শূণ্যস্থানের রহস্য?

শূণ্যস্থান আসলে কি? শূণ্যস্থানের আচরণ কেমন? এই সহজ প্রশ্ন গুলোর উত্তর বেশ কঠিন তার কারণ আমরা যেদিকেই তাকাই না কেন সেদিকেই কিছু না কিছু দেখতে পাই।এই কারণে প্রকৃত শূণ্যস্থানের আচরণ কল্পনা করা আমাদের জন্য অনেক বেশি কঠিন।যদিও এই মহাবিশ্বের বেশির ভাগ অঞ্চলই শূণ্যস্থান দিয়ে ভরা এমন কি পরমাণুর আয়তনের বেশির ভাগ জায়গাই আসলে শূণ্যস্থান।ব্যপারটা একটু ব্যাখ্যা করা যাক,ধরুন অ্যাম্পায়ারটেস্ট বিল্ডিং এর মধ্যে যত শূণ্যস্থান আছে তা যদি বাদ দেয়া সম্ভব হয় তবে তার আয়তন হবে একটি চালের দানার সমান কিন্তু তার ভর একই থাকবে অর্থাৎ ভর হবে ১০০ মিলিয়ন পাউন্ড। গ্রীক দার্শনিক এরিস্টটল এর মত ছিল প্রকৃতি সব সময় শূণ্যস্থান সৃষ্টি হতে বাধা প্রদান করে বা প্রকৃতি শূণ্যস্থান বিরোধী। তার এই মত সতেরশ শতক পর্যন্ত টিকে ছিল কারণ তার পরে যারাই শূণ্যস্থান তেরি করতে চেষ্টা করেছে তারাই ব্যর্থ হয়েছে যেন প্রকৃতি তার সমস্ত শক্তি দিয়ে শূণ্যস্থানকে প্রতিহত করতে চায়। এটা আপনিও ছোট্ট একটা পরীক্ষা করে দেখতে পারেন একটা স্ট্র নিয়ে এর একপাশ খোলা রেখে অপরপাশে মুখ দিয়ে যদি স্ট্রর ভিতরের বাতাস টানেন তাহলে দেখবেন যে পরিমাণ বাতাস আপনি টানছেন সেই পরিমাণ বাতাসই স্ট্রর অপর পাশ দিয়ে ঢুকছে।আবার স্ট্রর একপাশ যদি কোকের মধ্যে রেখে টানেন তাহলে দেখবেন কোকই ওই শূণ্যস্থান পূরণ করে উপরে উঠে আসবে মাধ্যকর্ষণকে বুড়ো আঙুল দেখিয়ে অর্থাৎ প্রকৃতি শূণ্যস্থান তৈরিতে বাধা দিচ্ছে। কিন্তু ১৭শ শতকে ইটালীয় বিজ্ঞানী ইভানজেলিস্টা টরিসেলী এক পরীক্ষার মাধ্যমে শূণ্যস্থান তৈরি করতে সমর্থন হন।যা সেই সময়ের প্রচলিত এরিস্টটল এর মতবাদকে ভুল প্রমাণ করে।এই পরীক্ষায় তিনি এক প্রান্ত আটকানো একটি কাচের

