एकीकृत सिद्धान्तः भौतिक विज्ञानमा नयाँ क्रान्ति

 रमेश सुनुवार

---

विज्ञानको अन्तिम लक्ष्य सम्पूर्ण विश्वको एकता हो । यो लक्ष्य प्राप्त गर्नको लागि विज्ञान निरन्तर अगाडि बढिरहेको छ । विज्ञानको इतिहासमा विभिन्नताहरुलाई एकतामा ल्याउने प्रयत्नहरु समय–समयमा भएका छन् । यी प्रयत्नहरुमध्ये अल्बर्ट आइन्स्टाइनको एकीकृत क्षेत्र–सिद्धान्तलाई सर्वाधिक महत्वपूर्ण मानिएको छ । कारण यसले नै विश्वको एकताको लागि मार्ग प्रशस्त गरेको थियो ।

सम्पूर्ण विश्वका विविधताहरुलाई एकतामा ल्याउने वैज्ञानिक प्रयत्नलाई एकीकृत सिद्धान्त नामकरण गरिएको छ । एकीकृत सिद्धान्तको एउटा अर्थ प्रकृतिका चार प्रमुख बलहरु (गुरुत्व बल, विद्युतचुम्बकीय बल, प्रबल र दुर्वल) लाई एकीकरण गर्नु हो । यसको अर्को अर्थ वर्तमान विज्ञानका दुई प्रमुख सिद्धान्तहरु (सापेक्षताको सिद्धान्त र क्वाण्टम सिद्धान्त) लाई एकीकरण गर्नु हो । यी दुवै कार्यहरुबाट सम्पूर्ण विश्वको एकताको लक्ष्य प्राप्त हुन्छ । त्यसकारण यही प्रयत्न गरियो ।

एकीकृत सिद्धान्तको विकास चार चरणमा भएको छ । तिनीहरु हुन्– (१) एकीकृत क्षेत्र–सिद्धान्त, (२) बृहत एकीकृत सिद्धान्त, (३) तार–सिद्धान्त, र (४) मातृ–सिद्धान्त (M- theory) ।

१) एकीकृत क्षेत्र–सिद्धान्त (Unified Field Theory)

आफ्नो जीवनको अन्तिम समयमा अल्बर्ट आइन्स्टाइनको लक्ष्य एकीकृत क्षेत्र सिद्धान्तलाई सूत्रबद्ध गर्नु थियो । सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्त सफल भएपछि त्यलाई प्रकृतिका अन्य क्षेत्रहरु तथा विशेषताहरुमा विस्तार गर्ने प्रयत्न गर्ने कुरा स्वाभाविक थियो । सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्तले गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रको व्याख्या र यो ब्रह्माण्डको ज्यामितीय स्वरुपको वर्णन गर्दछ ।

तर एउटा अर्को क्षेत्र पनि छ, जसले भिन्न स्तरमा काम गर्दछ । त्यो हो– विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र । विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रले आवेशयुक्त कणहरु र तिनीहरुको अन्तक्र्रियालाई नियमन÷शासन गर्दछ । प्रसिद्ध स्कटिश वैज्ञानिक तथा गणितज्ञ जेम्स क्लर्क म्याक्सवेलको सिद्धान्तले यो क्षेत्रको व्याख्या गरेको छ ।

आइन्स्टाइनले के विश्वास गरे भने उनको सापेक्षताको सामान्य सिद्धान्तले विद्युत–चुम्बकीय क्षेत्रलाई समेट्दछ ।

स्तवमा यी दुई क्षेत्रहरुको बीचमा धेरै समानताहरु छन् । दुवै क्षेत्रहरुको स्रोत पदार्थ हो, दुवैको दूरी असीमित छ र दुवैको बल दूरीको अनुपातमा घट्दछ ।यी समानताहरुको बावजुद यिनीहरुको बीचमा महत्वपपूर्ण भिन्नताहरु पनि छन् । विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रभन्दा १०३७ गुना प्रबल छ । यसबाहेक विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रका दुई स्रोतहरु छन् – धनात्मक र ऋणात्मक स्रोत । परिणामस्वरुप यसमा आकर्षण र विकर्षण दुवै हुन्छन् । तर गुरुत्व क्षेत्र आकर्षण मात्र हुन्छ । यी क्षेत्रहरुको बीचमा अर्को रोचक भिन्नता के छ भने विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रलाई छेक्न सकिन्छ अथवा यसलाई रोक्न सकिन्छ । तर गुरुत्व क्षेत्रलाई कुनै कुराले रोक्न अथवा क्षेत्रलाई कुनै कुराले रोक्न अथवा छेक्न सक्दैन ।

