Applied Science & Creative Physics

use your brain #3
why rain water is always cold :-P
????

ভূমিকাঃ কোয়ান্টাম মেকানিক্স এর প্রতি সবার এত আগ্রহ দেখার পরে সিদ্ধান্ত নিলাম যে কোয়ান্টাম মেকানিক্স এর একদম বেসিক জিনিষ নিয়ে এর পরের লেখাটা লিখব। সে জন্য আমি এই লেখাটা তরঙ্গ কণা দ্বৈততা নিয়ে লিখছি। আমি চেষ্টা করেছি টেকনিকাল জিনিষ যতটা সম্ভব বাদ দিতে। তবে উচ্চ মাধ্যমিক লেভেল এর পদার্থ বিজ্ঞানের উপর জ্ঞান থাকলে এই লেখা বুঝতে কিছুটা সুবিধা হবে।



নিউটনঃ আলো অবশ্যই কণা দিয়ে তৈরি।

হাইগেনঃ হতেই পারে না, আমি বলছি আলো এক প্রকার তরঙ্গ

ম্যাক্সওয়েলঃ ঠিক, আলো তরঙ্গই বটে, তবে হাইগেন সাহেব কিছু ভুল বলেছিলেন, আলো আসলে ইলেক্ট্রম্যাগনেটিক তরঙ্গ।

ম্যাক্স প্লাঙ্কঃ আপনারাই ঠিক মনে হয়, কিন্তু আমি যে দেখলাম আলো একটু কণার মতও আচরণ করে।

আইন্সটাইনঃ আলো কণা এবং তরঙ্গ, দুইটাই।

এই রকম ‘কথাবার্তা’র মধ্যে দিয়েই কোয়ান্টাম মেকানিক্স এর জন্ম হয়। আলো কি? আমরা অনেক জায়গায় আলো ‘দেখি’। দিনের বেলা জানালা দিয়ে বাইরে তাকালে আলো দেখতে পাবেন। রাতের বেলা ইলেক্ট্রিক বাতির সুইচ অন করলেও আলো দেখতে পাবেন। কিন্তু আমরা কি আসলেই আলো ‘দেখতে’ পাই? না, আসলে আমরা আলো দেখি না। আলো যে বস্তুর উপরে পরে, আমারা সেই বস্তু দেখতে পাই। যেখানে আলোর পরিমাণ যত বাড়ানো হয়, সেখানে কোন বস্তুকে আমরা তত বেশি উজ্জ্বল দেখি। সেই জন্যওই হয়ত আমাদের মনে হয় যে আমরা আলো দেখছি। আসলে কোন আলোর উৎস থেকে আলো বের হয়ে এসে তা কোন বস্তুর উপরে পরে, সেখান থেকে আলো প্রোতিফলত হয়ে এসে আমাদের চোখে পরলে আমরা সেই বস্তু দেখতে পাই। কিন্তু এই আলোটা আসলে কি? এটা কি দিয়ে তৈরি? এটা কিভাবে চলাচল করে? এইসব প্রশ্নের উত্তর দেওয়ার জন্য বিজ্ঞানীরা কিছু তত্ত্ব দিলেন। কেউ বললেন যে আলো তরঙ্গ, কেউ বললেন যে আলো কণা। বিজ্ঞানীরা অনেক পরীক্ষা নীরিক্ষার ফলফল দেখে মোটামুটি নিশ্চীত হলেন যে আলো তরঙ্গ। তারা মনে করেছিলেন যে সমদ্রের উপর দিয়ে যেভাবে ঢেউ সঞ্চালিত হয়, তেমনি আলো ইথার নামক এক কাল্পনিক মাধ্যমের মধ্যে দিয়ে চলে। এ সময় ইয়ং তার বিখ্যাত দ্বি চির পরিক্ষাটি করেন। এ পরীক্ষায় একটি পর্দার মাঝখানে ২টি চির কাটা হয়। এর এক পাশে একটি আলোক উৎস থাকে। এরফলে পর্দার অন্য পাশে আলো ও আধারের ডোরাকাটা দাগ দেখা যায়।

