ভ্যাকুয়াম শক্তি

ভ্যাকুয়াম শক্তি হল স্থানের মধ্যে অন্তর্নিহিত শক্তি যা সমগ্র মহাবিশ্ব জুড়ে রয়েছে। হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতিতেই এর অস্তিত্ব নিহিত রয়েছে। তবুও এধরনের তাৎক্ষণিক ও ক্ষুদ্র মানের শক্তিকে কোয়ান্টায়ন করা বেশ জটিল। এটি হল জিরো পয়েন্ট শক্তির একটি বিশেষ ক্ষেত্র যা কোয়ান্টাম শূণ্যতার সাথে সম্পর্কিত । 
স্বতঃস্ফূর্ত নিঃসরণ, ক্যাসিমির ক্রিয়া, ল্যাম্ব অপসরণ ইত্যাদি ঘটনায় এর পরীক্ষা মুলক পর্যবেক্ষণ করা গেছে এবং মনে করা হয় মহাবিশ্বের ক্রিয়া সমূহের বিশ্বতাত্ত্বিক মাপেও এর প্রভাব রয়েছে। মহাজাগতিক ধ্রুবকের মানের উচ্চসীমা ব্যবহার করে শূন্যস্থানে (free space) ভ্যাকুয়াম শক্তির মান 10 জুল (10 আর্গ) প্রতি ঘনমিটারে গণনা করা যায়। তবুও কোয়ান্টাম তড়িৎ-গতিবিজ্ঞান এবং "স্টোক্যাস্টিক তড়িৎ-গতিবিজ্ঞান" - এই দুই তত্ত্বেই "লোরেন্‌ৎস কোভ্যারিয়েন্স" নীতি এবং প্লাংকের ধ্রুবক এর মানের সাথে সাযুজ্যতা 10 জুল প্রতি ঘনমিটারের মতো উচ্চ মানের ইঙ্গিত করে । মানের এই বৃহৎ পার্থক্য মহাজাগতিক ধ্রুবক সমস্যা নামে পরিচিত ।
কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্ব বলে যে, সকল মৌলিক ক্ষেত্রসমূহ, যেমন তড়িৎচুম্বকীয় ক্ষেত্র, "স্থান"-এর প্রতিটি বিন্দুতে কোয়ান্টায়িত হতে হবে। পদার্থবিজ্ঞানে একটি ক্ষেত্রকে এভাবে কল্পনা করা যেতে পারে: একটি স্থান যা পরস্পরের সঙ্গে সংযুক্ত কম্পমান কিছু গোলক ও স্প্রিং দ্বারা ভর্তি, এবং ক্ষেত্রটির প্রাবল্যকে গোলক গুলির প্রাথমিক অবস্থান থেকে সরণ হিসেবে কল্পনা করা যায়। এই তত্ত্ব অনুযায়ী এই কম্পন গুলিকে, বা সঠিকভাবে বললে ক্ষেত্র প্রাবল্যের পরিবর্তন গুলিকে, ওই ক্ষেত্রের উপযোগী তরঙ্গ সমীকরণ মেনে বিস্তারলাভ করতে হবে । কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বের "দ্বিতীয় কোয়ান্টায়ন" এর জন্য এরকম প্রতিটি গোলক-স্প্রিং সংস্থাকে কোয়ান্টায়িত হতে হবে। অর্থাৎ স্থানের প্রতিটি বিন্দুতে ক্ষেত্র প্রাবল্যকে কোয়ান্টায়িত হতে হবে। ক্যানোনিক্যাল ভাবে, স্থানের প্রতিটি বিন্দুতে ক্ষেত্র যদি সরল স্পন্দক হিসেবে আচরণ করে, তবে এর কোয়ান্টায়ন প্রতিটি বিন্দুতে একটি "সরল কোয়ান্টাম স্পন্দক" স্থাপন করে। এই ক্ষেত্রের উত্তেজনা (ইংরেজি: excitation) কণা পদার্থবিদ্যার অন্তর্গত মৌলিক কণা সমূহের সাথে সম্পর্কযুক্ত। এভাবে, এই তত্ত্ব অনুযায়ী শূন্যস্থানের‌ও একটি বেশ জটিল গঠন রয়েছে এবং কোয়ান্টাম ক্ষেত্র-তত্ত্বের সকল গণনা গুলি শূন্যস্থানের এই নকশার সাথে সাযুজ্য রেখে করতে হয়।
