বায়ুশূন্য দশা

চিত্র:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogv

কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বে, কোয়ান্টাম বায়ুশূন্য দশা(যাকে কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়াম বা ভ্যাকুয়াম স্টেটও বলা হয়) হল সর্বনিম্ন সম্ভাব্য শক্তিসহ কোয়ান্টাম দশা। সাধারণত এতে কোনো ভৌত কণা থাকে না। শূন্য-বিন্দু ক্ষেত্র কখনও কখনও পৃথক কোয়ান্টায়িত ক্ষেত্রের ভ্যাকুয়ামের প্রতিশব্দ হিসাবে ব্যবহৃত হয়।

বর্তমান সময়ের বোঝাপড়া অনুসারে বায়ুশূন্য দশা বা যাকে কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়ামও বলা হয়, তা সংক্ষেপে "কোনো উপায়েই একটি সহজ শূন্যস্থান নয়"। কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞান অনুসারে ভ্যাকুয়ামটি সত্যই শূন্য নয় বরং এর পরিবর্তে ক্ষণস্থায়ী তড়িৎ চৌম্বকীয় তরঙ্গ এবং কণা রয়েছে যা স্থিতিশীল অবস্থা থেকে পরিবর্তিত হয়।

কোয়ান্টাম তড়িৎগতিবিজ্ঞান কিউইডি ভ্যাকুয়ামটি(বা কিউইডি) কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বের প্রথম ভ্যাকুয়াম হিসাবে তৈরি হয়েছিল। কিউইডি এর সূত্রপাত হয়েছিল ১৯৩০ এর দশকে, ১৯৪০ এর দশকের শেষের দিকে এবং ১৯৫০ এর দশকের প্রথম দিকে এটি ফেইনম্যান, টোমোনগা এবং শুইঞ্জার দ্বারা পুনঃবর্ণনা করা হয়েছিল, যারা যৌথভাবে ১৯৬৫ সালে এই কাজের জন্য নোবেল পুরস্কার পেয়েছিলেন। তড়িৎ মিথস্ক্রিয়া তত্ত্বে বর্তমানে তড়িৎ চৌম্বকীয় মিথস্ক্রিয়া এবং দুর্বল মিথস্ক্রিয়াগুলো একত্রিত করা হয়েছে(কেবলমাত্র খুব উচ্চ শক্তি হলে)।

দ্যা স্ট্যান্ডার্ড মডেল হল কিউইডি এর কাজের একটি সাধারণীকরণ যার মধ্যে সমস্ত পরিচিত প্রাথমিক কণা এবং তাদের ক্রিয়া(মধ্যাকর্ষণ ব্যতীত) অন্তর্ভুক্ত করার হয়েছিল। কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্স(বা কিউসিডি) হচ্ছে স্ট্যান্ডার্ড মডেলের অংশ যা শক্তিশালী মিথস্ক্রিয়ার সাথে কাজ করে, এবং কিউসিডি ভ্যাকুয়াম হল কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্সের ভ্যাকুয়াম। এটি বৃহৎ হ্যাড্রন কলাইডার, আপেক্ষিক ভারী আয়ন কলাইডার অধ্যয়নের একটি বস্তু এবং এটি শক্তিশালী মিথস্ক্রিয়ার ভ্যাকুয়াম কাঠামোর সাথে সম্পর্কিত।

অ-শূন্য প্রত্যাশা মান

চিত্র:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogv যদি কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্ব পার্টার্বেশন তত্ত্বের মাধ্যমে নির্ভুলভাবে বর্ণনা করা যায়, তবে ভ্যাকুয়াম বৈশিষ্ট্যগুলো কোয়ান্টাম বলবিদ্যার হারমোনিক দোলকটির ভূ-দশার বৈশিষ্ট্যগুলোর সাথে সাদৃশ্যপূর্ণ বলা যাবে। এক্ষেত্রে যে কোনও ক্ষেত্র অপারেটরের ভ্যাকুয়াম প্রত্যাশা মান(ভিইভি) অদৃশ্য হয়ে যায়। কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বগুলোর জন্য যেখানে পার্টার্বেশন তত্ত্বটি কম শক্তিতে বিভক্ত হয়, সেখানে ফিল্ড অপারেটরদের কনডেন্সেট নামক নন-ভ্যানিশ ভ্যাকুয়াম প্রত্যাশা মান থাকতে পারে। স্ট্যান্ডার্ড মডেলে, হিগস ক্ষেত্রের অ-শূন্য ভ্যাকুয়াম প্রত্যাশা মান(যা স্বতঃস্ফূর্ত প্রতিসাম্য বিচ্ছেদ থেকে উদ্ভূত হয়) হল সেই পদ্ধতি যার মাধ্যমে এই তত্ত্বের অন্যান্য ক্ষেত্রগুলো ভর অর্জন করে।

