એક મશીન જે સુપર કમ્પ્યુટરને પણ ચણા ખવડાવી દે! આ મશીન સેકન્ડોમાં એવું કામ કરી શકે છે જે આજના સૌથી મોટા કમ્પ્યુટર વર્ષોમાં પણ કરી શક્યાં નથી. સ્ટોક માર્કેટનો ડેટા ક્રંચ કરી તમને જણાવી શકે કે 10 રૂપિયાનો આ શેર આજે ખરીદશો તો 10 વર્ષમાં તમને કરોડપતિ બનવી દેશે! અથવા કોઈ વ્યક્તિના ડીએનએનો અભ્યાસ કરીને ‘યે જવાની હૈ દીવાની’ વાળા બનીનો ડાયલોગ બોલી દે – 22 માં પથરી, 25માં બીપી અને 33 પર સંધિવા.
આ વાત કેટલાક લોકોને જ્યોતિષશાસ્ત્ર જેવી લાગશે અને કેટલાકને હોલિવૂડની સાયન્સ ફિક્શન ફિલ્મ જેવી. પરંતુ આ કહાની ટૂંક સમયમાં વાસ્તવિકતા બની શકે છે. વિશ્વભરના વૈજ્ઞાનિકો ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટર નામનું આ જાદુઈ મશીન બનાવવા માટે દિવસ-રાત કામ કરી રહ્યા છે. આ કમ્પ્યુટર પાછળ ફિઝિક્સના નિયમો તોડનારૂં ફિઝિક્સ છે – ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ અથવા ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ. ક્વોન્ટમનો શાબ્દિક અર્થ ‘નાનું અથવા સૂક્ષ્મ’ થાય છે. તે પરમાણુઓ કરતા નાના કણો પર કામ કરે છે, અને તે અતિ અસરકારક છે. તે નાનું દેખાઈ શકે છે, ઘા ગંભીર કરે છે.
હવે, આ ક્વોન્ટમ વિશ્વમાં એક અભૂતપૂર્વ શોધ કરવામાં આવી છે, જેના માટે ત્રણ વૈજ્ઞાનિકો – જોન ક્લાર્ક, મિશેલ ડેવોરેટ અને જોન માર્ટિનિસ – એ તાજેતરમાં ફિઝિક્સમાં નોબેલ પુરસ્કાર જીત્યો છે. આ શોધનું શીર્ષક ‘માઇક્રોસ્કોપિક ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગ ઍન્ડ એનર્જી ક્વોન્ટાઇઝેશન ઈન ઇલેક્ટ્રિક સરકીટ’ છે. હવે તેને વિગતવાર સમજીએ:
- આ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ શું છે જે ફિઝિક્સના નિયમોને અવગણે છે?
- અને આ શોધે ભવિષ્યને કેવી રીતે આકાર આપ્યો છે?
ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ શું છે?:
સૌપ્રથમ, ચાલો સમજીએ કે ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ શું છે. ઉત્ક્રાંતિ દરમિયાન માનવીએ વિશ્વને સમજવા માટે સખત મહેનત કરી. તેઓ સમજવા માગતાં હતા કે વિશ્વનું નિર્માણ સૌથી સૂક્ષ્મ સ્તરે કેવી રીતે થયું. વૈજ્ઞાનિક સંશોધન આગળ વધ્યુ ત્યારે એવું જાણવા મળ્યું કે આ દુનિયામાં બધું જ પરમાણુઓથી બનેલું છે. જો કે, જેમ જેમ વધુ સંશોધન હાથ ધરવામાં આવ્યું તેમ તેમ જાણવા મળ્યું કે નાના કણો પણ પરમાણુઓની અંદર અસ્તિત્વ ધરાવે છે. આ જ પરમાણુઓમાંથી બનેલા છે. જેને સબએટોમિક કણો કહેવામાં આવતા હતા, જેમાં ઇલેક્ટ્રોન, ન્યુટ્રોન અને પ્રોટોનનો સમાવેશ થાય છે.
20મી સદીમાં એવું જાણવા મળ્યું કે ફિઝિક્સના બધા નિયમો જે દરેક વસ્તુ પર લાગુ પડે છે – ન્યુટન અને આઈન્સ્ટાઈન દ્વારા ઘડવામાં આવેલા સમાન નિયમો સબએટોમિક સ્તરે લાગુ પડતા નથી. કારણ કે અણુની અંદરની દુનિયા બહારની દુનિયાથી સંપૂર્ણપણે અલગ છે. ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન જેવા છે. સબએટોમિક કણોના સ્તરને ક્વોન્ટમ સ્તર કહેવામાં આવતું હતું. અને આ સ્તરે લાગુ કરાયેલ ફિઝિક્સને ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ અથવા ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ કહેવામાં આવતું હતું.
ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ કહે છે કે એક કણ એકસાથે બે જગ્યાએ હોઈ શકે છે અથવા દીવાલને ઓળંગી શકે છે, જેમ ફિલ્મોમાં ભૂત દીવાલોને ઓળંગે છે. આનું કારણ કે કોઈ ચોક્કસ જવાબો નથી. આખો મામલો સંભાવનાઓ પર આધારિત છે. આવું કેમ છે? વાસ્તવમાં કોઈપણ કણની સ્થિતિ અને ગતિ એકસાથે ચોકસાઈથી માપી શકાતી નથી. કારણ કે આ અત્યંત નાના અને ઊર્જાવાન કણો છે, તેમને કોઈપણ સાધનથી જોઈ શકાતા નથી, અને તેની પાસે એટલી બધી ઊર્જા છે કે તેઓ એક જગ્યાએ સ્થિર રહેતા નથી. તેથી, ક્યારેક તે સમજવું મુશ્કેલ બને છે કે તે કણો છે કે તરંગો.
ઉદાહરણ તરીકે, પ્રકાશના સબએટોમિક કણો, એટલે કે, ફોટોન, દ્વિ પ્રકૃતિ ધરાવે છે. તેઓ ક્યારેક કણોની જેમ વર્તે છે અને ક્યારેક તરંગોની જેમ. મતલબ કે, તે પાર્ટી અને બ્રોકર બંને છે. દંભની મર્યાદા હોઈ શકે છે, પરંતુ આ કણોની દ્વિ પ્રકૃતિની કોઈ મર્યાદા નથી.
ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગ શું છે?:
ધારો કે તમે ગ્રાઉન્ડ ફ્લોરથી બીજા માળ તરફ બોલ ફેંકો છો. બોલ બીજા માળે પહોંચે છે કે નહીં તે તમે કેટલા બળનો ઉપયોગ કરો છો તેના પર આધાર રાખે છે. જો તમે પૂરતું બળ લગાવશો, તો બોલ બીજા માળે પહોંચશે, નહીં તો તે પાછો પડી જશે. પરંતુ આ ફિઝિક્સનો નિયમ છે. વધુમાં, ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ જણાવે છે કે બળ ગમે તેટલું હોય, બોલ બીજા માળે પહોંચશે.
આ એટલા માટે છે કારણ કે આ દુનિયામાં બોલ કોઈ પદાર્થ નથી, પરંતુ એક તરંગ છે. તેથી, કોઈપણ ક્ષણે, આ તરંગનો અમુક ભાગ ગ્રાઉન્ડ ફ્લોર પર અને અમુક ભાગ બીજા માળે હશે. આને ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગ કહેવામાં આવે છે. સાંભળવામાં તે ઇલલોજિકલ લાગે છે, પરંતુ ક્વોન્ટમ લેવલ પર તે થાય છે, સબએટોમિક કણો જેમ કે ઇલેક્ટ્રોનની સાથે. પણ આ વસ્તુ મોટાપાયે ઇમ્પ્લિમેન્ટ નથી થઈ શકતી. કારણ કે મોટી વસ્તુની પોઝીશન અને સ્પીડ બંને બરાબર ખબર હોય છે. વ્યવહારિક દ્રષ્ટિએ પણ, જ્યારે કોઈ વસ્તુ વિશે બધું જાણીતું હોય છે, ત્યારે ડ્યુઆલિટીનો સ્કોપ સમાપ્ત થાય છે. આમ તો, વિજ્ઞાનમાં અપવાદો ઉપલબ્ધ હોય છે, આ કિસ્સામાં કોઈ અપવાદો નહોતા, તેથી આ ત્રણ વૈજ્ઞાનિકોએ બનાવી દીધા. અને તેઓએ મોટા પાયે તેનો અમલ કરીને પણ દેખાડ્યો. કેવી રીતે? આ સમજતા પહેલા, કરન્ટનો કોન્સેપટ સમજવો જરૂરી છે.
કરન્ટના કોન્સેપટના સિદ્ધાંતો:
પદાર્થો બે પ્રકારના હોઈ શકે છે: - જે પદાર્થો પ્રવાહનું સંચાલન કરી શકે છે, જેમ કે લોખંડ, તાંબુ અને એલ્યુમિનિયમ. ફિઝિક્સમાં આને વાહક કહેવામાં આવે છે.
- જે પદાર્થો પ્રવાહનું સંચાલન કરી શકતા નથી, જેમ કે રબર, કોલસો અને પ્લાસ્ટિક, તેને ઇન્સ્યુલેટર કહેવામાં આવે છે.
જ્યારે કોઈ વાહક વિદ્યુત સ્ત્રોત સાથે જોડાયેલ હોય છે, ત્યારે કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન પરમાણુઓથી મુક્ત થઈને એક દિશામાં આગળ વધવાનું શરૂ કરે છે. આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહ વહન કરે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન વિરુદ્ધ દિશામાં આગળ વધે છે. તમારા ઘરમાં વિદ્યુત વાયરિંગ આ સિદ્ધાંત પર કામ કરે છે.
