प्रोटॉन के भीतर, ‘कल्पना की जा सकने वाली सबसे जटिल चीज़’

 (quantamagazine.org)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-02-15 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • परमाणु नाभिक का प्रोटॉन एक quantum-mechanical object है, जो experimental setup के अनुसार बिल्कुल अलग आंतरिक संरचना दिखाता है; इसलिए पूरी तस्वीर के करीब पहुंचने के लिए कई पीढ़ियों के scattering experiments को जोड़ना पड़ता है
  • 1967 में SLAC की deep inelastic scattering ने पहला प्रमाण दिया कि electron, प्रोटॉन के भीतर मौजूद point-like टुकड़ों—quarks—से टकराता है; इसके बाद सैकड़ों experiments ने आंतरिक संरचना की और बारीक जांच की
  • तीन-quark model प्रोटॉन के +1 charge को समझाता है, लेकिन spin और mass को पर्याप्त रूप से नहीं समझा पाता, इसलिए quarks, gluons और antiquarks से उलझी हुई एक अधिक जटिल तस्वीर की जरूरत पड़ती है
  • HERA ने SLAC से लगभग 1,000 गुना अधिक शक्तिशाली collisions के जरिए कुल momentum के 0.005% स्तर वाले low-momentum quarks और antiquarks के समुद्र को देखा, जिससे QCD की predictions को समर्थन मिला
  • पिछले 50 वर्षों में लिए गए प्रोटॉन के 5,000 से अधिक snapshots का machine learning से विश्लेषण करने पर संकेत मिला कि प्रोटॉन से भी भारी charm quark अधिक स्थायी रूप से मौजूद हो सकता है, जिसका असर LHC और cosmic-ray neutrino की व्याख्या पर भी पड़ सकता है

प्रयोग के अनुसार प्रोटॉन अलग-अलग चेहरे दिखाता है

  • प्रोटॉन परमाणु के केंद्र में मौजूद positive-charge particle है, लेकिन उसे classical “बिना विशेषता वाली गेंद” या सिर्फ तीन quarks के सरल गुच्छे से समझाना पर्याप्त नहीं है
  • quantum-mechanical object होने के कारण प्रोटॉन, जब तक कोई experiment कोई ठोस रूप थोपता नहीं, probability की धुंध की तरह मौजूद रहता है; और experimental setup के अनुसार उसका देखा गया रूप बहुत बदल जाता है
  • MIT के Mike Williams ने प्रोटॉन को “कल्पना की जा सकने वाली सबसे जटिल चीज़” कहा, और Richard Milner का आकलन है कि physicists अब जाकर इस system को पूर्ण तरीके से समझना शुरू कर रहे हैं
  • अगस्त 2022 में प्रकाशित बड़े पैमाने के data analysis ने प्रोटॉन के अंदर ऐसे charm quark के निशान खोजे, जो प्रोटॉन खुद से भी भारी है

SLAC ने प्रोटॉन के भीतर का पहला सुराग खोला

  • 1967 में Stanford Linear Accelerator Center, SLAC ने electrons को बहुत तेज़ी से दागकर प्रोटॉन को तोड़ने वाली deep inelastic scattering की
  • electron बिलियर्ड गेंद की तरह उछलकर निकलने के बजाय, प्रोटॉन के भीतर point-like टुकड़ों यानी quarks से टकराया हुआ जैसा scatter हुआ
  • यह परिणाम quarks के वास्तव में मौजूद होने का पहला प्रमाण बना, और संबंधित खोज 1990 के Nobel Prize in Physics तक पहुंची
  • इसके बाद physicists यह नियंत्रित करते रहे कि electrons को कितनी ताकत से दागना है और scattering के बाद कौन-से particles इकट्ठा करने हैं, ताकि प्रोटॉन के भीतर के अलग-अलग पहलुओं का अनुमान लगाया जा सके

ऊर्जा जितनी अधिक, संरचना उतनी छोटी दिखती है

  • अधिक ऊर्जा वाले electrons प्रोटॉन के भीतर को अधिक high resolution में देखने देते हैं
  • scattered electron की energy और trajectory मापने से पता चल सकता है कि electron प्रोटॉन के कुल momentum का बड़ा हिस्सा लिए quark से टकराया था या सिर्फ छोटा हिस्सा लिए quark से
  • बार-बार collisions के जरिए जांचा जा सकता है कि प्रोटॉन का momentum कुछ quarks में बंधा है या कई components में फैला है
  • SLAC-स्तर की collisions में अक्सर ऐसा परिणाम आया कि electron प्रोटॉन के कुल momentum का लगभग एक-तिहाई लिए quark से टकराया था; यह Murray Gell-Mann और George Zweig द्वारा 1964 में प्रस्तावित तीन-quark model से मेल खाता था

