ఓర్నీ! కాలం మన భ్రమేనా?!

కాలం అనేది ఈ విశ్వంలో ఉన్న ఒక ప్రత్యేక భాగం కాదా? విశ్వంలో జరిగే మార్పుల వల్ల మనకి కలిగే ఒక అనుభూతి మాత్రమేనా? ఈ సందేహానికి సమాధానం వెతికేందుకు, బర్మింగ్‌హామ్‌ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన భౌతిక శాస్త్రవేత్త ప్రొఫెసర్‌ జియోవాని బారోంటిని తన ప్రయోగశాలలో ఒక ‘చిన్న విశ్వాన్ని’ తయారు చేశారు.

సంపూర్ణ శూన్య ఉష్ణోగ్రత వద్ద, అంటే మైనస్‌ 273.15 సెల్సియస్‌ డిగ్రీల వద్ద వేలాది పరమాణువులను చల్లబరిచారు. తద్వారా బయటి గడియారం ఏదీ అవసరం లేకుండానే కాలాన్ని కొలవవచ్చని ఆయన నిరూపించారు.

ఆ ప్రయోగంలోని పరమాణువుల కదలికలు, వాటి ప్రవర్తన నుంచే ‘కాలం’ అనేది జనించటాన్ని గమనించారు! ‘ఫిజికల్‌ రివ్యూ రీసెర్చ్‌’ పత్రికలో ప్రచురితమైన ఈ పరిశోధన ఫలితాలు.. కాలం అనేది విశ్వానికి ప్రత్యేకమైన పునాది కాకపోతే, ఈ విశ్వంలో జరిగే మార్పులు, వాటి పరస్పర సంబంధాల వల్లే ఏర్పడుతుందనే కొత్త సిద్ధాంతానికి చాలా బలాన్నిస్తున్నాయి.

విశ్వానికి అసలు టైమే లేదా?
సాధారణంగా మనం మన చుట్టూ ఏం జరుగుతున్నా, కాలం  ఎప్పుడూ ముందుకు వెళ్తూనే ఉంటుందని భావిస్తాం. సెకన్లు గడుస్తాయి, గ్రహాలు నక్షత్రాల చుట్టూ తిరుగుతాయి, విశ్వం మారినట్లే కనిపిస్తుంది. కానీ భౌతిక శాస్త్రంలోని కొన్ని సిద్ధాంతాల ప్రకారం, లోలోపలి క్వాంటమ్‌ స్థాయిలో (కంటికి కనిపించని అతి సూక్ష్మస్థాయిలో) కాలం అన్నది చాలా భిన్నంగా పనిచేస్తుంది. దీనికి ‘వీలర్‌–డివిట్‌ సమీకరణం’ ఒక ఉదాహరణ.

క్వాంటమ్‌ మెకానిక్స్, గురుత్వాకర్షణ శక్తిని కలపడానికి చేసే ప్రయత్నాలలో ఈ సమీకరణం ఉపయోగపడుతుంది. దీని ప్రకారం, ఈ విశ్వం ఎప్పటికీ మారకుండా ఉండే ఒకే ఒక క్వాంటమ్‌ స్థితిగా ఉంటుంది. ఇక్కడ సమయాన్ని కొలవడానికి బయట ఏ గడియారమూ ఉండదు. క్వాంటమ్‌ కణాలు తరంగాలలా, కణాలలా ప్రవర్తిస్తాయి తప్ప, సమగ్రంగా విశ్వానికి ‘కాలం’ అనే ఒక ప్రత్యేకమైన కొలత ఉండదు. (ఉదాహరణకు: ఒక కారు కదులుతున్నప్పుడు సమయంతో పాటు దాని దూరం మారుతుంది. అక్కడ సమయం అనేది ఒక ‘కాల చరరాశి’).

ఇది ఒక పెద్ద చిక్కుముడిని సృష్టిస్తోంది. ఒకవేళ విశ్వానికి బయటి గడియారం లేకపోతే, పనులన్నీ ఒక పద్ధతి ప్రకారం ఎలా జరుగుతాయి? ఏది ముందు జరగాలి, ఏది తర్వాత జరగాలి అని ఎవరు నిర్ణయిస్తారు? విశ్వంలోని రకరకాల భాగాల మధ్య జరిగే మార్పులు, సంబంధాల నుంచే కాలం ఉద్భవిస్తుందనేది దీనికొక సమాధానంగా చెప్పుకోవచ్చు. ఇలాంటి ప్రక్రియను ల్యాబ్‌లో పరిశీలించవచ్చా లేదా అని తెలుసుకోవడానికే ప్రొఫెసర్‌ బారోంటిని సూక్ష్మ విశ్వాన్ని సృష్టించారు.

