দ্বি-চিড় পরীক্ষণ

দ্বি-চিড় পরীক্ষণ হলো কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের একটি পরীক্ষণ। এই পরীক্ষণটি দেখায় যে আলো এবং পদার্থ, তরঙ্গ ও কণা উভয়ের বৈশিষ্ট্যই দেখাতে পারে। আলোর তরঙ্গ বৈশিষ্ঠের প্রদর্শন হিসেবে, ১৮০১ সালে থমাস ইয়ং আলো ব্যবহার করে প্রথম এই ধরনের পরীক্ষা করেন। সেই সময় ভাবা হতো, আলো হয় তরঙ্গ নয়তো কণা দ্বারা গঠিত। আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের শুরুর সাথে, প্রায় একশো বছর পর, এটি বোঝা যায় যে আলো তরঙ্গ ও কণা উভয়েরই বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে। ১৯২৭ সালে, ডেভিসন ও জার্মার দেখান যে ইলেক্ট্রনও একই ব্যবহার করে, যা পরবর্তীতে পরমাণু ও অণুর জন্যেও সম্প্রসারিত হয়। চিরায়ত পদার্থবিদ্যার অংশ হিসেবে আলো নিয়ে করা থমাস ইয়ংএর পরীক্ষাটি ছিলো কোয়ান্টাম বলবিদ্যা ও তরঙ্গ-কণা দ্বৈততার ধারণাও বেশ আগে। ইয়ং বিশ্বাস করেছিলেন যে ইহা তৎকালীন আলোর তরঙ্গ তত্ত্বের প্রমাণ। তার সেই পরীক্ষণকে কখনো কখনো ইয়ংএর পরীক্ষণ বা ইয়ংএর চিড়ও বলা হয়। পরীক্ষণটি "দ্বি পথ" পরীক্ষণের একটি সাধারণ শ্রেণির অন্তর্ভুক্ত, যেখানে একটি তরঙ্গকে দুইটি পৃথক তরঙ্গে ভাগ করে আবার সংযুক্ত করে একটি তরঙ্গে পরিণত করা হয়। উভয় তরঙ্গের পথের দৈর্ঘ্য একটি দশান্তর সৃষ্টি করে যা একটি ব্যতিচার প্যাটার্ন সৃষ্টি করে। এর অন্য একটি সংস্করণ হলো মাক-ঝেন্ডার ব্যাতিচার যেখানে মরীচিটিকে চিড়তে আয়না ব্যবহার করা হয়। পরীক্ষণটির মৌলিক সংস্করণে, লেজারের মত কোনো সংসক্ত আলোক উৎস একটি পাতকে আলোকিত করে দুইটি সমান্তরাল চিড়ের মধ্যদিয়ে অনুপ্রবিষ্ট হয় এবং পাতের পেছনের একটি পর্দায় চিড়ের মধ্যদিয়ে অনুপ্রবিষ্ট আলোকে পর্যবেক্ষণ করা হয়। আলোর তরঙ্গের মত ব্যবহার সেই দুইটি চিড়ের মধ্যদিয়ে আলোক তরঙ্গকে প্রবেশ করায় এবং ব্যতিচার ঘটায় যা পর্দার উপর উজ্জল এবং অন্ধকার আলোক রেখা (ব্যান্ড) তৈরী করে - একটি ফলাফল যা চিরায়ত কণা দ্বারা আলো গঠিত হলে আশা করা যেতো না। যাইহোক, সেই আলোকে সবসময়েই পর্দার কিছু পৃথক অংশে শোষিত দেখা যেত, স্বতন্ত্র কণার মত (তরঙ্গ নয়); পর্দায় আঘাত করা কণা সমূহের ঘনত্বের কারণে এমন ব্যাতিচার প্যাটার্নের আবির্ভাব হতো। অধিকন্তু, পরীক্ষণটির অন্যান্য সংস্করণ, যেগুলিতে চিড়ে শনাক্তকারী (ডিটেক্টর) যোগ করা হয়, থেকে পাওয়া যায়, প্রত্যেক শনাক্তকৃত ফোটন একটি চিড় দিয়ে যায় (চিরায়ত কণার মত) কিন্তু উভয় চিড় দিয়ে (তরঙ্গের মত) নয়। যাইহোক, এমন পরীক্ষণ দেখায় যে যদি সেই চিড়, যেটি দিয়ে কণা গমণ করে তা শনাক্ত করা হয় তাহলে কণাগুলির এমন ব্যাতিচার প্যাটার্ন তৈরী করার কথা নয়। এই ফলাফল তরঙ্গ-কণা দ্বৈততা নীতির প্রদর্শন করে। অন্যান্য পারমাণবিক-স্কেলের সত্তাকেও, যেমন ইলেক্ট্রন, দ্বি-চিড়ের