کوانٹم فزکس کیا ہے؟

 

کوانٹم میکانکس طبیعیات کا ایک ذیلی فیلڈ ہے جو ذرات کے رویے کو بیان کرتا ہے — ایٹم، الیکٹران، فوٹان اور مالیکیولر اور ذیلی مالیکیولر دائرے میں تقریباً ہر چیز بیسویں صدی کے پہلے نصف کے دوران تیار کیا گیا، کوانٹم میکانکس کے نتائج اکثر انتہائی عجیب اور متضاد ہوتے ہیں۔

 

کوانٹم میکانکس کلاسیکل فزکس سے کیسے مختلف ہے؟

 

ایٹموں اور الیکٹرانوں کے پیمانے پر، کلاسیکی میکانکس کی بہت سی مساواتیں، جو روزمرہ کے سائز اور رفتار پر چیزوں کی حرکت اور تعامل کو بیان کرتی ہیں، کارآمد نہیں ہوتیں۔ سیدھے الفاظ میں، یہ طبیعیات ہے جو بتاتی ہے کہ سب کچھ کیسے کام کرتا ہے: ہمارے پاس مادہ بنانے والے ذرات کی نوعیت اور وہ قوتیں جن کے ساتھ وہ تعامل کرتے ہیں۔

 

کوانٹم فزکس اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ ایٹم کیسے کام کرتے ہیں، اور اسی طرح کیمسٹری اور حیاتیات کیسے کام کرتے ہیں۔ آپ، میں اور گیٹ پوسٹ - کم از کم کسی نہ کسی سطح پر، ہم سب کوانٹم دھن پر ناچ رہے ہیں۔ اگر آپ یہ بتانا چاہتے ہیں کہ کمپیوٹر چپ کے ذریعے الیکٹران کیسے حرکت کرتے ہیں، کس طرح روشنی کے فوٹون شمسی پینل میں برقی رو میں تبدیل ہوتے ہیں یا لیزر میں خود کو بڑھاتے ہیں، یا یہاں تک کہ سورج کیسے جلتا رہتا ہے، آپ کو کوانٹم فزکس کے بنیادی قوانین کو استعمال کرنے کی ضرورت پڑیگی۔ .

 

طبیعیات دانوں کے لیے، اس میں دلچسپی یہاں سے شروع ہوتی ہے یہ  شروع کرنے کے لیے، کوئی واحد کوانٹم نظریہ نہیں ہے۔ کوانٹم میکینکس ہے، بنیادی ریاضیاتی فریم ورک جو اس سب کو زیر کرتا ہے، جسے پہلی بار 1920 کی دہائی میں نیلس بوہر، ورنر ہائزنبرگ، ایرون شروڈنگر اور دیگر نے تیار کیا تھا۔ یہ سادہ چیزوں کی خصوصیت بیان کرتا ہے جیسے کہ وقت کے ساتھ کسی ایک ذرہ یا چند ذرات کے گروپ کی پوزیشن یا رفتار کیسے بدلتی ہے۔

 

لیکن یہ سمجھنے کے لیے کہ چیزیں حقیقی دنیا میں کیسے کام کرتی ہیں، کوانٹم میکانکس کو طبیعیات کے دیگر عناصر کے ساتھ جوڑنا ضروری ہے - بنیادی طور پر البرٹ آئن اسٹائن کا خصوصی نظریہ اضافیت، جو یہ بتاتا ہے کہ جب چیزیں بہت تیزی سے حرکت کرتی ہیں تو کیا ہوتا ہے.

