क्या ध्वनि वह कर सकती है जो क्वांटम कण करते हैं?

वह सवाल जो मेरे दिमाग में बार-बार आता था

कुछ समय से मेरे दिमाग में एक सीधा-सा सवाल था। ध्वनि एक तरंग है। प्रकाश भी एक तरंग है, और इलेक्ट्रॉन भी तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं। हर कोई डबल स्लिट प्रयोग जानता है, जहां इलेक्ट्रॉन एक स्क्रीन पर धारियां बनाते हैं और जैसे ही आप यह जांचते हैं कि वे किस स्लिट से गए, धारियां गायब हो जाती हैं। तो क्या ध्वनि भी ऐसा कर सकती है? क्या ध्वनि तरंगें क्वांटम वस्तुओं जैसा व्यवहार दिखा सकती हैं, इंटरफेरेंस के साथ और अवलोकन के इस अजीब प्रभाव के साथ?

मैं इसमें गहराई तक गया, और छोटा जवाब है हां और नहीं। ध्वनि क्वांटम तरंगों के करने वाले बहुत कुछ करती है। लेकिन जो हिस्सा क्वांटम भौतिकी को क्वांटम बनाता है, वह ठीक वही हिस्सा है जो ध्वनि नहीं कर सकती। यहां वह रेखा है।

ध्वनि क्या है

ध्वनि एक यांत्रिक तरंग है। इसे यात्रा करने के लिए किसी माध्यम की जरूरत होती है, जैसे हवा या पानी या कोई ठोस, और इसीलिए निर्वात में कोई ध्वनि नहीं होती। एक स्पीकर कोन या ताली अपने पास की हवा के अणुओं को एक साथ धकेलती है, फिर वे फिर से फैल जाते हैं, और दबी और पतली हवा का यह पैटर्न बाहर की ओर बढ़ता है। अणु खुद आपके कान तक नहीं उड़ते। वे बस अपनी जगह के आसपास आगे-पीछे झूलते हैं, और केवल विक्षोभ ही यात्रा करता है।

ध्वनि तरंग की एक तरंगदैर्ध्य होती है, एक दबाव से अगले दबाव तक की दूरी। इसकी एक आवृत्ति होती है, हर सेकंड कितने दबाव गुजरते हैं, और हम इसे पिच के रूप में सुनते हैं। मनुष्य लगभग 20 Hz से 20,000 Hz तक सुन सकते हैं। इसका एक आयाम होता है, धक्का कितना मजबूत है, और हम इसे तीव्रता के रूप में सुनते हैं। और इसकी एक गति होती है जो माध्यम पर निर्भर करती है। कमरे के तापमान पर हवा में ध्वनि लगभग 343 मीटर प्रति सेकंड की गति से चलती है, समुद्री पानी में लगभग 1,531।

मेरे सवाल के लिए महत्वपूर्ण बात यह है कि यह सब क्लासिकल भौतिकी है। अगर आप स्रोत और माध्यम जानते हैं, तो आप ठीक-ठीक गणना कर सकते हैं कि तरंग आगे क्या करेगी। इसमें कुछ भी यादृच्छिक नहीं है।

ध्वनि वह सब कुछ करती है जो एक तरंग करती है

ध्वनि परावर्तित होती है। यह गूंज है, और सोनार इसी तरह पानी के नीचे चीजें खोजता है। ध्वनि अपवर्तित होती है, इसलिए जब हवा गर्म या ठंडी हो जाती है या हवा बदल जाती है तो यह मुड़ जाती है, और हवा के साथ आवाज दूर तक जा सकती है। ध्वनि विवर्तित होती है, यह कोनों के चारों ओर मुड़ती है और दरवाजे के बाद फैल जाती है, और इसीलिए आप बिना देखे अगले कमरे में किसी को सुन सकते हैं। धीमी ध्वनियां तेज ध्वनियों की तुलना में अधिक आसानी से मुड़ती हैं, इसीलिए दूर की गरज केवल एक धीमी गड़गड़ाहट होती है।