দিকে ছোড়ার সময় এমন বৈশিষ্ট্য প্রকাশ করতে দেখা যায়। ইলেক্ট্রন বা ফোটনের চেয়ে বড় সত্তা দিয়েও এই পরীক্ষণটি করা যায় যোদিও আকার বৃদ্ধির সাথে সাথে ইহা কঠিনতর হয়ে পরে। অণু হলো সবচেয়ে বড় সত্তা যার দ্বারা দ্বি-চিড় পরীক্ষণ করা হয়েছে। এদের একেকটি ৮১০ টি পরমাণু অন্তর্ভুক্ত করে (মোট ভর ১০,০০০ পারমাণবিক ভর একক)। কোয়ান্টাম বলবিদ্যার কেন্দ্রীয় ধাঁদা সমূহ সুস্পষ্টভাবে প্রকাশের জন্য, দ্বি-চিড় পরীক্ষণ (এবং এর সংস্করণ সমূহ) একটি চিরায়ত চিন্তার পরীক্ষণে পরিণত হয়েছে। যেহেতু এটি পরীক্ষালব্ধ ফলাফলের পূর্বাভাস দেওয়ার ক্ষেত্রে পর্যবেক্ষকের মৌলিক সীমাবদ্ধতা দেখায় তাই, রিচার্ড ফাইনম্যান এসম্পর্কে বলেন, "একটি ঘটনা [...] যা যেকোনো চিরায়ত বলবিদ্যা চিরায়ত পদ্ধতিতে ব্যাখ্যা করা অসম্ভব, এবং এর অভ্যন্তরে কোয়ান্টাম বলবিদ্যার হৃদয় অবস্থিত। প্রকৃত পক্ষে, ইহাই একমাত্র রহস্য [কোয়ান্টাম বলবিদ্যার] বহন করে। যদি আলো শুধুমাত্র সাধারণ বা চিরায়ত কণা দ্বারা গঠিত হতো তাহলে, একটি চিড়ের মধ্যদিয়ে সরল রেখায় আলোকে নিক্ষেপ করে কোনো পর্দায় আঘাত করলে আমরা চিড়ের আকার ও আয়তনের অনুরূপ প্যাটার্ন দেখার আশা করতে পারতাম। যাইহোক, যখন প্রকৃতপক্ষেই এই "একক-চিড় পরীক্ষণ" করা হয়, তখন পর্দার উপর যেই অপবর্তন প্যাটার্ন সৃষ্টি হয় তাতে আলো ছড়িয়ে পড়তে দেখা যায়। চিড় যত ছোট হয়, বিস্তার কোণ তত বড় হয়। একটি লাল লেজার একটি একক-চিড়কে আলোকিত করলে যে প্যাটার্ন সৃষ্টি করে তার কেন্দ্রীয় অংশ এবং যদি কেউ ভালো ভাবে লক্ষ্য করে তাহলে আরো দুইটি অস্পষ্ট রংএর আলোক রেখা (ব্যান্ড), ছবিটির উপরের অংশ দেখা যায়। আরো ভালো যন্ত্রপাতি দিয়ে আরো বেশি আলোক রেখা (ব্যান্ড) দেখা সম্ভব। অপবর্তন অনুযায়ী, এই প্যাটার্ন চিড়ের মধ্যদিয়ে আলোর তরঙ্গ ব্যাতিচারের ফলাফল। যদি কেউ দুইটি সমান্তরাল চিড়কে আলোকিত করে তাহলে দুইটি চিড়ের আলোয় আবার ব্যাতিচার হয়। এক্ষেত্রে একটি পর্যায়ান্বিত উজ্জল এবং অন্ধকার আলোক রেখার (ব্যান্ডের) শ্রেণি সহ আরো স্পষ্ট প্যাটার্নের ব্যাতিচার হয়। আলোক রেখার (ব্যান্ড) প্রস্থ সেই আলোর কম্পাংকের একটি বৈশিষ্ট্য। যখন থমাস ইয়ং এই প্রক্রিয়াটি প্রথম প্রদর্শন করেন, এটি জ্ঞাপিত করে যে আলো তরঙ্গ দ্বারা গঠিত, যেহেতু উজ্জলতার বিন্যাস তরঙ্গসম্মুখের পর্যায়ান্বিত যোজনীয় এবং হ্রাসমূলক ব্যাতিচার দ্বারা ব্যাখ্যা করা যায়। ১৮০০ এর শুরুর দিকে করা ইয়ং এর পরীক্ষণ আইজ্যাক নিউটন কর্তৃক প্রস্তাবিত আলোর কণা তত্ত্বকে, যা ১৭ ও ১৮ শতকে আলোর বিস্তারের গৃহীত মডেল ছিলো, পরাভূত করে আলোর তরঙ্গ তত্ত্ব গ্রহণের ক্ষেত্রে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রেখেছিল। যাইহোক, পরবর্তীতে আলোক তড়িৎ ক্রিয়ার আবিষ্কার দেখিয়েছিলো যে আলো বিভিন্ন পরিস্থিতিতে