কোয়ান্টাম বলবিদ্যা ব্যাখ্যা করার উদ্দেশ্য কী?

এই ব্লগ পোস্টে আমরা কোয়ান্টাম মেকানিক্সের পটভূমি, কোপেনহেগেন ইন্টারপ্রিটেশন ও মেনি-ওয়ার্ল্ডস ইন্টারপ্রিটেশনের মূল বিষয়গুলো, এই দুটি ব্যাখ্যা কীভাবে ‘পর্যবেক্ষণ’-কে দেখে তা আলোচনা করব এবং সবশেষে কোয়ান্টাম মেকানিক্সের উদ্দেশ্য নিয়ে আলোকপাত করব।

পদার্থবিজ্ঞানের ইতিহাসে বহুকাল পূর্বে, ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক তাঁর কৃষ্ণবস্তু বিকিরণ পরীক্ষার উপর ভিত্তি করে একটি গবেষণাপত্র ও পরীক্ষামূলক ফলাফল প্রকাশ করেন, যেখানে তিনি বলেন যে, “সমস্ত শক্তি বিচ্ছিন্ন মানবিশিষ্ট অতি ক্ষুদ্র প্যাকেট দ্বারা গঠিত।” এটি তৎকালীন পদার্থবিজ্ঞানীদের মধ্যে প্রচলিত ধারণার ভিত্তি নাড়িয়ে দিয়েছিল, যাঁরা বিশ্বাস করতেন যে ম্যাক্রোস্কোপিক জগতের সমস্ত ঘটনা নিউটনীয় বলবিদ্যা দ্বারা ব্যাখ্যা করা যায়। এই সময় থেকে, পরিমাপের যন্ত্রপাতির উন্নতির সাথে সাথে এবং পদার্থবিজ্ঞানীরা আণুবীক্ষণিক জগতে উঁকি দেওয়ার ক্ষমতা অর্জন করলে, তাঁরা বিভিন্ন পরীক্ষামূলক ফলাফল প্রকাশ করেন যা নিউটনীয় বলবিদ্যার সীমাবদ্ধতাগুলো উন্মোচন করে। এই ফলাফলগুলো, যা বিদ্যমান তত্ত্ব দ্বারা ব্যাখ্যা করা সম্ভব ছিল না, শীঘ্রই বলবিদ্যার একটি নতুন কাঠামোর প্রয়োজনীয়তা উপলব্ধির দিকে পরিচালিত করে—এবং এভাবেই “কোয়ান্টাম বলবিদ্যা”-র জন্ম হয়। কোয়ান্টাম বলবিদ্যা শীঘ্রই তার অবস্থান সুদৃঢ় করে, এমন সব প্রাকৃতিক ঘটনার সফল উত্তর প্রদানের মাধ্যমে যা প্রচলিত পদার্থবিজ্ঞান দ্বারা সমাধান করা সম্ভব ছিল না, যেমন আইনস্টাইনের আলোক-বৈদ্যুতিক ক্রিয়ার ব্যাখ্যা এবং বোরের হাইড্রোজেন পরমাণুর বর্ণালীর মডেল। তদুপরি, অসংখ্য পদার্থবিজ্ঞানীর প্রচেষ্টা এবং পল ডিরাক ও পাসকুয়াল জর্ডান কর্তৃক প্রস্তাবিত রূপান্তর তত্ত্বের মতো উন্নয়নের মাধ্যমে এটি অধ্যয়নের একটি স্বতন্ত্র ক্ষেত্র হিসেবে প্রতিষ্ঠিত হয়।