तीन-quark model की व्याख्यात्मक शक्ति और सीमाएं

  • Gell-Mann और Zweig का quark model प्रोटॉन को दो up quarks और एक down quark से समझाता है
    • up quarks में प्रत्येक का charge +2/3 होता है
    • down quark का charge −1/3 होता है
    • कुल मिलाकर यह प्रोटॉन का +1 charge बनता है
  • लेकिन यह model प्रोटॉन के spin को समझाने में विफल रहता है
    • प्रोटॉन का spin 1/2 होता है
    • up quark और down quark दोनों का spin भी 1/2 होता है
    • शुरुआत में माना गया कि दो up quarks के spin से down quark का spin घटाने पर प्रोटॉन का spin 1/2 बन जाता है
    • 1988 में European Muon Collaboration ने रिपोर्ट किया कि quark spins का योग 1/2 से बहुत कम है
  • mass में भी सीमाएं सामने आती हैं
    • दो up quarks और एक down quark का mass, प्रोटॉन के कुल mass का केवल लगभग 1% है
    • प्रोटॉन में सिर्फ तीन quarks से कहीं अधिक चीज़ें शामिल हैं

HERA ने quarks और antiquarks का समुद्र दिखाया

  • जर्मनी के Hamburg स्थित Hadron-Electron Ring Accelerator, HERA का संचालन 1992 से 2007 तक हुआ और इसने electrons को प्रोटॉन से SLAC की तुलना में लगभग 1,000 गुना अधिक ताकत से टकराया
  • HERA experiments में ऐसे electrons तक चुनकर विश्लेषित किए जा सके जो प्रोटॉन के कुल momentum का केवल 0.005% लिए अत्यंत low-momentum quarks से उछले थे
  • परिणामस्वरूप low-momentum quarks और उनके antimatter counterparts, antiquarks, की घूमती हुई संरचना देखी गई
  • यह 1970 के दशक में विकसित quantum chromodynamics (QCD) को समर्थन देता है
    • QCD quarks के बीच strong force को समझाने वाली quantum theory है
    • quarks force-carriers gluons द्वारा बंधे रहते हैं
    • quarks और gluons के पास red, green, blue से दिखाए जाने वाले तीन प्रकार के color charge होते हैं
    • प्रोटॉन जैसे particles ऐसे combinations बनाते हैं जिनमें colors मिलकर neutral white बन जाते हैं

QCD द्वारा दिखाए गए strong collisions और calculation की सीमाएं

  • QCD के अनुसार gluons क्षणिक energy boost पाकर quark-antiquark pairs में टूट सकते हैं
  • ये pairs बहुत छोटा momentum लेने के बाद फिर annihilate हो जाते हैं, और HERA ने ऐसे temporary gluons, quarks और antiquarks के “समुद्र” को detect किया
  • HERA में जितने low-momentum quarks देखे गए, ऐसे quarks उतने ही अधिक दिखाई दिए; इससे संकेत मिला कि और high-energy collisions में प्रोटॉन लगभग gluon cloud जैसा दिखेगा
  • Milner ने HERA data को इस बात का प्रत्यक्ष experimental evidence बताया कि QCD प्रकृति को समझाता है
  • लेकिन QCD में calculation आसान तभी होती है जब strong force अपेक्षाकृत कमजोर हो
    • strong force तब कमजोर हो जाती है जब quarks बहुत पास होते हैं
    • यह short-lived quark-antiquark pairs में लागू होता है
    • इसके उलट, SLAC जैसी gentle collisions में दिखने वाले तीन long-lived quarks एक-दूसरे से पर्याप्त दूरी पर होते हैं, जिससे calculation बहुत कठिन हो जाती है
  • Frank Wilczek, David Gross और David Politzer ने 1973 में QCD की इस विशेषता की पहचान की, और 31 साल बाद Nobel Prize प्राप्त किया

