স্ট্রিং তত্ত্ব – ‘সবকিছুর তত্ত্ব’ খুঁজে পাবার চেষ্টা (পর্ব-১)

[লেখাটি আমার পদার্থিবিদ্যার অমিমাংসিত সমস্যা সিরিজের পরবর্তী অধ্যায়। এই সিরিজে ‘সবকিছুর তত্ত্ব’ হবার প্রধানতম দাবীদার ‘স্ট্রিং তত্ত্বের’ সংক্ষিপ্ত ইতিহাস সহ আনুষঙ্গিক ব্যাখ্যা/বিশ্লেষণ থাকবে।]

পর্ব-১, পর্ব-২, পর্ব-৩

পর্ব-৪.১, পর্ব-৪.২, পর্ব-৪.৩, পর্ব-৪.৪, পর্ব- ৪.৫

 

ভেনেজিয়ানোর আকস্মিক আবিষ্কার

১৯৬৮ সাল। সার্নে কাজ করতে বেশ ভালোই লাগে ভেনেজিয়ানোর। পৃথিবীর অনেকগুলো বড় পার্টিক্যাল এক্সেলেটর আছে এখানেই। সৃষ্টির তাবৎ রহস্য উন্মোচনের কাজে নিয়োজিত আছে সার্ন, ফার্মিল্যাব সহ পৃথিবীর বড় বড় পার্টিক্যাল এক্সিলেটরগুলো। ল্যাবগুলোর মধ্যে চলা এই সুস্থ প্রতিযোগিতা বেশ উপভোগও করেন তিনি। কিছুদিন হলো পৃথিবীর অনেকগুলো এক্সেলেটর থেকে তরতাজা কিছু ড্যাটা এসেছে সবল নিউক্লীয় বলের উপর। ভেনেজিয়ানো সহ সার্নের অনেকেই চেষ্টা করছেন নিউক্লিয়াসের প্রোটন আর নিউট্রনগুলোকে ছোট্ট জায়গাতে বেঁধে রাখা সবল নিউক্লীয় বলের গাণিতিক মডেল দাঁড় করাতে।

সবল নিউক্লীয় বলের ধারণা তখন বিজ্ঞান মহলের সবচাইতে জনপ্রিয় গবেষণার বিষয়। ত্রিশের দশক থেকেই পরমাণুর গঠন প্রকৃতি মোটামুটিভাবে একটা পরিণত অবয়ব পায়। এই মডেলে পরমাণুর কেন্দ্রে আছে ধণাত্মক আধানবাহী প্রোটোন আর আধান নিরপেক্ষ নিউট্রন, যারা খুব ছোট্ট জায়গাতে এঁটে আছে - আর বাইরের কক্ষে ঘুরছে ঋণাত্মক আধানের ইলেক্ট্রন। ইলেক্ট্রো-ম্যাগনেটিক বলের হিসেব অনুসারে দেখা যায় নিউক্লিয়াসের খুব ছোট্ট জায়গাতে এঁটে থাকা একই আধানের প্রোটোনগুলো একে অপরকে এত প্রবল ভাবে বিকর্ষণ করার কথা যে নিউক্লিয়াসের জমাট বাঁধার আগেই তা উবে যাবার কথা। এই নিয়ে অনেকে চিন্তা, গবেষণা ও হিসেব করে নিউক্লিয়ন-গুলোর মধ্যে (প্রোটোন ও নিউট্রনকে আলাদা-আলাদা ভাবে নিউক্লিয়ন বলা হয়) এক ধরণের মৌলিক বলের প্রস্তাবনা করেছেন অনেকেই। প্রস্তাবনাগুলোতে মোটামুটিভাবে এটা বলা হলো - নিউক্লিয়াসের ক্ষুদ্র পরিমণ্ডলে ক্রিয়াশীল বলটি আকর্ষী ও ইলেক্ট্রো-ম্যাগনেটিক বলের তুলনায় বেশ কয়েকগুণ বড় – আর সেই কারণেই বিকর্ষী ইলেক্ট্রো-ম্যাগনেটিক বলকে কাটিয়ে উঠে আকর্ষী সবল নিউক্লীয় বল প্রোটোনগুলোকে ছোট্ট জায়গাতে এঁটে ধরে রেখেছে। প্রস্তাবনাটি বেশ যুক্তিসম্পন্ন। কিন্তু স্বভাবতই যেহেতু কেবল নিউক্লিয়াসের ক্ষুদ্র আঙ্গিকেই এই বল প্রকাশমান, তাই বলের বিধৃতি জানতে হলে নিউক্লিয়াসকে ভেঙ্গে দেখা ছাড়া উপায় নেই। পার্টিক্যাল এক্সেলেটরগুলোর প্রস্তাবনা ওখান থেকেই আসে। এই পার্টিক্যাল এক্সেলেটরগুলো আসলে পরমাণুর বিচিত্র জগত দেখার অণুবীক্ষণীক যন্ত্র – যেখানে বিপরীত দিক থেকে সবেগে ছুটে আসা প্রোটন, নিউট্রন কিংবা নিউক্লিয়াসের সংঘর্ষ ঘটিয়ে পরমাণুর মধ্যকার যাবতীয় রহস্য খোঁজার চেষ্টা করা হয়।