শক্তি

অনেক পরিস্থিতিতে বায়ুশূন্য দশার শক্তির পরিমাণ শূন্য হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা যেতে পারে, যদিও প্রকৃত পরিস্থিতিতে তা যথেষ্ট সূক্ষ্ম। বায়ুশূন্য দশাটি শূন্য-বিন্দু শক্তির সাথে সম্পর্কিত এবং এতে এই শূন্য-বিন্দু শক্তির পরিমাপযোগ্য প্রভাব রয়েছে। পরীক্ষাগারে এটি ক্যাসিমিরের প্রভাব হিসাবে শনাক্ত করা যেতে পারে। ভৌত সৃষ্টিতত্বে মহাজাগতিক ভ্যাকুয়ামের শক্তি মহাজাগতিক ধ্রুবক হিসাবে উপস্থিত হয়। প্রকৃতপক্ষে, কোনো শূন্য স্থানের এক ঘন সেন্টিমিটার শক্তি এক erg এর এক ট্রিলিয়ন ভাগের এক ভাগ(বা ০.৬ eV)।

প্রতিসমতা

একটি আপেক্ষিক ক্ষেত্র তত্ত্বের জন্য, ভ্যাকুয়ামটি পইনকেয়ারী ইনভেরিয়েন্ট, যা উইটম্যান প্রকল্পকে অনুসরণ করে তবে এই প্রকল্প ছাড়াও সরাসরি প্রমাণিত হতে পারে। পইনকেয়ারী ইনভেরিয়েন্ট বলতে বোঝায় যে, কেবলমাত্র ফিল্ড অপারেটরগুলোর স্কেলার সংমিশ্রণগুলোতে অদৃশ্য ভিইভি নেই। উক্ত ভিইভি, ক্ষেত্র তত্ত্বের ল্যাগরেঙ্গিয়ান এর কিছু অভ্যন্তরীন প্রতিসমতাকে ভেঙ্গে দিতে পারে। এক্ষেত্রে ভ্যাকুয়ামের তত্ত্বের তুলনায় কম প্রতিসাম্যতা রয়েছে, যার ফলে স্বতঃস্ফূর্ত প্রতিসাম্যতা বিচ্ছেদ হয়েছে বলে মনে করা হয়।

অ-রৈখিক সম্ভাব্যতা

ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণের কোয়ান্টাম সংশোধনের ফলে ভ্যাকুয়ামে একটি ক্ষুদ্র অ-রৈখিক তড়িৎ সমাবর্তন তৈরি হতে পারে, যার ফলস্বরূপ ভ্যাকুয়াম সম্ভাব্যতার প্রাথমিক মান ε₀ থেকে বিচ্যুত হয়ে ক্ষেত্র-নির্ভর তড়িৎ সম্ভাব্যতা ε-এ পরিবর্তিত হয়। এই তাত্ত্বিক বিকাশগুলো ডিট্রিচ এবং জিজ-এ বর্ণনা করা হয়েছে। কোয়ান্টাম তড়িৎগতিবিদ্যার তত্ত্বটি এই বিবরণ দেয় যে, কিউইডি ভ্যাকুয়ামটির সামান্য অ-রৈখিকতা প্রদর্শন করা উচিত যাতে খুব শক্তিশালী তড়িৎ ক্ষেত্রের উপস্থিতিতে, সম্ভাব্যতার মান একটি ছোট পরিমাণে ε₀-এ বেড়ে যায়। পর্যবেক্ষণ করা সহজ হবে(তবে এখনও খুব কঠিন!) যখন একটি শক্তিশালী তড়িৎ ক্ষেত্র ভ্যাকুয়ামের কার্যকর প্রবেশ্যতা পরিবর্তন করবে, তড়িৎ ক্ষেত্রের দিকে সামান্য μ₀ এর নিচে একটি মান সহ উলম্ব দিকে μ₀ অতিক্রম করে অ্যানিসোট্রপিক হয়ে উঠবে, যার ফলে তড়িৎ চৌম্বকীয় তরঙ্গ তড়িৎ ক্ষেত্র ব্যতীত অন্য দিকে ভ্রমণ করবে। এই প্রভাবটি কের প্রভাবের সাথে সামঞ্জস্যপুর্ণ তবে কোনো পদার্থের উপস্থিতি ছাড়াই তা কার্যকর। এই ক্ষুদ্র অ-রৈখিকতাকে যৌথ ছদ্মবেশী ফলাফল হিসাবে ব্যাখ্যা করা যেতে পারে। ধারণা করা হয়, এখানে প্রয়োজনীয় তড়িৎ ক্ষেত্র অনেক বেশি, প্রায় ১.৩২×১০^৩২ V/m, যা শুইঞ্জার সীমা হিসাবে পরিচিত। এখানে কের ধ্রুবকের মান, পানিতে কের ধ্রুবকের মানের চেয়ে প্রায় ১০^২০ গুন ছোট। পরীক্ষামূলকভাবে এ জাতীয় প্রভাব পরিমাপ করা খুব কঠিন, এবং এখনও সফল হয়নি।