और ध्वनि इंटरफेयर करती है। जब दो ध्वनि तरंगें मिलती हैं और उनके शिखर संरेखित होते हैं, तो वे जुड़ जाते हैं और यह तेज हो जाता है। जब एक का शिखर दूसरे की गर्त से मिलता है, तो वे रद्द हो जाते हैं और यह धीमा हो जाता है, सिद्धांत रूप में मौन तक। लगभग एक ही पिच वाले दो टोन एक धीमी लय में तेज और धीमे होते हैं, और इसे बीट्स कहा जाता है।

तो ध्वनि में पूरा सेट है, और पुरानी क्लासिकल तरंग भौतिकी इसके हर हिस्से की व्याख्या करती है।

आकार क्यों मायने रखता है

आप क्या देखते हैं यह बहुत हद तक तरंग के आकार पर निर्भर करता है। हवा में 100 Hz टोन की तरंगदैर्ध्य लगभग 3.4 मीटर होती है, 10 kHz टोन की लगभग 3.4 सेंटीमीटर। यह दरवाजों, कमरों, फर्नीचर और लोगों का आकार है। इसलिए ध्वनि हमारी रोजमर्रा की दुनिया के चारों ओर हर समय मुड़ती है, और हम उन चीजों को सुनते हैं जिन्हें हम नहीं देख सकते।

दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्ध्य लगभग 400 से 700 नैनोमीटर होती है। प्रकाश को मोड़ने और इंटरफेयर करने के लिए आपको बहुत सटीकता से बने छोटे स्लिट चाहिए, और इसीलिए दैनिक जीवन में प्रकाश कोनों के चारों ओर नहीं जाता। इलेक्ट्रॉनों की भी तरंगदैर्ध्य होती है, और सामान्य प्रयोगों में यह क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच की दूरी के आकार की होती है।

तो एक ही तरंग व्यवहार पूरी तरह से अलग-अलग पैमानों पर दिखाई देता है। ध्वनि इसे लिविंग रूम में करती है, इलेक्ट्रॉन इसे परमाणुओं के पैमाने पर करते हैं। यह अपने आप में आपको क्वांटम या गैर-क्वांटम के बारे में कुछ नहीं बताता। यह सिर्फ तरंगदैर्ध्य है।

दो स्पीकरों के साथ डबल स्लिट

आप वास्तव में ध्वनि के साथ डबल स्लिट कर सकते हैं, और यह एक क्लासिक क्लासरूम प्रदर्शन है। एक तरीका दो खुलने वाली दीवार है। आसान तरीका एक ही सिग्नल जेनरेटर द्वारा संचालित दो स्पीकर हैं, ताकि दोनों एक ही टोन एक साथ बजाएं। एक विशिष्ट सेटअप उन्हें लगभग आधे मीटर की दूरी पर रखता है और लगभग 2,000 Hz कुछ बजाता है।

फिर आप उनके सामने कमरे में धीरे-धीरे चलते हैं। आप तेज ध्वनि वाले स्थान और शांत स्थान सुनते हैं, एक के बाद एक। वे वही उज्ज्वल और अंधेरी धारियां हैं जो थॉमस यंग ने प्रकाश के साथ देखी थीं, और लोग उन्हें ध्वनि के लिए यंग के फ्रिंज कहते हैं। माइक्रोफोन और मीटर के साथ आप पैटर्न को ठीक से मैप कर सकते हैं। ठीक बीच में, दोनों स्पीकरों से समान दूरी पर, यह तेज होता है।

एक सामान्य कमरे में यह गड़बड़ हो जाता है, क्योंकि दीवारें ध्वनि को परावर्तित करती हैं और ऊपर से और तरंगें जोड़ती हैं। बाहर या एक मृत कमरे में यह सबसे अच्छा काम करता है। और आपको शांत स्थानों में लगभग कभी भी पूर्ण मौन नहीं मिलता, क्योंकि दोनों तरंगें बिल्कुल समान शक्ति के साथ नहीं पहुंचती हैं।