এমন ব্যবহার করে, যেন এটি স্বতন্ত্র কণা দ্বারা গঠিত। এই পরম্পরবিরোধী মনেহওয়া আবিষ্কারগুলি চিরায়ত পদার্থবিদ্যা ছেড়ে আলোর কোয়ান্টাম প্রকৃতি হাতে নেওয়াকে গুরুত্বপূর্ণ করে তোলে। ফাইনম্যান বলতে পছন্দ করতেন যে, এই একটি পরীক্ষার নিহিতার্থ সাবধানে চিন্তা করলে কোয়ান্টাম বলবিদ্যার সকল কিছুই কুড়িয়ে পাওয়া যেতে পারে। এছাড়াও তিনি উত্থাপন করেন (একটি চিন্তার পরীক্ষণ হিসেবে) যে, যদি প্রতিটি চিড়ের আগে শনাক্তকারী রাখলে, ব্যাতিচার প্যাটার্ন অদৃশ্য হয়ে যেতে পারে। কোয়ান্টাম বলবিদ্যার দ্বি-চিড় ব্যাতিচার প্রসঙ্গের গাণিতিক ক্ষেত্রে ইংলার্ড-গ্রীনবারগার দ্বৈততা অন্বয় একটি বিশদ বর্ণনা দেয়। ১৯০৯ সালে, যতক্ষণ না ফোটনের নিঃসরণ/শোষণ প্রায় অ-অধিক্রমণ অবস্থায় পৌছায় ততক্ষণ আলোর লেভেল সমান করে, জি. আই. টেইলর প্রথম নিম্ন-প্রাবল্যের দ্বি-চিড় পরীক্ষণ করেন। আলো ছাড়া অন্যকিছু দিয়ে এমন পরীক্কগণ প্রথম করেন টুবিঙেন বিশ্ববিদ্যালয়ের ক্লাউস জনসন। তিনি পরীক্ষণটি করেন ইলেক্ট্রনের মরীচি (বীম) দিয়ে। ১৯৭৪ সালে ইতালিয়ান পদার্থবিদ পিয়ার জ্যরজিও মারলি, জিয়ান ফ্র‍্যাঙ্কো মিসিরোলি ও জ্যুলিও পোওজি একই পরীক্ষণ একক ইলেক্ট্রন ও দ্বিপ্রিজম (চিড়ের বদলে) দিয়ে করেন যা কোয়ান্টাম তত্ত্বের পূর্বাভাস অনুযায়ী প্রতিটি ইলেক্ট্রন তার নিজের সাথে ব্যাতিচার করে। ফিজিক্স ওয়ার্ল্ডের পাঠকগণ ২০০২ সালে পরীক্ষণটির একক-ইলেক্ট্রন সংস্করণটিকে "দ্যা মোস্ট বিউটিফুল এক্সপেরিমেন্ট" (সবচেয়ে সুন্দর পরীক্ষণ) নির্বাচিত করেন। ২০১২ সালে স্টেফানো ফ্রাব্বনি ও সহকর্মীরা অবশেষে ইলেক্ট্রন ও সত্যিকারের চিড় দ্বারা পরীক্ষাটি করেন, ফাইনম্যানের উত্থাপিত পরিকল্পনা অনুসারে। তারা একক ইলেক্ট্রন সমূহকে ন্যানোফ্যাব্রিকেটেড চিড়ের (প্রায় ১০০ ন্যানোমিটার প্রস্থের) মধ্য দিয়ে পাঠান এবং একটি একক ইলেক্ট্রন শনাক্তকারী দিয়ে পরিচালিত ইলেক্ট্রনটি সংগ্রহ করেন, তারা একটি দ্বি-চিড় ব্যাতিচার প্যাটার্ন গড়ে তোলা প্রদর্শন করতে পারে। ২০১৯ সালে, প্রতিপদার্থের জন্য মার্কো গিয়ামার্চি ও সহকর্মীরা একক কণা ব্যাতিচার প্রদর্শন করেন। ডেভিসন-জার্মার পরীক্ষণ শ্রোডিঙ্গারের বিড়াল শ্রোডিঙার সমীকরণ ডিরাক সমীকরণ পদার্থ তরঙ্গ "Physicists Smash Record For Wave-Particle Duality" Eibenberger, Sandra; ও অন্যান্য (২০১৩)। "Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10000 amu"। Physical Chemistry Chemical Physics। 15 (35): 14696–14700। arXiv:1310.8343 । ডিওআই:10.1039/C3CP51500A। পিএমআইডি 23900710। বিবকোড:2013PCCP...1514696E।  