वास्तवमा आइन्स्टाइनलाई यो सबै कुरा थाहा थियो तर पनि यसले उनलाई रोक्न सकेन । कुनै एउटा स्तरमा यी दुई क्षेत्रहरु सम्बन्धित छन् भन्ने कुरामा उनी विश्वस्त थिए ।
यद्यपि आइन्स्टाइन आफ्नो सिद्धान्तलाई कसरी विस्तार गर्न सकिन्छ भन्ने सम्बन्धमा सोचिरहेका थिए तर एकीकृत क्षेत्र सिद्धान्त प्रस्तुत गर्ने पहिलो व्यक्ति उनी थिएनन् । आइन्स्टाइनको सिद्धान्तलाई विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र समाविष्ट हुने गरी समान्यीकरण गर्ने पहिलो व्यक्ति स्विजरल्याण्डका हर्मन वेल थिए । वेलले सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्तबारे एउटा सरल पाठ्यपुस्तक लेखेका थिए । त्यो पुस्तक यति पूर्ण र आकर्षक थियो कि त्यसले वैज्ञानिकहरुलाई चकित पा¥यो र त्यसबाट आइन्स्टाइन पनि अत्यन्तै प्रभावित भए । त्यो पुस्तक प्रकाशन भएको केही समयपछि वेलले वक्र स्थानमा चल्दा लम्बाइ र दिशाको संरक्षण हुँदैन भन्ने अवधारणाद्वारा सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्तलाई विस्तार गरे । उनले आफ्नो सिद्धान्त प्रसियाको विज्ञान प्रतिष्ठानमा प्रस्तुत गरिदिन आग्रह गरेर आइन्स्टाइनलाई पठाए ।

त्यो सिद्धान्तबाट आइन्स्टाइन प्रभावित भए, तर त्यसको विस्तृत अध्ययन गरेपछि उनले एउटा कमजोरी भेट्टाए । यदि दूरी बदलियो भने, समय पनि बदलिन्छ र यसको अर्थ के हुन्छ भने एउटा कणको इतिहासले त्यसका गुणहरुलाई प्रभावित गर्दछ । संक्षेपमा भन्दा यदि कणहरुले एउटै बिन्दुमा पुग्नको लागि अलग–अलग मार्गहरु लिन्छन् भने तिनीहरु अलग–अलग कम्पन आवृतिहरुमा अन्त्य हुन्छन् । यो कुरा आकृतिमा हुँदैन भन्ने सुनिश्चित थियो ।

आइन्स्टाइन अब झन् गुरुत्व क्षेत्र र विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रलाई एकतामा ल्याउन सकिन्छ भन्ने कुरामा विश्वस्त भए । वेलको विचार गलत भए पनि त्यो मौलिक थियो । त्यसलाई पछि क्वाण्टम सिद्धान्तमा प्रयोग गरियो । आइन्स्टाइनलाई के विस्वास थियो भने अरु मौलिक दृष्टिकोणहरु पनि अवश्य छन् र तिनीहरुमध्ये एउटाले काम गर्छ ।

तर उनले आफ्नो सिद्धान्त सूत्रबद्ध गर्नुभन्दा पहिले अर्को एउटा सिद्धान्त आयो । त्यो सिद्धान्त ल्याउने व्यक्ति जर्मन गणितज्ञ थ्योडोर केलुजा थिए । उनले सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्तलाई विस्तार गर्ने अर्को विधि ल्याए । केलुजाले सामान्य सापेक्षताका समीकरणहरुलाई चार–आयामको सट्टा पाँच–आयाममा बनाए । त्यसो गर्दा बनेका नयाँ समीकरणहरु म्याक्सवेलका विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रका समीकरणहरुसँग समान थिए । त्यसबाट के देखियो भने गुरुत्व क्षेत्र र विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र एकीकृत भए ।

केलुजाको विधिबाट आइन्स्टाइन आश्चर्यचकित भए र उनलाई एकपटक फेरि त्यो ठूलो छलाङ्ग हो भन्ने लाग्यो । तर उनले छिट्टै त्यो सिद्धान्तमा समस्याहरु छन् भन्ने कुरा पत्ता लगाए । सर्वप्रथम त त्यसले इलेक्ट्रोन र प्रोटोनका पिण्ड र आवेशको भविष्यवाणी गर्दैनथ्यो । त्यसैगरी अतिरिक्त आयामको अर्थको कुरा पनि थियो । हामीले हाम्रो विश्वमा चार आयामहरु मत्र देख्दछौं । अतिरिक्त आयामले (पाँचौं आयामले) भौतिक रुपमा केलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ ?

तर पनि सन् १९२६ मा स्वेडेनका गणितज्ञ तथा वैज्ञानिक ओस्कार क्वलाइनले अतिरिक्त आयामको एउटा तार्किक व्याख्या प्रस्तुत गरे । उनले के बताए भने त्यो बेरिएको छ र यति सानो कि त्यसलाई देख्न सकिँदैन ।

अन्ततः सन् १९२५ मा आइन्स्टाइनले आफ्नो एउटा सिद्धान्तको निर्माण गरे, जुन पहिलेका अन्य सिद्धान्तको निर्माण गरे, जुन पहिलेका अन्य प्रयत्नहरुजस्तै मौलिक थियो । उनले आफैंलाई के प्रश्न गरे भने सामान्य सापेक्षताको सबभन्दा सरल र सबभन्दा स्वाभाविक विस्तार के हुन्छ । र छिट्टै एउटा विधि भेट्टाए, जुन नयाँ थियो ।

सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्त एउटा सम्मितीय सिद्धान्त थियो । अर्को शब्दमा, त्यसका समीकरणहरु उही ढंगबाट सम्मितीय थिए, जसरी एउटा गोलाको बीचबाट एउटा रेखा खिचियो भने त्यसका दुई पक्षहरु समान हुन्छन् । आइन्स्टाइनले त्यो सिद्धान्तलदाई असम्मितीय भाग प्रदान गर्ने निर्णय गरे । जब उनले त्यसो गरे, उनले त्यसबाट आएका समीकरणहरु माक्सवेलका विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रका समीकरणहरुसँग समान भएका पाए ।

त्यो परिणामबाट आइन्स्टाइन अन्तन्तै प्रसन्न र उत्साहित भए । उनलाई आफूले खोजेको कुरा भेट्टाए भन्ने लाग्यो । तर जब उनले त्यो सिद्धान्तलाई विस्तृत रुपमा जाँच गरे, तब उनले त्यसमा पनि समस्याहरु देखे । त्यसले इलेक्ट्रोन र प्रोटोनको पिण्ड र आवेशको पूर्वानुमान गर्दैनथ्यो । यसबाहेक त्यसले एउटा त्यस्तो कुराको भविष्यवाणी गर्दथ्यो, जसले उनलाई अलमलमा पा¥यो । त्यसले समान पिण्ड तर विपरित आवेश भएका बिम्ब–प्रतिबिम्ब कणहरुको भविष्यवाणी गर्दथ्यो । जसलाई अहिले हामी प्रतिकणहरु भन्दछौं ।

आइन्स्टाइनले आफ्नो जीवनको बाँकी समय एउटा एकीकृत क्षेत्र सिद्धान्तको खोज गरेर विताए । उनले एकपछि अर्को नयाँ सिद्धान्त पत्ता लगाउँथे र अब वास्तविक सिद्धान्त भेट्टाएँ भन्ने ठान्थे । त्यसपछि त्यसमा गल्ती भेट्टाउँथे र त्यसलाई खारेज गर्थे । अन्ततः त्यो प्रक्रिया उनको लागि दिक्क लाग्दो थियो । तर उनले त्यसलाई कहिल्यै परित्याग गरेनन् । आफ्नो जीवनको अन्तिम घडीसम्म पनि उनले खोजी कार्य जारी राखे । धेरै मानिसहरुले उनलाई इन्द्रेणीको पछि दौडिने बच्चाजस्तो ठाने । तर अन्त्यमा केही वैज्ञानिकहरुले उनी आफ्नो समयभन्दा धेरै लगाडि र बाटोमा हिड्न थाले ।

२.वृहत एकीकृत सिद्धान्त (Grand Unified Theory)

आइन्स्टाइनको खोजमा प्रमुख कठिनाइ के थियो भने त्यो अत्यन्तै सीमित थियो । उनले आफ्नो खोज आरम्भ गर्दा दुई क्षेत्रहरु मत्र ज्ञात थिए– गुरुत्व क्षेत्र र विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र । त्यसैगरी त्यसबेला दुई कणहरु मात्र पत्ता लागेका थिए – इलेक्ट्रोन र प्रोटोन । तर त्यसपछि केही वर्षहरुमा थप क्षेत्रहरुको खोज भयो र सयौं नयाँ कणहरु भेटिए ।
यसबाहेक आइन्स्टाइनको अर्को समस्या पनि थियो । आफ्नो आरम्भिक सिद्धान्तहरुमा काम गर्दा, विशेषगरी विशेष सापेक्षताको सिद्धान्तमा काम गर्दा, आइन्स्टाइनको गणितप्रति थोरै आवहेलनाको भावना थियो । किनभने उनले त्यसलाई एउटा साधन मात्र ठान्थे । तर सामान्य सापेक्षताको गणितीय जटिलताबाट उनले गणितलाई साधन मात्र मान्न छोडेर त्यसभन्दा बढी मान्न थाले ।

पहिलेको कठिनाइ थाहा भएपछि आइन्स्टाइनको विधि किन सीमित भन्ने कुरा सजिलै जान्न सकिन्छ । सर्वप्रथम त उनले एकीकृत सिद्धान्तको खोज गरिरहेको बेला थप अन्य दुई क्षेत्रहरु पत्ता लागे– प्रबल बल र दुर्बल बल । प्रबल बलले परमाणु केन्द्रका कणहरुलाई बाँधेर राख्दछ र दुबै बल निश्चित प्रकारका नाभिकीय प्रक्रियाहरुमा महत्वपूर्ण हुन्छ । दोस्रो, नयाँ आविष्कृत उपपरमाणाविक कणहरुको संख्या सयौं पुग्यो । तिनीहरुको संख्या यति धेरै भयो कि वास्तवमा वैज्ञानिकहरुले तिनीहरु सबै आधारभूत कण हुन सक्दैनन् भन्ने कुरा महसूस गर्न थाले । तिनीहरुमध्ये अधिकांश अम्म आधारभूत कणरुबाट बनेका हुनसक्दन् ।

सबभन्दा भारी कणहरुलाई लेप्टोन भनिन्छ । हेड्रोनभित्र बारयोन र मेसोन उपवर्गहरु हुन्छन् । यिनीहरुको संख्या धेरै भएपछि वैज्ञानिकहरुले एउटा नयाँ दृष्टिकोण आवश्यक भएको कुरा महसूस गरे । सन् १९६० को दशकमा मुर्रे गेल–म्यान र जर्ज ज्वीगले छुट्टा–छुट्टै के बताए भने हेडो«न कणहरु अझ साना कणहरुबाट बनेका छन्, जसलाई गेल–म्यानले क्वार्क नामकरण गरे ।