 

تین مختلف کوانٹم فیلڈ تھیوریز ان چار بنیادی قوتوں میں سے تین سے نمٹتے ہیں جن کے ذریعے مادّہ تعامل کرتا ہے: برقی مقناطیسیت، جو یہ بتاتی ہے کہ ایٹم کیسے ایک ساتھ رہتے ہیں۔ مضبوط جوہری قوت، جو ایٹم کے قلب میں نیوکلئس کے استحکام کی وضاحت کرتی ہے۔ اور کمزور جوہری قوت، جو یہ بتاتی ہے کہ کیوں کچھ ایٹم تابکار کشی سے گزرتے ہیں۔

 

پچھلی پانچ دہائیوں یا اس سے زیادہ عرصے کے دوران ان تینوں نظریات کو ایک ریمشیکل اتحاد میں اکٹھا کیا گیا ہے جسے پارٹیکل فزکس کا "معیاری ماڈل" کہا جاتا ہے۔ اس تمام تاثر کے لیے کہ یہ ماڈل چپچپا ٹیپ کے ساتھ تھوڑا سا پکڑا ہوا ہے، یہ مادے کے بنیادی کام کی سب سے درست جانچ کی گئی تصویر ہے جو اب تک تیار کی گئی ہے۔ 2012 میں ہِگس بوسون کی دریافت کے ساتھ اس کی شاندار عظمت سامنے آئی، وہ ذرہ جو دوسرے تمام بنیادی ذرات کو ان کی کمیت دیتا ہے، جس کے وجود کی پیشین گوئی کوانٹم فیلڈ تھیوری کی بنیاد پر 1964 تک کی گئی تھی۔

 

روایتی کوانٹم فیلڈ تھیوریز اعلی توانائی والے پارٹیکل سمیشرز جیسے CERN کے Large Hadron Collider پر تجربات کے نتائج کو بیان کرنے میں اچھی طرح سے کام کرتی ہیں، جہاں Higgs کو دریافت کیا گیا تھا، جو اس کے سب سے چھوٹے پیمانے پر معاملے کی تحقیقات کرتے ہیں۔ لیکن اگر آپ یہ سمجھنا چاہتے ہیں کہ چیزیں بہت سے کم باطنی حالات میں کیسے کام کرتی ہیں - الیکٹران کس طرح کسی ٹھوس مواد کے ذریعے حرکت کرتے ہیں یا نہیں حرکت کرتے ہیں اور اس طرح کسی مواد کو دھات، ایک انسولیٹر یا سیمی کنڈکٹر بنا دیتے ہیں، مثال کے طور پر - چیزیں اور بھی پیچیدہ ہوجاتی ہیں۔

 

ان ہجوم والے ماحول میں اربوں اربوں تعاملات کے لیے "مؤثر فیلڈ تھیوریز" کی ترقی کی ضرورت ہوتی ہے جو کچھ دلکش تفصیلات پر روشنی ڈالتی ہے۔ اس طرح کے نظریات کی تعمیر میں دشواری یہ ہے کہ کیوں ٹھوس حالت طبیعیات میں بہت سے اہم سوالات حل نہیں ہوتے ہیں - مثال کے طور پر کیوں کم درجہ حرارت پر کچھ مواد ایسے سپر کنڈکٹر ہوتے ہیں جو برقی مزاحمت کے بغیر کرنٹ کی اجازت دیتے ہیں، اور ہم اس چال کو کمرے کے درجہ حرارت پر کیوں کام نہیں کر سکتے۔ .

 

لیکن ان تمام عملی مسائل کے نیچے ایک بہت بڑا کوانٹم اسرار پوشیدہ ہے۔ بنیادی سطح پر، کوانٹم فزکس بہت ہی عجیب و غریب چیزوں کی پیشین گوئی کرتی ہے کہ مادہ کیسے کام کرتا ہے جو کہ حقیقی دنیا میں چیزوں کے کام کرنے کے طریقے سے بالکل متصادم ہے۔ کوانٹم ذرات ایک جگہ پر موجود ذرات کی طرح برتاؤ کر سکتے ہیں۔ یا وہ لہروں کی طرح کام کر سکتے ہیں، پوری جگہ پر یا ایک ساتھ کئی جگہوں پر تقسیم ہو سکتے ہیں۔ ایسا لگتا ہے کہ وہ کس طرح ظاہر ہوتے ہیں اس بات پر منحصر ہے کہ ہم ان کی پیمائش کیسے کرتے ہیں، اور اس سے پہلے کہ ہم پیمائش کریں ان میں کوئی خاص خاصیت نہیں ہے - جو ہمیں بنیادی حقیقت کی نوعیت کے بارے میں ایک بنیادی الجھن کی طرف لے جاتی ہے۔