While there is no doubt that Young's demonstration of optical interference, using sunlight, pinholes and cards, played a vital part in the acceptance of the wave theory of light, there is some question as to whether he ever actually performed a double-slit interference experiment. Robinson, Andrew (২০০৬)। The Last Man Who Knew Everything। New York, NY: Pi Press। পৃষ্ঠা 123–124। আইএসবিএন 978-0-13-134304-7।  Lederman, Leon M.; Christopher T. Hill (২০১১)। Quantum Physics for Poets। US: Prometheus Books। পৃষ্ঠা 102–111। আইএসবিএন 978-1616142810।  Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton; Matthew Sands (১৯৬৫)। The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3। Addison-Wesley। পৃষ্ঠা 1.1–1.8। আইএসবিএন 978-0201021189।  Feynman, 1965, p. 1.5 Darling, David (২০০৭)। "Wave–Particle Duality"। The Internet Encyclopedia of Science। The Worlds of David Darling। সংগ্রহের তারিখ ১৮ অক্টোবর ২০০৮।  Feynman, 1965, p. 1.7 Leon Lederman; Christopher T. Hill (২৭ সেপ্টেম্বর ২০১১)। Quantum Physics for Poets। Prometheus Books, Publishers। পৃষ্ঠা 109। আইএসবিএন 978-1-61614-281-0।  "...if in a double-slit experiment, the detectors which register outcoming photons are placed immediately behind the diaphragm with two slits: A photon is registered in one detector, not in both..." Müller-Kirsten, H. J. W. (২০০৬)। Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral। US: World Scientific। পৃষ্ঠা 14। আইএসবিএন 978-981-2566911।  Plotnitsky, Arkady (২০১২)। Niels Bohr and Complementarity: An Introduction। US: Springer। পৃষ্ঠা 75–76। আইএসবিএন 978-1461445173।  "It seems that light passes through one slit or the other in the form of photons if we set up an experiment to detect which slit the photon passes, but passes through both slits in the form of a wave if we perform an interference experiment." Rae, Alastair I.M. (২০০৪)। Quantum Physics: Illusion Or Reality?। UK: Cambridge University Press। পৃষ্ঠা 9–10। আইএসবিএন 978-1139455275।  Feynman, The Feynman Lectures on Physics, 3:Quantum Mechanics p.1-1 "There is one lucky break, however— electrons behave just like light.". See: Davisson–Germer experiment Davisson, C. J (১৯২৮)। "The diffraction of electrons by a crystal of nickel"। Bell System Technical Journal। 7: 90–105। ডিওআই:10.1002/j.1538-7305.1928.tb00342.x।  