আলবার্ট মাইকেলসন ও এডওয়ার্ড মর্লির পরীক্ষায় ব্যবহৃত যন্ত্রের মডেল

লম্বা টিউবকে পারদ দিয়ে পূর্ণ করে এর খোলা প্রান্তকে আঙুল দিয়ে আটকিয়ে উক্ত প্রান্তকে খাড়াভাবে পারদ পূর্ণ পাত্রে স্থাপন করেন। স্থাপন করার পরে তিনি লক্ষ্য করেন যে টিউবের উপরের পারদ খানিকটা নিচে নেমে এসেছে। যেহেতু টিউবের ভিতরে বায়ু প্রবেশ করার কোন সুযোগ নেই তাই তিনি সহজেই বুঝতে পারেন এটা শূণ্যস্থান ছাড়া আর কিছুই না। তার তৈরী শূণ্যস্থান শূণ্যস্থান নিয়ে গবেষণার জন্য এক দারুণ সুযোগ সৃষ্টি করে সেই সময়। দার্শনিক ও বিজ্ঞানী প্যাসকেল প্যারিসে উচু বিল্ডিং একই পদ্ধতিতে শূণ্যস্থান তৈরী করতে গিয়ে লক্ষ্য করলেন যে ভূপৃষ্ট থেকে যত উচুতে উঠা যায় পারদ স্তম্ভের উচ্চতা তত কমতে থাকে । এই পরীক্ষা থেকে বিজ্ঞানীরা বুঝতে পারলেন আমরা আসলে বায়ুর একটা স্তরের নিচে বসবাস করি যাকে আমরা বায়ুমণ্ডলের বলি।আর বায়ুমণ্ডলের ওজনের ফলে সৃষ্ট চাপের জন্যই স্ট্রর মধ্য দিয়ে কোক উপরে চলে আসে।এই পরীক্ষা থেকে আরও একটা বিষয় বুঝা যায় তা হলো আমরা যে পৃথিবীতে বাস করি তা আসলে শূণ্যস্থানের মাঝে একটি ধূলিকণা ছাড়া কিছুই না। এ থেকে বিজ্ঞানীরা ভাবলেন শূণ্যস্থানই প্রকৃতির স্বাভাবিক অবস্থা ।মানূষ বরাবরই কোতুহল প্রিয় তাই শূণ্যস্থান নিয়ে গবেষণাও চলতে থাকে।পরবর্তীকালে আর একটি পরীক্ষায় বিজ্ঞানীরা লক্ষ্য করলেন একটি স্বচ্ছ বায়ুশূণ্য চেম্বারে একটি বেল রেখে দিলে তার শব্দ বাহির থেকে শুনা যায় না যদিও দেখা যায় বেলটি বাজছে। এ থেকে বিজ্ঞানীরা ধারণা করলেন আমরা যাকে শূণ্যস্থান ভাবছি তা প্রকৃতপক্ষে শূণ্য নয় তাতে কিছু একটা রয়েছে যার মধ্যে দিয়ে আলোক তরঙ্গ চলাচল করছে। তারা এর নাম দিলেন লুমেনিফেরাস ইথার।এবার বিজ্ঞানীরা ইথার যে বাস্তবেই আছে তা প্রমাণ করার জন্য চেষ্টা করতে থাকলেন।

১৯ শতকের শেষ দিকে বিজ্ঞানী আলবার্ট মাইকেলসন ও এডওয়ার্ড মর্লি ইথার আছে কি নেই তা প্রমান করার জন্য একটি পরীক্ষা চালালেন। যেহেতু পৃথিবী সূর্যের চারিদিকে ইথারের মধ্যে দিয়ে ঘূর্ণায়মান হবে, কাজেই আলোর বেগ ভিন্ন দিকের জন্য ভিন্ন ভিন্ন হবে এটাই ছিল তাদের পরীক্ষার মূলনীতি। এই পরীক্ষায় তারা একটি আলোক উৎস থেকে নির্গত আলোকে একটি অর্ধস্বচ্ছ দর্পন ব্যবহার দুটি আলোক রশ্মিতে বিভক্ত করেন এবং এই আলোক রশ্মিকে দুটি দর্পনের সাহায্যে আবার বিপরীত দিকে প্রতিফলিত করে ওই অর্ধস্বচ্ছ দর্পনের উপর ফেলা হয় যা আবার সেখান থেকে প্রতিফলিত হয়ে একটি পর্দায় আপতিত হয়। যেহেতু আলো হচ্ছ এক ধরণের তরঙ্গ তাই যে পর্দায় আলোক রশ্মি দুটো মিলিত হয়ে আপতিত হয় সেখানে এক ধরণের প্যার্টান দেখা যায়। এই প্যার্টান ওই দুটো আলোক রশ্মির বেগের উপর নির্ভর করে যা নিচের ছবি দুটোতে দেখানো হলো-