शुरुमा क्वार्कहरु तीन प्रकारका थिए, जसलाई अप, डाउन र स्ट्रेन्ज भनिन्थ्यो । हेडा«ेन कणहरु तिनीहरुका विभिन्न संयोजनहरुबाट बनेका हुुन्छन् । उदाहरणको लागि प्रोटोन दुईबटा अप र एउटा डाउन क्वार्कबाट बनेको हुन्छ । पछि अन्य तीन प्रकारका क्वार्कहरु पनि भेटिए, जसलाई टप, बटम र चाम्र्ड भनियो ।

आइन्स्टाइनको गुरुत्व क्षेत्र र विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रको सरल एकताले निश्चित रुपमा यी सबैलाई याख्या गर्न सक्दैनथ्यो । यसबाहेक, क्वाण्टम सिद्धान्तले कणहरु र विकरिणका अन्तक्र्रियाहरुमध्ये अधिकांशको व्याख्या ग¥यो ।

क्वाण्टम सिद्धान्तले यो काम कसरी ग¥यो भन्ने कुरा बुझ्नको लागि वर्नर हइजोनवर्गको अनिश्चितताको नियमलाई हेर्नु आवश्यक छ । त्यसले के बताउँछ भने निश्चित दुई चरहरुलाई समकालिक ढंगबाट उच्च विशुद्ध मापन गर्न सकिंदैन । उदाहरणको लागि, यदि कुनै एउटा कणको गतिलाई विशुद्ध रुपमा मापन गरियो भने त्यसको गति अनिश्चित हुन्छ । त्यसैगरी यदि त्यसको स्थानलाई विशुद्ध रुपमा मापन गरियो भने, त्यसको गति अनिश्चित बन्दछ । यो कुरा शक्ति र समयको सन्दर्भमा पनि लागु हुन्छ ।

यही अनिश्चितताको कारण कणहरुले छोटो अवधिको लागि शक्ति ऋण लिन सक्दछन् । त्यसको एकमात्र शर्त के हो भने तिनीहरुले ‘‘अनिश्चिततको अवस्था’’ लोप हुनुभन्दा पहिले नै त्यो ऋण तिर्नुपर्दछ । यसको अर्थ हो – एउटा कण र त्यसको प्रतिकण –उदाहरणको लागि इलेक्ट्रोन र पोजिटो«न) अल्प समयमा बन्न सक्दछन् । तिनीहरुलाई आभासीय कणहरु –virtual particles) भनिन्छ ।

शीघ्रतापूर्वक सृजना हुने कण र प्रतिकणले एक– अर्कोलाई निषेध गर्दछन् र यो प्रक्रियामा फोटोनहरु उत्सर्जित हुन्छन् । त्यसैकारण प्रत्येक कणलाई फोटोनहरुको ‘‘बादल’’ द्वारा घेरिउको मान्न सकिन्छ, दुई कणहरुको बीचमा केही फोटोनहरुको आदान–प्रदान हुन्छ । यदि दुवै कणहरु धनात्मक आवेशयुक्त छन् भने आदनलप्रदान भएका फोटोनहरुले तिनीहरुको बीचमा विकर्षण उत्पन्न गर्दछन् । तर यदि तिनीहरुमध्ये एउटा ऋणात्मक आवेशयुक्त छ र अर्को धनात्मक आवेशयुक्त छ भने ती फोटोनहरुले आकर्षण उत्पादन गर्दछन् ।
त्यसकारण क्वाण्टम सिद्धान्तको दृष्टिकोणबाट दुई कणहरुको बीचमा हुने विद्युतचक्बकीय बललाई फोटोनहरुको आदान–प्रदानको रुपमा हेरिन्छ । वैज्ञानिकहरुले यसलाई क्वान्टम इलेक्ट्रोन डाइनामिक्स (त्तभ्म्) मा विकास गरेका छन् ।

क्वाण्टम इलेक्ट्रोडाइनामिक्सको सफलताबाट उत्साहित भएर भौतिक शास्त्रीहरु शेल्डन ग्लाश्व, अब्दुस सलाम र स्टीफेन वाइनवर्गले त्यही विधि प्रबल र दुर्बल नाभिकीय अन्तक्र्रियाहरुमा प्रयोग गरे । प्रबल अन्तक्र्रियाको सन्दर्भमा ग्लुओन() नामका किणहरु क्वार्कहरुको बीचमा अदान–प्रदान हुन्छन् भन्ने मानियो । त्यो सिद्धान्तलाई क्वान्टम क्रोमोडाइनामिक्स भनियो, किनभने क्वार्क र ग्लुओनलाई रंगीन मानियो । त्यो सिद्धान्त पनि अत्यन्तै सफल रह्यो ।