চিত্র ১. সবল নিউক্লীয় বলের প্রকাশ। দুটো ধণাত্মক আধানের প্রোটোনের বিকর্ষণ বলকে (উপরের কালো তীরচিহ্ন) ছাপিয়ে আকর্ষী সবল নিউক্লীয় বল (নীচের রঙ্গিন তীরচিহ্ন) নিউক্লিয়াসের মধ্যে প্রোটোনগুলোকে খুবই ছোট জায়গাতে এঁটে রাখে। সবল নিউক্লীয় বল না থাকলে নিউক্লিয়াস গঠনের আগেই পরমাণু উবে যেতো।

নিউক্লিয়াস ভেঙ্গে নিউক্লিয়নগুলোর মধ্যকার মিথষ্ক্রিয়া পর্যবেক্ষণের জন্যেই ভেনেজিয়ানো ভাবছেন তরতাজা ড্যাটাগুলোকে নিয়ে। কিন্তু এমন বিক্ষিপ্ত সংখ্যাগুলোকে তিনি সাজাতে পারছেননা কোনভাবেই। একদিন হঠাৎ কী মনে করে ম্যাথের বইটা নাড়াচাড়া করার সময় চোখে পড়ে গেল ইউলার বিটা ফাংশনের উপর। ভেনেজিয়ানোর হাল্কা মনে পড়ছে ফার্স্ট ইয়ারে ম্যাথ আর ফিজিক্সের ক্লাসে তিনি ইউলার-বিটা ফাংশন পড়েছিলেন। কী ভেবে তিনি চেষ্টা করলেন ইউলারের বিটা ফাংশন দিয়ে সাম্প্রতিক পাওয়া ড্যাটাগুলোকে বিশ্লেষণ করতে। ভেনেজিয়ানো অবাক হয়ে দেখলেন যে সবল নিউক্লীয় বলের ড্যাটাগুলোকে বেশ ভালভাবেই ইউলারের বিটা ফাংশন দিয়ে প্রকাশ করা যাচ্ছে। মনে মনে বেশ আনন্দিত তিনি – ভাবলেন যাক অন্তত ড্যাটার বিন্যাস কোনো বিক্ষিপ্ত সংখ্যা নয়, একে অন্তত কোনো ফাংশানাল ফর্মূলাতে ফেলা যাচ্ছে। তবে সমস্যা হলো এই যে যদিও একটা গাণিতিক মডেল ভেনেজিয়ানো দাঁড় করালেন, কিন্তু কেন তারের কম্পন আর কম্পাঙ্ক প্রকাশ করে এমন একটা ফাংশন দিয়ে সবল নিউক্লীয় বলের বিধৃতি দেয়া যাচ্ছে তা তিনি ব্যাখ্যা করতে পারলেন না।

চিত্র ২. স্ট্রিং তত্ত্বের অন্যতম জনক গ্যাব্রিয়েল ভেনেজিয়ানো

সাস্কিন্ডের অন্তর্বীক্ষণ

লিওনার্ড সাস্কিন্ড এর চিন্তাধারা সবসময় অপ্রথাগত। প্রতিটি জিনিস ও ঘটনা নিয়ে তার পর্যবেক্ষণ আর দশজন থেকে আলাদা। সুযোগ পেলেই তিনি প্রশ্ন করেন প্রথাগত ধ্যানধারণাকে। সাস্কিন্ড সবল নিউক্লীয় বলের বিধৃতি দেয়া ভেনেজিয়ানোর গাণিতিক মডেল দেখলেন। আর স্বগত ভাবেই প্রথমে যা মনে আসতে পারে তাই-ই তিনি ধরে নিলেন। তিনি ভাবলেন, ইউলার বিটা ফাংশন যেহেতু স্ট্রিং এর কম্পন ও গতি’র বিধৃতি দেয়, তাই নিউক্লিয়াসের প্রোটোন আর নিউট্রন-গুলো নিশ্চয়ই কোনো রকম সুতো কিংবা তন্তু জাতীয় সত্ত্বা দিয়ে পরষ্পরের সাথে সংযুক্ত। সেজন্যে নিউক্লিয়াসের প্রোটোন আর নিউট্রনের মধ্যকার প্রদর্শিত সবল নিউক্লীয় বলকে স্ট্রিং এর সমীকরণ দিয়ে প্রকাশ করা যাচ্ছে। সাস্কিন্ড ছাড়াও নীলস বোর ইন্সটিটিউট এর হলজার নেইলসেন ও শিকাগো বিশ্ববিদ্যালয়ের ইশিরো নাম্বু প্রায় যুগপদ একই সিদ্ধান্তে আসেন। ভেনেজিয়ানো সহ এই চতুষ্টয়কে তাই স্ট্রিং তত্তের জনক বলা হয়।