charm quark ने प्रोटॉन की नई तस्वीर जोड़ी

  • Juan Rojo के नेतृत्व वाली research team ने पिछले 50 वर्षों में प्राप्त प्रोटॉन के 5,000 से अधिक snapshots का विश्लेषण किया
  • इस analysis ने theoretical guesses को bypass करते हुए, प्रोटॉन के भीतर quarks और gluons की motion का अनुमान लगाने के लिए machine learning का उपयोग किया
  • अपेक्षाकृत weak collisions में अधिकतर momentum परिचित तीन quarks—दो up quarks और एक down quark—में बंधा हुआ था
  • लेकिन momentum की छोटी मात्रा charm quark और charm antiquark से आती हुई दिखाई दी
    • charm quark और charm antiquark, प्रत्येक ऐसे elementary particles हैं जो पूरे प्रोटॉन से एक-तिहाई से भी अधिक भारी हैं
    • gluon के पास पर्याप्त energy हो तो वह छह प्रकार के quarks में से किसी में भी टूट सकता है, इसलिए short-lived charm “quark sea” वाली तस्वीर में अक्सर दिखाई देता है
  • Rojo team के परिणाम संकेत देते हैं कि charm की मौजूदगी अधिक स्थायी हो सकती है
    • gentle collisions में electron आमतौर पर तीन light quarks से मिलता है
    • कभी-कभी वह दुर्लभ five-quark molecule state से मिल सकता है, जिसमें up, down, charm quarks एक तरफ हों और up quark व charm antiquark दूसरी तरफ हों

LHC और cosmic-ray observations की व्याख्या के लिए जरूरी input values

  • प्रोटॉन की सूक्ष्म आंतरिक संरचना Large Hadron Collider में नए elementary particles खोजने की व्याख्या को प्रभावित कर सकती है
  • LHC में high-speed protons को आपस में टकराकर देखा जाता है कि क्या निकलता है, इसलिए collision से पहले प्रोटॉन के भीतर क्या है यह जानना जरूरी है
  • अगर भारी charm quark कभी-कभी दिखाई देता है, तो अधिक exotic particles बनने की probability calculations डगमगा सकती हैं
  • जब cosmic-ray protons पृथ्वी के वायुमंडल के protons से टकराते हैं, तब भी अगर charm quark सही क्षण पर दिखाई दे तो अतिरिक्त high-energy neutrinos बन सकते हैं
    • researchers ने 2021 में calculation किया कि यह effect पृथ्वी पर और अधिक high-energy neutrinos बरसा सकता है
    • यह अंतरिक्ष से आने वाले high-energy neutrinos को खोजने वाले observers को भ्रमित कर सकता है

अगला experiment 3D structure और spin map को लक्ष्य बनाएगा

  • Rojo की collaboration team charm quark और charm antiquark के बीच imbalance खोजते हुए प्रोटॉन की पड़ताल जारी रखने की योजना बना रही है
  • top quark जैसे और भारी components भी कहीं अधिक दुर्लभ और detect करने में कठिन रूपों में दिखाई दे सकते हैं
  • Brookhaven National Laboratory के physicists 2030 के दशक में Electron-Ion Collider चालू करके HERA के बाद के high-resolution proton snapshots प्राप्त करना चाहते हैं
  • EIC प्रोटॉन का पहला 3D reconstruction संभव बना सकता है
  • साथ ही rotating electrons का उपयोग करके भीतर के quarks और gluons का spin map बनाने की योजना है
    • यह SLAC और HERA द्वारा momentum को map करने के अनुरूप काम है
    • इससे प्रोटॉन spin की उत्पत्ति को सीमित करने और रोजमर्रा की दुनिया का अधिकांश हिस्सा बनाने वाले इस particle पर बुनियादी सवालों को संबोधित करने में मदद मिल सकती है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-02-15
Hacker News की राय

  • लेख पूरा पढ़ने के बाद मेरे मन में थोड़ा मूर्खतापूर्ण सा विचार आया। इलेक्ट्रॉन एक मूलभूत कण है, इसलिए प्रोटॉन की तुलना में “सरल” है, लेकिन इलेक्ट्रॉन का आवेश -e है और प्रोटॉन का +e, यानी दोनों के आवेश बिल्कुल पूरक हैं
    अगर प्रोटॉन इतना जटिल अस्तित्व है, तो जिज्ञासा होती है कि कौन सा नियम उसे इलेक्ट्रॉन के ठीक विपरीत आवेश देता है। यह +1.8e, +3e, 0.1666e नहीं बल्कि ठीक +e ही क्यों है, और यह भी जानना चाहता हूँ कि क्या यह सवाल अपने-आप में वैध है
    पॉज़िट्रॉन इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण है, इसलिए उसका +e होना समझ में आता है, लेकिन प्रोटॉन कई मूलभूत कणों के जटिल उलझाव से बना होने के बावजूद ठीक +e होता है, यह अजीब लगता है