इलेक्ट्रॉनों के साथ डबल स्लिट

अब क्वांटम संस्करण। एक स्रोत एकल फोटॉन या एकल इलेक्ट्रॉन भेजता है, एक बार में एक, दो संकरे स्लिट वाली दीवार की ओर। इसके पीछे एक स्क्रीन है जो रिकॉर्ड करती है कि प्रत्येक कहां उतरता है।

हर एकल इलेक्ट्रॉन एक स्थान पर एक बिंदु के रूप में पहुंचता है। लेकिन जब आप उनमें से कई भेजते हैं, दोनों स्लिट खुले रखते हैं और यह जांच नहीं करते कि उन्होंने किस स्लिट का उपयोग किया, तो बिंदु धीरे-धीरे धारियां बनाते हैं। यह ध्वनि के साथ वैसा ही इंटरफेरेंस पैटर्न है। और वे एक दूसरे के साथ इंटरफेयर नहीं कर सकते, क्योंकि वे एक-एक करके आते हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन किसी तरह एक तरंग के रूप में दोनों रास्तों से गुजरता है और एक कण के रूप में उतरता है।

फिर आप स्लिट पर एक डिटेक्टर लगाते हैं ताकि यह पता चल सके कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन किस रास्ते से गया। धारियां गायब हो जाती हैं। आपको दो स्लिट के पीछे दो सादे बैंड मिलते हैं, जैसे आपको उनके माध्यम से छोटी गेंदें शूट करके मिलेंगे।

दो प्रकार की तरंगें

यहीं मैं समझा कि डबल स्लिट तरंगों के लिए एक परीक्षण है न कि क्वांटम के लिए। यंग ने 1800 के दशक की शुरुआत में प्रकाश के साथ यह किया था यह दिखाने के लिए कि प्रकाश एक तरंग है, क्वांटम भौतिकी के बारे में किसी के बात करने से बहुत पहले। ध्वनि, पानी और प्रकाश सभी वह धारी पैटर्न बनाते हैं। अगर आप धारियां देखते हैं, तो आपने सीखा कि कुछ तरंगीय है, और बस यही आपने सीखा।

असली अंतर यह है कि क्या तरंग कर रहा है। ध्वनि प्रयोग में यह वायु दबाव है, कुछ भौतिक जिसे आप हर बिंदु पर माप सकते हैं। एक स्थान पर तीव्रता सिर्फ दो तरंगों का योग है। क्वांटम प्रयोग में तरंग तरंग फलन है, और यह एक माध्यम से गुजरने वाली भौतिक चीज नहीं है। यह एक संभावना आयाम है। यह आपको बताता है कि किसी निश्चित स्थान पर इलेक्ट्रॉन पाए जाने की संभावना कितनी है। इसके लिए नियम को बोर्न नियम कहा जाता है, और यह कहता है कि आप एक स्थान पर तरंग के आकार को लें और उसका वर्ग करें, और यह आपको संभावना देता है। धारियां दो रास्तों के आयामों के जुड़ने से आती हैं, और वे केवल कई एकल हिट के बाद ही दिखाई देती हैं।

तरंग फलन स्वयं तब तक सुचारू रूप से और अनुमानित रूप से बदलता है जब तक कोई माप नहीं करता, श्रोडिंगर समीकरण का पालन करते हुए। लेकिन एक एकल इलेक्ट्रॉन कहां उतरता है यह यादृच्छिक है। तथाकथित बेल असमानताओं को तोड़ने वाले प्रयोग बताते हैं कि यह यादृच्छिकता वास्तविक है न कि सिर्फ गुम ज्ञान, इसलिए कोई छिपे हुए स्थानीय विवरण नहीं हैं जिन्हें हमने अभी तक नहीं पाया है।

देखना इलेक्ट्रॉन को बदल देता है, आवाज़ को नहीं

मान लीजिए कि आप यह पता लगाने की कोशिश करते हैं कि आवाज़ किस दरार से गुज़री। आप एक दरार के पास एक माइक्रोफ़ोन रखते हैं। माइक्रोफ़ोन तरंग से कुछ ऊर्जा लेता है और उसका थोड़ा सा हिस्सा बिखेर देता है, और इसके पीछे का पैटर्न थोड़ा बदल जाता है। लेकिन आवाज़ अभी भी एक ध्वनि तरंग ही है। आगे जाने पर यह अभी भी व्यतिकरण करती है, और इसकी प्रकृति के बारे में कुछ भी नहीं बदला है।