চিত্র ৩. স্ট্রিং তত্ত্বের অন্যতম জনক লিওনার্দ সাস্কিন্ড

সার্বিক ব্যাখ্যা, বিধৃতি দিয়ে একটা পেপার লিখলেন সাস্কিন্ড। মজার ব্যাপার হলো, সবল নিউক্লীয় বলের ভৌত ব্যাখ্যা দেয়া স্ট্রিং তত্ত্বের এই প্রথম পেপারটা জার্নাল কতৃপক্ষ ছাপালেন না। প্রথম দিকটাতে অভিভূত হলেন বটে সাস্কিন্ড - পরে অবশ্য স্বান্ত্বনা পেলেন পূর্বসূরীদের ক্ষেত্রেও এমন ঘটনার নজির থাকায়। সাস্কিন্ডের মনে পড়ে গেলো সত্যেন্দ্রনাথ বোস, থিওডক কালুজা কিংবা পিটার হিগসের কথা। কালজয়ী ধারণা নিয়ে লেখা এই বিজ্ঞানীদের পেপারগুলোও কিন্তু জার্নালে প্রথম বারে প্রকাশিত হয়নি। যথারীতি অবশ্য সাস্কিন্ডের পেপার জার্নালে ছাপানো হলো পরে - আর সেই সাথে শুরু হলো স্ট্রিং তত্ত্বের নবযাত্রা। নতুন এই তত্ত্ব পরে আরো বেশ কয়েকবারই হোঁচট খেয়েছে – কিন্তু সেইসাথে উতরেও গেছে বারবার। সেই ইতিহাসের দিকে এবার আমরা নজর দেব।

প্রথম হোঁচট – নতুন ড্যাটাগুলোকে ব্যাখ্যা করতে পারলো না স্ট্রিং তত্ত্ব

ষাটের দশকের শেষভাগ আর সত্তুরের দশকের শুরুতে কণা পদার্থবিদ্যায় আসে আমূল গতি ও পরিবর্তন। পরমাণুর গঠন নিয়ে তৈরী হয় যুগান্তকারী কিছু চিন্তাভাবনা। নিউক্লিয়াসের খুবই ছোট জায়গাতে এঁটে থাকা প্রোটোন আর নিউট্রনের মধ্যে আকর্ষী বল হিসেবে সবল নিউক্লীয় বলের প্রস্তাবনা করার কথা আগেই বলা হয়েছে। কীভাবে ভেনেজিয়ানো সবল নিউক্লীয় বলের উপর করা পরীক্ষণের ড্যাটাগুলোকে ইউলারের বিটা ফাংশনের মধ্যেমে সুবিন্যস্ত করলেন সেটাও বলা হয়েছে আগে। সাস্কিন্ড এসে ব্যাখ্যা দিলেন যে প্রকাশমান সবল নিউক্লীয় বল আদতে ফ্যামটোস্কোপিক জগতে সূক্ষ্ম তন্তু-সদৃশ স্ট্রিং এর মাধ্যমে প্রকাশমান। সবল নিউক্লীয় বলের ব্যাখ্যা ও আনুসঙ্গিক চিন্তাভাবনার বিস্তৃতি কিন্তু সেখানেই থেমে থাকেনি। পাশাপাশি সমান্তরাল ভাবে অনেকে প্রস্তাব করেছিলেন যে, প্রোটোন কিংবা নিউট্রনকে যেভাবে মৌলিক কণা বলে ভাবা হচ্ছে তা ঠিক নয়। তারা বললেন যে প্রোটোন ও নিউট্রন আসলে আরো মৌলিকতর কণা কোয়ার্ক দ্বারা গঠিত। ১৯৬৪ সালের দিকে মারে ও জর্জ প্রস্তাব করলেন মৌলিক কণা কোয়ার্কের - যে চিত্রকল্পে প্রোটোন আর নিউট্রন হলো যৌগিক কণা যারা একাধিক কোয়ার্ক এর সমন্বয়ে গঠিত। পার্টিক্যাল কোলাইডরে তাই কোয়ার্ককে খুঁজে পাবার পরীক্ষাও চলতে লাগলো – আর সেই সাথে সবল নিউক্লীয় বল আরো পরিশীলিত রূপ নিতে থাকলো। কোয়ার্কের পরিমণ্ডলে সবল নিউক্লীয় বল আন্তঃনিউক্লীয়নের পরিব্যাপ্তির আরো ভেতরে গিয়ে আন্তঃকোয়ার্ক পর্যায়ের ইন্টারাকশন ব্যাখ্যা কল্পে নতুন ভাবে প্রাস্তাবিত হলো। এই প্রস্তাবনায় এক ফ্যামটোমিটারেরও কম দূরত্বের ক্ষেত্রে আন্তঃকোয়ার্কের মধ্যে নতুন ভাবে সবল নিউক্লীয় ইন্টারাকশান প্রস্তাবিত হলো, আর আন্তঃনিউক্লিয়নের মধ্যেকার মিথস্ক্রিয়াকে বলা হলো অবশিষ্ট সবল বল (residual strong force)। ৭০ এর দশকের প্রথম দিকে পৃথিবীর পার্টিক্যাল কোলাইডরগুলোকে কোয়ার্ক ও আন্তঃকোয়ার্ক ইন্টারাকশনের রহস্য উন্মোচনের জন্যে ফাইন টিউনিং করা হলো। নেয়া হলো নতুন অনেক ড্যাটা। আর এই নতুন পাওয়া ড্যাটাগুলোকে আর ইউলারের বিটা ফাংশনের মাধ্যমে সাজানো গেলোনা। ঐদিকে চিরায়ত ক্ষেত্রতত্ত্বের মধ্যে ইলেক্ট্রিক্যাল চার্জের মতোই কালার চার্জ বলে নতুন এক ধারণা প্রস্তাব করা হলো। বলা হলো নিউক্লিয়নের মধ্যে কোয়ার্কগুলো পরষ্পরের মধ্যে কালার চার্জ বিনিময় করে একে অপরের সাথে এঁটে থাকে। এঁটে থাকার জন্যে কোয়ার্কগুলো গ্লুয়ন কণা বিনিময় করে থাকে।