এই ঘটনা এত অল্প জায়গায় ব্যাখা করা কঠিন। তবে এটা একটা দৈনিক উদাহরণ দেওয়ার চেষ্টা করে দেখতে পারি। ধরুন, আপনি একটি স্থির পুকুরে একটি ঢিল ফেললেন, তাহলে ঢিলটি পরার জায়গা থেকে বৃত্তাকারে চারিদিকে স্রোত ছড়িয়ে যাবে। এখন যদি আপনি খুব কাছাকাছি ২টি ঢিল একই সময়ে ফেলেন, তাহলে পুকুরের অপর প্রান্তে কোন কোন জায়গায় ২ই স্রোতের চূড়া একই সাথে পৌছাবে ফলে তীব্র স্রোতের সৃষ্টি হবে, আবার কোথাও কোথাও কিছুই থাকবে না। এখানে দেওয়া ছবিটা দেখে ঘটনাটা অনুমান করতে পারেন।

এরকম ঘটনা শুধুমাত্র তরঙ্গের ক্ষেত্রেই ঘটা সম্ভব, কোন কণার পক্ষে কোন ভাবেই ঘটা সম্ভব না। শুধুমাত্র তরঙ্গই পারে এভাবে ডোরাকাটা প্যাটার্ন সৃষ্টি করতে পারে। নিশ্চয় একটা দেওয়ালের মধ্যে পাশাপাশি ২টা লম্বা গর্ত করে তার মধ্য দিয়ে মেশিনগান দিয়ে গুলি করলে দেওয়ালের অন্য পাশে গুলির দাক ডোরাকাটা প্যাটার্ন তৈরি করবে না। সে যাই হোক, ঊনবিংশ শতাব্দীতে জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল দেখান যে আলো আসলে ইলেক্ট্রম্যাগনেটিক তরঙ্গ, তবে সে যাই হক, আলো যে এক প্রকার তরঙ্গ, সে ব্যাপারে কার কোন সন্দেহ ছিল না।কিন্তু ঊনবিংশ শতাব্দীর শেষের দিকে বিজ্ঞানীরা এমন কিছু আবিষ্কার করলেন যা থেকে কোন ভাবেই মনে হবে না যে আলো এক প্রকার তরঙ্গ। যেমন, আলো ইলেক্ট্রনকে ধাক্কা দিয়ে সরিয়ে দিতে পারে, একাজ কণা ছাড়া সম্ভব না। এরকম আরও কিছু অবজার্ভেশন ব্যাখা আলোর তরঙ্গ তত্ত্ব কোন ভাবেই দিতে পারে না। আবার প্রতিফলন, প্রতিসরণ, ব্যাতিচার ইত্যাদি তরঙ্গ ছাড়া ব্যাখা করা যায় না। এসময় আইন্সটাইন তার নোবেল বিজয়ী ধারণা পেশ করলেন যে আলো একই সাথে কণা এবং তরঙ্গ ২টাই। এটা অনেকে মেনে নিলেন, অনেকে আবার প্রতিবাদ করলেন, কিন্তু আইন্সটাইন এর যুক্তিতে কোন ভুল ছিল না। এসময় ডি ব্রগলী ভাবলেন যদি আলো, যাকে আমরা এতদিন তরঙ্গ ভাবতাম, সেটা কণার মত আচরণ করে, তাহলে যেটাকে আমরা এতদিন কণা ভেবেছি সেটাও হয়ত কিছুটা তরঙ্গের মত কাজ করতে পারে। তিনি এই চিন্তা মাথায় রেখে হাইড্রজেন পরমাণুর ভিতরে ইলেক্টনকে অনেক সুন্দর ভাবে ব্যাখা করতে পেরেছিলেন। তখনও বিজ্ঞানীরা এই ধারণার গুরুত্ত্ব বুঝতে পারেননি। এরপর ইলেক্ট্রন এর তরঙ্গ ধর্ম দেখার জন্য ইলেক্ট্রন (আসলে বিটা রশ্মি) দিয়ে ইয়ং এর দ্বি চির পরীক্ষাটি করা হল। ইলেক্ট্রন যে মেশিনগান এর বুলেটের মত একটি কণা, সে বিষয়ে তো কারোই সন্দেহ নাই। ইলেক্ট্রন তো সাধারণ পদার্থের একটি উপাদান, তার উপর এর ভর আছে। তাহলে বলাই যায় যে ইলেক্ট্রন দিয়ে ইয়ং এর দ্বি চির পরীক্ষা করা আর মেশিনগান দিয়ে করা একই কথা। কিন্তু এ পরীক্ষা করে দেখা গেল যে পর্দার অন্য পাশে ইলেক্ট্রন ডোরাকাটা প্যাটার্ণ সৃষ্টি করছে। এমনকি যখন ইলেক্ট্রন গান থেকে মাত্র একটা একটা করে ইলেক্ট্রন ফায়ার করা হল তখনও একই প্যাটার্ণ দেখা গেল। কেউ যদি সেই গর্তয়ালা দেয়ালের মধ্য দিয়ে একটি মেশিন গান নিয়ে একটা একটা করে গুলি করে তাহলে সে নিশ্চ্য় অন্য পাশে দেখবে না যে গুলি গুলা প্যাটার্ণ সৃষ্টি করছে। কিন্তু ইলেক্ট্রন নিয়ে পরীক্ষা করে বিজ্ঞানীরা হুবুহু সেটাই দেখলেন, তারা দেখলেন যে ইলেক্ট্রনও আলোর মত প্যাটার্ণ সৃষ্টি করে।