এই তত্ত্ব শূন্যস্থানকে আবশ্যিক ভাবে কণার ধর্মসমূহ (যেমন স্পিন, বা আলোর ক্ষেত্রে সমবর্তন, শক্তি ইত্যাদি) সম্পন্ন বলে মনে করে। এই তত্ত্ব অনুযায়ী এই ধর্মগুলির অধিকাংশ প্রশমিত হয়ে যায়, যার ফলে শূন্যস্থান আক্ষরিক অর্থে শূন্য‌ই থাকে। যদিও এর অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ ব্যতিক্রম হল ভ্যাকুয়াম শক্তি, বা শক্তির "ভ্যাকুয়াম আশাকৃত মান"। সরল স্পন্দকের কোয়ান্টায়নের জন্য এর সর্বনিম্ন শক্তি বা জিরো-পয়েন্ট শক্তির মান হ‌ওয়া দরকার:
formula_1
স্থনের সকল বিন্দুতে সকল সম্ভাব্য স্পন্দক গুলির যোগফল একটি অসীম মানকে নির্দেশ করে।একে দূর করতে বলা যেতে পারে যে শক্তির পার্থক্য‌ই শুধুমাত্র ভৌত ভাবে পরিমাপযোগ্য, কয়েক শতাব্দী ধরে চিরায়ত বলবিদ্যায় স্থিতিশক্তির ধারণা করা হয়েছে। একে রিনর্মালাইজেশন তত্ত্বের ভিত্তি বলা যায়। সকল বাস্তব গণনার জন্য অসীম মানকে এই ভাবেই নেওয়া হয়। ভ্যাকুয়াম শক্তিকে ভার্চুয়াল কণার সাহায্যেও ব্যাখ্যা করা যায় (ভ্যাকুয়াম ফ্লাকচুয়েশন বলা হয়) যেগুলি শূন্যস্থানে অনবরত উৎপন্ন ও ধ্বংস হয়ে যাচ্ছে। এগুলি সাধারণত কণা-প্রতিকণা জোড়ায় উৎপন্ন হয় ও মুহূর্তের মধ্যেই পুর্নবিলয় ঘটে। তবুও এই কণাগুলি ধ্বংস হবার আগে আন্তঃক্রিয়া সম্পন্ন করতে পারে যা ফেইনম্যান চিত্র দিয়ে দেখানো যায়। এই গণনার পদ্ধতি গাণিতিক ভাবে প্রতিটি বিন্দুতে একটি কোয়ান্টাম হারমোনিক স্পন্দক থাকার সমতুল্য ও সেজন্য এক‌ই রিনর্মালাইজেশন সমস্যা দেখা দেয়।
ভ্যাকুয়াম শক্তিতে এর সাথে অবদান রাখে কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বের স্বতঃস্ফূর্ত প্রতিসাম্য ভঙ্গন।
ভ্যাকুয়াম শক্তির বেশ কিছু তাৎপর্য রয়েছে। ১৯৪৮ খ্রিস্টাব্দে ডাচ্ পদার্থবিদ হেনরিখ ক্যাসিমির ও ডির্ক পোল্ডার, কাছাকাছি থাকা দুটি ধাতব পাতের মধ্যে তাদের মধ্যকার স্থানের ভ্যাকুয়াম শক্তির অনুনাদের কারণে একটি দুর্বল আকর্ষণ বল থাকার কথা ভবিষ্যতবাণী করেন। একে ক্যাসিমির ক্রিয়া বলে ও এটি পরীক্ষামূলক ভাবে প্রমাণিত। একারণে মনে করা হয় যে ইলেকট্রন, চৌম্বক ক্ষেত্র ইত্যাদি পরিচিত ধারণা গুলির মতো ভ্যাকুয়াম শক্তিও বাস্তব। যদিও পরে ভিন্ন কিছু ব্যাখা প্রদান করা হয়েছে।
