পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে - ৩

কাজী রাজীবুল ইসলাম

(U Waterloo)

 

29 Mar 2015

Link: https://bigyan.org.in/paramshunyo-tapmatrar-kachhe-3

আমরা এই গল্পের শুরুতে প্রশ্ন করেছিলাম: কোন পদার্থকে কত কম তাপমাত্রায় নিয়ে যাওয়া যায়? সেই উত্তরটা আরেকবার পড়ে নিতে পারেন এই লেখার প্রথম পর্বে! তারপর বলেছিলাম এক অদ্ভুত কথা! বিশেষভাবে লেজার রশ্মির আলো ব্যবহার করে পরীক্ষাগারে কিছু গ্যাসকে ঠান্ডা করতে করতে একদম পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে (প্রায় -273 ডিগ্রী সেলসিয়াস) নিয়ে চলে যাওয়া যায়। পাঠক বিস্মৃত হলে দ্বিতীয় পর্বটা আরেকবার পড়ে নিতে পারেন।

তাপমাত্রা এবং পরমাণুর দ্রুতি

তাপমাত্রা যত কমে ততই অণু-পরমাণুর গতিশক্তি কমে। তারা ধীরে ধীরে স্থির হতে থাকে। একটা উদাহরণের সাহায্যে বোঝানো যাক। বায়ুমন্ডলীয় চাপে সোডিয়াম গ্যাস 883 ডিগ্রী সেলসিয়াস তাপমাত্রায় বাষ্পে পরিণত হয়। এই তাপমাত্রায় সোডিয়াম পরমাণুর গড় দ্রুতি (root mean square speed) সেকেন্ডে এক কিলোমিটারের কিছু বেশী। এই প্রবল গতি নিয়ে সোডিয়াম পরমাণুগুলো অনবরত অন্য পরমাণুদের সাথে ধাক্কা খেয়ে চলেছে। তুলনার জন্য বলা যাক, এরোপ্লেনের গতি সেকেন্ডে মাত্র 250 মিটার মত!

তাপমাত্রা কমাতে থাকলে এমনিতে সোডিয়াম পরমাণুগুলি কাছাকাছি এসে তরল আর তারপর কঠিনে পরিণত হবে। কিন্তু পরীক্ষাগারে প্রায় শূন্যস্থানের মধ্যে অনেক পরমাণুকে গ্যাসীয় অবস্থায় রাখা যায়। গ্যাসীয় পদার্থের পরমাণুর গড় দ্রুতি কেলভিন স্কেলের তাপমাত্রার বর্গমূলের সমানুপাতে কমতে থাকে। সেই হিসেব অনুযায়ী ‘ঘরের তাপমাত্রায়’ বা 300 K (কেলভিন)-এ গড় দ্রুতি কমে হবে প্রতি সেকেন্ডে প্রায় 570 মিটার। এবার লেজারের সাহায্যে তাপমাত্রা কমাতে কমাতে 1 মিলিকেলভিনের (= 0.001 K) কাছে এলে গড় দ্রুতি কমে হবে সেকেন্ডে 1 মিটার মত। আরো কমে মাইক্রোকেলভিনের (0.000 001 K) কাছে নিয়ে গেলে তা কমে হবে সেকেন্ডে মাত্র 3 সেন্টিমিটারের একটু বেশী!

লেজার কুলিং দিয়ে ঠান্ডা করার কোন সর্বনিম্ন সীমা আছে কি?

মনে প্রশ্ন আসতে পারে আলো দিয়ে ঠান্ডা করতে করতে কত কম তাপমাত্রায় যাওয়া যেতে পারে? সর্বনিম্ন কোন সীমা আছে কি? গত পর্বে যে লেজার কুলিং-এর পদ্ধতি বিশদে ব্যাখ্যা করেছিলাম তা দিয়ে কয়েকশ’ মাইক্রোকেলভিন পর্যন্ত নামা যায়। এর পরেও লেজারের আলো ব্যবহার করে আরো ঠান্ডা করা যায় – সেই প্রক্রিয়াটি তুলনামূলকভাবে একটু জটিল। কিন্তু আলো ব্যবহার করে যে একটা তাপমাত্রার নিচে নামা সম্ভব নয় তা সহজভাবে বুঝতে পারি কোন জটিল অঙ্ক না করেই, নিচের যুক্তি অনুযায়ী।