यह किसी टायर का दबाव जांचने जैसा है। थोड़ी हवा हमेशा बाहर निकलती है, इसलिए आप जो मापते हैं उसे बदल देते हैं। यह भी एक प्रेक्षक प्रभाव है, लेकिन एक उबाऊ क्लासिकल प्रभाव। आप इसकी गणना कर सकते हैं, और एक बेहतर उपकरण के साथ आप इसे छोटा कर सकते हैं।

इलेक्ट्रॉन के साथ यह अलग है। जैसे ही आपको यह जानकारी मिलती है कि उसने कौन सा रास्ता लिया, धारियां पूरी तरह से गायब हो जाती हैं। यह कोई अनाड़ी डिटेक्टर नहीं है जो इलेक्ट्रॉन को बहुत जोर से धक्का देता है। यह खुद जानकारी से जुड़ा हुआ है। हाइजेनबर्ग का अनिश्चितता सिद्धांत इस बात पर एक सख्त सीमा लगाता है कि आप एक ही समय में चीज़ों के कुछ जोड़ों को कितनी सटीक रूप से जान सकते हैं, जैसे स्थिति और संवेग। क्वांटम भौतिकी में एक न्यूनतम गड़बड़ी होती है जिसे आप तकनीक से समाप्त नहीं कर सकते।

मापन की समस्या

क्वांटम भौतिकी में कोई अवस्था कैसे बदलती है, इसके लिए दो नियम हैं, और वे एक साथ फिट नहीं बैठते हैं। जब कोई नहीं मापता है, तो तरंग फलन सुचारू रूप से विकसित होता है, आप इसे पीछे की ओर चला सकते हैं, और सुपरपोजिशन, सुपरपोजिशन ही बने रहते हैं। जब आप मापते हैं, तो आपको एक परिणाम मिलता है, जो बॉर्न नियम की प्रायिकताओं के साथ यादृच्छिक रूप से चुना जाता है, और अवस्था उस परिणाम से मेल खाने के लिए छलांग लगाती है। लोग इसे कलैप्स कहते हैं। यह अचानक होता है और इसे बदला नहीं जा सकता।

श्रोडिंगर समीकरण में कलैप्स शामिल नहीं है, और कलैप्स इसके नियमों को तोड़ता है। सिद्धांत यह भी नहीं बताता है कि मापन के रूप में क्या गिना जाता है, या क्वांटम प्रणाली कहां समाप्त होती है और मापने वाला उपकरण कहां से शुरू होता है। वह अंतर मापन की समस्या है, और भौतिक विज्ञानी अभी भी इस पर बहस करते हैं। कोपेनहेगन दृष्टिकोण कलैप्स को एक नियम के रूप में लेता है। मेनी वर्ल्ड्स कहता है कि कलैप्स बिल्कुल भी नहीं होता है। बोहमियन मैकेनिक्स छिपे हुए चर जोड़ता है। जीआरडब्ल्यू जैसे ऑब्जेक्टिव कलैप्स सिद्धांत कलैप्स को एक वास्तविक भौतिक प्रक्रिया बनाते हैं।

डिकॉहेरेंस इसके एक हिस्से की व्याख्या करता है। एक क्वांटम प्रणाली हर समय अपने पर्यावरण को छूती है, हवा के अणुओं और प्रकाश और बाकी सब कुछ, और इसके साथ उलझ जाती है। केवल प्रणाली के दृष्टिकोण से देखा जाए तो, व्यतिकरण तेज़ी से फीका पड़ जाता है और यह क्लासिकल दिखने लगता है। यही एक बड़ा कारण है कि हम कभी भी बड़ी चीज़ों को एक साथ दो जगहों पर नहीं देखते हैं। लेकिन डिकॉहेरेंस यह व्याख्या नहीं करता है कि आपको यह एक परिणाम क्यों मिलता है और दूसरा क्यों नहीं।