మిస్టరీలకు క్లూ దొరికినట్లేనా?!
‘‘విశ్వానికి సంబంధించిన కొన్ని ముఖ్యమైన సిద్ధాంతాలలో, ముఖ్యంగా ‘క్వాంటమ్‌ గ్రావిటీ’లో, సమయం అనేది ముందుగానే ఎక్కడా ఫిక్స్‌ చేసిపెట్టిన అంశం లాగా కనిపించదు. అయినప్పటికీ, మనం రోజువారీ జీవితంలో  సమయం ఎప్పుడూ గతం నుండి భవిష్యత్తు వైపు మాత్రమే ప్రవహిస్తుంది. భౌతిక శాస్త్రంలోని చాలా ప్రాథమిక సూత్రాలు ముందుకు వెళ్లినా, వెనక్కి వెళ్లినా ఒకేలా పనిచేస్తుంటాయి కదా, మరి అలాంటప్పుడు కాలం ఎందుకు కేవలం ముందుకు మాత్రమే వెళ్తుంది?’’ అని ప్రొఫెసర్‌ బారోంటిని ప్రశ్నిస్తున్నారు.

అలాగే, ‘బయట నుంచి మనం ఊహించే సాధారణ గడియారంలా కాకుండా, ఒక చిన్న వ్యవస్థ లోపల జరిగే మార్పుల ద్వారానే ‘సమయాన్ని’ సరిగ్గా గుర్తించవచ్చని ఈ అధ్యయనం మొట్టమొదటిసారిగా ఒక ప్రయోగపూర్వక సత్యాన్ని నిరూపిస్తోంది. సాంప్రదాయ ‘కాలం’ మనకు ఎంత బాగా అర్థమవుతుందో, క్వాంటమ్‌ గ్రావిటీ ప్రపంచంలో కాలం అసలు స్వభావాన్ని వివరించడానికి ఈ కొత్త పద్ధతి కూడా అలాగే ఉపయోగపడుతుంది’’ అని బారోంటిని స్పష్టం చేస్తున్నారు.

మనం సాధారణ జీవితంలో గమనించే కాలానికి, ప్రకృతి లోలోపల పనిచేసే ప్రాథమిక భౌతిక సూత్రాలకు మధ్య ఈ తేడా చాలా కీలమైనది. సమయాన్ని గణిత లెక్కల ప్రకారం వెనక్కి తిప్పినా లేదా ముందుకు సాగనిచ్చినా, చాలా భౌతిక సమీకరణాలు మాత్రం ఎప్పుడూ ఒకేలా పనిచేస్తాయి. అయినప్పటికీ, మనం ఈ ప్రపంచాన్ని అనుభవించే తీరు మాత్రం ఒకే దిశలో ఉంటుంది: ఉదాహరణకు, మనం భవిష్యత్తును ‘గుర్తుంచుకోలేం’, కేవలం గతాన్ని మాత్రమే గుర్తుంచుకోగలం. ఏ పనైనా ఒక నిర్దిష్ట వరుస క్రమంలోనే జరుగుతుంది.

ఈ తేడాను వివరించడంలో ‘ఎంట్రోపీ’ (వ్యవస్థలో గందరగోళం లేదా క్రమరాహిత్యం పెరగడం) ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తోంది. ఒక నియంత్రిత క్వాంటం వ్యవస్థ లోపల ఈ ఎంట్రోపీలో వచ్చే మార్పులకు అనుగుణంగా కాలాన్ని ఎలా కొలవవచ్చో నిరూపించడం ద్వారా, బారోంటిని ప్రయోగం ఈ సంబంధాన్ని మరింత ముందుకు తీసుకెళ్లింది. ఈ పరిశోధన ఫలితాలు కేవలం సంఘటనలను ఒక సరైన క్రమంలో అమర్చడంతోనే ఆగిపోలేదు.

క్వాంటం మెకానిక్స్‌ అత్యంత ప్రాథమిక సమీకరణాలలో ఒకటైన ‘షోడింజర్‌ సమీకరణం’ రూపాన్ని కూడా, ఈ ‘ఎంట్రోపిక్‌ టైమ్‌’ను (ఎంట్రోపీ ద్వారా వచ్చే సమయం) ఉపయోగించి వ్యక్తపరచవచ్చని బారోంటిని నిరూపించారు. ఈ సమీకరణం ఒక వ్యవస్థకు చెందిన క్వాంటం స్థితి కాలంతో పాటు ఎలా మారుతుందో వివరిస్తుంది.

మరో మాటలో చెప్పాలంటే, సాధారణ క్వాంటమ్‌ మెకానిక్స్‌లో మామూలు సమయాన్ని ఏ విధంగా ఉపయోగిస్తారో, అదే విధంగా ఇలా లోపల అంతర్గతంగా తయారైన కాలాన్ని కూడా క్వాంటమ్‌ వ్యవస్థ ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో అంచనా వేయడానికి అచ్చంగా అలాగే ఉపయోగించవచ్చు.