অন্যান্য ভবিষ্যতবাণী গুলি যাচাই করা জটিল। ভ্যাকুয়াম ফ্লাকচুয়েশন সর্বদা কনা-প্রতিকনা জোড়ায় উৎপন্ন হয়। স্টিফেন হকিংয়ের মতানুসারে, কৃষ্ণগহ্বর এর ঘটনা দিগন্তের কাছে এই ভার্চুয়াল কনা-প্রতিকনা উৎপাদনের মাধ্যমে হকিং বিকিরণ সম্ভব হতে পারে। এই কণা জোড়ার একটি যদি কৃষ্ণ গহ্বরের ভিতরে আকৃষ্ট হয়, তবে অপরটি একটি 'বাস্তব' কণা রূপে তার ভর/শক্তি বাইরের মহাশূন্যে বিকিরিত হয়। সময়ের সঙ্গে সঙ্গে এই ক্ষয়ের মাধ্যমে কৃষ্ণগহ্বরটির অবলুপ্তি হতে পারে। এই সময় কৃষ্ণগহ্বরটির ভরের সমানুপাতিক তবুও বৃহৎ মাপের কৃষ্ণগহ্বর গুলির ক্ষেত্রে ১০ বছরের মতো হতে পারে।
ভৌত বিশ্বতত্ত্বেও ভ্যাকুয়াম শক্তির গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রয়েছে। সাধারণ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব অনুযায়ী, শক্তি ভরের সমতুল্য হওয়ায়, ভ্যাকুয়াম শক্তি যদি সত্যিই থেকে থাকে, তবে এর জন্য মহাকর্ষীয় বল‌ও থাকবে। ভ্যাকুয়াম শক্তির অশূন্য মান, মহাজাগতিক ধ্রুবকের উপর অবদান রাখে, যা মহাবিশ্বের প্রসারনের জন্য দায়ী। ভ্যাকুয়াম শক্তির বিশেষ ক্ষেত্রে, সাধারণ আপেক্ষিকতা অনুযায়ী, মহাকর্ষীয় ক্ষেত্র প্রাবল্য ρ+3p এর সমানুপাতিক (যেখানে ρ হল ভর-শক্তি ঘনত্ব, ও p হল চাপ)। ভ্যাকুয়ামের কোয়ান্টাম তত্ত্ব আরও বলে যে শূন্য-অবস্থা যুক্ত ভ্যাকুয়াম শক্তির চাপ সর্বদা ঋনাত্মক ও ρ এর মানের সমান। এভাবে, ρ+3p = ρ-3ρ = -2ρ, একটি ঋনাত্মক মান। ভ্যাকুয়াম ভূমি-শক্তিস্তরের সত্যিই যদি অশূন্য মান থাকে, তবে তা একটি বিকর্ষণধর্মী মহাকর্ষীয় ক্ষেত্র তথা ক্রমপ্রসারমাণ মহাবিশ্বের ইঙ্গিত দেয়। যাইহোক, রিনর্মালাইজেশন ছাড়া ভ্যাকুয়াম শক্তির মান অসীম, রিনর্মালাইজেশন অনুযায়ী, শক্তিকে আমরা শুধু একটি আপেক্ষিক অর্থেই পরিমাপ করতে পারি, যা ভ্যাকুয়াম শক্তিকে মহাজাগতিক ধ্রুবকের মাধ্যমে পরোক্ষভাবে পরিমাপ করার ক্ষেত্রে খাটে না। ভ্যাকুয়াম শক্তির অস্তিত্ব কখনো কখনো ভুলভাবে বিনামুল্যের শক্তির যন্ত্রের ধারণা করা হয়। তাপগতিবিদ্যার নীতি গুলি যেহেতু শুধুমাত্র সাম্যাবস্থায় থাকা সংস্থার ক্ষেত্রে প্রযোজ্য, তাই মনে হতে পারে যে কিউইডিতে ভগ্ন প্রতিসাম্যের কারণে বিনামুল্যের শক্তি, শক্তির সংরক্ষণ নীতি অমান্য করে না। যদিও পদার্থবিজ্ঞানীরা মনে করেন যে এটি অজানা কারণ ভ্যাকুয়াম শক্তির বিষয়টি এখনো অস্পষ্ট। বিশেষ করে তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র ভ্যাকুয়াম শক্তির অস্তিত্ব দ্বারা প্রভাবিত হয়না। যাইহোক স্টোক্যাস্টিক তড়িৎগতিবিদ্যায় শক্তি ঘনত্বকে একটি চিরায়ত র‍্যান্ডম নয়েজ তরঙ্গ ক্ষেত্র হিসেবে ধরা হয় যা বাস্তব তড়িৎচুম্বকীয় নয়েজ তরঙ্গ দ্বারা গঠিত যা সমসত্ত্ব ভাবে চারদিকে সম্প্রসারিত হচ্ছে। এরকম তরঙ্গ ক্ষেত্রের শক্তি ডাইরেকশনাল কাপলার-এর মতো সাধারণ বস্তু দ্বারা ব্যবহারযোগ্য হতে পারে। তবে এর সবচেয়ে বড় সমস্যা হল এই শক্তির বর্ণালী বিভাজন, যা লোরেনৎস ইনভ্যারিএন্স এর সাথে সাযুজ্যিত হতে হলে Kf এর আকার নিতে হবে, যেখানে K একটি ধ্রুবক ও f হল কম্পাঙ্ক। এর ফলস্বরূপ এই তরঙ্গক্ষেত্রের শক্তি ও ভরবেগ প্রবাহ শুধুমাত্র অতিক্ষুদ্র তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ক্ষেত্রেই উল্লেখযোগ্য মানে পৌঁছায়, যেখানে ডাইরেকশনাল কাপলার-এর প্রযুক্তি এখনও অনুন্নত।
১৯৩৪ খ্রিস্টাব্দে জর্জ ল্যমেত্র্‌ "অবস্থার আদর্শ প্রবাহী সমীকরণ" ব্যবহার করে মহাজাগতিক ধ্রুবকের উৎপত্তির কারণকে ভ্যাকুয়াম শক্তির সাহায্যে ব্যাখ্যা করার চেষ্টা করেন । ১৯৪৮ খ্রিস্টাব্দে ক্যাসিমির ক্রিয়া ভ্যাকুয়াম শক্তির পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষণের সুযোগ দেয়। যাইহোক, ১৯৫৫ খ্রিস্টাব্দে এভজেনি লিফসিৎজ ক্যাসিমির ক্রিয়ার উৎপত্তির অন‍্য কারণ ব্যাখ্যা করেন । ১৯৫৭ খ্রিস্টাব্দে লি এবং ইয়াং ভগ্ন প্রতিসাম্য ও প্যারিটি লঙ্ঘন ধারণা প্রমাণ করেন, যার জন্য তাঁরা নোবেল পুরস্কার লাভ করেন। ১৯৭৩ খ্রিস্টাব্দে এড‌ওয়ার্ড ট্রাইঅন "শূন্য-শক্তি মহাবিশ্ব" ধারণার প্রবর্তন করেন। এই তত্ত্ব অনুযায়ী সমগ্র মহাবিশ্ব একটি বৃহৎ মাপের কোয়ান্টাম বলবিদ্যাজনিত ভ্যাকুয়াম ফ্লাকচুয়েশন যাতে ঋণাত্মক মানের মহাকর্ষীয় স্থিতিশক্তির দ্বারা ধনাত্মক মানের ভর-শক্তির ভারসাম্য রক্ষিত হয় । ১৯৮০র দশকে, "গ্ৰ্যান্ড ইউনিফিকেশন তত্ত্বে" করা নির্দিষ্ট ক্ষেত্র গুলির সাথে ভ্যাকুয়াম শক্তি সৃষ্টিকারী ক্ষেত্র সমূহের সম্পর্ক স্থাপনের অনেকগুলি চেষ্টা করা হয় এবং মহাবিশ্বের পর্যবেক্ষণলব্ধ তথ্যের সঙ্গে এগুলির মধ্যে একটিও খাপ খায় কিনা তা নিশ্চিত করার চেষ্টা করা হয়। যাইহোক, যেসব কণা বা ক্ষেত্র এমন ঘনত্ব যুক্ত ভ্যাকুয়াম শক্তির জন্ম দেয়, যে তা প্রসারমাণ মহাবিশ্বের তত্ত্বে প্রয়োজনীয়, তাদের সঠিক প্রকৃতি এখনও একটি রহস্য।