आवाज़ में ऐसा कुछ नहीं है। एक ध्वनि तरंग में हर समय निश्चित गुण होते हैं, और मापना केवल उन्हें उजागर करता है, शायद एक छोटी सी गड़बड़ी के साथ।

प्रेक्षक कोई मन नहीं है

प्रेक्षक शब्द बहुत से लोगों को भ्रमित करता है। लोकप्रिय कहानियों ने इसे इस विचार में बदल दिया कि चेतना वास्तविकता का निर्माण करती है, कि इलेक्ट्रॉन इसलिए निर्णय लेता है क्योंकि एक इंसान देखता है। फ़ॉन न्यूमैन और विगनर के आसपास की कुछ शुरुआती चर्चाओं ने उस दिशा में ज़ोर दिया था। लेकिन भौतिकी को किसी व्यक्ति की आवश्यकता नहीं है। प्रेक्षक कोई भी भौतिक प्रणाली है जो इलेक्ट्रॉन के साथ परस्पर क्रिया करती है और कौन से रास्ते की जानकारी बाहर निकालती है। एक खाली कमरे में एक डिटेक्टर ऐसा करता है, और पर्यावरण भी ऐसा ही करता है।

मुझे लगता है कि प्रेक्षक की तुलना में मापन परस्पर क्रिया एक बेहतर शब्द होगा। यह एक भौतिक प्रक्रिया है, मानसिक नहीं, और पुराना शब्द क्वांटम भौतिकी के बारे में बहुत सारी गूढ़ बकवास को बढ़ावा देता रहता है।

फ़ोनोन, ध्वनि का क्वांटम

एक जगह ऐसी है जहाँ आवाज़ सचमुच क्वांटम बन जाती है, और वह है ठोस पदार्थों के अंदर। एक क्रिस्टल में परमाणु एक ग्रिड में बैठते हैं और एक साथ कंपन करते हैं। क्वांटम भौतिकी कहती है कि यह कंपन ऊर्जा छोटे निश्चित पैकेटों में आती है, और एक पैकेट को फ़ोनोन कहा जाता है। यह नाम ध्वनि के लिए ग्रीक शब्द से आया है। एक फ़ोनोन क्रिस्टल में ध्वनि के लिए वही है जो प्रकाश के लिए एक फोटॉन है। यह इलेक्ट्रॉन जैसा कोई मूल कण नहीं है, यह एक क्वासिपार्टिकल है, जो कई परमाणुओं का एक साझा कंपन है। लंबी फ़ोनोन तरंगें उस ठोस में केवल साधारण ध्वनि तरंगें हैं।

और फ़ोनोन असली क्वांटम काम करते हैं। शोधकर्ताओं ने एकल फ़ोनोन बनाए, उन्हें सुपरपोजिशन में रखा, फ़ोनोन पथों के बीच व्यतिकरण दिखाया, फ़ोनोन को उलझाया और यहाँ तक कि उनके साथ एक क्वांटम इरेज़र भी चलाया। इसके लिए वे फ़ोनोन को एक चिप पर सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स से जोड़ते हैं और इसे क्रायोजेनिक तापमान तक ठंडा करते हैं, ताकि यादृच्छिक गर्मी के कंपन प्रभाव को समाप्त न कर दें।

तो हाँ, आवाज़ क्वांटम हो सकती है। लेकिन केवल फ़ोनोन के रूप में, एक ठोस में, एक प्रयोगशाला में, अत्यधिक ठंड में। आपके रहने के कमरे की हवा में आवाज़ एक क्लासिकल दबाव तरंग है, और क्लासिकल भौतिकी इसका लगभग पूरी तरह से वर्णन करती है। फ़ोनोन बाद में भी मायने रख सकते हैं, क्वांटम जानकारी को संग्रहीत करने और इसे सुपरकंडक्टिंग सर्किट और प्रकाश के बीच ले जाने के एक तरीके के रूप में।