ছদ্মবেশী কণা

ছদ্মবেশী কণাগুলোর উপস্থিতি কোয়ান্টায়িত তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্রগুলোর অ-পরিবহনের উপর ভিত্তি করে হতে পারে। অ-পরিবহনের অর্থ হল কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়ামে ক্ষেত্রগুলোর গড় মান বিলুপ্ত হয়ে গেলেও, তাদের চলক বিলুপ্ত হয় না। "ভ্যাকুয়াম ওঠানামা" শব্দটি ন্যূনতম শক্তি দশার ক্ষেত্রের শক্তির বিভিন্নতা বোঝায় এবং এটি "ছদ্মবেশী কণা"-র প্রমাণ হিসাবে চিত্রগতভাবে বর্ণনা করা হয়েছে। কখনও কখনও হাইজেনবার্গের শক্তি-সময়ের অনিশ্চয়তার নীতির উপর ভিত্তি করে ছদ্মবেশী কণা বা বৈকল্পগুলোর একটি স্বজ্ঞাত চিত্র সরবরাহ করার চেষ্টা করা হয়ঃ

$\mathrm{\Delta }E\mathrm{\Delta }t\ge \hslash ,$

(এখানে, ΔE এবং Δt হল যথাক্রমে শক্তি এবং সময়ের পরিবর্তন; ΔE হল শক্তি পরিমাপের যথার্থতা এবং পরিমাপের সময়টি হল Δt, এবং ħ হ্রাসিত প্ল্যাঙ্ক ধ্রুবক) ছদ্মবেশী কণার স্বল্পকালীন জীবনকাল কণাগুলোর ভ্যাকুয়াম থেকে বৃহৎ শক্তি গ্রহণের অনুমতি দেয় এবং এভাবে অল্প সময়ের জন্য কণা উৎপাদন হয়। ছদ্মবেশী কণার ঘটনাটি স্বীকৃত হলেও শক্তি-সময়ের অনিশ্চয়তার সম্পর্কের এই ব্যাখ্যা সর্বজনীন নয়।

কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়ামের ভৌত প্রকৃতি

অ্যাস্ট্রিড ল্যাম্ব্রেচ্ট(২০০২) এর মতে: "যখন কেউ একটি পদার্থের মোট পরিমাণকে খালি করে এবং তাপমাত্রাকে নিখুঁত শূন্যের দিকে নামিয়ে দেয়, তখন কেউ কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়াম অবস্থার একটি Gedankenexperiment (চিন্তার পরীক্ষা) তৈরি করে।" ফোলার এবং গুগনহাইমের(১৯৯৯/১৯৯৫) মতে, তাপগতিবিদ্যার তৃতীয় সূত্রটি নীচে যথাযথভাবে বিলোপ করা যেতে পারেঃ

"সুনির্দিষ্ট সংখ্যক ক্রিয়াকলাপে যে কোনো সমাবেশকে নিখুঁত শূন্যে হ্রাস করা কোনো পদ্ধতিতে সম্ভব নয়।"