    • अब तक आए जवाबों में कोई भी सही जवाब नहीं है, और https://physics.stackexchange.com/questions/21753/why-do-ele... में सही उत्तर है। मुख्य बात यह है कि gauge anomaly cancellation की वजह से Standard Model में quark और lepton के आवेश उसी तरह के मान लेने के लिए बाध्य होते हैं
      अगर आप quark confinement को मानते हैं, और इसे गणना, सिद्धांत और प्रयोग—तीनों से बहुत मज़बूत समर्थन मिला है, तो इससे यह भी स्वाभाविक रूप से निकलता है कि प्रोटॉन का आवेश ठीक +1 हो
    • PBS Space Time का fine-tuned universe वीडियो इस विषय को अच्छी तरह कवर करता है। विचार यह है कि असंतुलित ब्रह्मांड में जीवन बन ही नहीं सकता, इसलिए ऐसी बातचीत भी संभव नहीं होती
      या तो अनंत ब्रह्मांड हैं और हम उसी उपयुक्त ब्रह्मांड में मौजूद हैं, या फिर ब्रह्मांड सिर्फ एक है और वही संयोग से सही निकला—दोनों ही हालात में हम काफ़ी भाग्यशाली हैं
      https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
    • इसे ऐसे समझिए कि हवा में कई support points हैं और चीज़ें उन पर गिर रही हैं। जो चीज़ें इन support points पर गिरती हैं, अगर वे आपस में संतुलन नहीं बना पातीं तो झुक जाती हैं और चीज़ें गिरती रहती हैं, अंत में सभी support points संतुलन में आ जाते हैं
      ये चीज़ें तब तक इकट्ठी होती रहती हैं जब तक पर्याप्त स्थिरता न मिल जाए, और अगर स्थिर रूप मौजूद हों तथा उनकी संख्या पर्याप्त हो, तो अंततः बहुत से स्थिर रूप बन जाते हैं। यह किसी जादू से संतुलन बन जाना नहीं, बल्कि स्थिर अवस्था में बैठ जाने की प्रक्रिया के ज़्यादा क़रीब है, और अब भी बहुत सा पदार्थ अस्थिर है
    • इसे charge quantization कहा जाता है, और आधुनिक सिद्धांत भी इसका निर्णायक स्पष्टीकरण नहीं देता। अच्छे तर्क ज़रूर हैं, लेकिन बात अभी इस स्तर तक तय नहीं हुई कि “इसे ऐसा ही होना ही था”
      इसका संबंध discrete symmetry के रूप में C symmetry से है, और कुछ पहलू Lorentz invariance से भी जुड़े हैं
    • किसी को नहीं पता। यही बड़े रहस्य का एक हिस्सा है
      लेकिन एक अर्थ में “ऐसा होना ज़रूरी” भी है। अगर आवेश का यह संतुलन न हो, तो हमारे जानने वाले परमाणु मौजूद नहीं होते, और वह chemistry भी नहीं होती जो हमारे रहने योग्य स्थूल जगत का निर्माण करती है

  • मुझे इस बात पर संदेह नहीं कि quantum physicists जानते हैं कि वे क्या कह रहे हैं, लेकिन “जाँचने के तरीके के अनुसार रूप बदल जाता है”, “यह कितना जटिल है इसकी कल्पना भी नहीं की जा सकती”, “इसमें उस charm quark के निशान भी हैं जो प्रोटॉन से भारी है” जैसे वाक्य सुनकर लगता है जैसे कोई छात्र गलत गणना के लिए शिक्षक को बहाना दे रहा हो