दुर्बल नाभिकीय अन्तक्र्रियाको लागि पनि एउटा त्यस्तै सिद्धान्तको विकास गरियो । यो मामिलामा आदान–प्रदान हुने कणहरु दुर्बल बोसोन(दयकयलक) थिए, जसलाई w र z(w^+, z^0, w^-) भनियो ।
क्वाण्टम क्रोमोडाइनामिक्स र क्वाण्टम इलेक्ट्रोनिक सिद्धान्तको सफलतापछि तिनीहरुलाई एउटा एकीकृत सिद्धान्तमा एकसाथ ल्याउने प्रयत्न गर्न भौतिक थियो । योे प्रयत्च्नलाई वृहत एकीकृत सिद्धान्त नामकरण गरियो । यो सिद्धान्त धेरै हदसम्म सफल भएको छ, तर यसमा केही समस्याहरु बाँकी छन् । जे होस्, प्रकृतिका चार बलहरुको सम्बन्धमा विश्वस्त भएर भन्न सकिन्छ कि वैज्ञानिकहरुले तिनीहरुमध्ये तीनवटा बलहरुलाई एकीकृत गरेका छन् ।

र यो एकीकरणबाट एउटा बल, अर्थात गुरुत्व बल, बाहिर परेको छ । यसलाई समाविष्ट गर्नको लागि धेरै प्रयत्नहरु गरिएका छन् । यी प्रयत्नहरुमा आदान–प्रदान हुने कणको रुपमा ग्रेभिटोन() नामक कणहरु अस्तित्वमा छन् भन्ने मानिएको छ । जब दुई पिण्डहरु उक–अर्कोको बीचमा ग्रेभिटोनहरुको आदान–प्रादान हुन्छ । तर यसको लागि सामान्य सापेक्षतालई विच्छिन्न बनाउनु पर्दछ, जुन कार्य कठिन सिद्ध भएको छ । अनेक प्रयत्नहरुको बावजुद सामान्य सापेक्षताको सिद्धान्तलाई विच्छिन्न बनाउन सकिएको छैन ।

३.तार सिद्धान्त (String Theory)

तार सिद्धान्तको विकास त्यस्तो कुराबाट भएको देखिन्छ, जसको सम्बन्ध तारहरुसँग थिएन । सन् १९६८ मा गेब्रिएल भेनेजियनले एउटा शोधपत्र प्रकाशित गरे, जुन प्रबल बल अन्तक्र्रियाहरुको द्वैत–प्रतिध्वनि प्रारुपको सम्बन्धमा लेखिएको थियो । उनले यो सिद्धान्तको प्रयोग गरेर प्रबल बल अन्तक्र्रियहरुको केही समस्याहरुलाई व्याख्या गर्ने आशा गरेका थिए ।

दुई वर्षपछि सन् १९७० मा शिकागो विश्यविद्यालयका योइचिरो नाम्बु, स्ट्याण्डफोर्ड विश्वविद्यालयका लियोनार्ड सुस्किण्ड र कापेनहेनस्थित नील्स बोहोर इन्स्टीच्युटका होल्जर नील्सनले र तारका कम्पन अवस्थाहरुको बीचमा सम्बन्ध छ ।

दुवै छेउहरु बाँधिएको एउटा निश्चित लम्बाइको तार एक, दुई, तीन वा बढी फन्दाहरुमा कम्पित हुनसक्दछ । यी अलग–अलग प्रकारका कम्पनहरुमध्ये प्रत्येकलाई एउटा प्रतिध्वनि (चभकयलबलअभ) को रुपमा लिन सकिन्छ । नाम्बु, सुस्किण्ड र नील्सनले के देखे भने यी प्रतिध्वनि अवस्थाहरुलाई ज्ञान आधारभूत कणहरु –भझिभलतबचथ उबचतष्अभिक) सँग जोड्न सकिन्छ । संक्षेपमा भन्दा आधारभूत कणहरुलाई एउटा तारका प्रतिध्वनि अवस्थाहरुद्वारा वर्णन गर्न सकिन्छ ।

यी अवस्थाहरुलाई हेर्ने एउटा विधि यिनीहरुको तुलना गीतारको तारका कम्पनहरुसाग गर्नु हो । एउटा गीतारको तारबाट विभिन्न सांगीतिक धुनहरु बजाउन सिकन्छ । त्यसको एकमात्र विधि तारलाई धेरै तन्किइका छन् भने विभिन्न प्रकारका धेरै आवाजहरु ब्जाउन समिन्छ । यसको अर्थ के हुन्छ भने कम्पन हुने एउटा तारका विभिन्न स्वरुपलाई प्रयोग बहुसंख्यक आधारभूत कणहरुको व्याख्या गर्न सकिन्छ ।

ती तारहरु कस्ता थिए त ? सर्वप्रथम त तिनीहरु सबै एउटै थिए । कम्पन विधिहरु मात्र भिन्न थिए । तिनीहरु करिब प्रोटोनको आकारका मानिएका थिए । अर्थात् करिब १०–१३ सेन्टिमिटर लामा । तिनीहरुको पिण्ड थिएन र तिनीहरु लचमदार थिए । तर यदि तिनीहरुको पिण्ड थिएन भने तिनीहरुले आधारभूत कणको पिण्डलाई कसरी व्याख्या गर्दथे त ? के देखिन्छ भने यो तिनीहरुकोे तन्काइसँग जोडिएको थियो । वास्तवमा तारहरु बन्दा र खुल्ला द्वै प्रकारका थिए । बन्द तारहरु फन्दा जस्ता देखिन्थे ।