Charles Sanders Peirce first proposed the use of this effect as an artifact-independent reference standard for length C.S. Peirce (July 1879). "Note on the Progress of Experiments for Comparing a Wave-length with a Meter". American Journal of Science, as referenced by Crease, Robert P. (2011). World in the Balance: The historic quest for an absolute system of measurement. New York: W.W. Norton. p. 317. আইএসবিএন ৯৭৮-০-৩৯৩-০৭২৯৮-৩. p. 203. Greene, Brian (১৯৯৯)। The Elegant Universe: Super Strings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory। New York: W.W. Norton। পৃষ্ঠা 97–109। আইএসবিএন 978-0-393-04688-5।  Feynman, 1965, chapter 3 Sir Geoffrey, Ingram Taylor (১৯০৯)। "Interference Fringes with Feeble Light"। Prof. Cam. Phil. Soc.। 15: 114।  Jönsson, Claus (১ আগস্ট ১৯৬১)। "Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten"। Zeitschrift für Physik (জার্মান ভাষায়)। 161 (4): 454–474। আইএসএসএন 0044-3328। ডিওআই:10.1007/BF01342460। বিবকোড:1961ZPhy..161..454J।  Jönsson, Claus (১ জানুয়ারি ১৯৭৪)। "Electron Diffraction at Multiple Slits"। American Journal of Physics। 42 (1): 4–11। আইএসএসএন 0002-9505। ডিওআই:10.1119/1.1987592। বিবকোড:1974AmJPh..42....4J।  Merli, P G; Missiroli, G F; Pozzi, G (১৯৭৬)। "On the statistical aspect of electron interference phenomena"। American Journal of Physics। 44 (3): 306–307। ডিওআই:10.1119/1.10184। বিবকোড:1976AmJPh..44..306M।  Rosa, R (২০১২)। "The Merli–Missiroli–Pozzi Two-Slit Electron-Interference Experiment"। Physics in Perspective। 14 (2): 178–194। ডিওআই:10.1007/s00016-011-0079-0। পিএমআইডি 26525832। পিএমসি 4617474 । বিবকোড:2012PhP....14..178R।  "The most beautiful experiment" ওয়েব্যাক মেশিনে আর্কাইভকৃত ১ এপ্রিল ২০১২ তারিখে. Physics World 2002. Frabboni, Stefano; Gabrielli, Alessandro; Carlo Gazzadi, Gian; Giorgi, Filippo; Matteucci, Giorgio; Pozzi, Giulio; Cesari, Nicola Semprini; Villa, Mauro; Zoccoli, Antonio (মে ২০১২)। "The Young-Feynman two-slits experiment with single electrons: Build-up of the interference pattern and arrival-time distribution using a fast-readout pixel detector"। Ultramicroscopy। 116: 73–76। আইএসএসএন 0304-3991। ডিওআই:10.1016/j.ultramic.2012.03.017।  Sala, S.; Ariga, A.; Ereditato, A.; Ferragut, R.; Giammarchi, M.; Leone, M.; Pistillo, C.; Scampoli, P. (২০১৯)। "First demonstration of antimatter wave interferometry"। Science Advances। 5 (5): eaav7610। ডিওআই:10.1126/sciadv.aav7610। পিএমআইডি 31058223। পিএমসি 6499593 । বিবকোড:2019SciA....5.7610S।  Al-Khalili, Jim (২০০৩)। Quantum: A Guide for the Perplexed। London: Weidenfeld & Nicolson। আইএসবিএন 978-0-297-84305-4।  