এই ডোরাকাটা দাগের পুরুত্ব দেখে কোন তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্য বলে দেওয়া যায়। বিজ্ঞানীরা হিসেব করে দেখলেন যে এই তরঙ্গদৈর্ঘ্য ডি ব্রগলীর হিসাবের সাথে মিলে যায়। ডি ব্রগলী এই তরঙ্গের নাম দিলেন matter wave বা পদার্থ তরঙ্গ। তার মতে সব বস্তুই এক প্রকার তরঙ্গ। সব বস্তুই তরঙ্গের মত আচরণ করে। তার মতে তরঙ্গ ও কণা অভিন্ন নয়, একই জ়িনিষ। কিন্তু আমাদের আশেপাশের দৈনিক সকল বস্তুর আকার এবং ভর এত বেশি যে তাদের তরঙ্গের আচরণ দেখা বা বুঝা সম্ভব না। এই যুক্তির পিছে আরও অনেক পরীক্ষা ও অবজার্ভেশন ছিল। এখন কোনও বিজ্ঞানীর মধ্যে এই তত্ত্ব নিয়ে কোন সন্দেহ নেই। বর্তমানে শুধু ইলেক্ট্রন প্রোটন নয়, অণু নিয়েও এ পরীক্ষা করে ডোরাকাটা প্যাটার্ণ পাওয়া গেছে। এই পদার্থের তরঙ্গের ন্যায় আচরণ আর তরঙ্গের কণার মত আচরণ, এটাকে বলা হয় wave particle duality বা তরঙ্গ কণা দ্বৈততা। এই তত্ত্ব দিয়েই কোয়ান্টাম মেকানিক্সের যাত্রা শুরু। কোয়ন্টাম মেকানিক্স এভাবেই আরও অনেক তত্ত্ব দিয়ে গেছে, যা আমাদের মনে হয় অদ্ভুত, অসম্ভব এবং কোন কোন ক্ষেত্রে সাইন্স ফিকশন এর থেকেও বেশি আজগুবি, কিন্তু প্রতি বারই পরীক্ষা করে দেখা যায় যে কোয়ান্টাম মেকানিক্স ঠিক ছিল। আসলেই কোয়ান্টাম মেকানিক্স সঠিক বলেই আমরা মডার্ণ ইলেক্ট্রনিক্স, এম আর আই, লেজার, ট্রান্সিস্টর, কম্পিউটার এবং আরো হাজার হাজার উপহার পেয়েছি। আমাদের আধুনিক পদার্থ বিজ্ঞান, রসায়ন এমনকি জীব বিজ্ঞানের সব জ্ঞানের ভিত্তি প্রস্থরও এই কোয়ান্টাম মেকানিক্স। এজন্যই কোয়ান্টাম মেকানিক্স এর এত দাম।