కణాల కదలికలేనా కాలమంటే?!
ప్రొఫెసర్‌ బారోంటిని ప్రయోగానికి ప్రధాన ఆధారం ‘ఎంట్రోపీ’. ఇది భౌతిక శాస్త్రంలో కణాలు, శక్తి ఎంత అస్తవ్యస్తంగా ఉన్నాయి అని తెలిపే ఒక భావన. సెకన్లు లేదా నిమిషాల గడియారాలను వాడే బదులు, ఆ చిన్న విశ్వంలో పరమాణువులు ఎలా అమరి ఉన్నాయి, వాటిలో ఎలాంటి మార్పులు జరుగుతున్నాయి అనే దాని ఆధారంగా కాలాన్ని గుర్తించే ఒక కొత్త మార్గాన్ని ప్రొఫెసర్‌ బారోంటిని రూపొందించారు.

పరమాణువులు ప్రకాశవంతమైన ప్రాంతాలు, చీకటి ప్రాంతాల మధ్య కదులుతున్నప్పుడు, ప్రకాశవంతమైన ప్రాంతంలోని కణాల అమరికలో మార్పు వచ్చింది. ప్రకాశవంతమైన ప్రాంతం సాగుతూ, కుదించుకుపోతూ (వ్యాకోచ–సంకోచాల మధ్య) మారుతున్నప్పటికీ, ఆ మార్పులన్నీ ఆ వ్యవస్థ కాలంలో ముందుకు ఎలా ప్రయాణిస్తోందో చెప్పడానికి ఒక స్పష్టమైన దారి చూపించాయి. కణాల అమరికలో సంకోచ వ్యాకోచాలు జరిగినప్పుడు, ఈ అంతర్గత గడియారం ప్రకారం వ్యవస్థ ముందుకు నడిచింది.

ఆ కణాల అమరికలో ఎలాంటి మార్పు లేనప్పుడు, ఈ ప్రత్యేకమైన కాలం కదలడం ఆగిపోయింది. అలాగని ల్యాబ్‌లో నిజంగానే కాలమంతా ఆగిపోయిందని కాదు. ఆ వ్యవస్థలో లోపల ఎలాంటి మార్పులూ జరగనప్పుడు, అంతర్గతంగా సమయం గడిచిపోవడం తాత్కాలికంగా ఆగిపోయిందని అర్థం! బారోంటిని ఈ సరికొత్త భావనను ‘ఎంట్రోపిక్‌ టైమ్‌’ అని పేరుపెట్టారు. ఇది ఎప్పుడూ ఒకే దిశలో నిలకడగా కదులుతుంది. దీనినే భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ‘కాల బాణం’ (గతానికి, భవిష్యత్తుకు మధ్య తేడాను తెలిపేది) అంటారు.

చిన్న విశ్వం సాగుతున్నా లేదా కుచించుకుపోతున్నా, ఇది సంఘటనలను సరైన వరుస క్రమంలో ఉంచుతుంది. అత్యంత ఆశ్చర్యకరమైన విషయం ఏమిటంటే  ఈ ఎంట్రోపిక్‌ సమయం ఎప్పుడూ ఒకే వేగంతో ముందుకు సాగదు. ఆ వ్యవస్థ లోపల జరిగే ఎంట్రోపీ (గందరగోళం) బట్టి, ఈ సమయం వేగం పుంజుకోవచ్చు లేదా నెమ్మదించవచ్చు.

ల్యాబ్‌లో విశ్వం ఆవిర్భావం!
ఈ చిన్న విశ్వాన్ని తయారు చేయడానికి ప్రొఫెసర్‌ బారోంటిని అత్యంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద చల్లబరచిన సుమారు 24,000 పరమాణువుల సమూహాన్ని వాడారు. అంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద క్వాంటమ్‌ ప్రభావాలు చాలా స్పష్టంగా కనిపిస్తాయి. దీనివల్ల మామూలుగా చూడలేని కణాల విచిత్ర ప్రవర్తనను శాస్త్రవేత్తలు సులభంగా పరిశోధించవచ్చు.

ఈ పరమాణువులను బయటి వాతావరణం తాకకుండా, జాగ్రత్తగా ఒక క్వాంటమ్‌ వ్యవస్థ (24,000 పరమాణువుల మేఘం) లోపల బంధించారు. వేర్వేరు ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద పనిచేసే రెండు లేజర్‌ కిరణాలతో ఈ వ్యవస్థను రెండు భాగాలుగా విభజించే ఒక పలుచని గోడలాంటి అవరోధాన్ని సృష్టించారు. అవి: గమనించిన (ప్రకాశవంతమైన) ప్రాంతం; గమనించని (చీకటి) ప్రాంతం. మొత్తం వ్యవస్థ బయటి ప్రపంచంతో సంబంధం లేకుండా ఉన్నప్పటికీ, పరమాణువులు ఈ రెండు ప్రాంతాల మధ్య అటుఇటు కదలగలిగాయి. 