চিত্র ৪: প্রোটোনের মধ্যে আছে দুটো আপ আর একটি ডাউন কোয়ার্ক। সবল নিউক্লীয় ইন্টারাকশনের প্রকাশ স্বরূপ গ্লুয়ন নামের মৌলিক কণা কোয়ার্কগুলোকে প্রোটোনের মধ্যে বেঁধে রাখে। এই ব্যাখ্যার আলোকে প্রোটোনের বাইরে যতটুকু বল অবশিষ্ট থাকে তাকেই আন্তঃনিউক্লীয়ন অবশিষ্ট সবল নিউক্লীয় বল বলে সংজ্ঞায়িত করা হলো। আশা করা হয়েছিল যে কোয়ার্কের মধ্যকার সবল নিউক্লীয় ইন্টারাকশনকেও স্ট্রিং তত্ত্ব দিয়ে ব্যাখ্যা করা যাবে। আদতে তা করা গেলোনা। আর ঐদিকে কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্স নামের নতুন ব্যাখ্যায় কালার চার্জ বিনিময়ের মাধ্যমে সবল নিউক্লীয় ইন্টারাকশনকে ব্যাখ্যা করা গেলো সুচারুভাবে।

স্বভাবতই আশা করা হয়েছিল যে কোয়ার্ক সহ মৌলিক কণা গ্লুয়নকেও অধুনা প্রস্তাবিত স্ট্রিং তত্ত্বের সমীকরণের আদলে বাঁধা যাবে। কিন্তু সেটা হলোনা। ঐদিকে প্রস্তাবিত মৌলিক কণা কোয়ার্ক ও আন্তঃকোয়ার্কের সবল ইন্টারাকশনের ব্যাখ্যা পাওয়া গেল স্ট্যান্ডার্ড মডেলের আলোকে গড়ে ওঠা কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্সে। অনেকেই ভাবছিলেন কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্সের আঘাতেই বুঝি স্ট্রিং তত্ত্বের অকালপ্রয়ান হয়ে গেছে। কিন্তু বাস্তবতা হচ্ছে এই মৃতপ্রায় তত্ত্ব আবারো জেগে উঠলো আরো সবল, সতেজ ও সামগ্রিক আঙ্গিকে।

[চলবে…]

 

সূত্র:

1. The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality, by Brian Greene, - Knopf Doubleday Publishing Group- 2005- Paperback- 592 pages- ISBN 0375727205

2. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, By Brian Greene- Knopf Doubleday Publishing Group- 2000- Paperback- 464 pages- ISBN 0375708111