त्यो सिद्धान्त रोचक नै थियो । तर त्यसमा पनि समस्याहरु थिए । एउटा प्रमुख समस्या के थियो भने ज्ञात भएका आधारभूत कणहरु दुई वर्गहरुमा विभाजित थिए, जसलाई बोसोन (दयकयलक) र फर्मियोन (ाभचmष्यलक) भनिन्थ्यो । र फर्मियोन व्याख्या हुनसक्दैनथ्यो । फर्मियोन कणहरु पदार्थ कणहरु हुन, जसको भिन्नांकीय (१÷२) चक्कर(कउष्ल) हुन्छ । फर्मियोनको एउटा उदाहरण इलेक्ट्रोन हो । बोसोन कणहरुकबो पूर्णांकीय (१,२,३,४........) चक्कर हुन्छ ।

त्यो सिद्धान्तले बोसोन कणहरुको मात्र व्याख्या गर्न सक्दथ्यो । त्यसैगरी, त्यसले एउटा यस्तो कणको भविष्यवाणी गर्दथ्यो, जसलाई अधिकांश वैज्ञानिकहरुले शंकाको दृष्टिले हेर्दथे ।, यो कण प्रकाश भन्दा छिटो कुद्छ र त्यसलाई टाक्योन (तबअजथयल) भनिन्छ । तर अहिलेसम्म कसैले पनि टाक्योनलाई भेट्टाएको छैन ।

त्यो सिद्धान्तको अर्को समस्या के थियो भने त्यसको लागि छब्बीस–आयामहरुको आवश्यकता पर्दथ्यो, जसको व्याख्या गनए कठिन थियो ।

(एकीकृत सिद्धान्तबारे बाँकी सामग्री भाग-२ मा )

एकीकृत सिद्धान्तः क्वाण्टम र सापेक्षताको एकीकरण प्रयास

एकीकृत सिद्धान्त (भाग -२)

मानक प्रारुप (standard model)

केही वर्षपछि एउटा प्रारुपको विकास गरियो, जसलाई अहिले मानक प्रारुप भनिन्छ । त्यसका भविष्यवाणीहरु प्रयोगद्वारा सही सिद्ध भए । यसको अतिरिक्त, त्यसले विद्युतचुम्बकीय, प्रबल र दुर्बल बलसँग सम्बन्धित अन्तक्र्रियाहरुको व्याख्या गर्ने देखियो । अब तारसिद्धान्तको गम्भीर प्रतिस्पर्धाको सामना गर्नुपर्ने भयो ।

मानक प्रारुपमा आधारभूत कणहरुलाई तिनीहरुको चक्करको आधारमा दुई वर्गहरुमा वर्गीकरण गरिन्छ । तिनीहरु हुन्– फमियोनहरु र बोसोनहरु । फमियोनहरु पदार्थ कणहरु हुन् । बोसोनहरु प्रकृतिका बलहरु प्रसारण गर्ने कणहरु हुन् र तिनीहरुलाई विनिमय कण भनिन्छ ।

बोसनहरु निम्नानुसार छन्ः

फोटोन  विद्युतचुम्बकीय बलको विनिमय कण
ग्लुओन– प्रबल बलको विनिमय कण
w+ , w-,z0 – दुर्बल बलका विनिमय कणहरु
ग्रेभिटोन – गुरुत्व बलको विनिमय कण
फर्कियोनहरु तीन समूहहरुमा विभाजित छन । ती समूहहरु निम्नानुसार छन्:

विद्युतीय आवेश

इलेक्ट्रोन (electron) – १
म्युओन (moun) – १
टाउ (TAU) –१
यी कणहरुमध्ये प्रत्येकको एउटा न्युट्रिनो (neutrino) हुन्छ:
विद्युतय आवेश
इलेक्ट्रोन न्युट्रिनो – ०
म्युओन न्युट्रिनो – ०
टाउ न्युट्रिनो – ०
क्वार्कहरु (त्रगबचपक) छ वटा छन्, जसलाई तीन उपसमूहहरु: मा विभाजन गरिएको छ । क्वार्कहरुबाट हेड्रोनहरु बनेका छन् ।
विद्युतीय आवेश

अप (UP) -२/३
चाम्र्ड (charmed) -२/३
टप (TOP) –२/३
डाउन (down) –१/३
स्ट्रेन्ज (कतचबलनभ) –१/३
बटम (bottom) –१/३
 

एकीकृत सिद्धान्त (भाग-१, भाग -२)

एकीकृत सिद्धान्तः भौतिक विज्ञानमा नयाँ क्रान्ति

मनव प्रारुपको समाधान हुननसकेको उटा समस्या प्रत्येक समूहहरु तीन उपहमूहहरु किन छन् भन्ने कुरा हो । तर यसको सबभन्दा ठूलो समस्या के हो भने यसले प्रकृति तीन बलहरुलाई राम्रोसँग व्याख्या गर्दछ, चौथो बल –गुरुत् बल ) को सम्बन्धमा चाहि गर्न केही पनि बताउँदैन । गुरुत्व बललाई यसभित्र ल्याउनको लागि धेरै प्रयत्नहरु गरिएका छन्, तर कुनै पनि प्रयत्न सफल भएको छैन ।