কিন্তু পরীক্ষায় আলোক রশ্মি দুটোর বেগ সমান হলে যে প্যার্টান দেখতে পাবার কথা তা দেখা যায়। তারা তাদের যন্ত্রকে বিভিন্ন দিকে ঘুরিয়ে এই পরীক্ষায় একই রকম ফলাফল পান। অর্থাৎ আলোর বেগ সবদিকেই সমান।কিন্তু সে সময় ইথারের ধারণা বিজ্ঞানীদের মনে এতটাই প্রভাব বিস্তার করেছিল যে তারা মনে করেছিল তাদের পরীক্ষা ব্যর্থ হয়েছে।কিন্তু আলোর বেগ সব দিকেই সমান এটা নির্দেশ করে আলো চলাচলের জন্য কোন ইথারের প্রয়োজন নেই।১৯০৫ সালে আইনন্সটাইন তার বিশেষ আপেক্ষিক তত্ত্বের মাধ্যমে ইথার ধারণাকে বাতিল করে দেন যা কিনা মাইকেলসন মর্লির পরীক্ষাকে সমর্থন করে। ১৯শতকের শেষ দিকেই মানুষের জানা ছিল আলো এক ধরণের তড়িৎ চুম্বকীয় তরঙ্গ আইনন্সটাইন দেখালেন এই ধরণের তরঙ্গ কোন মাধ্যমে ছাড়াই অর্থাৎ শূণ্য মাধ্যমে চলাচল করতে পারে। যা শূণ্যস্থান সম্পর্কে ধারণা আবার বদলে দেয়। অর্থাৎ শূণ্যস্থানই প্রকৃতির সাধারণ অবস্থা।

কিন্তু এ ধারণাও বেশি দিন টিকল না কোয়ান্টাম মেকানিক্স এর কারণে। আমরা হয়ত অনেকেই হাইজেনবার্গের অনিশ্চতা তত্ত্বের কথা জানি ।এ তত্ত্ব অনুসারে ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র একটি কণার অবস্থান আপনি যত নিখুঁত ভাবে জানবেন ততটাই এর ভরবেগ সম্পর্কে আপনার জানার পরিমাণ কমতে থাকবে। আবার কণাটির ভরবেগ যতই নিখুঁত ভাবে জানবেন ততটাই এর অবস্থান সম্পর্কে আপনার জানার পরিমাণ কমতে থাকবে।কিন্তু এ তত্ত্ব ভিন্ন ভাবে প্রকাশ করা যায় শক্তি ও সময় দিয়ে। ব্যাপারটা একটু বুঝেই বলি ধরুণ আপনার কাছে এক বাক্স শূণ্যস্থান আছে এর মধ্য থেকে ক্ষুদ্র আয়তনের শূণ্যস্থানের শক্তি আপনি নিখুঁতভাবে নির্ণয় করতে পারবেন কিন্তু সময়কে যদি আপনি ধীর করে দেখেন অর্থাৎ ক্ষুদ্র সময় ব্যবধানে উক্ত শূণ্যস্থানের শক্তি আপনি আর নিখুঁতভাবে নির্ণয় করতে পারবেন না।সময় ব্যবধান এবং শূণ্যস্থানের আয়তন আরো ক্ষুদ্র হলে হাইজেনবার্গের সমীকরণ থেকে দেখা যায় যে উক্ত আয়তনে শক্তির পরিমাণ সম্পর্কে এতটাই অনিশ্চয়তা সৃষ্টি হয় যে সেখানে শূণ্য থেকে কণা তৈরীর মত যথেষ্ট শক্তি সৃষ্টি হতে পারে। এ তত্ত্ব আমাদের দেখায় কিভাবে ক্ষুদ্র সময় ও স্থানে শূণ্য থেকেই কণা সৃষ্টি হতে পারে।কিন্তু এ কণা দ্রুত বিলীন হয়ে যায় কারণ শূণ্য থেকে কিছু নিলে তা দ্রুই শূণ্যকে ফিরিয়ে দিতে শূণ্যাবস্থায় ফিরে আসতে হয়। অর্থাৎ শূণ্যস্থানে প্রতিনিয়ত কণা সৃষ্টি ও ধ্বংস হচ্ছে।
১৯২৮ সাল পর্যন্ত বিজ্ঞানীরা দুটো জনপ্রিয় তত্ত্ব আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিক তত্ত্ব ও প্ল্যাঙ্কের কোয়ান্টাম তত্ত্বকে ক্ষুদ্র কিন্তু আলোর বেগের কাছাকাছি গতিশীল কণার ক্ষেত্রে মেলাতে পারছিলেন না। বিশেষ আপেক্ষিক তত্ত্বের সাহায্যে আলোর বেগের কাছাকাছি বেগে চলমান বস্তুর আচরণ ব্যাখ্যা করা যায়, অন্যদিকে কোয়ান্টাম তত্ত্বের সাহায্যে ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র কণার আচরণ ব্যাখ্যা করা যায়। এ সমস্যার সমাধান করলেন বিজ্ঞানী পল ডিরাক। তিনি তার সমীকরণের ইলেকট্রনের আচরণ তুলে ধরলেন বিশেষ আপেক্ষিক তত্ত্ব ও কোয়ান্টাম তত্ত্বের মিশেল ঘটিয়ে।আর সেই অসাধারণ সমীকরণটি হল-

