वैज्ञानिकों ने क्वांटम प्रभाव का अनुकरण करने के लिए घूमती हुई जल तरंगों का उपयोग किया

वैज्ञानिकों ने क्वांटम प्रभाव का अनुकरण करने के लिए घूमती हुई जल तरंगों का उपयोग किया, जिससे घूर्णनशील नोडल पैटर्न का पता चला जो छिपी हुई क्वांटम घटनाओं की समझ को गहरा कर सकता है।

क्वांटम भौतिकी की विचित्र दुनिया में, कण उन बलों से प्रभावित हो सकते हैं जिनसे वे कभी सीधे तौर पर नहीं गुजरते। इसका एक प्रसिद्ध उदाहरण अहारोनोव-बोहम (AB) प्रभाव है, जिसमें इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होते हैं, भले ही वे उस क्षेत्र से दूर रहें। हालांकि वैज्ञानिकों ने 1959 में इस प्रभाव की भविष्यवाणी की थी, लेकिन इसे प्रायोगिक रूप से सिद्ध करने में 20 से अधिक वर्ष लग गए क्योंकि इलेक्ट्रॉनों के तरंग व्यवहार में होने वाले परिवर्तनों को सीधे मापना अत्यंत कठिन था।

अब, ओकिनावा इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (ओआईएसटी) के शोधकर्ताओं ने, ओस्लो विश्वविद्यालय और एडोल्फो इबानेज़ विश्वविद्यालय के साथ मिलकर , एक अप्रत्याशित रूप से सरल सेटअप: एक पानी के टैंक का उपयोग करके एबी प्रभाव को फिर से बनाया और विस्तारित किया है।

कम्युनिकेशंस फिजिक्स में प्रकाशित उनके निष्कर्षों से पता चलता है कि विपरीत दिशाओं से घूमते हुए भंवर की ओर बढ़ने वाली जल तरंगें नाटकीय घूर्णन पैटर्न बनाती हैं। इनमें अस्थायी रूप से स्थिर जल की एक या अधिक रेखाएँ शामिल होती हैं जो धीरे-धीरे घूमते हुए बाहर की ओर फैलती हैं।

कस्टम निर्मित जल टैंक

शोध दल ने पानी की सतह पर तरंगों के पैटर्न का पता लगाने के लिए ऊपर एक हाई-स्पीड कैमरा लगाकर एक विशेष रूप से निर्मित जल टैंक तैयार किया। क्रेडिट: एंड्रयू स्कॉट / ओआईएसटी

नॉनलाइनियर और नॉन-इक्विलिब्रियम फिजिक्स यूनिट के पीएचडी छात्र और इस अध्ययन के सह-प्रथम लेखक आदित्य सिंह कहते हैं, "यह कुछ नया और अप्रत्याशित था। यही बात इस द्रव अनुरूप प्रणाली को इतना मूल्यवान बनाती है। यह टोपोलॉजिकल प्रभावों को प्रकट करती है—तरंग व्यवहार जो पूरी प्रणाली में घटित होते हैं—जिन्हें क्वांटम प्रयोगों में नहीं देखा जा सकता।"

क्वांटम सिद्धांत से लेकर जल टैंक प्रयोगों तक

यह शोध सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी माइकल बेरी के 1980 के एक अध्ययन से प्रेरित था, जिसमें उन्होंने प्रदर्शित किया था कि क्लासिकल द्रव प्रणाली में AB प्रभाव को पुन: उत्पन्न किया जा सकता है। इस प्रभाव के क्वांटम संस्करण में, इलेक्ट्रॉन एक कसकर लिपटे तार के चारों ओर गति करते हैं जिसे सोलेनोइड कहा जाता है।

जैसे ही तरंगें भंवर से गुजरती हैं, वे विकृत होकर त्रिशूल जैसी आकृतियाँ बनाती हैं, जो केंद्रीय भंवर के आसपास केंद्रित होती हैं। जब तरंगों की दिशा बदली जाती है (तीर की दिशा), तो विकृति पैटर्न प्रतिबिंबित हो जाता है। ऊपर के दो भाग अनुकरणित पैटर्न दिखाते हैं जबकि नीचे के दो भाग प्रयोगों में देखे गए पैटर्न दिखाते हैं।

जब विद्युत धारा सोलेनोइड से होकर गुजरती है, तो यह कुंडली के भीतर ही सीमित चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। भले ही इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र के बाहर यात्रा करते हों, फिर भी उनके तरंग गुणधर्मों में कलाविधि का परिवर्तन होता है।

बेरी ने सोलेनोइड को पानी की टंकी के निकास पर बने भंवर से बदल दिया। इलेक्ट्रॉनों के बजाय, उन्होंने टंकी के ऊपर पानी की लहरें भेजीं, जिससे वे भंवर के भीतर से गुजरने के बजाय उसके चारों ओर घूम गईं। इन लहरों ने भंवर के चारों ओर एक विकृत त्रिशूल जैसी आकृति विकसित की, जिससे चरण परिवर्तन का पता चला।

ओआईएसटी इकाई के सह-प्रथम लेखक और पूर्व पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता जोनास रोनिंग कहते हैं, "विपरीत दिशा में यात्रा करने वाली तरंगों के कारण आपको दर्पण प्रतिबिंब पैटर्न दिखाई देता है। हमारे लिए सवाल यह था कि यदि आप एक ही समय में दोनों दिशाओं से तरंगें भेजते हैं तो क्या होगा? हमने सोचा था कि पैटर्न एक दूसरे को रद्द कर देंगे, या दोनों त्रिशूल जैसे पैटर्न दिखाई देंगे, लेकिन हमारा अनुमान पूरी तरह गलत था।"