ফোটন-ফোটন মিথস্ক্রিয়া কেবলমাত্র অন্য কোনও ক্ষেত্রের ভ্যাকুয়াম অবস্থার সাথে মিথস্ক্রিয়ার মাধ্যমেই ঘটতে পারে; এটি ভ্যাকুয়াম সমবর্তনের ধারণার সাথে সম্পর্কিত। মিলন্নি(১৯৯৪) এর মতে: "... সমস্ত কোয়ান্টাম ক্ষেত্রের শূন্য-বিন্দু শক্তি এবং ভ্যাকুয়াম ওঠানামা রয়েছে।" এর অর্থ প্রতিটি ক্ষেত্রের জন্য যথাক্রমে কোয়ান্টাম ভ্যাকুয়ামের একটি উপাদান রয়েছে; যেমন তড়িৎ চৌম্বক ক্ষেত্র, ডায়রাক ইলেক্ট্রন-পজিট্রন ক্ষেত্র এবং অন্যান্য। মিলন্নি(১৯৯৪) এর মতে, ভ্যাকুয়াম তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের জন্য আরোপিত কয়েকটি প্রভাবের বিভিন্ন ভৌত ব্যাখ্যা থাকতে পারে। অনাহিত পরিবাহী প্লেটগুলোর মধ্যে ক্যাসিমিরের আকর্ষণ প্রায়শই ভ্যাকুয়াম তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের প্রভাবের উদাহরণ হিসাবে প্রস্তাবিত হয়। শুইঞ্জার, ডিরাদ এবং মিল্টন(১৯৭৮), মিলন্নি(১৯৯৪) দ্বারা বৈধভাবে উদ্ধৃত হয়েছেন, যদিও অপ্রচলিতভাবে ক্যাসিমিরের প্রভাবকে এমন একটি মডেল দিয়ে ব্যাখ্যা করেছেন যাতে "ভ্যাকুয়ামটি সত্যই শূন্যের সমান সমস্ত ভৌত বৈশিষ্ট্যযুক্ত একটি দশা হিসাবে বিবেচিত হয়।" এই মডেলটিতে পর্যবেক্ষণকৃত ঘটনাগুলোকে তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের তড়িৎ গতির প্রভাব হিসাবে ব্যাখ্যা করা হয়, যাকে উৎস ক্ষেত্র প্রভাব বলা হয়। মিলন্নি লিখেছেনঃ

এখানে মূল ধারণাটি হল সম্পূর্ণ প্রচলিত কিউইডিতে-ও ক্যাসিমিরের বল উৎস ক্ষেত্রগুলো থেকে উদ্ভূত হতে পারে, ... মিলন্নি বিশদ যুক্তি প্রদান করেন যে পরিমাপযোগ্য ভৌত প্রভাবগুলো সাধারণত ভ্যাকুয়াম তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের জন্য দায়ী যা ওই ক্ষেত্র দ্বারা একাই ব্যাখ্যা করা যায় না, কিন্তু ইলেক্ট্রনগুলোর স্ব-শক্তি বা তাদের বিকিরণের প্রতিক্রিয়ার প্রয়োজন হয়। তিনি লিখেছেন: "ল্যাম্ব শিফট, ভ্যানডার ওয়ালস বল এবং ক্যাসিমিরের প্রভাব সহ বিভিন্ন কিউইডি প্রক্রিয়াগুলোর ভৌত ব্যাখ্যার ক্ষেত্রে বিকিরণ প্রতিক্রিয়া এবং ভ্যাকুয়াম ক্ষেত্রগুলো একই বিষয়ের দুটি দিক।"

এই দৃষ্টিভঙ্গিটি জাফি(২০০৫) দ্বারাও বর্ণিত হয়েছে: "ক্যাসিমিরের বলকে ভ্যাকুয়ামের ওঠানামার উল্লেখ ছাড়াই গণনা করা যেতে পারে, এবং কিউইডি-র অন্যান্য পর্যবেক্ষণযোগ্য প্রভাবগুলোর মতো এটিও সূক্ষ্ম কাঠামোর ধ্রুবক হিসাবে বিনষ্ট হয়ে যায়, α, শূন্য হয়ে যায়।"

স্বরলিপি

এখানে বায়ুশূন্য দশাকে $|0⟩$ বা $|⟩$ হিসাবে লেখা হয়েছে। কোনো ক্ষেত্রের $\varphi$ বায়ুশূন্য প্রত্যাশা মান $⟨0|\varphi |0⟩$ হিসাবে লেখা উচিত।