    • यह विरोध कितना चरम है, इसे ज़ोर देकर कहें तो, quantum mechanics सिर्फ़ एक predictive model के रूप में सही नहीं है, बल्कि मानवता द्वारा बनाई गई सबसे सटीक physical theory है। मापे गए मानों में valid significant digits किसी भी दूसरी theory से ज़्यादा हैं
    • ऐसे विषयों पर लिखने वाले popular science लेखकों की स्थिति कुछ-कुछ शिक्षकों जैसी होती है। असली physics जटिल गणित में व्यक्त होती है, और उसे आसान English में ठीक से अनुवाद करना आसान नहीं है
    • यह ग़लत नहीं है, लेकिन शायद स्थिति उस दौर से ज़्यादा मिलती-जुलती है जब geocentrism में ग्रहों के आकाश में खींचे गए विचित्र पथों को समझाया जाता था। बस यहाँ मॉडल बदलने के लिए सूर्य जैसी किसी दूसरी संदर्भ-वस्तु का इस्तेमाल नहीं किया जा सकता
      शायद अगर spacetime के बाहर की किसी चीज़ को देखा जा सके, तो कोई सुलभ छिपी हुई superstructure मिले, लेकिन तब तक अनुमान को छोड़ दें तो हमारे पास फिलहाल spacetime reduction ही है
      (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
    • quantum mechanics गणित के साथ जुड़ा हुआ धर्म जैसा लगता है। ऐसे अध्ययन हुए हैं जिनमें देखा गया कि theoretical physicists रोज़मर्रा में quantum mechanics का उपयोग करते हुए भी क्या इस क्षेत्र की सबसे बुनियादी मान्यताओं पर सहमत हैं, और निष्कर्ष यह था कि वे लगभग हर पहलू पर एक-दूसरे से असहमत हैं
      साथ ही हर व्यक्ति मान लेता है कि उसकी अपनी राय सही है और बाकी सब भी उसी से सहमत हैं। सहमति की जगह संप्रदाय हैं, जो लगातार बँटते रहते हैं लेकिन बहुमत की जगह नहीं ले पाते; Copenhagen interpretation जैसी orthodox धारा है, और Everett जैसे सीमा लाँघने वालों को बाहर करने का ढंग विज्ञान से ज़्यादा धर्म जैसा लगता है
      एक और लक्षण यह है कि लोगों से साफ़ तौर पर बेतुकी बात कहलवाना और करवाना, ताकि उनकी निष्ठा साबित हो। ईसाई धर्म में Trinity कुछ ऐसा करती है, और quantum mechanics में wave-particle duality वैसी भूमिका निभाती है। किलोमीटर-लंबी wavelength वाला point particle बेतुका लगता है, फिर भी आपसे कहा जाता है कि radio waves photons से बनी हैं, इस पर विश्वास करो
      जब सबको एक पंक्ति में खड़ा कर देने लायक पर्याप्त प्रमाण न हों, तब हर कबीले की सबसे अच्छी दलील का “हमारे कबीले के मुखिया ने ऐसा कहा” में बँट जाना, मानवीय magical thinking और धार्मिक प्रवृत्ति को उजागर करता है

  • ऐसे लेख पढ़कर लगता है जैसे कोई सेब को हथौड़े से ठोकता जाए, हर बार और ज़ोर से मारे, और फिर निष्कर्ष निकाले कि सेब चपटा और लिसलिसा है। शायद और ज़ोर से मारने पर वह कहे कि सेब कागज़ जितना पतला और गरम है
    जिज्ञासा होती है कि इन collision experiments में बने कुछ कण वास्तव में टकराने वाली वस्तु के भीतर पहले से मौजूद थे, न कि cosmic microwave background से उछलकर आए, यह कैसे पता चलता है

    • मूल रूप से बहुत छोटी जगह में बहुत ज़्यादा ऊर्जा डालकर underlying field को झटका दिया जाता है, और जो तरंगें बनती हैं उन्हें कणों के रूप में मापा जाता है। एक अर्थ में यह पहले से मौजूद कणों को खोजने से ज़्यादा, उच्च ऊर्जा और छोटे स्केल पर field कैसे व्यवहार करता है, उसे मापना है
    • लेख पढ़ते हुए मेरे मन में भी इसी विचार का एक धुंधला रूप आया था। खासकर यह हिस्सा: “शोधकर्ताओं ने हाल ही में पाया है कि proton कभी-कभी top quark और top antiquark को शामिल करता है, जबकि ये विशाल कण अपने-अपने स्तर पर proton से भी भारी होते हैं”
      शोधकर्ताओं ने निश्चित ही इस पर विचार किया होगा और इसका अच्छा स्पष्टीकरण भी होगा, लेकिन मैं उसे समझ पाऊँगा या नहीं, यह अलग बात है
    • वे cosmic microwave background से नहीं आते। वह बहुत कमजोर है। उसकी जगह, डाली गई ऊर्जा pair production के ज़रिए ऐसे कण बना सकती है
      एक और अजीब चीज़ virtual particles हैं, जो ऊर्जा के बिना भी प्रकट हो सकते हैं। वे उसी quantum field की अभिव्यक्ति होने के अर्थ में वास्तविक ऊर्जा वाले कणों जैसे हैं, उदाहरण के लिए top quark field, लेकिन क्योंकि वे ऊर्जा लेकर नहीं चलते, वे ज़्यादा देर तक जीवित नहीं रह सकते
      दुनिया बहुत अजीब है, लेकिन गणित काम करता है। proton, up quark और down quark quantum fields की एक उबलती हुई ऊर्जा-गोले जैसी चीज़ के अधिक करीब है, जो जटिल color strong force से एक जगह “बंधे” रहते हैं। उसके भीतर इतनी ऊर्जा है जो बाहर निकलना चाहती है लेकिन निकल नहीं पाती, इसलिए कुछ-न-कुछ लगातार बनता और मिटता रहता है