 

یہ دھندلا پن ظاہری تضادات کی طرف لے جاتا ہے جیسے شروڈنگر کی بلی، جس میں ایک غیر یقینی کوانٹم عمل کی بدولت ایک بلی ایک ہی وقت میں مردہ اور زندہ رہ جاتی ہے۔ لیکن یہ سب نہیں ہے. کوانٹم ذرات بھی ایک دوسرے سے بہت دور ہوتے ہوئے بھی ایک دوسرے کو فوری طور پر متاثر کرنے کے قابل دکھائی دیتے ہیں۔ یہ حقیقی معنوں میں پھنسنے والے رجحان کو الجھاؤ کے نام سے جانا جاتا ہے، یا، آئن سٹائن (کوانٹم تھیوری کا ایک عظیم نقاد) کے وضع کردہ ایک فقرے میں، "ایک فاصلے پر ڈراونا عمل"۔ اس طرح کی کوانٹم طاقتیں ہمارے لیے مکمل طور پر غیر ملکی ہیں، پھر بھی یہ ابھرتی ہوئی ٹیکنالوجیز کی بنیاد ہیں جیسے کہ انتہائی محفوظ کوانٹم کرپٹوگرافی اور انتہائی طاقتور کوانٹم کمپیوٹنگ۔

 

لیکن اس سب کا کیا مطلب ہے، کوئی نہیں جانتا۔ کچھ لوگوں کا خیال ہے کہ ہمیں صرف اس بات کو قبول کرنا چاہیے کہ کوانٹم فزکس مادی دنیا کی وضاحت اس لحاظ سے کرتی ہے کہ ہم بڑی، "کلاسیکی" دنیا میں اپنے تجربے کے ساتھ مربع کرنا ناممکن سمجھتے ہیں۔ دوسروں کا خیال ہے کہ وہاں کچھ بہتر، زیادہ بدیہی نظریہ ہونا چاہیے جو ہمیں ابھی دریافت کرنا ہے۔

 

اس سب میں، کمرے میں کئی ہاتھی ہیں۔ آغاز کے لیے، فطرت کی ایک چوتھی بنیادی قوت ہے جس کی وضاحت کوانٹم تھیوری اب تک نہیں کر سکی ہے۔ کشش ثقل کا علاقہ رہتا ہے۔

آئن سٹائن کے عمومی نظریہ اضافیت کا، ایک مضبوطی سے غیر کوانٹم نظریہ جس میں ذرات بھی شامل نہیں ہیں۔ قوّت ثقل کو کوانٹم چھتری کے نیچے لانے اور اس طرح ایک "ہر چیز کے نظریہ" کے اندر تمام بنیادی طبیعیات کی وضاحت کرنے کے لیے کئی دہائیوں سے کی جانے والی شدید کوششیں بے سود ثابت ہوئیں۔

 

دریں اثناء کائناتی پیمائشیں بتاتی ہیں کہ کائنات کا 95 فیصد سے زیادہ تاریک مادّہ اور تاریک توانائی پر مشتمل ہے، ایسی چیزیں جن کے لیے ہمارے پاس فی الحال معیاری ماڈل کے اندر کوئی وضاحت نہیں ہے، اور گڑبڑ کے کاموں میں کوانٹم فزکس کے کردار کی حد جیسے مسائل۔ زندگی ناقابل وضاحت رہتی ہے. دنیا کسی نہ کسی سطح کوانٹم پر ہے - لیکن کیا کوانٹم فزکس دنیا کے بارے میں آخری لفظ ہے یہ ایک کھلا سوال ہے۔