তবে, এটি কেবল গাণিতিক ‘রূপ’—কোয়ান্টাম মেকানিক্সের বিষয়বস্তু বর্ণনা করার জন্য ব্যবহৃত একটি উপকরণ—এর সমাপ্তিকেই নির্দেশ করেছিল এবং এর দ্বারা এটা বোঝানো হয়নি যে ভৌত ব্যাখ্যার দৃষ্টিকোণ থেকে এটি প্রতিষ্ঠিত হয়েছে। এমনকি এখন, কয়েক দশক পরেও, কোয়ান্টাম মেকানিক্সের ঘটনাগুলোর ‘ব্যাখ্যা’ নিয়ে বিশিষ্ট পদার্থবিজ্ঞানীদের মধ্যে মতবিরোধ অব্যাহত রয়েছে। ‘কোপেনহেগেন ব্যাখ্যা’—যাকে প্রায়শই মূলধারার ব্যাখ্যা বলা হয়—থেকে শুরু করে পূর্বেরটির সীমাবদ্ধতার প্রতিক্রিয়ায় উদ্ভূত ‘বহু-বিশ্ব ব্যাখ্যা’ এবং অন্যান্য বিভিন্ন ব্যাখ্যা পর্যন্ত, এই ভিন্ন ভিন্ন পদ্ধতিগুলো একে অপরের পরিপূরক হিসেবে কাজ করে চলেছে, কারণ এগুলো সেইসব শূন্যস্থান পূরণ করে যা কোনো একক ব্যাখ্যা সম্পূর্ণরূপে ব্যাখ্যা করতে পারে না। অতীতে অস্ট্রিয়ায় অনুষ্ঠিত একটি কোয়ান্টাম মেকানিক্স সম্মেলনে, ৩৩ জন বিশ্বখ্যাত পদার্থবিজ্ঞানীর মধ্যে একটি জরিপ চালানো হয়েছিল, যেখানে তাদের জিজ্ঞাসা করা হয়েছিল তারা কোন ব্যাখ্যাকে সমর্থন করেন; এতে কোপেনহেগেন ব্যাখ্যা ৪২%, তথ্য-তাত্ত্বিক ব্যাখ্যা ২৪% এবং বহু-বিশ্ব ব্যাখ্যা ১৮% ভোট পায়। যেহেতু এই জরিপে কোনো একক ব্যাখ্যাই ৫০% অতিক্রম করতে পারেনি, তাই এটা স্পষ্ট যে প্রতিটি ব্যাখ্যারই নিজস্ব সীমাবদ্ধতা রয়েছে। এই প্রবন্ধে আমি সংক্ষেপে “কোপেনহেগেন ইন্টারপ্রিটেশন” এবং “মেনি-ওয়ার্ল্ডস ইন্টারপ্রিটেশন”-এর পরিচয় দেব—যেগুলো এই ক্ষেত্রের একটি উল্লেখযোগ্য অংশ জুড়ে রয়েছে এবং “পর্যবেক্ষণ” নামক কাজটি সম্পর্কে পরস্পরবিরোধী দৃষ্টিভঙ্গি পোষণ করে—এবং এদের সীমাবদ্ধতাগুলো আলোচনা করব। “ইনফরমেশন-থিওরেটিক ইন্টারপ্রিটেশন”-কে এই আলোচনা থেকে বাদ রাখা হয়েছে, কারণ এটি কোয়ান্টাম মেকানিক্সকে অন্য দুটির থেকে কিছুটা ভিন্ন দৃষ্টিকোণ থেকে দেখে।
বোর ও হাইজেনবার্গ কর্তৃক প্রস্তাবিত কোপেনহেগেন ব্যাখ্যার মূল কাঠামোটি নিম্নরূপ: “যতক্ষণ পর্যবেক্ষক পরিমাপক যন্ত্র ব্যবহার না করেন, ততক্ষণ পরমাণুর ভেতরের ইলেকট্রন কার্যকারণ সম্পর্ক অনুসারে গতিশীল থাকে। কিন্তু, স্থান-কালের মধ্যে একটি নির্দিষ্ট অবস্থান ও সময়ে ইলেকট্রনকে বর্ণনা করার চেষ্টা করা হলে, বিচ্ছিন্ন আন্তঃক্রিয়া হস্তক্ষেপ করে, যার ফলে এটি কার্যকারণ সম্পর্ক থেকে বিচ্যুত হয়, এবং পর্যবেক্ষকের কাছে কোয়ান্টাম সম্ভাবনার উপর নির্ভর করা ছাড়া আর কোনো উপায় থাকে না।” নিউটনীয় বলবিদ্যা অনুসারে, স্থূল জগতে পর্যবেক্ষণ করা কণাগুলো যখন গতিশীল থাকে, তখন তাদের অবস্থান এবং ভরবেগের নির্দিষ্ট, সুসংজ্ঞায়িত