क्षणिक रूप से समतल जल की रेखाएँ बाहर की ओर फैलती हैं और भंवर के प्रवाह की विपरीत दिशा में घूमती हैं। बाएँ वीडियो में प्रयोग से प्राप्त पैटर्न दिखाया गया है, जबकि दाएँ वीडियो में सिमुलेशन मॉडल में यही प्रभाव दिखाया गया है। क्रेडिट: सिंह एट अल., (2026) कम्युन फिजिक्स।

विपरीत दिशा में चलने वाली जल तरंगें घूर्णनशील पैटर्न बनाती हैं

इस अध्ययन की जांच के लिए, टीम ने एक बड़े, विशेष रूप से निर्मित पानी के टैंक के केंद्र में एक भंवर उत्पन्न किया और विपरीत दिशाओं से तरंगें भेजीं, जिससे वे आपस में टकराकर एक-दूसरे को प्रभावित करने लगीं। टैंक के नीचे प्रकाश और एक हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने समय के साथ सतह पर तरंगों के पैटर्न के विकास का अध्ययन किया।

भंवर की अनुपस्थिति में, विपरीत दिशा से आने वाली तरंगें सामान्यतः एक स्थिर तरंग पैटर्न बनाती हैं जिसमें तरंगें एक ही स्थान पर स्थिर प्रतीत होती हैं। इन पैटर्नों में स्थिर तरंग मोर्चे होते हैं जहाँ तरंगों का चरण समान होता है।

विभिन्न तरंग चरण

परिमाण और आवृत्ति में समान होने के बावजूद, नीली और लाल तरंगें अलग-अलग समय पर अपने चरम और निम्नतम बिंदुओं पर पहुँचती हैं, और इसलिए उनके चरण भी भिन्न-भिन्न होते हैं। क्रेडिट: वाउरिड्स बास्कर्टफ, विकिमीडिया कॉमन्स, CC BY-SA 2.5

भंवर के उत्पन्न होने से व्यवहार पूरी तरह बदल गया। भंवर ने तरंगों की अवस्था को बदल दिया, जिससे स्थिर तरंगों के परस्पर क्रिया करने का तरीका बदल गया। इसके परिणामस्वरूप घूर्णनशील नोडल रेखाएँ उत्पन्न हुईं, ऐसे क्षेत्र जहाँ तरंग की ऊँचाई शून्य हो जाती है।

"जब हमने पहली बार इन रेखाओं को देखा, तो हमें लगा कि ये एक प्रायोगिक त्रुटि हैं," सिंह कहते हैं। "लेकिन जब हमने इन्हें अपने सिमुलेशन में भी देखा, तो हमने सब कुछ छोड़ दिया और तुरंत यह पता लगाने की कोशिश की कि ये रेखाएं किस गणितीय तरीके से उत्पन्न होती हैं।"

घूमती हुई नोडल रेखाएं छिपे हुए भौतिकी के रहस्यों को उजागर करती हैं

नोडल रेखाओं ने असामान्य व्यवहार प्रदर्शित किया। वे हमेशा भंवर की विपरीत दिशा में घूमती थीं, और जैसे-जैसे भंवर का प्रवाह मजबूत होता गया, वैसे-वैसे अधिक नोडल रेखाएं दिखाई देने लगीं।

चूंकि यह खोज अभी प्रारंभिक चरण में है, इसलिए शोधकर्ताओं को अभी यह पता नहीं है कि नोडल रेखाओं के व्यावहारिक अनुप्रयोग हो सकते हैं या नहीं। हालांकि, वरिष्ठ लेखक प्रोफेसर महेश बांदी का कहना है कि यह प्रणाली भविष्य के अध्ययन के लिए कई संभावनाएं खोलती है।

सिमुलेशन (ऊपर) और प्रयोगों (नीचे) दोनों में, घूर्णनशील नोडल रेखाओं की संख्या तीव्र भंवर प्रवाह के साथ बढ़ती है। कम प्रवाह (बाएं) पर, केवल एक नोडल रेखा दिखाई देती है, जबकि उच्च प्रवाह (दाएं) पर, दो नोडल रेखाएं दिखाई देती हैं। क्रेडिट: सिंह एट अल., (2026) कम्युन. फिजिक्स।

बांदी कहते हैं, “एक तरीका यह है कि कई भंवरों को शामिल करके और उन्हें एक जाली में व्यवस्थित करके सिस्टम को और अधिक जटिल बनाया जाए। यह सेटअप कुछ अतिचालक पदार्थों की स्थितियों को प्रतिबिंबित करेगा, जिसमें पानी की लहरें एक सुपरकरंट की तरह व्यवहार करेंगी। हमें अभी तक यह नहीं पता कि हमें क्या देखने को मिलेगा—और यही बात इसे करने लायक बनाती है।”

व्यापक रूप से कहें तो, ये निष्कर्ष दर्शाते हैं कि कैसे सरल शास्त्रीय सादृश्य क्वांटम जगत की गहरी समझ प्रदान कर सकते हैं। बांदी कहते हैं, "सिद्धांतकार इन प्रभावों की भविष्यवाणी तो कर सकते हैं, लेकिन क्वांटम प्रयोगों में ये दिखाई नहीं देंगे। इस तरह के सादृश्यों की मदद से हम इन्हें देख सकते हैं।"