પરંતુ આટલું જ નહીં. તમે જોયું હશે કે જ્યારે કોઈપણ વિદ્યુત ઉપકરણ, જેમ કે રેફ્રિજરેટર અથવા ટીવી, લાંબા સમય સુધી ઉપયોગમાં લેવાય છે, ત્યારે તેના વાયર ગરમ થાય છે. આ પ્રવાહ સાથેની એક મોટી સમસ્યા છે. આનું કારણ રેજિસ્ટેન્સ છે. રેજિસ્ટેન્સ એટલે અવરોધ અથવા પ્રતિકાર.
હકીકતમાં વાહકની અંદર ફરતા ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન બાકીના પરમાણુઓ અને તે વાહકમાં હાજર અન્ય ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન સાથે અથડાય છે. કરન્ટને આગળ વધવામાં મુશ્કેલી થાય છે. આ વાયર ગરમ થવાનું કારણ બને છે. ફિઝિક્સમાં આને રેજિસ્ટેન્સ કહેવામાં આવે છે. રેજિસ્ટેન્સ જેટલો ઓછો હશે, તેટલો સારો પ્રવાહ વહેશે અને વીજળીનું નુકસાન ઓછું થશે. આ તે જગ્યા છે જ્યાં સુપરકન્ડક્ટર્સ ભૂમિકા ભજવે છે. સુપરકન્ડક્ટર્સનો રેજિસ્ટેન્સ શૂન્ય હોય છે.
ત્રણ વૈજ્ઞાનિકો – જોન ક્લાર્ક, મિશેલ ડેવોરેટ અને જોન માર્ટિનિસ – એ 1984-85માં એક પ્રયોગ કર્યો હતો, જેમાં સુપરકન્ડક્ટર સર્કિટ બનાવવામાં આવી હતી. તેઓએ સુપરકન્ડક્ટરના બે ટુકડાઓ વચ્ચે ઇન્સ્યુલેટરનો પાતળો પડ મૂક્યો હતો. આને ‘જોસેફસન જંકશન’ કહેવામાં આવે છે.
આ સર્કિટમાં બધા ઇલેક્ટ્રોન્સ એક જ સિંકમાં એકસાથે એવી રીતે વહે છે, જાણે કે તે નાના-નાના ઇલેક્ટ્રોન નહીં, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનનું એક કોમ્બિનેશન હોય, જે આખી સર્કિટમાં ફરતા રહે છે. આ ઘટના કંઈક અંશે સ્ટેડિયમમાં ચાહકો સાથે મળીને ચીયરિંગ કરતી હોય તેવી છે. સ્ટેડિયમમાં દરેકના અવાજ ભેગા થઈને એક જ, જોરદાર અવાજ બનાવે છે. આમા કમાલની વાત એ છે કે આ પરિસ્થિતિમાં કોઈ વિદ્યુત સ્ત્રોત જોડવામાં નથી આવ્યો. આ ઇલેક્ટ્રોન ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગને કારણે ચાલી રહ્યાં છે. આના કારણે વિદ્યુત સ્ત્રોત વિના, ઇન્સ્યુલેટરના અવરોધોને પાર કરીને કરન્ટ ચાલતો રહે છે. અને આ સર્કિટમાં વોલ્ટેજ પણ બનાવે છે. કારણ એ જ કે આ ઇલેક્ટ્રોન કણોની જેમ નહીં પણ તરંગોની જેમ ફરે છે, અને ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સને કારણે, સમગ્ર સિસ્ટમ આપમેળે કાર્ય કરે છે. જોકે, સર્કિટને કાર્ય કરી શકે એ માટે પૂરતી ઊર્જા પૂરી પાડવામાં આવી નથી. આને ‘એનર્જી ક્વોન્ટાઇઝેશન ઈન ઇલેક્ટ્રિક સર્કિટ’ કહેવામાં આવે છે. અને શરૂઆતથી અંત સુધી આ સમગ્ર ખ્યાલને ‘માઇક્રોસ્કોપિક ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ટનલિંગ ઍન્ડ એનર્જી ક્વોન્ટાઇઝેશન ઈન ઇલેક્ટ્રિક સર્કિટ’ પણ કહેવામાં આવે છે. આ શોધમાં બીજી એક ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ હકીકત છે. હકીકતમાં ફિઝિક્સમાં એક મુખ્ય પ્રશ્ન એ છે કે ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ઇફેક્ટ દેખાડવા માટે સિસ્ટમ કેટલી મોટી હોવી જોઈએ. આ શોધ એટલા માટે પણ ખાસ છે કારણ કે આ ત્રણ વૈજ્ઞાનિકોએ ક્વોન્ટમ ટનલિંગ અને એનર્જીનું ક્વોન્ટાઇઝેશનનું દેખાડ્યું જે એટલું મોટું છે કે તેને હાથમાં પકડી શકાય છે.