মান থাকে। এর অর্থ হলো, স্থূল জগতে, যেখানে পর্যবেক্ষক—অর্থাৎ মানুষ—বিদ্যমান, সেখানে অবস্থান এবং ভরবেগ স্থির থাকে। কিন্তু, আণুবীক্ষণিক জগতে, একটি গতিশীল ইলেকট্রন এমন এক অবস্থায় থাকে যেখানে এই ভৌত রাশিগুলোকে একটি একক মান হিসেবে চূড়ান্তভাবে নির্ধারণ করা যায় না। বরং, বিভিন্ন ভিন্ন ভিন্ন অবস্থা একই সাথে সহাবস্থান করে। উদাহরণস্বরূপ, যদি একটি ইলেকট্রনের তিনটি সম্ভাব্য অবস্থা—১, ২, এবং ৩—থাকে, তবে পর্যবেক্ষণের আগে ইলেকট্রনটি একই সাথে এই তিনটি অবস্থাতেই বিদ্যমান থাকে। গাণিতিকভাবে, এটিকে ১, ২ এবং ৩-এর সাথে সম্পর্কিত তরঙ্গ ফাংশনগুলোর যোগফল হিসেবে প্রকাশ করা যায়। যখন ম্যাক্রোস্কোপিক জগতের কোনো পর্যবেক্ষক ইলেকট্রনকে পর্যবেক্ষণ করেন, তখন ইলেকট্রনটি তার বহু সম্ভাব্য অবস্থার মধ্যে থেকে একটিমাত্র অবস্থায় পর্যবসিত হয়, যা সেই অবস্থার সাথে সংশ্লিষ্ট সম্ভাব্যতা দ্বারা নির্ধারিত হয়। অন্য কথায়, “পর্যবেক্ষণ” করার কাজটি ইলেকট্রনের অবস্থা পরিবর্তন করে দেয়। উদাহরণস্বরূপ, যে মুহূর্তে ইলেকট্রনটিকে ১ নং অবস্থায় আছে বলে নির্ধারণ করা হয়, ঠিক তখনই এর ২ এবং ৩ নং অবস্থায় একই সাথে বিদ্যমান থাকার সম্ভাবনা বিলুপ্ত হয়ে যায়। কোপেনহেগেন ব্যাখ্যায় একেই “তরঙ্গ ফাংশনের পতন” (collapse of the wave function) বলা হয়। ফলস্বরূপ, কোপেনহেগেন ব্যাখ্যায় “পর্যবেক্ষণ” করার কাজটি অপরিসীম তাৎপর্য বহন করে।
আইনস্টাইনের মতো বিখ্যাত পদার্থবিজ্ঞানীরা বিভিন্ন চিন্তন-পরীক্ষার প্রমাণ দিয়ে কোপেনহেগেন ব্যাখ্যাটি খণ্ডন করেছিলেন। এগুলোর মধ্যে সবচেয়ে সুপরিচিত হলো “শ্রোডিঙ্গারের বিড়াল”। একটি বদ্ধ বাক্সের ভেতরে একটি বিড়াল এবং এমন একটি যন্ত্র থাকে যা কোনো কণার কোয়ান্টাম-যান্ত্রিকভাবে নির্ধারিত অবস্থার ওপর নির্ভর করে বিষ নির্গত করতে সক্ষম। একটি নির্দিষ্ট সময় পর বাক্সের ভেতরের বিড়ালটি জীবিত না মৃত—যা নিজেও একটি অবস্থা—তা কেবল তখনই নির্ধারিত হয় যখন ঢাকনাটি খোলা হয় এবং বিড়ালটিকে পর্যবেক্ষণ করা হয়। এই চিন্তন-পরীক্ষাটি দেখায় যে, “পর্যবেক্ষণ” নামক কাজটি, যা আণুবীক্ষণিক জগতে অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ, তাকে বৃহৎ জগতে প্রয়োগ করলে অদ্ভুত সিদ্ধান্তে উপনীত হওয়া যায়; ফলস্বরূপ, এটি কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় পর্যবেক্ষণের অর্থ নিয়ে গভীর চিন্তাভাবনার জন্ম দিয়েছে। এখান থেকেই “বহু-বিশ্ব ব্যাখ্যা”-র সূচনা হয়।