আগেই বলেছি আলোর কণিকা বা ফোটনের ভরবেগ আছে, এবং পরমাণুগুলো ঠান্ডা হওয়ার সময় নির্দিষ্ট রঙ বা কম্পাঙ্কের ফোটন শোষণ করতে এবং ছাড়তে থাকে। যেমন সোডিয়াম গ্যাসকে ঠান্ডা করতে লাগে 589 ন্যানোমিটার কম্পাঙ্কের আলো। কোন পরমাণু একটা ফোটন শোষণ করলে বা ছাড়লে নিউটনের তৃতীয় সূত্র অনুযায়ী ধাক্কা খায়। ঠিক যেমন গোলকিপার বলের ধাক্কা খায় বা বন্দুক থেকে গুলি ছোড়ার ঠিক পরে সৈনিকের কাঁধ একটু পিছিয়ে আসে। একটি সোডিয়াম পরমাণুর বেগ এই ধাক্কা খেয়ে সেকেন্ডে প্রায় 3 সেন্টিমিটার পালটে যায়। তাহলে তাপমাত্রা কমতে কমতে মাইক্রোকেলভিনের কাছে এসে পরমাণুর গড় গতিশক্তি এত কমে এসেছে যে আলোর একটা কণিকার ধাক্কাই তার গতিকে আমূল পালটে দিতে পারে! লেজার কুলিং-এ একটি পরমাণু বিক্ষিপ্তভাবে সবদিকে ফোটন ছাড়তে থাকে, তাই ফোটন ছেড়ে কখনো তার বেগ কমে যায় আবার কখনো বেড়ে যায়। কিন্তু গড় দ্রুতি ফোটনের ধাক্কাজনিত বেগের মানের থেকে কম হতে পারে না।

ন্যানোকেলভিনের পথে

তাহলে, এই কি শেষ? মাইক্রোকেলভিনের নিচে আর কি ঠান্ডা করা যাবে না কোন গ্যাসীয় পদার্থকে?

তাও যায়। কী ভাবে? চায়ের পেয়ালা থেকে চা যেভাবে ঠান্ডা হয়, সেই ভাবে।

খুলে বলি একটু। গরম চায়ের পেয়ালা থেকে বাষ্প উড়তে দেখেছি সবাই। বাষ্প জলের গ্যাসীয় অবস্থা। চায়ের পেয়ালার মধ্যে যে জলের অণুগুলির গতিশক্তি সবথেকে বেশী তারা বাকি অণুদের আকর্ষণ কাটিয়ে বেরিয়ে আসে পেয়ালা থেকে, এটাই বাষ্পীভবন (evaporation) প্রক্রিয়া। এখন সবথেকে বেশী গতিশক্তির অণুগুলো বেরিয়ে যাওয়ার দরুণ যারা পড়ে আছে তাদের গড় গতিশক্তি কমতে থাকছে! যেহেতু এই গড় গতিশক্তির পরিমাপ তাপমাত্রা, তাই চা ঠান্ডা হয়ে যাচ্ছে!

আলোর সাহায্যে ঠান্ডা করা পরমাণুগুলোকে যখন আর আলো দিয়ে বেশী ঠান্ডা করা যাচ্ছে না তখন তাদের ফেলা হয় একটা পেয়ালার মধ্যে! কী এই পেয়ালা? চা’কে পেয়ালায় ঢালা হয় তাকে আটকে রাখার জন্য – চৌম্বক ক্ষেত্র দিয়ে ঠিক একই ভাবে একটা পেয়ালা (বিজ্ঞানের ভাষায় ম্যাগনেটিক ট্র্যাপ) তৈরী করে পরমাণুদের আটকে রাখা যায়। এবার ধীরে ধীরে সেই ট্র্যাপ থেকে সবচেয়ে শক্তিশালী পরমাণুদের বের করে দেওয়া হলে বাকি পরমাণুগুলো নিজেদের মধ্যে ধাক্কাধাক্কি করে ঠান্ডা হতে থাকবে। এই পদ্ধতিকে evaporative cooling বলা হয়! এভাবে তাপমাত্রা কমাতে কমাতে প্রায় ন্যানোকেলভিনের (মাইক্রোকেলভিনের হাজার ভাগের একভাগ) কাছে নিয়ে চলে যাওয়া যায়।

