त्वरणामुळे रिक्त अवकाश का चमकू शकतो

Unruh किरणोत्सर्ग हालचाल आणि क्वांटम शून्यावस्थेबद्दल एक विचित्र दृष्टिकोन देतो

दैनंदिन भौतिकशास्त्रात, हालचाल आपण काय पाहतो, प्रवासाला किती वेळ लागतो आणि ऊर्जा कशी वागते हे बदलते. क्वांटम भौतिकशास्त्रात, त्वरण आणखी विचित्र काहीतरी करू शकते: ते रिक्त अवकाश म्हणजे काय, हेच बदलू शकते. खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ पॉल सटर यांच्या Universe Today मधील नव्या स्पष्टीकरणपर लेखात Unruh किरणोत्सर्ग या कल्पनेचा पुन्हा विचार केला आहे. या सैद्धांतिक परिणामात, त्वरण घेत असलेला निरीक्षक, जडत्वीय निरीक्षकाला निर्वात वाटेल अशा ठिकाणी, कणांच्या हलक्या उष्ण चमकांचा अनुभव घेईल.

ही संकल्पना होकिंग किरणोत्सर्गासारख्या क्षितिज-आधारित भौतिकशास्त्राच्या त्याच कुटुंबातील आहे, पण यासाठी कृष्णविवराची गरज नसते. इथे मुख्य घटक म्हणजे सातत्यपूर्ण त्वरण. लेखात, सटर हा परिणाम एका अंतराळयानातून प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळील प्रवासाच्या माध्यमातून मांडतो आणि त्या परिस्थितीचा वापर करून दाखवतो की त्वरण निरीक्षकाचा अवकाश-काल भरून टाकणाऱ्या क्वांटम क्षेत्रांशी असलेला संबंध कसा बदलते.

क्वांटम सिद्धांतात निर्वात म्हणजे साधे शून्य नाही

लेखाची सुरुवात आधुनिक भौतिकशास्त्रातील एका परिचित कोड्याने होते: “रिकाम्या” अवकाशात नेमके काय असते? क्वांटम क्षेत्र सिद्धांतात, निर्वात ही मृत पोकळी नसते. क्षेत्रे अवकाश आणि काळभर पसरलेली असतात, आणि सामान्य कणांची गणना होत नसतानाही ती ऊर्जा बाळगतात. या क्रियाकलापाचे एक सामान्य चित्रण म्हणजे तथाकथित आभासी कण, जे क्षणभर दिसतात आणि नाहीसे होतात. सटर यांनी याऐवजी वेगळी मांडणी पसंत असल्याचे सांगितले आहे: क्वांटम क्षेत्रे कंप पावत आहेत, आणि केवळ सातत्याने टिकून राहणाऱ्या कंपांनाच कण मानायचे.

हा फरक महत्त्वाचा आहे, कारण हा लेख खरेखुरे छोटे कण सतत ये-जा करत असतात हे साध्या दृश्यात्मक अर्थाने सिद्ध करण्याचा प्रयत्न करत नाही. त्याऐवजी, तो अधिक खोल विधानाकडे निर्देश करतो: क्वांटम निर्वात हे क्षेत्रे कशी परिभाषित आणि निरीक्षित केली जातात यावर अवलंबून असते. संदर्भ चौकटीत जे “काहीच नाही” असे दिसते, ते त्वरण आल्यावर तस्सेच दिसेलच असे नाही.

त्वरण एक क्षितिज तयार करते

सटर यांच्या मांडणीत, निर्णायक वळण उच्च वेगामुळे नाही तर त्वरणामुळे येते. प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळ स्थिर वेगाने सरकणारे अंतराळयान आधीच तीव्र सापेक्षतावादी परिणामांना सामोरे जाईल. समोरचे विश्व संकुचित आणि प्रबळ निळसर-सरकलेले वाटेल. पण जेव्हा यान त्वरण सुरू करते, तेव्हा लेखानुसार, एक रिंडलर क्षितिज उघडते.