প্রিন্সটন বিশ্ববিদ্যালয়ের প্রাক্তন অধ্যাপক এভারেট III, কোপেনহেগেন ব্যাখ্যার দাবিগুলো খণ্ডন করে যুক্তি দেন যে, পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে কোনো কণার সম্ভাব্যতা বিন্যাস বিলুপ্ত হয় না, বরং একেবারে শুরু থেকেই একাধিক সম্ভাব্য জগৎ বিদ্যমান ছিল। অন্য কথায়, পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে কোনো কণার অবস্থান একটিমাত্র মানে নির্ধারিত হয় না; বরং, একাধিক সমান্তরাল জগৎ আগে থেকেই বিদ্যমান থাকে এবং আমরা কেবল সেগুলোর মধ্যে একটিকে পর্যবেক্ষণ করি। যে অবস্থাগুলো আমরা সরাসরি পর্যবেক্ষণ করি না, সেগুলো অন্যান্য সম্ভাব্য জগতে উন্মোচিত হতে থাকে। উদাহরণস্বরূপ, যদি আমাদের পর্যবেক্ষণে অবস্থা ২ পাওয়া যায়, তবে সেই মুহূর্তে অন্য অবস্থাগুলো বিলুপ্ত হয়ে যায় না—সেগুলো অন্য জগতে উন্মোচিত হতে থাকে এবং আমরা কেবল সেগুলো পর্যবেক্ষণ করতে পারি না।
তবে, বহু-বিশ্ব ব্যাখ্যার স্পষ্টতই কিছু সমস্যা রয়েছে। যদি ঘটতে পারে এমন কোনো ঘটনা সমস্ত সম্ভাব্য বিশ্বেই ঘটে, তাহলে প্রতিটি অবস্থার সাথে যুক্ত সম্ভাবনার অর্থই বা কী থাকে? এভারেট প্রতিটি অবস্থাকে একটি ওজন দিয়ে গুণ করে এর সমাধান করার চেষ্টা করেছিলেন। তবে, একটি বিশ্ব অন্যটির চেয়ে বেশি গুরুত্বপূর্ণ হওয়ার অর্থ কী, তা এখনও বিতর্কের বিষয়।
এই দুটি ব্যাখ্যা—যার প্রত্যেকটির নিজস্ব তাৎপর্য ও সীমাবদ্ধতা রয়েছে—বিবেচনা করলে, আমি কোপেনহেগেন ব্যাখ্যাটিকেই বেশি প্রাধান্য দিই। আমরা যদি কোয়ান্টাম বলবিদ্যার উৎপত্তির দিকে ফিরে তাকাই, তাহলে দেখতে পাব যে এর জন্মই হয়েছিল আণুবীক্ষণিক জগতের ঘটনা ব্যাখ্যা করার জন্য। অন্য কথায়, যেহেতু এটি পর্যবেক্ষণ এবং তার ফলস্বরূপ প্রাপ্ত তথ্যের মাধ্যমে ঘটনা উন্মোচন করার জন্য তৈরি হয়েছিল, তাই পর্যবেক্ষকের পর্যবেক্ষণের কাজটি অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ অর্থ বহন করে। কণার প্রকৃত পর্যবেক্ষণে, একটিমাত্র কণার অবস্থা পর্যবেক্ষণ করার জন্য