এতক্ষণ আমরা পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে কী করে যাওয়া যায় তাই নিয়ে কিছু জানলাম। জানার জগতের বাইরে নতুনকে খোঁজা বিজ্ঞানের ধর্ম। তবে অনেক সময়ই নতুন জগতের সন্ধানে কিছু বিশেষ অনুপ্রেরণা থাকে। পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছের বিজ্ঞান যেমন রহস্যে ভরা, তেমনি তার থেকে ব্যবহারিক জীবনে লাভবান হওয়া যায় কিনা তা নিয়েও বিজ্ঞানীরা ভেবেছেন, এবং ভেবে চলেছেন।

এক্ষেত্রে একটি অন্যতম অনুপ্রেরণা হল আরও নিখুঁত ঘড়ি আবিষ্কার করা। আপনারা অনেকে জি.পি.এস (GPS) নামক যন্ত্রটির সাথে পরিচিত হয়ত। এর সাহায্যে আমাদের ভৌগোলিক অবস্থান মাপা যায়। যা ব্যবহার করে উড়োজাহাজ উড়ে চলে মেঘের উপর দিয়ে সঠিক পথে বা সাবমেরিন নিঃশব্দে বিশ্বভ্রমন করে জলমগ্ন পাহাড়ে ধাক্কা না খেয়ে। জি.পি.এস ব্যবহার করে চালকহীন গাড়ী তৈরীর চেষ্টা চলছে। এ সবের জন্য প্রয়োজন সময়ের সঠিক মাপ – আর তাই উন্নত ঘড়ি তৈরীর চেষ্টা। পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে পরমাণুর মধ্যে ইলেক্ট্রনগুলো একদম ‘ঘড়ি মেপে’ ওঠানামা করে বিভিন্ন শক্তিস্তরে – সময়ের কোন হেরফের হয় না। এই ঘটনার উপর ভিত্তি করে তৈরী ঘড়ি লক্ষ কোটি বছরে এক সেকেন্ডের এক হাজার ভাগও ‘স্লো’ হয় না! সময় গণনার মজার ইতিহাস আমরা অন্য কোন লেখায় আলোচনা করব। বর্তমান লেখাটি শেষ করব আরেক বিশেষ অনুপ্রেরণার কথা বলে। তা হল পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে পদার্থের নতুন অবস্থার খোঁজ।

পদার্থের নতুন অবস্থার সন্ধানে

প্রকৃতির এক অদ্ভুত নিয়ম আছে। তাকে বলা হয় Uncertainty principle। ব্যাপারটা এরকম, কোন কণা কোথায় আছে আর কত জোরে ছুটছে এদুটো একসাথে একদম সঠিক ভাবে জানা যায় না। আমাদের গল্পে সোডিয়াম পরমাণুদের গতিশক্তি তাপমাত্রা কমতে কমতে এত কমে গিয়েছে যে তারা কোথায় আছে সেটা জানাই মুস্কিল হয়ে পড়েছে! এটা শুধু কোন যন্ত্রের অক্ষমতা নয় যা প্রযুক্তির উন্নতির সাথে কাটানো যাবে – এটা প্রকৃতির একটা নিয়ম। বিজ্ঞানী ফাইনম্যানের কথায় – “যদি এই নিয়ম ভালো না লাগে, তাহলে অন্য কোন জগতে চলে যাও!”