ఇందులో ప్రకాశవంతమైన ప్రాంతం వ్యాకోచించడం (సాగడం), సంకోచించడం (కుదించుకుపోవడం) అనే చక్రాల గుండా వెళ్లింది. ఇవి విశ్వంలో జరిగే రెండు ముఖ్యమైన విషయాలను పోలి ఉన్నాయి: వ్యాకోచం ‘బిగ్‌ బ్యాంగ్‌’ (విశ్వ ఆవిర్భావానికి కారణమైన మహా విస్ఫోటం) ను పోలి ఉంది. సంకోచం (కుదించుకు పోవడం) ‘బిగ్‌ క్రంచ్‌’ (విశ్వం విస్తరించడం ఆగిపోయి, చివరికి అంతా వెనక్కి తిరిగి మళ్లీ లోపలికి ముడుచుకుపోయి విశ్వం అంతమవ్వడం)ను పోలి ఉంది.

ఈ ప్రయోగం నిజమైన విశ్వ సంఘటనలను యథాతథంగా పునఃసృష్టించలేదు కానీ, ఒక సరళమైన క్వాంటమ్‌ నమూనాను అందించింది.

భ్రమ కాదు కానీ, వాచీ అక్కర్లేదు!
దశాబ్దాలుగా కాలం ఎలా పుట్టింది? దాని అసలు స్వరూపం ఏమిటి? అనే ప్రశ్నలు కేవలం సిద్ధాంతాలకే  పరిమితమయ్యాయి. శాస్త్రవేత్తలు స్వయంగా తయారు చేయగల, మార్చగల, పరిశీలించగల ప్రయోగాలను ఉపయోగించి ఈ సిద్ధాంతాలను పరిశోధించడానికి ఇప్పుడీ బారోంటిని ప్రయోగం ఒక కొత్త మార్గాన్ని చూపించింది.

ఈ చిన్న విశ్వం క్వాంటమ్‌ ఫిజిక్స్‌ స్థిరమైన నియమాలను పాటిస్తూనే, దాని పరిణామాన్ని వివరించడానికి ఒక కొత్త విధానాన్ని అందించింది. భవిష్యత్తులో చేసే ప్రయోగాలు ఈ పద్ధతిని మరింత క్లిష్టమైన క్వాంటమ్‌ వ్యవస్థలకు ఉపయోగించవచ్చు. దీనివల్ల బిగ్‌ బ్యాంగ్, బిగ్‌ క్రంచ్‌ నమూనాలను శాస్త్రవేత్తలు మరింత లోతుగా అధ్యయనం చేయవచ్చు. ఇలాంటి పద్ధతులే భవిష్యత్తులో ‘బ్లాక్‌ హోల్స్‌’ గురించి తెలుసుకోవడానికి, లేదా కాలం అసలు ఎలా పుడుతుందనే వివరణల మధ్య స్పష్టత తేవడానికి సహాయపడవచ్చు.

అయితే, కాలం అనేది ఒక భ్రమ అని కానీ, మన విశ్వంలో అసలు కాలమే లేదని కానీ ఈ ప్రయోగం చెప్పడం లేదు. బదులుగా, ఇప్పటి వరకు ప్రయోగపూర్వకంగా నిరూపించలేని ఒక విషయాన్ని ఇది స్పష్టం చేసింది. అదేమిటంటే– ఒక క్వాంటమ్‌ వ్యవస్థకు బయటి గడియారంతో పనిలేదు, అది తనకంటూ ఒక అర్థవంతమైన సొంత కాలమానాన్ని (అంతర్గత సమయాన్ని) కలిగి ఉండగలదు.

కేవలం 24,000 పరమాణువులతో ఒక చిన్న విశ్వాన్ని సృష్టించటం ద్వారా, వందల సంవత్సరాలుగా భౌతిక శాస్త్రవేత్తలను, తత్వవేత్తలను వేధిస్తున్న ఒక ప్రశ్నకు సమాధానం వెతికే కొత్త ప్రయోగ సాధనం దొరికింది. ఆ ప్రశ్నే: ‘‘అసలు కాలం ఎందుకు ప్రవహిస్తుంది?’
– సాక్షి స్పెషల్‌ డెస్క్‌

ఇదీ చదవండి: మగ'వార్‌'ని అర్థం చేసుకుందాం!