আমাদের অবশ্যই তার উপর একটি নির্দিষ্ট মাত্রার প্রভাব প্রয়োগ করতে হয়। পদার্থবিজ্ঞানে, একে বলা হয় “বিক্ষোভ” (perturbation)। অন্য কথায়, একটি কণার অবস্থা পর্যবেক্ষণ করার জন্য কণাটির মধ্যে একটি সামান্য পরিবর্তন ঘটানো হয় এবং তারপর তার প্রতিক্রিয়া পর্যবেক্ষণ করা হয়। যদিও গাণিতিক পরিভাষায় কণার মধ্যে পরিবর্তন ঘটানো এবং তরঙ্গ ফাংশনের পতনের মধ্যে সংযোগটি কিছুটা অস্পষ্ট, তবে তারা এই বিষয়ে একমত যে উভয়ই মূল অবস্থাকে পরিবর্তন করে। এর অর্থ হলো, পর্যবেক্ষণের কাজটি নিজেই ভৌতভাবে তাৎপর্যপূর্ণ।
কোয়ান্টাম মেকানিক্স চিরায়ত নিউটনীয় বলবিদ্যার নিয়তবাদী মানসিকতা থেকে সরে এসে একটি সম্ভাবনামূলক দৃষ্টিভঙ্গি গ্রহণ করেছে। কতজন মানুষ এই ধারণাটি সহজে মেনে নিতে পারবে যে, তাদের ঠিক সামনে থাকা একটি আপেলের অবস্থান প্রতিবার দেখার সাথে সাথে বিভিন্ন সম্ভাবনায় পরিবর্তিত হয়? এটা সত্যি যে, বস্তুর সুনির্দিষ্ট অবস্থায় অভ্যস্ত মানুষদের আণুবীক্ষণিক জগতে ঘটে যাওয়া ঘটনাগুলো বুঝতে সাহায্য করার ক্ষেত্রে কোপেনহেগেন ব্যাখ্যা এবং বহু-বিশ্ব ব্যাখ্যা উভয়েরই নিজস্ব তাৎপর্য ও সীমাবদ্ধতা রয়েছে। আমি একজন প্রকৌশলের ছাত্র, যিনি বৈজ্ঞানিক ঘটনা এবং সেগুলো পর্যবেক্ষণ থেকে প্রাপ্ত ফলাফল ব্যবহার করে কীভাবে নতুন প্রযুক্তি তৈরি করা যায় তা নিয়ে পড়াশোনা করছি। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের বিকাশ আমাদের আণুবীক্ষণিক জগতের ঘটনা ব্যাখ্যা করার সরঞ্জাম দিয়েছে, এবং এটি সরাসরি মানুষের জন্য উপকারী প্রযুক্তির জন্ম দিয়েছে। এমআরআই (ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স ইমেজিং) যন্ত্র, যা আধুনিক চিকিৎসাবিজ্ঞানে একটি উল্লেখযোগ্য অবদান রেখেছে, তা কোয়ান্টাম মেকানিক্সের এনএমআর (নিউক্লিয়ার ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স) ঘটনা প্রয়োগ করে তৈরি করা হয়েছিল; এই প্রযুক্তি কেবল স্পেকট্রোস্কোপিতেই—যা আণবিক কাঠামো নির্ধারণ করে—ব্যবহৃত হয় না, এমনকি তেল অনুসন্ধানেও ব্যবহৃত হয়। এর উপর ভিত্তি করে, আমি বিশ্বাস করি যে ঘটনাপ্রবাহ ব্যাখ্যা করার জন্য অধিকতর উপযুক্ত ব্যাখ্যাটি—যা আমি বিজ্ঞানের উদ্দেশ্য বলে মনে করি—অধিকতর তাৎপর্য বহন করবে।