আমাদের প্রতিদিনের জীবনে Uncertainty principle নিয়ে মাথা ঘামাতে হয় না, কারণ ইঁট-পাটকেল-বৃষ্টির ফোঁটা-বাস-ট্রামের মত বড় বস্তুর ক্ষেত্রে এই অনিশ্চয়তার মান নগন্য। গ্যাসের অণু-পরমাণুর মত ছোট কণিকার ক্ষেত্রেও ঘরের তাপমাত্রায় এই অনিশ্চয়তার মান নগন্য। কিন্তু কম তাপমাত্রায় এই নীতিকে আর অগ্রাহ্য করা যায় না।  তখন অণু-পরমাণুদের কণা হিসেবে ধরাই ভুল। ভাবতে হয় তরঙ্গ হিসেবে। ঠিক যেমন তরঙ্গ এক বিন্দুতে সীমাবদ্ধ থাকে না, ছড়িয়ে পড়ে, অণু-পরমাণুগুলোও সেরকম। তাদেরও একটা তরঙ্গদৈর্ঘ্য দিয়ে বর্ণনা করা যায়। এই তরঙ্গদৈর্ঘ্য তাপমাত্রা কমার সাথে সাথে বাড়তে থাকে। তাপমাত্রা কমতে কমতে একসময় এই তরঙ্গদৈর্ঘ্য অণু-পরমাণুদের মধ্যে গড় দূরত্বের সমান হয়ে পড়ে। তখন একটার তরঙ্গ এসে পড়ে আরেকটার গায়ে। তাদের আর আলাদা করে চেনা যায় না – identity crisis বা পরিচয় সংকট হয়।

এই পরিচয় সংকটে অণু বা পরমানুগুলো কেমন আচরণ করবে তা নির্ভর করে তারা বোসন না ফার্মিয়ন তার উপর। মহাবিশ্বের সব মূলকণাকে (Fundamental particles) বোসন আর ফার্মিয়ন এই দুই ভাগে ভাগ করা যায়। বোসনরা এক অবস্থায় (quantum state) থাকতে পছন্দ করে, আর কোন ফার্মিয়নরা কাছাকাছি এলে আলাদা আলাদা অবস্থায় চলে যায়। আলোর কণিকা ফোটন হল বোসন – তাই তাদের সবাইকে একই কম্পাঙ্কে এনে লেজার বানানো সম্ভব। অন্যদিকে ইলেক্ট্রন, প্রোটন, নিউট্রন হল ফার্মিয়ন । তাই যেকোন পদার্থের মধ্যে এমনকি বিশালাকার নিউট্রন তারার (Neutron star) প্রবল মহাকর্ষের মধ্যেও এরা একে অপরের উপর হুমড়ি খেয়ে পড়ে না। জোড় সংখ্যায় ফার্মিয়ন মিলে আবার বোসনের মত আচরণ করে – যেমন একধরণের সোডিয়াম পরমাণুর মধ্যে (Na-23 আইসোটোপ) ইলেক্ট্রন, প্রোটন আর নিউট্রন মিলে মোট 34 টা ফার্মিয়ন – জোড়সংখ্যক, সুতরাং এই সোডিয়াম পরমাণুগুলো বোসন।

ন্যানোকেলভিন তাপমাত্রার কাছে এসে যখন এই বোসন পরমাণুগুলোকে আর আলাদা করে চেনা যায় না, তখন তারা সবাই মিলে পদার্থের এক নতুন অবস্থা তৈরী করে – যার নাম বোস-আইনস্টাইন কনডেনসেট (Bose-Einstein condensate)। এই অবস্থায় তাদের আচরণে এক অভূতপূর্ব সংগতি (coherence) দেখা যায়, যেন তারা কুচকাওয়াজরত সৈন্যের দল – সবাই একই তালে একই রকমভাবে মার্চ করে যাচ্ছে। কিন্তু কাউকে আলাদা করে চেনা যাচ্ছে না। সবাই সব জায়গায় রয়েছে – সব কটা পরমাণু মিলে যেন একটা মহা-পরমাণু হয়ে গিয়েছে। বিজ্ঞানী সত্যেন্দ্রনাথ বসুর গবেষণার উপর ভিত্তি করে আইনস্টাইন পদার্থের এই অবস্থার ভবিষ্যদবাণী করেন 1924 সাল নাগাদ। তখন তাঁরা ভাবতে পারেননি হয়ত যে একদিন পরীক্ষাগারে সত্যিই পদার্থকে পরমশূন্যের কাছে ঠান্ডা করা যাবে আর এই অবস্থা তৈরী করা যাবে। বহু বছরের বহু বিজ্ঞানীর প্রচেষ্টার ফলে 1995 সালে পরীক্ষাগারে বোস-আইনস্টাইন কনডেনসেট তৈরী হল। উলফগ্যাং কেটারলী, কার্ল ওয়াইম্যান আর এরিক কর্ণেল এর জন্য নোবেল পুরস্কার পেলেন 2001 সালে। এখন পৃথিবীর বহু পরীক্ষাগারে অনেক পদার্থের (যেমন রুবিডিয়াম, সিজিয়াম, লিথিয়াম, ডিসপ্রোসিয়াম, আরবিয়াম, স্ট্রনটিয়াম, পটাশিয়াম, ক্রোমিয়াম ও ক্যালসিয়ামের বোসন আইসোটোপ) এই অবস্থা তৈরী করা সম্ভব হয়েছে – ভারতেও টাটা ইনস্টিটিউট অফ ফান্ডামেন্টাল রিসার্চ (মুম্বাই) আর পুণে IISER-এ বোস-আইনস্টাইন কনডেনসেট তৈরী করা সম্ভব হয়েছে।

পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে পৌঁছনোর ফলে বিজ্ঞানীদের কাছে এক নতুন জগৎ খুলে গিয়েছে। তার নাম কোয়ান্টাম জগৎ। সে জগৎ রোমাঞ্চকর, বিস্ময়ে ভরা! সেখানে একটা পরমাণু একসাথে অনেক জায়গায় থাকতে পারে। আবার অনেক পরমাণু মিলে অদ্ভুত সব অবস্থা তৈরী করতে পারে। হাজারে হাজারে বিজ্ঞানী সেই জগৎকে বোঝার কাজ চালিয়ে যাচ্ছেন। সে কাজ খুব দুরূহ, সবথেকে শক্তিশালী কম্প্যুটারও হার মেনে যাচ্ছে। তাই বিজ্ঞানীরা মিলে আবার এমন কম্প্যুটার বানানোর চেষ্টা করছে যার মধ্যে গণনার জন্যই ব্যবহার করা হবে পরমশূন্য তাপমাত্রার কাছে থাকা কোয়ান্টাম পদার্থ! সেই কোয়ান্টাম কম্প্যুটার হতে পারে অসম্ভব শক্তিশালী। পালটে দিতে পারে মানব সভ্যতা!

(সমাপ্ত)

প্রাসঙ্গিক কিছু লেখা এবং ভিডিও

• কলোরাডো বিশ্ববিদ্যালয়ের ‘BEC Homepage’
• ল্যাবরেটরীতে সর্বনিম্ন তাপমাত্রা নিয়ে MIT-র প্রেস বিজ্ঞপ্তি
• NOVA ডকুমেন্টারী – বোস-আইনস্টাইন কনডেনসেট এবং প্রফেসর ড্যান ক্লেপনার (MIT)
• PBS ডকুমেন্টারী – Absolute Zero
• কিছু ইতিহাস – Bose Einstein Condensation : A Double Pot of Gold (David Pritchard, MIT)
• 1997 নোবেল পুরস্কার
• 2001 নোবেল পুরস্কার
• পদার্থের তরঙ্গধর্ম – প্রফেসর স্টিভ রোলস্টোনের (মেরীল্যান্ড বিশ্ববিদ্যালয়) সাথে পডকাস্ট

প্রচ্ছদের কোলাজে বোস-আইনস্টাইন কনডেনশেসনের আবিষ্কারের সাথে যুক্ত কিছু বিজ্ঞানীর ছবি – উপরে বামদিক থেকে শুরু করে ঘড়ির কাঁটার দিকে : সত্যেন্দ্রনাথ বসু, অ্যালবার্ট আইনস্টাইন, উলফগ্যাঙ্গ কেটারলী, কার্ল ওয়াইম্যান, এরিক কর্ণেল। সেই সাথে কন্ডেনসেটে পরমাণুর বেগের ডিসট্রিবিউশন আর আবহে ঘূর্ণমান বোস-আইনস্টাইন কন্ডেনসেটের ‘ভর্টেক্স ল্যাটিস’। ছবিগুলোর উৎস : নোবেল কমিটি, এম. আই. টি ও কলোরাডো বিশ্ববিদ্যালয়ের ওয়েবসাইট। সত্যেন বোস ও আইনস্টাইনের ছবি ইন্টারনেট থেকে পাওয়া, কপিরাইট নেই।

লেখাটি অনলাইন পড়তে হলে নিচের কোডটি স্ক্যান করো।

Scan the above code to read the post online.

Link: https://bigyan.org.in/paramshunyo-tapmatrar-kachhe-3

print