Ananthaswamy, Anil (২০১৮)। Through Two Doors at Once: The Elegant Experiment That Captures the Enigma of Our Quantum Reality। Dutton/Penguin। আইএসবিএন 978-1-101-98609-7।  Feynman, Richard P. (১৯৮৮)। QED: The Strange Theory of Light and Matter। Princeton University Press। আইএসবিএন 978-0-691-02417-2।  Frank, Philipp (১৯৫৭)। Philosophy of Science। Prentice-Hall।  French, A.P.; Taylor, Edwin F. (১৯৭৮)। An Introduction to Quantum Physics। Norton। আইএসবিএন 978-0-393-09106-9।  Quznetsov, Gunn (২০১১)। Final Book on Fundamental Theoretical Physics। American Research Press। আইএসবিএন 978-1-59973-172-8।  Greene, Brian (২০০০)। The Elegant Universe। Vintage। আইএসবিএন 978-0-375-70811-4।  Greene, Brian (২০০৫)। The Fabric of the Cosmos। Vintage। আইএসবিএন 978-0-375-72720-7।  Gribbin, John (১৯৯৯)। Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z। Weidenfeld & Nicolson। আইএসবিএন 978-0-7538-0685-2।  Hey, Tony (২০০৩)। The New Quantum Universe। Cambridge University Press। আইএসবিএন 978-0-521-56457-1। বিবকোড:2003nqu..book.....H।  Sears, Francis Weston (১৯৪৯)। Optics। Addison Wesley।  Tipler, Paul (২০০৪)। Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th সংস্করণ)। W. H. Freeman। আইএসবিএন 978-0-7167-0810-0।  উইকিমিডিয়া কমন্সে দ্বি-চিড় পরীক্ষণ সংক্রান্ত মিডিয়া রয়েছে। Huygens and interference ওয়েব্যাক মেশিনে আর্কাইভকৃত ২৮ অক্টোবর ২০০৭ তারিখে Website with the movie and other information from the first single electron experiment by Merli, Missiroli, and Pozzi. Movie showing single electron events build up to form an interference pattern in double-slit experiments. Several versions with and without narration (File size = 3.6 to 10.4 MB) (Movie Length = 1m 8s) Freeview video 'Electron Waves Unveil the Microcosmos' A Royal Institution Discourse by Akira Tonomura provided by the Vega Science Trust Hitachi website that provides background on Tonomura video and link to the video "Single-particle interference observed for macroscopic objects" Pilot-Wave Hydrodynamics: Supplemental Video Through the Wormhole: Yves Couder . Explains Wave/Particle Duality via Silicon Droplets Java demonstration of Young's double slit interference A simulation that runs in Mathematica Player, in which the number of quantum particles, the frequency of the particles, and the slit separation can be independently varied