऐसा कोई असंतुलन नहीं है – यह पूरी तरह से सममित है, दो समान कण आत्म-विनाश से पहले एक साझा केंद्र के चारों ओर घूमते हैं।
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उस अद्वितीय गुण ने वैज्ञानिकों को उत्सुक बना दिया: यदि पॉज़िट्रोनियम को बीम में बदल दिया जाए और डबल स्लिट प्रयोग के अधीन किया जाए तो यह कैसा व्यवहार करेगा?
पॉज़िट्रोनियम की एक किरण
प्रोफेसर यासुयुकी नागाशिमा के नेतृत्व में टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस की एक शोध टीम ने एसोसिएट प्रोफेसर यूगो नागाटा और डॉ. रिकी मिकामी के साथ मिलकर उस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। हाल ही में नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित उनके परिणाम पहली बार दिखाते हैं कि पॉज़िट्रोनियम की एक किरण तरंग की तरह झुकती और हस्तक्षेप करती है – ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रॉन करते हैं।
इस किरण का निर्माण अपने आप में सटीकता की उपलब्धि थी। शोधकर्ताओं ने पहले नकारात्मक चार्ज के साथ पॉज़िट्रोनियम आयन उत्पन्न किए, फिर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए बिल्कुल समयबद्ध लेजर पल्स का उपयोग किया।
जो बचा था वह पॉज़िट्रोनियम ‘परमाणुओं’ की एक तेज़-गति वाली, विद्युत रूप से तटस्थ धारा थी – जो स्पष्ट हस्तक्षेप प्रभाव उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त स्वच्छ थी।
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फिर इस किरण को ग्राफीन की एक शीट पर निर्देशित किया गया – एक छत्ते के पैटर्न में व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं की एक परत। उन कार्बन परमाणुओं के बीच की दूरी पॉज़िट्रोनियम की क्वांटम तरंग दैर्ध्य से निकटता से मेल खाती है, जिससे यह एक प्राकृतिक विवर्तन सतह बन जाती है। जैसे ही पॉज़िट्रोनियम दो-से-तीन-परत ग्राफीन शीट से गुज़रा, डिटेक्टर पर एक अलग विवर्तन संकेत उभरा, जो तरंग जैसे व्यवहार की पुष्टि करता है।
प्रयोग अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में आयोजित किया गया था, जिससे ग्राफीन की सतह प्राचीन और परिणाम स्पष्ट रहे।
दो कण, एक लहर
यहाँ वह है जो परिणाम को विशेष रूप से प्रभावशाली बनाता है। पॉज़िट्रोनियम दो कणों से बना है – एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन। आप उनसे स्वतंत्र रूप से व्यवहार करने की उम्मीद कर सकते हैं, प्रत्येक अपने स्वयं के क्वांटम तरीके से चल रहा है। लेकिन उन्होंने ऐसा नहीं किया. वे एक एकल एकीकृत क्वांटम वस्तु – एक विलक्षण तरंग – के रूप में एक साथ विवर्तित हुए।
प्रयोग के प्रमुख वैज्ञानिक प्रो. यासुयुकी नागाशिमा ने साइंस डेली को बताया, “पहली बार, हमने पॉज़िट्रोनियम बीम का क्वांटम हस्तक्षेप देखा है, जो पॉज़िट्रोनियम का उपयोग करके मौलिक भौतिकी में नए शोध का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।”
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यह क्यों मायने रखता है?
भौतिकी की सुंदरता से परे, इस खोज में वास्तविक व्यावहारिक क्षमता है। क्योंकि पॉज़िट्रोनियम में कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, यह सामग्रियों की सतह को नुकसान पहुंचाए बिना उनकी जांच कर सकता है – कुछ आवेशित कण हमेशा ऐसा नहीं कर सकते। यह इसे उन इंसुलेटर या चुंबकीय सामग्रियों के अध्ययन के लिए विशेष रूप से उपयोगी बनाता है जो पारंपरिक चार्ज बीम द्वारा बाधित होते हैं।
डॉ नागाटा ने कहा कि यह प्रयोग मौलिक भौतिकी में एक बड़ी प्रगति है। यह न केवल पॉज़िट्रोनियम की तरंग प्रकृति को एक बंधे हुए लेप्टान-एंटीलेप्टन सिस्टम (एक प्रणाली जो एक छोटे परमाणु की तरह व्यवहार करता है) के रूप में प्रदर्शित करता है, बल्कि पॉज़िट्रोनियम से जुड़े सटीक माप के लिए रास्ते भी खोलता है, ”उन्होंने वेब पोर्टल को बताया।
दृश्यमान ब्रह्मांड की शुरुआत एंटीमैटर के विरुद्ध पदार्थ की जीत के साथ हुई – एक छोटे अंतर से। एंटीमैटर की प्रकृति पर अधिक खोज उन कई चीजों को फिर से लिख सकती है जिनके बारे में हमने सोचा था कि हम ब्रह्मांड के बारे में जानते हैं।
(यह लेख नित्यांजलि बुलसु द्वारा तैयार किया गया है, जो द इंडियन एक्सप्रेस में प्रशिक्षु हैं)