ডিরাক তার সমীকরণে একটি অদ্ভুত বিষয় লক্ষ্য করলেন, তিনি তার সমীকরণে ইলেকট্রনের বিপরীত ধর্মী একটি কণার অস্তিত্ত্ব যে আছে তার ইঙ্গিত খুজে পেলেন আর এভাবেই তিনি প্রতিপদার্থের ধারনা দিয়ে বসলেন।তার এই ধারনা কে সত্যি প্রমাণ করে ১৯৩২ সালে কার্ল ডি.অ্যাণ্ডারসন প্রতি ইলেকট্রন বা পজিট্রন আবিষ্কার করে বসলেন।এজন্য তিনি ১৯৩৬ সালে নোবেল পুরষ্কার পান। আর ডিরাক তার এই অসামান্য কাজের জন্য নোবেল পুরষ্কার পান ১৯৩৩ সালে। এভাবে একেক পর এক বিভিন্ন কণার প্রতিকণা আবিষ্কার হতে থাকে।এই এন্টিম্যাটার ও ম্যাটার পরস্পরের সংস্পর্শে আসলে তারা পরস্পরকে ধ্বংস করে শক্তিতে রূপান্তরিত হয়।

হাইজেনবার্গের তত্ত্ব আমাদের বলে শূণ্যস্থানে কণা প্রতিনিয়ত সৃষ্টি ও ধ্বংস হচ্ছে কিন্তু তা কিভাবে হয় তা পল ডিরাক তার সমীকরণের সাহায্যে দেখালেন।অর্থাৎ শূণ্যস্থানে কোয়ন্টাম ফ্লাকচুয়েশনের মাধ্যমে প্রতিনিয়ত এই প্রতিকণা ও কণারা জোড়ায় জোড়ায় সৃষ্টি হচ্ছে ও ধ্বংস হচ্ছে ।একেই আমরা ভার্চুয়াল পার্টিকেল বা ভার্চুয়াল কণা বলে থাকি।ডিরাকের শূণ্যস্থান সম্পর্কিত এই ধারণার পরবর্তীতে আরো উন্নয়ন ঘটে যা কোয়ান্টাম ফিল্ড থিওরি নামে পরিচিত।