भौतिकशास्त्रात क्षितिज म्हणजे एका निरीक्षकावर कारणात्मक परिणाम करू शकणाऱ्या गोष्टींची मर्यादा. कृष्णविवराच्या बाबतीत, घटना-क्षितिज अशा प्रदेशांना वेगळे करते जे बाहेर संकेत पाठवू शकतात आणि जे नाही. त्वरण घेत असलेल्या निरीक्षकाच्या बाबतीत, रिंडलर क्षितिजही अवकाश-कालाच्या एका भागाला बंद करते. त्या क्षितिजापलीकडून येणारे संकेत आता निरीक्षकापर्यंत पोहोचू शकत नाहीत.

तीच अडथळ्याची रेषा Unruh किरणोत्सर्गासाठी संकल्पनात्मक पूल बनते. एकदा क्षितिज अस्तित्वात आले की, निरीक्षकाला उपलब्ध असलेल्या प्रदेशातील क्वांटम क्षेत्रांची रचना बदलते. सटर हे अंशतः आभासी कण “छाटले” जाणे अशा भाषेत सांगतात, आणि अंशतः अधिक औपचारिकपणे, क्षेत्रांच्या अनुमत कंपांचा निरीक्षकाच्या बुडबुड्यात कसा पुनर्रचना होतो याच्या संकल्पनेतून स्पष्ट करतात.

होकिंग किरणोत्सर्गाशी जोड

लेख स्पष्टपणे या परिणामाची तुलना होकिंग किरणोत्सर्गाशी करतो. लोकप्रिय स्पष्टीकरणांमध्ये, कृष्णविवराच्या क्षितिजाजवळ कण-प्रतिकण जोड्या तयार होतात, ज्यात एक भाग अडकून राहतो आणि दुसरा बाहेर पडतो. सटर ही उपमा समजावून घेण्यासाठी वापरतात, पण ते स्पष्ट करतात की तात्पुरत्या कणांच्या हिशेबापेक्षा क्वांटम क्षेत्रांच्या मोड्सच्या दृष्टीने घटना समजून घेणे त्यांना अधिक योग्य वाटते.

ही साम्यरेषा महत्त्वाची आहे. होकिंग किरणोत्सर्ग आणि Unruh किरणोत्सर्ग दोन्ही क्षितिजांवर आणि त्या क्षितिजांनी क्वांटम क्षेत्रांचे केलेल्या विभाजनावर अवलंबून असतात. फरक असा की कृष्णविवराचे क्षितिज तीव्र गुरुत्वाकर्षणामुळे तयार होते, तर रिंडलर क्षितिज त्वरणामुळे. दोन्ही ठिकाणी निरीक्षकाचा अवकाश-कालापर्यंतचा प्रवेश मर्यादित होतो, आणि ती मर्यादा निरीक्षकाला कण म्हणून जे समजते ते बदलते.

त्वरण घेत असलेल्या प्रवाश्यासाठी परिणाम म्हणजे एक उष्णतेचा थर: निर्वात आता रिकामे वाटत नाही, तर उबदार वाटते. त्वरण जितके जास्त, तितका परिणाम अधिक तीव्र. लेखात ही चमक मृदू असल्याचे सांगितले आहे, जे एक महत्त्वाचा व्यावहारिक मुद्दा अधोरेखित करते: भौतिकशास्त्र खरे असले तरी, किरणोत्सर्ग ठळक व्हावा यासाठी लागणारे त्वरण प्रचंड असते.

परिणाम मोजणे कठीण असले तरी तो का महत्त्वाचा आहे

Unruh किरणोत्सर्ग आकर्षक आहे कारण लोक त्याच्यापासून लवकरच नेहमीच्या अभियांत्रिकी उपयोगांची अपेक्षा करतात म्हणून नव्हे, तर तो काही भौतिक वर्णने किती खोलवर निरीक्षक-निरपेक्ष नाहीत हे दाखवतो म्हणून. तो सांगतो की कण हे नेहमीच साध्या अर्थाने पूर्णपणे स्वतंत्र वस्तू नसतात. एक निरीक्षक ज्याला निर्वात अवस्था म्हणतो, तेच दुसऱ्याला त्याच्या हालचालीवर अवलंबून उष्ण वातावरण वाटू शकते.

