ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം

ദ്രവ്യത്തിന്റെ ദ്വൈതസ്വഭാവത്തിന് (പരമാണുക്കളുടെ തലത്തിലും അതിനെക്കാൾ വലിയ തലത്തിലും വ്യത്യസ്ത സ്വഭാവം.) സൈദ്ധാന്തികവിശദീകരണം നൽകുന്ന ഭൗതികശാസ്ത്രശാഖയാണ് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം/പ്രമാത്ര ബലതന്ത്രം. ക്ലാസിക്കൽ ഫിസിക്‌സിനു വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയാത്ത പരമാണു തലത്തിലെ പ്രവർത്തനങ്ങൾ വിശദീകരിക്കുവാൻ വേണ്ടിയാണു ഇതിന്റെ നിർമ്മാണം. ഭൗതികവ്യവസ്ഥ(physical systems)കളുടെ പരിണാമം wave function എന്ന ഗണിതശാസ്ത്രസങ്കല്പം ഉപയോഗിച്ച് ഇതിൽ വിശദീകരിക്കുന്നു. തരംഗ പ്രവർത്തനം(wave function) ഉപയോഗിച്ച് ഒരു സിസ്റ്റം ഒരു പ്രത്യേക സമയത്ത് ഒരു പ്രത്യേക അവസ്ഥയിൽ കാണപ്പെടാനുള്ള സാദ്ധ്യത പ്രവചിക്കാൻ സാധിക്കും.ഭൗതികവ്യവസ്ഥയുടെ പ്രത്യേകതകൾ(properties) അളക്കുമ്പോൾ wave function ൽ ഉണ്ടാകുന്ന മാറ്റം ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിലെ അതിപ്രശസ്തമായ അനിശ്ചിതത്വലേക്ക് നയിക്കുന്നു. ആറ്റം, ഇലക്ട്രോൺ,പ്രോട്ടോൺ തുടങ്ങിയ അറ്റോമിക് അല്ലെങ്കിൽ സബ് അറ്റോമിക് തലത്തിലുള്ള കണങ്ങളുടെ ബലതന്ത്രമാണിത്.അതിസൂക്ഷ്മ പ്രതിഭാസത്തിൽ ഉദാത്തബലതന്ത്രത്തിന്റെ സ്ഥാനത്ത് ഇന്ന് ഇത് പൊതുവായി അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്.ഉദാത്ത ബലതന്ത്രവും, ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രവും ബൃഹത്‌രൂപ പ്രതിഭാസത്തിൽ ഒരേ ഫലങ്ങൾ തരുന്നു. എങ്കിലും അതിചാലകത, അർധചാലകത തുടങ്ങിയ ചില macroscopic പ്രതിഭാസങ്ങൾ വിശദീകരിക്കാൻ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തിനു മാത്രമേ സാധിച്ചിട്ടുള്ളു.

Fig. 1: Probability densities corresponding to the wavefunctions of an electron in a hydrogen atom possessing definite energy (increasing downward: n = 1, 2, 3, ...) and angular momentum (increasing across: s, p, d,...). Brighter areas correspond to higher probability density for a position measurement. Wavefunctions like these are directly comparable to Chladni's figures of acoustic modes of vibration in classical physics and are indeed modes of oscillation as well: they possess a sharp energy and thus a keen frequency. The angular momentum and energy are quantized, and only take on discrete values like those shown (as is the case for resonant frequencies in acoustics).

മാക്സ് പ്ലാങ്കിന്റെ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തമാണ്‌ ഈ ശാസ്ത്രശാഖയ്ക്ക് അടിത്തറ പാകിയത്. 'ഭൗതികപരിമാണങ്ങൾ അനസ്യൂതമായല്ല മറിച്ച് ചെറുപൊതികളായാണ് കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നത് എന്നതാണ് ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനം'. ഊർജ്ജം, കോണീയസംവേഗം(Angular Momentum) തുടങ്ങിയവ ഇത്തരത്തിൽ 'ക്വാണ്ടൈസ്ഡ്' ആയ ഭൗതികപരിമാണങ്ങളാണ്.

ചരിത്രം

ന്യൂട്ടോണിയൻ ബലതന്ത്രം അഥവാ ക്ലാസിക്കൽ ബലതന്ത്രത്തിന്റെ പരിമിതികളാണ്‌ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തിന്റെ വികാസത്തിന്‌ കളമൊരുക്കിയത്. ന്യൂട്ടന്റെ ചലനനിയമങ്ങൾ ആധാരമാക്കി വികസിപ്പിച്ച ന്യൂട്ടോണിയൻ ബലതന്ത്രം, പിണ്ഡം വളരെക്കുറഞ്ഞ സൂക്ഷ്മകണികകളുടെ സവിശേഷതകൾ വിശദീകരിക്കാൻ പര്യാപ്തമായിരുന്നില്ല. പ്രകാശത്തിന്റെ കണികാസ്വഭാവം വ്യക്തമാക്കുന്ന കണികാസിദ്ധാന്തവും, ഹൈഗൻസിൻറെ തരംഗസിദ്ധാന്തവും ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രതിഭാസം, ബ്ലാക്ക് ബോഡി റേഡിയേഷൻ തുടങ്ങിയ പ്രതിഭാസങ്ങൾ വിശദീകരിക്കാൻ പരാജയപ്പെട്ടതും സൂക്ഷ്മകണങ്ങളെക്കുറിച്ചു പഠിക്കുന്ന ബലതന്ത്രശാഖയുടെ ആവിർഭാവത്തിനു വഴിയൊരുക്കി.

ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടർ(quantom computer)

പരമാണുക്കളുടെ തലത്തിലെ സിദ്ധാന്തങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിക്കുന്ന 6-ആം തലമുറ(6G) കമ്പ്യൂട്ടറിനെ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടർ എന്നു വിളിക്കുന്നു.

IBM പൊലെയുള്ള വലിയ സ്ഥാപനങ്ങൾ 2016 ൽ "പ്രാവർത്തികത തെളിയിക്കൽ " പതിപ്പുകൾ (proof of concept ) നിർമ്മിക്കുകയും പൊതുവായി ജനങ്ങൾക്ക് പരിശോധനക്കായി അവസരം നൽകുകയും ചെയ്തു.എങ്കിലും വാണിജ്യപരമായ മാനം നൽകുവാനുള്ള വികസന പക്വത ആകാത്തതിനാൽ 2016 ലും വ്യാപകമായ നിർമ്മാണം തുടങ്ങിയിട്ടില്ല.

വൈദ്യുത കംമ്പ്യൂട്ടറിലെ ഒരു ബിറ്റിനു തുല്യമായ ക്വാണ്ടം കംമ്പ്യൂട്ടറിലെ എറ്റവും ചെറിയ വിവരത്തെ "ക്വാണ്ടം വിവരം"(qbit) എന്നു വിളിക്കുന്നു .

ഒരു ആറ്റത്തിലെ ഇലക്ട്രോണിന്റെ കറക്ക (spin ) ത്തിനെയാണു "ക്വാണ്ടം വിവരം" (qbit) ആയി ഉപയോഗിക്കുന്നത്

ഇന്നു സഹസ്രാണുക്കളെക്കാൾ കൂടുതൽ അണുക്കൾ കൊണ്ടാണു എറ്റവും ചെറിയ വിവരത്തെ വൈദ്യുത സങ്കലനയന്ത്രത്തിലും അതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട എല്ലാ യന്ത്രങ്ങളിലും ശേഖരിക്കുന്നത് എന്നാൽ ഇതു ഉപയോഗിച്ച് ഒരു അണുവിൽ(atom) ത്തന്നെ ഒന്നിൽ കൂടുതൽ വിവരങ്ങൾ ശേഖരിക്കാം. [നിലവിൽ അല്പനിമിഷത്തേക്ക് മാത്രം സാധ്യം (nano seconds )]

സിദ്ധാന്തം

വിവിധതരം ഗണിതീയ നിർമ്മിതികൾ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തിൽ സാധ്യമാണ്. ഇർവിൻ ഷ്രോഡിഞ്ചർ (Erwin Shrodinger) എന്ന ഓസ്റ്റ്രീയാക്കാരൻ ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനാണു തരംഗ ബലതന്ത്രം (wave mechanics) നിർമ്മിച്ചത്. എന്നാൽ ജെർമൻകാരനായ ഹയ്സൻബെർഗിന്റെ സംഭാവനയാനു മട്രിക്സ് മെക്കാനിക്സ്(Matrix Mechanics). വിവിധതരം ഗണിതീയ നിർമ്മിതികൾ പ്രധാനപ്പെട്ടതും ധാരാളമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതുമാണ്‌ ഹിൽബർട്ട് സ്പെയ്സ് നിർമ്മിതി (Hilbert Space formalism). ബ്രിട്ടീഷ് ഭൗതിക ശാസ്ത്രജനായ പോൾ ഡിറാക് ആണ്‌ ഇത് നിർമ്മിച്ചത്. ഈ സിദ്ധാന്തം മുമ്പ് ഉണ്ടായിരുന്ന രണ്ട് പഴയ സിദ്ധാന്തങ്ങളെ (Matrix Mechanics & Wave Mechanics) ഒരു കുടക്കീഴിൽ കൊണ്ടു വന്നു. പിന്നീടു വളരെയധികം ഗണിതീയ നിർമ്മിതികൾ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തിൽ ഉണ്ടായി അതിൽ വളരെ പ്രധാനപ്പെട്ട ഒന്നാണ് ഫെയ്മാൻ പാത്ത് ഇന്റെഗ്രൽ (Feynman Path Integral) നിർമ്മിതി. ഇത് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രവും (Quantum Mechanics), സ്പെഷ്യൽ റിലേറ്റിവിറ്റിയും (Special Relativity) തമ്മിൽ ഒന്നിപ്പിക്കുന്ന ക്വാണ്ടം ഫീൽഡ് സിദ്ധാന്തം (Quantum Field Theory) ഉണ്ടാക്കാൻ ഒരു ചവിട്ടുപടി ആയി വർത്തിച്ചു .