  • “proton एक quantum-mechanical वस्तु है, जो प्रयोग उसे ठोस रूप देने से पहले संभावनाओं की धुंध के रूप में मौजूद रहती है” जैसी अभिव्यक्तियों से मैं धीरे-धीरे थक गया हूँ
    मैं 100% मानता हूँ कि quantum mechanics लगातार परिष्कृत होती जा रही observations पर आधारित हमारी वर्तमान समझ को model करने का एक उपयोगी tool है, लेकिन यह मानना मूल रूप से कठिन है कि proton किसी के आकर उसके बारे में सोचने से पहले तक एक रूप बदलता हुआ ऊर्जा-सूप है
    हाँ, अगर वास्तविकता एक simulation हो जो approximate तरीके से compute की जाती हो और केवल देखे गए हिस्सों पर महंगे compute resources खर्च किए जाते हों, तो बात अलग है। और मैं simulation hypothesis से भी थक चुका हूँ
    मुझे सच में संदेह होता है कि शायद हम या तो पर्याप्त अच्छी तरह observe नहीं कर पाते, या फिर हम इतने dimensions में मौजूद नहीं हैं कि जिस चीज़ को देख रहे हैं उसे समझ सकें, इसलिए जिन cross-sections को हम तय कर पाते हैं वे किसी probabilistic system का हिस्सा लगते हैं। फिर भी, मैं अब भी इस संभावना पर दाँव लगा रहा हूँ कि यह सब एक बहुत बड़ा Game of Life हो सकता है