म्हणूनच हा परिणाम तात्त्विकदृष्ट्याही आणि भौतिकदृष्ट्याही महत्त्वाचा आहे. तो सापेक्षता, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत आणि क्षितिज उष्मागतिकी यांना एकत्र जोडतो. तो आधुनिक सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रातील एका व्यापक धड्यालाही बळ देतो: माहिती, उपलब्धता आणि दृष्टीकोन हे मूलभूत स्तरावर वास्तव कसे दिसते हे घडवतात.

सटर यांचा लेख हा धडा सामान्य वाचकांसाठी समजण्याजोग्या पद्धतीने मांडतो, आणि काल्पनिक अंतराळयानाचा वापर करून अमूर्ततेला धरून ठेवतो. समीकरणांपासून सुरुवात न करता, तो प्रकाशाच्या वेगाजवळ प्रवास केल्यावर काय वाटेल या मानवी प्रश्नापासून सुरू होतो आणि हळूहळू त्वरणाच्या क्वांटम परिणामांकडे जातो.

अंतर्ज्ञानाच्या मर्यादा आठवण करून देणारा उपयोगी इशारा

Unruh किरणोत्सर्ग अजूनही इतका मोहक का वाटतो याचे एक कारण म्हणजे तो अनेक पातळ्यांवर शास्त्रीय अंतर्ज्ञान मोडतो. रिकामे अवकाश चमकू नये. गतीने काहीच नसताना उष्णता निर्माण होऊ नये. कृष्णविवराशिवाय क्षितिज ही संकल्पना विरोधाभासी वाटते. पण आधुनिक भौतिकशास्त्राने वारंवार दाखवले आहे की दैनंदिन प्रमाणांवर आधारित अंतर्ज्ञान अत्यंत परिस्थितीत फारसे उपयोगी ठरत नाही.

लेख त्या ताणाचा उपयोग करतो, पण दिलेल्या मजकुरापलीकडे निश्चिततेचा अतिरेक करत नाही. तो Unruh किरणोत्सर्गाला भौतिकशास्त्रज्ञ क्वांटम क्षेत्रांचे वर्णन करण्यासाठी वापरतात त्या चौकटीचा एक विचित्र पण सुसंगत अंदाज म्हणून मांडतो. निर्वात ऊर्जा, निरीक्षक-निरपेक्षता, सापेक्ष क्षितिजे आणि क्वांटम क्षेत्रांचा उष्ण स्वभाव यांसारख्या तुटक वाटणाऱ्या संकल्पना स्पष्ट करणे, हेही त्याचे मूल्य आहे.

जे वाचक कधीच गणिताला सामोरे जात नाहीत, त्यांच्यासाठीही निष्कर्ष ठळक आहे. अवकाश हे केवळ रिकामे रंगमंच नाही. त्वरणाखाली त्या रंगमंचाचे स्वरूपच बदलते. एका चौकटीत निर्वात आहे. दुसऱ्यात चमक आहे.

अशा स्पष्टीकरणांची गरज अजूनही का आहे

मूळ मजकुरात कोणतेही नवे मिशन, डिटेक्टर परिणाम किंवा प्रयोगशाळा पुष्टीकरण नाही. त्याऐवजी, विश्वाच्या सर्वात खोल पातळीवर भौतिकशास्त्रज्ञ कसा विचार करतात याच्या केंद्रस्थानी असलेल्या कठीण कल्पनेचे संक्षिप्त संकलन तो देतो. उदयोन्मुख विज्ञानावर लक्ष ठेवणाऱ्या प्रकाशनासाठी तेही महत्त्वाचे आहे. मूलभूत संकल्पनाच संशोधक कोणते प्रश्न विचारतात, कोणते प्रयोग आखतात, आणि गुरुत्वाकर्षणाला क्वांटम यांत्रिकीशी जोडण्यासाठी कोणती भाषा वापरतात हे ठरवतात.

Unruh किरणोत्सर्ग हे आधुनिक सिद्धांत सामान्य समजुतीच्या वास्तवचित्रांपलीकडे किती पुढे गेला आहे याचे सर्वात स्पष्ट उदाहरणांपैकी एक आहे. जर त्वरणाने निर्वात गरम दिसू शकते, तर विश्व पृथ्वीवरून दिसते त्यापेक्षा फक्त विचित्र नाही. ते स्थिरतेमुळे आपण जितके पाहू शकतो त्याहूनही अधिक विचित्र आहे.

हा लेख Universe Today च्या वृत्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.