 

Quantum entanglement

SUPER POSITION PRINCIPLE

 

کونٹم کا الجھاؤ دراصل ہمیں باہر کی دنیا سے نکال کر اس کے وجود کی وجہ کی طرف لے جاتا ہے یا دوسرے لفظوں میں "سب ایٹومک پارٹیکلز" کے برتاؤ کی طرف لے جاتا ہے کوانٹم مکیینکس کا یہ اصول ہمیں بتاتا ہے کہ جب ہم کسی چیز کا مشاہدہ نہیں کر رہے ہوتے ہیں  تو اس وقت ماضی حال اور مستقبل بیک وقت موجود رہتا ہے  یا لیکن  جب ہم اس طرف اپنی توجہ کو مرکوز کرتے ہیں تو اس کے بہت سارے برتاؤ میں سے کوئی ایک برتاؤ کا ہم مشاہدہ کر پاتے ہیں  اور باقی برتاؤ ہم سے اوجھل ہوجاتے ہیں۔ مثال کے طور پرجب آپ ایک سکے کو اچھالتے ہیں تو اس میں ہیڈ اینڈ ٹیل پہلے سے موجو د ہوتا ہے  اور آپ نہیں جانتے کہ اچھالے جانے والے  سکے کا موجودہ مستقبل کس ایک صورت میں نکلے گا یا تو وہ ہیڈ نکلے گا یا پھر ٹیل۔ لیکن کوانٹم میکانکس ہمیں یہ بتاتی ہے ہیڈ اور ٹیل  بیک وقت کسی ایک مقام پر موجود ہے  جسے وہ "سپر پوزیشن پرنسپل" کہتے ہیں ۔جو آپ کو دیکھنے میں ہیڈ دکھتا ہے مگر بیک وقت اسی کو دوسرا شخص ٹیل کا مشاہدہ کرتا ہے۔ سب ایٹومک پارٹیکل کی اسی دوہری خصوصیات کو  "کوانٹم انٹیلمینٹ" کہتے ہیں۔

کوانٹم انٹیلمینٹ میں احتمال اور احتمال کی تقسیم کا کوئی تصور نہیں ہے کیونکہ اس میں غیر یقینی کا عنصر سو فیصد رہتا ہے۔ مثال کے طور پر اگر میں کہوں کہ ایک ڈائس کو ایک بار رول کیا گیا تو اس بات کا کیا احتمال ہے کہ اس میں 2 ایک بار آیا ہے؟  تو یہ بات یاد رکھا جائے چونکہ سب ایٹومک لیول پر ماضی، حال اور مستقبل ایک ہی تصویر میں سارے رخ کا وجود رکھتی ہے اس لئے اس میں سیمپل اسپیس کا بننا محال ہوگا اور اس احتمال کا جواب ایک ہی وقت میں ؛

  

All possible outcomes = P (S,S) (6)¹ (1,2,3,4,5,6)

 

CONSERVATION OF SPIN

کوانٹم انٹیلمینٹ کا دوسرا حصہ یہ بتاتا ہے کہ جب سارے ممکنہ احتمالات اپنی جگہ موجود ہوتے ہیں تو آپ کا مشاہدہ اس سسٹم میں کولیپس پیدا کردیتا ہے اور آپ بہت سارے سیمپل اسپیس میں سے صرف کسی ایک کا ہی مشاہدہ کر پاتے ہیں اور اسی  وقت میں اسی چیز کا مشاہدہ کرتے ہوئے کوئی دوسرا شخص کوئی دوسرا مشاہدہ کر رہا ہوتا ہے۔  اس طرح سے یہ اصول ہمیں  غیر یقینی کی طرف لے جاتا ہے اور وثوق سے کسی جواب کوبیان نہیں کرسکتے کہ اس خاص وقت میں دراصل کون کس چیزکا کس پوزیشن میں مشاہدہ کر رہا ہے۔