स्पीकर एक क्वांटम कंप्यूटर क्यों नहीं बना सकते

अगली बात जो मैंने सोची वह यह थी कि कोई भी स्पीकर से कंप्यूटर क्यों नहीं बनाता, अगर एक क्वांटम कंप्यूटर सुपरपोजिशन और व्यतिकरण पर चलता है और आवाज़ में दोनों हैं।

उत्तर उस स्थान का आकार है जिसमें मशीन काम करती है। n क्यूबिट्स के साथ एक क्वांटम कंप्यूटर 2 की घात n अवस्थाओं के स्थान में काम करता है, इसलिए हर अतिरिक्त क्यूबिट इसे दोगुना कर देता है। सुपरपोजिशन इसे उस पूरे स्थान का उपयोग करने देता है, और उलझाव क्यूबिट्स को एक दूसरे से जोड़ता है। कई क्वांटम एल्गोरिदम को उस लिंक की आवश्यकता होती है।

क्लासिकल तरंगें जुड़ सकती हैं, और आप एक ही आवाज़ में कई आवृत्तियों को मिला सकते हैं। लेकिन एक क्लासिकल तरंग प्रणाली से तेजी से बढ़ती अवस्थाएं प्राप्त करने के लिए आपको भौतिक रूप से अधिक किसी चीज़ की आवश्यकता होगी, जैसे उच्च और उच्च आवृत्तियां या अधिक से अधिक ऊर्जा। स्पीकर जोड़ने से यह केवल धीरे-धीरे बढ़ता है। क्लासिकल तरंगों में अलग-अलग भागों के बीच कोई उलझाव नहीं होता है और प्रायिकता आयामों का कोई व्यतिकरण नहीं होता है। और क्वांटम त्रुटि सुधार क्वांटम गुणों और मापों पर निर्भर करता है जो एक क्लासिकल ध्वनि प्रणाली में बिल्कुल भी नहीं होते हैं।

मैं इससे क्या समझता हूँ

व्यतिकरण क्या है, यह महसूस करने के लिए आवाज़ एक बेहतरीन तरीका है। आप एक कमरे में चल सकते हैं और धारियों को सुन सकते हैं। लेकिन आवाज़ के साथ डबल स्लिट केवल यह साबित करता है कि आवाज़ एक तरंग है। क्वांटम वाला हिस्सा कुछ और ही है। यह है कि एक एकल इलेक्ट्रॉन खुद के साथ व्यतिकरण करता है, कि पैटर्न यादृच्छिक एकल हिट से बनता है, कि रास्ते की जांच करने से पैटर्न नष्ट हो जाता है, और यह कि कोई भी पूरी तरह से व्याख्या नहीं कर सकता कि मापन एक परिणाम कैसे चुनता है।

	हवा में आवाज़	इलेक्ट्रॉन या फोटॉन
तरंग क्या है	हवा का दबाव	प्रायिकता आयाम
माध्यम की आवश्यकता है	हाँ	नहीं
व्यतिकरण	हाँ	हाँ
एकल बिंदुओं के रूप में आता है	नहीं	हाँ
एक हिट कहाँ गिरती है	अनुमान योग्य	यादृच्छिक
रास्ते की जांच करना	छोटी सी गड़बड़ी	पैटर्न गायब हो जाता है
उलझाव	नहीं	हाँ

इसलिए मेरे अपने प्रश्न का मेरा ईमानदार उत्तर यह है कि ध्वनि तरंगें क्वांटम भौतिकी के रूप, धारियों और तरंगों की नकल कर सकती हैं, लेकिन इसके अंदर क्या होता है, उसकी नहीं। जहाँ आवाज़ सचमुच क्वांटम बन जाती है, एक ठंडे क्रिस्टल में फ़ोनोन के रूप में, यह मापन की समस्या सहित क्वांटम के सभी अजीब नियमों का पालन करती है। तरंगों का गणित दोनों के लिए एक साझा भाषा है, लेकिन यह दो बहुत ही अलग चीज़ों का वर्णन करता है।