ایک ملی گرام کا روٹر، جسے دیکھتے رہنا ہی ساکن رکھتا ہے

پچھلے بیس برسوں میں ماہرینِ طبیعیات نے میکانیکی اجسام کو ان کی کوانٹم حدود کے قریب قابو کرنا سیکھ لیا ہے — فیمٹوگرام وزنی نینو پیمانے کے ریزونیٹرز (resonators) سے لے کر ثقلی لہروں کے ڈیٹیکٹرز کے کئی کلوگرام وزنی آئینوں تک۔ لیکن تقریباً یہ سب مرتعش نظام (oscillators) ہیں: کوئی چیز، جیسے ایک کمانی، انہیں واپس مرکز کی طرف کھینچتی ہے۔ کوانٹم میکینکس کا سادہ ترین نظام، آزاد ذرہ، جسے واپس کھینچنے والی کوئی چیز نہیں ہوتی، اب تک ایسے کنٹرول کی گرفت میں نہیں آیا۔ ان کم تعددات پر جہاں آزاد حرکت وقوع پذیر ہوتی ہے، ماحول کی رگڑ اور شور سب کچھ ڈبو دیتے ہیں۔

پھر بھی کئی بڑے سوالات کو ٹھیک آزاد کمیتوں ہی کی ضرورت ہے: یہ جانچنا کہ کیا کششِ ثقل کوانٹم ہے، کوانٹم میکینکس میں مجوزہ تبدیلیوں کو پرکھنا، کم فاصلے پر کام کرنے والی نئی قوتوں کی تلاش۔

شیشے کے دھاگے پر ایک آئینہ

Institute of Science and Technology Austria میں Umang Mishra، Teodor Strömberg، Onur Hosten اور ساتھیوں نے آزمائشی جسم تیار کیا: فیوزڈ سلیکا (fused silica) کی 1 ملی گرام وزنی ایک آئینہ نما سلاخ، 2 ملی میٹر لمبی، جو فیوزڈ سلیکا کے ایک ریشے سے لٹکی ہے جو 15 سینٹی میٹر لمبا اور 1 مائیکرومیٹر موٹا ہے، 10⁻¹⁰ ملی بار سے کم دباؤ والے خلا میں۔ سختی سے دیکھا جائے تو یہ ایک مروڑی رقاص (torsion pendulum) ہے جو ہر 15 سیکنڈ میں ایک بار آگے پیچھے جھولتا ہے۔ لیکن یہاں اہم وقتی پیمانوں پر، یعنی دسیوں ملی سیکنڈ پر، اسے یہ کھنچاؤ بمشکل محسوس ہوتا ہے: یہ ایک آزاد جسم کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔

اس کی علیحدگی انتہائی درجے کی ہے۔ ٹیم نے اسے جھنجھوڑنے والے بے ترتیب مروڑ (torques) ناپے اور انہیں اس شور سے زیادہ کچھ نہیں ملا جو محض 7 نینو ہرٹز کی تخفیفی شرح سے پیدا ہوتا۔ اگر اسے اسراع پیما (accelerometer) کے طور پر استعمال کیا جائے تو سلاخ کا سرا اس کمیت پر پچھلے بہترین تجربات سے تقریباً سو گنا زیادہ حساس ہوگا۔

اسے دیکھنے کے لیے ایک “دوہرا بصری لیور” (double optical lever) دو لیزر شعاعوں کو آئینے سے مخالف سمتوں میں منعکس کرتا ہے، تاکہ خود لیزر کی کوئی بھی لرزش منسوخ ہو جائے اور صرف سلاخ کی گردش باقی رہے۔ ایک تیسری شعاع روشنی کے دباؤ سے سلاخ کو دھکیل سکتی ہے۔ پورا نظام زلزلہ جاتی جھٹکوں سے علیحدگی کے ایک پلیٹ فارم پر کھڑا ہے، اور ایک چھوٹا مداخلت پیما (interferometer)، جس کا اپنا لٹکا ہوا آئینہ ہے، اس پلیٹ فارم کی کسی بھی باقی ماندہ حرکت پر نظر رکھتا ہے۔

جال کی جگہ پیمائش

بنیادی خیال یہ ہے کہ مسلسل پیمائش جال کی جگہ لے سکتی ہے۔ اگر کسی آزاد جسم کو اس کے حال پر چھوڑ دیا جائے تو اس کا مقام اور رفتار مسلسل بڑھتی ہوئی غیر یقینی کے ساتھ پھیلتے جاتے ہیں۔ اگر اسے بلا توقف ناپا جائے تو اس کا راستہ ساتھ ساتھ عیاں ہوتا جاتا ہے، اور اس کی حالت کے بارے میں ہمارا علم ایک مستحکم، محدود دھندلاہٹ پر ٹھہر جاتا ہے۔ یہاں یہ دھندلاہٹ تقریباً 26 ملی سیکنڈ میں مستحکم ہو جاتی ہے۔