কিন্তু বিজ্ঞান তো আর তত্ত্ব দিয়েই থেমে থাকে না তাকে যাচাই করে দেখে বিভিন্ন পরীক্ষা-নিরীক্ষার মাধ্যমে তারপরই সেই তত্ত্বকে মেনে নেয়।তাহলে বিজ্ঞান কেন পরীক্ষা-নিরীক্ষা ছাড়া মেনে নেবে যে শূণ্যস্থানে প্রতিনিয়ত কণা-প্রতিকণা সৃষ্টি ও ধ্বংস হচ্ছে। তাইতো বিজ্ঞানীরাও তা যাচাই করার জন্য পরীক্ষা-নিরীক্ষা শুরু করলেন এবং প্রমাণও পেলেন বিভিন্ন ভাবে।কোয়ন্টাম ফ্লাকচুয়েশনের প্রমাণের একটি পরীক্ষা হচ্ছে ল্যাম্ব শিফট পরীক্ষা।আমেরিকান বিজ্ঞানী উইলিস ল্যাম্ব এই পরীক্ষাটি আবিষ্কার করেন।আমরা সবাই জানি পরমাণুতে ইলেকট্রনগুলো প্রত্যেকেই নির্দিষ্ট শক্তিস্তরে থেকে নিউক্লিয়াসের চারিদিকে আবর্তনকরে।এখন যদি শূণ্যস্থানে অবিরাম কোয়ন্টাম ফ্লাকচুয়েশন ঘটে তা ইলেকট্রনের কক্ষপথকে সামান্য নাড়াতে থাকবে।অর্থাৎ ইলেকট্রনের শক্তিস্তরের সামান্য পরিবর্তন হবে। এটাই বিজ্ঞানী উইলিস ল্যাম্ব তার পরীক্ষার মাধ্যমে দেখিয়েছিলেন।তবে কোয়ন্টাম ফ্লাকচুয়েশনের শক্তিশালী প্রমাণটি পাওয়া যায় ‘কাসমিরের প্রভাব’ থেকে।১৯৪৮ সালে ডাচ পর্দাথবিদ হেনরিখ কাসিমির বললেন কোয়ান্টাম ফ্লাকচুয়েশন সত্যি হয়ে থাকলে দুটো ধাতব পাত খুব কাছাকাছি আনা হলে তারা একে অন্যকে ধীরে ধীরে আকর্ষণ করবে। তিনি প্রতি বর্গ একক ক্ষেত্রফলে এই বল নির্ণয়ের জন্য একটি সূত্র দেন। সূত্রটি হল –

এখন প্রশ্ন কেন এরা পরস্পরকে আকর্ষণ করবে? কোয়ান্টাম তত্ত্ব অনুযায়ী প্রত্যেকটি কণার তরঙ্গ ধর্ম রয়েছে অর্থাৎ শূণ্যস্থানে উদ্ভূত কণাগুলিকে তরঙ্গ হিসেবে বিবেচনা করা যায়।কিন্তু আমরা সকলেই জানি তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্য থাকে এর ফলে এই দুই ধাতব পাতের মাঝে কেবল নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের তরঙ্গ থাকতে পারবে।যেমন এই দুই ধাতব পাতের ব্যবধান L একক হলে এর মধ্যে 2L, L ,2/3L, 1/2L, 25L …….তরঙ্গদৈর্ঘ্যের তরঙ্গ থাকতে পারবে। কিন্তু ধাতব পাতদ্বয়ের বাইরে যে কোন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের তরঙ্গ থাকতে পারবে।

এর ফলে ধাতব পাতদ্বয়ের বাইরের তরঙ্গ দ্বারা সৃষ্ট চাপ ভিতরের তরঙ্গ দ্বারা সৃষ্ট চাপ অপেক্ষা বেশি হবে আর এ কারণেই ধাতব পাতদ্বয় একে অন্যকে আকর্ষণ করবে।এটাই পরবর্তীতে মার্কস স্প্যার্ণে, স্টিভ লেমোরাক্স প্রমুখ বিজ্ঞানীদের পরীক্ষায় প্রমাণিত হয়। শূণ্যস্থান কথাটি শুনলেই যে কেউ এরই মনের মধ্যে ভেসে ওঠে একেবারে শূণ্য বা খালি একটি স্থানের কথা। কিন্তু আধুনিক পদার্থবিজ্ঞান দেখিয়েছে শূণ্যস্থান বলতে আমরা যা ভাবছি তা ভুল বরং শূণ্যস্থানে প্রতিনিয়ত কণা ও প্রতিকণার সৃষ্টি ও ধ্বংসের খেলা চলছে । যাকে আমরা শূণ্য ভাবছি তাও শূণ্য নয় এটা প্রকৃতি যে কত অদ্ভুত আর বিস্ময়কর হতে পারে তারই যেন একটা প্রমাণ।

তথ্যসূত্র:
১। http://en.wikipedia.org/wiki/Casimir_effect
২। BBC Everything and Nothing

লেখকঃ
মুনতাসির ইবনে শামস
পদার্থ বিজ্ঞান বিভাগ
সরকারী বাঙলা কলেজ