    • उलटे, जब लोग उन सवालों के स्पष्ट और सटीक जवाब की अपेक्षा करते हैं जिनका उत्तर मुख्यतः या बेहतर तरीके से probability distribution के रूप में दिया जा सकता है, तो मुझे थोड़ा चिढ़ होती है
      Buffon’s needle जैसे वास्तविक दुनिया के statistical experiments को सोचें तो लगता है कि वास्तविकता के भीतर ही कुछ बहुत “statistical” चीज़ गहराई से मौजूद होनी चाहिए। quantum mechanics बस उसे बहुत दूर तक ले जाती है, इसलिए वह जटिल लग सकती है
    • मेरी निजी समझ में, जब मैंने मूलभूत कणों को केवल probability waves की तरह देखना शुरू किया, तब समस्या काफी हद तक सुलझ गई। measurement बस interaction है, जो तरंग को और संकरा रूप देता है। लेकिन कण कभी भी निश्चित स्थिति या संवेग वाले point particles नहीं बनते; उनमें हमेशा कुछ न कुछ धुंधलापन रहता है
      जब कण macro objects से बंधते हैं, तो वे अधिक तीक्ष्ण हो जाते हैं, और नतीजतन वे जिन दूसरे मूलभूत कणों को “measure” करते हैं, उन्हें भी अधिक तीक्ष्ण बना सकते हैं। इसके विपरीत, जब वे slit के किनारे जैसे macro objects के अधिक धुंधले हिस्सों के साथ interact करते हैं, तो कण और धुंधले और अधिक wave-like हो सकते हैं
      इसलिए proton वास्तव में रूप बदलता हुआ सूप ही है, उससे अलग कुछ नहीं। अगर उसे पर्याप्त ज़ोर से मारा जाए, तो वह क्षण भर के लिए थोड़ी अधिक तीक्ष्ण अवस्था में perturb होता है और कुछ बताता है, लेकिन अंदर की अराजक microscopic interactions के कारण तुरंत फिर सूप बन जाता है
      पदार्थ साफ़-सुथरा सिर्फ macro स्तर पर दिखता है; particle स्तर पर वह हमेशा धुंधला है। बस धुंधली “waves” के बीच energy और momentum exchange को बताने वाला गणित छोटे उछलते गोले जैसा दिखता है, इसलिए छोटे गोले की धारणा छोड़ना कठिन है। मेरा मानना है कि यह संयोग से ऐसा है क्योंकि सभी forces में कुछ हद तक spherical symmetry होती है
    • quantum field theory मानवता द्वारा विकसित सबसे अच्छी तरह सत्यापित physical theories में से एक है, और यह वैसी “धुंध” नहीं है जैसी popular science लेखन अक्सर बताता है
      यहाँ “संभावनाओं की धुंध” का मतलब सिर्फ इतना है कि experimental predictions बनाने के लिए proton के भीतर gluons और quarks की हर संभव arrangement को बार-बार गणना करना पड़ता है
      गणना की मात्रा बेहिसाब है, लेकिन वैचारिक रूप से यह यह कहने से न बेहतर है न बदतर कि कण Newtonian equations के अनुसार चलने वाली billiard balls हैं। बस हम बाद वाली तस्वीर के ज़्यादा अभ्यस्त हैं, और अगर आप lattice QCD जैसी चीज़ों से काम करें तो electrons को “वास्तविक” underlying physical rules मानने की आदत भी पूरी तरह पड़ जाती है
    • अगर मैंने सही समझा है, तो वह hidden variable theory है। Bell’s theorem कहता है कि ऐसी theory कम-से-कम non-local तो होनी ही चाहिए, और वह भी काफ़ी अजीब और दिलचस्प है
    • मेरी समझ के मुताबिक wavefunction सिर्फ तब collapse नहीं करता जब कोई उसे observe करे, बल्कि जब वह किसी physical event में भाग लेता है तब भी collapse करता है
      “proton किसी के आकर उसके बारे में सोचने से पहले तक बना ही नहीं होता, बस रूप बदलता quantum energy soup होता है” — यह popular science में दिखने वाली आम छवि है, लेकिन इसे शाब्दिक रूप से सच नहीं माना जा सकता। quantum mechanics तो observers और thinkers के आने से पहले भी ठीक-ठाक मौजूद था

  • एक प्रोफेसर अक्सर कहते थे कि proton एक कूड़ादान है
    इसी वजह से LHC समेत hadron colliders को बहुत उच्च luminosity, यानी collision rate, पर चलाना पड़ता है। दो protons को टकराने पर वास्तव में interact करने वाला हिस्सा अक्सर कुल ऊर्जा का बहुत छोटा अंश ही रखता है, इसलिए जिस रोचक high-energy physics को probe करना चाहते हैं, वह अक्सर मिलती ही नहीं

  • “असल में यह कितना जटिल है, इसकी कल्पना भी नहीं की जा सकती” इस वाक्य पर, शायद कोई इसकी कल्पना कर सकता था। नहीं तो लगता है कि इतनी सारी जटिलता ने बहुत बड़ी संख्या में bugs पैदा कर दिए होते और ब्रह्मांड crash हो गया होता

    • शायद बाकी सभी instances crash हो गए, और हम बस किस्मत से बचे हुए हैं तथा anthropic principle लागू कर रहे हैं
      असली सवाल यह है कि हम bare metal पर चल रहे हैं, virtual machine में, या container में
    • यह हमेशा simulation hypothesis के ख़िलाफ़ सबसे अच्छे तर्कों में से एक लगा है
    • बस थोड़ा-सा abstraction चाहिए। बस leaky abstraction नहीं होना चाहिए

  • headline image wallpaper के रूप में अच्छी लगती है। full-size link: https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...

  • “प्रोटॉन एक quantum-mechanical object है, जो प्रयोग के ठोस रूप लेने से पहले संभावना की धुंध के रूप में मौजूद होता है” — यह पंक्ति अच्छी लगी।
    क्या gravity अनिश्चित रूप वाली द्रव्यमान के प्रभाव जैसी कोई चीज़ हो सकती है? spacetime के भीतर किसी तरह के vacuum की तरह?