प्रथम तार क्वाण्टम गुरुत्व सिद्धान्त

सन् १९७० को दशकमा तार सिद्धान्तको एउटा प्रमुख समस्या के थियो भने अनेकौं आधारभूत कणहरुको भविष्यवाणी गरिएको थियो, जसको मानक प्रारुप (standard model) सँग कुनै सम्बन्ध थिएन । त्यस्ता कणहरुमध्ये एउटा कण पिण्डरहित थियो ।

सन् १९७४ मा इकोल नर्मल सुपेरिइरका जोएल शेर्क र क्यालिफोर्निया इन्स्टीच्युट अफ टेक्नोलोजीका जोन श्वार्जले त्यो पिण्डरहित कणलाई ध्यान दिएर हेर्न थाले । अन्ततः उनीहरुले त्यसमा ग्रेभिटोनका सम्पूर्ण गुणहरु छन् भन्ने कुरा महसूस गरे । श्वाजै र शेर्कको खुशीको सीमा रहेन । यदी तार सिद्धान्तले ग्रेभिटोनको भविष्यवाणी गर्दथ्यो भने, त्यो उनीहरुले आशा गरेभन्दा पनि बढी शक्तिशाली हुनसक्दथ्यो । क्वाण्टम सिद्धान्तले नै गुरुत्व बललाई समाहित गर्न सक्दथ्यो । उनीहरुले सन् १९७४ मा आफ्नो परिणामहरुको घोषणा गर्दै एउटा शोधपत्र लेखे, जसमा तार सिद्धान्त एउटा सर्व– समावेशी सिद्धान्त हुनसक्दछ भन्ने सुझाव राखिएको थियो ।

तार सिद्धान्तका लक्ष्यहरु ीनराशाजनक देखिए तर श्वार्ज चाहिँ विश्वस्त भएर परिश्रमपूर्वक तार सिद्धान्तमा निरन्तर काम गरिरहेका थिए । त्यसपछि उनले सन् १९७९ को गृष्म ऋतुमा क्वीन म्यारी कलेजका माइकेल ग्रीनलाई भेटे । उनीहरु दुवै ऋभ्च्ल् का थिए । ग्रीन पनि तार सिद्धान्तमा काम गरिरहेका थिए र उनीहरुले तुरुन्तै सँगै काम गर्ने निर्णय गरे ।

शेर्क र उनका धेरै सहकर्मीहरुले के देखाउने प्रयत्न गरेका थिए भने तार सिद्धान्त महासम्मितीय (supersymmetric) छ । महासम्मितीय भनेको एउटा त्यस्तो सम्मिति हो, जसमा बोसोन र फर्मियोन एउटै कणका दुई अवस्थाहरु हुन्छन् । त्यसबहेक, उनीहरु के सिद्ध गर्न चाहन्छन्थे भने परिणामको रुपमा आउने सिद्धान्त अनन्तताहरुबाट मुक्त छ ।

लामो समयसम्म ठूलो प्रयत्न गरेपछि उनीहरु एउटा तार सिद्धान्तको विकास गर्न सफल भए, जसमा महासम्मिति समाविष्ट थियो । उनीहरुले आफ्ना परिणामहरुलाइृ सन् १९८१ म प्रकाशित गरे । अन्ततः अब जसमा अनन्तता थिएन, जसले गुरुत्व बलसिहत प्रकृतिका चारैवटा बलहरुको व्याख्या गर्दथ्यो र आधारभूत कणहरुको भविष्यवाणी गर्नसक्दथ्यो ।

तर त्यो सिद्धान्तमा पनि समस्या थिए । श्वार्ज र ग्रीनले आफ्नो सिद्धान्तलाई ‘‘अनियमितता रहित’’ छ भन्ने देखाउन सकेनन् । अनियमितताबाट ऋणात्मक संभाव्यताहरु उत्पन्न हुन्छन् । त्यसपछिका दुई वर्षसम्म उनीहरु त्यो सिद्धान्तको अनियमितताहरु उत्पन्न हुन्छन् । त्यसपछिका दुई वर्षसम्म उनीहरु स्वरुप पत्ता लगाउने प्रयत्नमा लागिरहे ।

उनीहरुले खोजी गरिरहेको कुरा समूह सिद्धान्त थियो, जसलाई उनीहरुको सिद्धान्तमा आधारको रुपमा प्रयोग गर्न सकिन्थ्यो र त्यसबाट त्यो सिद्धान्तलाई अनियमिततारहित बनाउन सकिन्थ्यो । उनीहरुले सोच्न सकिनेजति सबै समूह सिद्धान्तहरुको परीक्षण गरे र अन्तिममा एउटा भेट्टाए, जसले काम ग¥यो । त्यसलाई कय(घद्द) भनियो । उनीहरुले अझ राम्रो समूह सिद्धान्तको खोजी कार्य जारी राखे । अन्ततः त्यो पनि भेटियो, जसलाई भ्डह्भ्ड भनियो । अब उनीहरुले चाहेको सिद्धान्त भेट्टाएका थिए, जुन अनन्तताबाट मुक्त र अनियमितता रहित थियो । त्यसले प्रकृतिका चारैवटा बलहरुको व्याख्या गर्दथ्यो तथा आधारभूत कणहरुको पनि व्याख्या गर्दथ्यो ।