اس باقی ماندہ غیر یقینی کو ایک درجۂ حرارت میں بدلا جا سکتا ہے، اس درسی تعریف کے ذریعے جو درجۂ حرارت کو اینٹروپی (entropy) کی تبدیلیوں سے جوڑتی ہے۔ یہ “اینٹروپک درجۂ حرارت” بتاتا ہے کہ روٹر کی حرکت کتنی باریکی سے معلوم ہے، اور آزاد اجسام کا مرتعش نظاموں سے موازنہ ممکن بناتا ہے۔

ٹیم نے سلاخ کو روشنی سے قید کیا، اسے آزاد چھوڑا، اور 1.25 سیکنڈ کے 100 دورانیوں میں اس کا زاویہ ریکارڈ کیا۔ اس کی حالت کی تعمیرِ نو کے دو طریقوں کا موازنہ کیا گیا: ایک “سببی” (causal) تخمینہ جو صرف ماضی کی پیمائشیں استعمال کرتا ہے، اور ایک “ہموار شدہ” (smoothed) تخمینہ جو بعد میں کی گئی پیمائشیں بھی استعمال کرتا ہے۔ دونوں کے فرق سے یہ جانچنے کا ایک نیا طریقہ ملا کہ حالت واقعی کتنی اچھی طرح معلوم ہے۔

140 نینو کیلون

• صرف ماضی کے ڈیٹا سے، روٹر کی حالت 1.2 مائیکرو کیلون کے برابر ہے۔
• ہموار کرنے کے ساتھ، یہ گر کر 140 نینو کیلون رہ جاتی ہے — مطلق صفر سے ایک ڈگری کے 140 اربویں حصے اوپر۔

یہ میکانیکی اجسام کے ساتھ پچھلے میز پر کیے جانے والے تجربات سے تقریباً دو درجۂ وسعت (orders of magnitude) زیادہ ٹھنڈا ہے۔ مصنفین کے مطابق یہ ایسے نظاموں کو انتہائی سرد (ultracold) دائرے میں لے آتا ہے، جو اب تک زیادہ تر تبخیر کے ذریعے ٹھنڈے کیے گئے ایٹموں کے بادلوں سے وابستہ رہا ہے۔ روایتی فیڈبیک کولنگ (feedback cooling) اس سطح تک نہیں پہنچ سکتی تھی۔

ایک نچلی حد بھی ہے۔ علیحدگی کی اس سطح کے لیے، ماڈل پیش گوئی کرتا ہے کہ درجۂ حرارت تقریباً 15 نینو کیلون سے نیچے نہیں جا سکتا: ہائزنبرگ کے اصولِ عدم یقین کے مطابق، مقام کو زیادہ سے زیادہ باریکی سے ناپنے سے گردش کی رفتار زیادہ سے زیادہ دھندلی ہوتی جاتی ہے۔

ایک پُرسکون آزاد کمیت کس کام کی ہے

دو استعمال فوراً سامنے آتے ہیں۔ کچھ نظریات کوانٹم میکینکس میں اس طرح تبدیلی کرتے ہیں کہ کوانٹم دھندلاہٹ خود بخود ڈھہ جائے (collapse)، جس سے ہر جسم میں ایک مدھم، بے ترتیب لرزش شامل ہو جائے گی۔ روٹر کا ناپا گیا سکون کم تعددات پر ان ماڈلز کی ایک نئی حد کو رد کر دیتا ہے، جو LISA Pathfinder خلائی مشن کی مقرر کردہ حدود کی تکمیل کرتا ہے۔

دوسرا استعمال کششِ ثقل ہے۔ کیا کششِ ثقل دو کمیتوں کو باہم الجھا (entangle) سکتی ہے، یہ ایک مرکزی کھلا سوال ہے۔ ٹیم کے معیارِ کارکردگی (figure of merit) کے مطابق، ایسے دو روٹر الجھاؤ پیدا کرنے اور اسے کھونے کے تناسب میں پہلے دکھائے گئے کسی بھی نظام کو تقریباً دو درجۂ وسعت سے پیچھے چھوڑ دیں گے، اگرچہ وہ ہدف سے اب بھی بہت دور رہیں گے۔ مصنفین کے مطابق، گردش کو پڑھنے کے لیے ایک معمولی بصری کیویٹی (optical cavity) کا اضافہ مطلوبہ خالصیت (purity) کو پہنچ میں لے آئے گا۔