    • spacetime के भीतर vacuum जैसी कोई चीज़ बिल्कुल नहीं। सबसे पहले, gravity सिर्फ द्रव्यमान नहीं है। चलती हुई baseball की gravity स्थिर baseball से ज़्यादा होती है, और charged battery की gravity discharged battery से ज़्यादा होती है।
      वही proton, neutron, electron हों तब भी उनकी गति या व्यवस्था बदलने पर gravity बढ़ जाती है। असली बात सिर्फ द्रव्यमान नहीं, बल्कि stress-energy tensor है।
      यह देखने के लिए कि “क्या gravity अनिश्चित रूप वाले द्रव्यमान का प्रभाव हो सकती है” सही नहीं है, तारों और black hole की तुलना quark से की जा सकती है। quark के बीच की जगह, असली quark की तात्कालिक व्यवस्था के अनुसार, कभी बड़े तो कभी छोटे अलग-अलग quark की तरह व्यवहार करती है।
      अगर यही सोच बहुत बड़े तारे पर लागू करें, तो उस तारे को उसकी स्थिति, अवस्था, और शायद स्वतःस्फूर्त परिवर्तनों के अनुसार कभी black hole की तरह, कभी supernova की तरह, और कभी तारे की तरह व्यवहार करना चाहिए। खासकर बहुत दूर से देखने पर वह एक बिंदु जैसा दिखेगा, इसलिए उससे black hole जैसा व्यवहार अपेक्षित होगा, लेकिन वास्तव में ऐसा नहीं होता।
      तारे, चाहे वे कितने भी दूर हों, तारे ही दिखते हैं। अगर वास्तविकता इस तरह काम करती, तो पास की galaxies में dark matter लगभग न के बराबर होना चाहिए था, और दूर की galaxies में dark matter बहुत ज़्यादा और बहुत छोटा होना चाहिए था; लेकिन वास्तव में galaxies और dark matter दूरी की परवाह किए बिना मोटे तौर पर एक जैसे हैं।
      हालांकि, सवाल खुद ही काफ़ी अस्पष्ट है। दिलचस्प जवाब निकालने वाले एक ढाँचे में इसे मज़े के लिए जबरन फिट किया गया है, और मुझे नहीं लगता कि यह उस बात का ज़्यादा जवाब देता है जो मूल रूप से पूछी जानी थी।
    • मुझे हमेशा लगता है कि “प्रयोग” शब्द को और बेहतर ढंग से कहा जा सकता है। क्योंकि जिसे मापा जा रहा है वह भी संभावना की धुंध ही है, और मापन वह प्रक्रिया है जिसमें ये दोनों संभावनाएँ परस्पर क्रिया करती हैं और एक-दूसरे को बदलती हैं।

  • क्या ब्रह्मांड अनंत रूप से जटिल हो सकता है? यानी endless turtles की तरह।
    physics में duality और replication की अवधारणाएँ बहुत रोचक लगती हैं। हर चीज़ का कोई विपरीत होता है, और वे विपरीत जब मिलते हैं तो एक बड़ी इकाई बनती है, और वह इकाई भी फिर अपना कोई विपरीत रखती हुई दिखती है।

    • मैं ऐसी बहुत-सी चीज़ों पर “विश्वास” नहीं करता जो प्रमाण से समर्थित नहीं हैं, लेकिन इस तरह की चर्चा में जिसका ज़िक्र करना शायद हास्यास्पद लगे, उसके बावजूद निजी तौर पर मेरा एक अविवेकपूर्ण और अवैज्ञानिक विश्वास है कि यह Simpsons opening हमारे पास मौजूद ब्रह्मांड के मॉडलों में गंभीरता से सबसे सटीक है।
      https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
    • जब मैं बहुत जिज्ञासु बच्चा था, तब मैंने अपने पिता से उलटी दिशा वाला एक सवाल पूछा था। अगर कोई एकमात्र मूलभूत भौतिक नियम ऐसा हो जो हमें ब्रह्मांड की हर चीज़ जानने से रोकता हो, तो?
      परिभाषा के अनुसार ऐसा कुछ हो सकता है जिसे आगे सुलझाया ही न जा सके और जिससे हम बस बार-बार टकराते रहें। क्या physics में भी Gödel के incompleteness theorem जैसी कोई चीज़ हो सकती है?

  • मौलिक भौतिकी की जटिलता को बहुत बढ़ा-चढ़ाकर आँका जाता है। वह बस सहज-बोध के अनुरूप नहीं है। सबसे सरल cell भी proton से कई orders of magnitude ज़्यादा जटिल है।