उनीहरुले आमफ्नो सिद्धान्तको घोषणा सन् १९८४ को अगष्टमा गरे । अन्ततः वैज्ञानिक जगतको दृष्टि त्यसमाथि प¥यो । त्यसबाट विशेष रुपले उत्साहित हुने वैज्ञानिकहरुमध्ये एक प्रिन्सटन विश्वविद्यालयका एड्वार्ड विटटेन थिए । एउटा बिल्कुलै भिन्न विधिको प्रयोग गरेर उनले के देखाए भने त्यो सिद्धान्त वास्तवमा अनियमिततारहित छ । केही समयपछि प्रिन्सटन विश्वविद्यालयका डेभिड ग्रस सिकागो विश्वविद्यालयका जेफरी हार्भे र प्रिन्सटन विश्वविद्यालयका एमिल मार्टिनेक तथा यान रोहमले अर्को अनियमिततारहित सिद्धान्त पत्ता लगाए । त्यसलाई उनीहरुले ‘हिटेरोटिक’ (जभतभचयतष्अ) प्रारुप भनेका थिए । त्यो एउटा बन्द–तार प्रारुप थियो ।

सन् १९८४ र १९८६ बीचको समयलाई प्रथम तार क्रान्तिको समय भनियो । श्वार्ज र ग्रीनको नयाँ युगान्तकारी खोजसँगै विश्वका वैज्ञानिकहरुको ध्यान आकर्षित भयो र थोरै समयमै ठूलो उत्साह देखिन थाल्यो । त्यसपछि छोटो अवधिमा नै त्यो विषयमा हजारौं शोधपत्रहरु लेखिए र धेरै महत्वपूर्ण प्रगतिहरु भए ।

तर समस्याहरु अझै बाँकी नै थिए । त्यसमा रहेका प्रमुख समस्याहरुमध्ये एउटा के थियो भने त्यो सिद्धान्तका समीकरणहरु विशुद्ध रुपमा लेख्न सकिंदैनथ्यो । परिणाम स्वरुप अनुमानित समीकरणहरुको  तिनीहरुको अन्तक्र्रियाको सम्बन्धमा धेरै कुरा थाहा भयो ।

तारका अन्तरक्रियाहरु

कणहरुको बीचमा अन्तत्र्रिmया हुन्छ र यस्ता अन्तत्र्रिmयाहरुका परिणामहरुलाई परीक्षणबाट जान्न सकिन्छ । मानक प्रारुपद्वारा यी परिणामहरुको भविष्यवाणी गर्न संभव हुन्छ । तर तार सिद्धान्तले मानक प्रारुपलाइृ समाविष्ट गर्नको लागि यी अन्तत्र्रिmयाहरुलाई देखाउने र गणना गर्ने विधि हुनु पर्दछ ।

हामीलाई के कुरा थाहा छ भने बोसोन तार र फर्मियोन तार दुवै अस्तित्वमा छन् र प्रत्येकमा आधारभूत कणलाई प्रतिनिधित्व गर्ने कम्पन अवस्था हुन्छ । त्यसैगरी हामीलाई यो कुरा पनि थाहा छ कि बन्द तार मा तरंग घडीको दिशामा अथवा उल्टो दिशामा चल्न सक्दछ । यसबाट आधारभूत कणहरुका केही गुणहरुलाई व्याख्या गर्नको लागि सहायता पुग्दछ, जुन तिनीहरुको चक्कसँग सम्बन्धित हुन्छन् । यसबाहेक, यदि हामीले कुनै तारलाई समयमा हेर्दछौं भने त्यसको कम्पन अवस्था एउटा ‘पात्र’ (कजभभत) मा फैलिन्छ । यस्तो पत्रलाई ‘विश्वपत्र’ भनिन्छ । बन्द तारमा यो पत्र बेलानाकार हुन्छ ।

तारहरुसँग सम्बन्धित एउटा विशेष महत्वपूर्ण कुरा तिनीहरुको तनाव हो । यो तनाव जति बढी हुन्छ, त्यति तारको शक्ति बढी हुन्छ । वास्तवमा तारको शक्ति तनाव र कम्पनको प्रकार वा स्वरुप दुवैमाथि निर्भर हुन्छ । आधाभूत तनावलाई प्लाङ्क तनाव भनिन्छ । र यो अत्यन्तै उच्च हुन्छ – १०३९ टन । यसबाट प्लाङ्क पिण्ड (उबिलअप तभलकष्यल) प्राप्त गर्न सकिन्छ, जुन प्रोटोनको पिण्ड भन्दा १०१९ गुणा बढी छ ।

अब तारको प्रयोग गरेर कसरी कणहरुको अन्तत्र्रिmयालाई प्रतिनिधित्व गर्न सकिन्छ त ? क्वाण्टम इलेक्ट्रोडाइनामिक्स र क्वाण्टम क्रोमोडाइनामिक्समा यी अन्तक्र्रियाहरुलाई सरल रेखाहरु खिचेर प्रनिधित्व गरिन्छ, जसलाई फिनम्यान रेखाचित्र  भनिन्छ । एउटा रेखाले स्थानमा गतिशील कणलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ । तार सिद्धान्तमा कणहरुको स्थान तारहरुले लिन्छन्, त्यसकारण सममयको प्रत्येक बिन्दुमा तारहरु हुन्छन् ।