আলো কীভাবে ভ্রমণ করে

আলো বা ফোটনের ভ্রমণ নিয়ে বিজ্ঞানী রিচার্ড ফাইনম্যানের দেওয়া লেকচারের বাংলা সংক্ষেপিত রূপ।

আমি একটা খুব সাধারণ জিনিস দিয়ে শুরু করতে চাই, যেটা একদম স্পষ্ট মনে হয়। আলো ভ্রমণ করে, তাই না? ল্যাম্প জ্বালালে আলো বাল্ব থেকে বেরিয়ে দেয়ালে পড়ে, দেয়াল দেখা যায়। সোজা কথা, আলো ভ্রমণ করেছে।

এটা আমরা শতাব্দী ধরে জানি। কিন্তু আজ আমি ‘ভ্রমণ’ শব্দটাকে খুব যত্ন করে দেখতে চাই।

কারণ যখন আসলেই প্রশ্ন করা হয়—কী ভ্রমণ করছে? কোন জিনিসটা চলছে?—তখন নিজেকে পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে সুন্দর এবং অদ্ভুত গল্পের মাঝখানে পাওয়া যায়। আর আমার মতে, যেগুলো সবচেয়ে স্পষ্ট মনে হয়, সেগুলোকেই সবচেয়ে গভীরভাবে পরীক্ষা করা দরকার। তাই তোমার অনুমান দিয়ে শুরু করি।

তুমি সম্ভবত আলোকে পানির ঢেউয়ের মতো কল্পনা করো। পুকুরে পাথর ফেললে ঢেউ ছড়িয়ে পড়ে।

এটাই ভ্রমণ। কিছু একটা চলছে। পানির ঢেউয়ের ক্ষেত্রে পানি নিজে উপর-নিচ করে কাঁপছে।

পুরো পুকুর পার হয়ে পানি যায় না, শুধু ঢেউয়ের প্যাটার্ন চলে। মাধ্যম হলো পানি। ঢেউয়ের প্যাটার্ন ভ্রমণ করে, পানি প্রায় একই জায়গায় থাকে। তাই ১৮০০ সালের দিকে মানুষ বলল, আলো নিশ্চয়ই এরকম। এটা একটা ঢেউ। তাহলে কোনো মাধ্যম থাকতেই হবে যেটাতে এটা ঢেউ খেলছে। তারা সেটাকে বলল ‘ইথার’।

এটা একদম যুক্তিসঙ্গত চিন্তা ছিল। ঢেউ তো কোনো কিছুতে খেলে। তাই আলোর ঢেউও কোনো কিছুতে খেলবে। তারপর এল পরীক্ষা।

মাইকেলসন-মর্লি, ১৮৮৭ সাল। তারা একটা অসাধারণ যন্ত্র বানালেন—ইন্টারফেরোমিটার—যাতে আলোর গতির খুব ছোট ছোট পার্থক্য বিভিন্ন দিকে মাপা যায়। যদি ইথার থাকে, আর পৃথিবী সেটার মধ্য দিয়ে চলছে, তাহলে পৃথিবীর গতির দিকে যাওয়া আলো একটু ধীর হওয়া উচিত, আর তির্যক দিকে যাওয়া আলোর চেয়ে। নদীতে নৌকা চালানোর মতো—স্রোতের বিপরীতে বনাম পাশাপাশি। তারা সেই যুগের সেরা যন্ত্র দিয়ে খুব যত্ন করে মাপলেন। আর পেলেন—কিছুই না।

কোনো পার্থক্য নেই। প্রথম ধাক্কা। ইথার নেই। আলো কোনো কিছুতে ঢেউ খেলছে না। আলো শূন্যে ঢেউ খেলছে। এটাই তো রাতে ঘুম হারাম করে দেওয়ার মতো। কী কাঁপছে যদি কোনো মাধ্যম না থাকে? পরে এটা নিয়ে আসব।

তার আগে ম্যাক্সওয়েল ২০ বছর আগেই উত্তর দিয়ে রেখেছিলেন, যদিও তখন কেউ পুরোপুরি বুঝতে পারেনি।

ম্যাক্সওয়েল চারটা সমীকরণ লিখলেন—ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণ। সেগুলো থেকে দেখালেন, বিদ্যুৎ ক্ষেত্র আর চৌম্বক ক্ষেত্র একে অপরকে ধরে রাখতে পারে। পরিবর্তনশীল বিদ্যুৎ ক্ষেত্র চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করে। পরিবর্তনশীল চৌম্বক ক্ষেত্র বিদ্যুৎ ক্ষেত্র তৈরি করে।

এই দুটো ক্ষেত্র শূন্যস্থান দিয়ে একে অপরকে তাড়া করে চলে। আর একটা নির্দিষ্ট গতিতে। আলোর গতিতে।

তিনি বিদ্যুৎ আর চৌম্বকত্বের ধ্রুবক থেকে হিসাব করে পেলেন ৩০০,০০০ কিলোমিটার প্রতি সেকেন্ড। ঠিক আলোর গতি।

তিনি লিখলেন, মনে হচ্ছে আলো একটা তড়িৎ-চৌম্বকীয় ব্যাঘাত। এটা ইতিমধ্যেই অদ্ভুত। যা কাঁপছে তা পদার্থ নয়।

কাঁপছে ক্ষেত্র—বিদ্যুৎ ক্ষেত্র আর চৌম্বক ক্ষেত্র। পরস্পর লম্বভাবে কাঁপছে, ভ্রমণের দিকের লম্বভাবে। শূন্য দিয়ে ৩০০,০০০ কিমি/সেকেন্ড গতিতে তাড়া করছে। কোনো বস্তু সামনে যাচ্ছে না।

ব্যাঘাতটা সামনে যাচ্ছে। ক্ষেত্রের মান পরিবর্তন হচ্ছে। কোনো পদার্থ বহন হচ্ছে না।

তারপর এল আইনস্টাইন, ১৯০৫ সালে। প্রথমে মনে হয় যেন পরিষ্কার করছেন, কিন্তু আসলে বিপ্লব। তিনি বললেন, আলোর গতি সব পর্যবেক্ষকের জন্য একই, যত দ্রুতই তারা চলুক না কেন।

তুমি দাঁড়িয়ে আছো। আমি রকেটে আলোর অর্ধেক গতিতে যাচ্ছি। দুজনেই একটা আলোর রশ্মি মাপব—ঠিক c, ২৯৯,৭৯২,৪৫৮ মিটার/সেকেন্ড। কোনো পার্থক্য নেই।

এটা স্বজ্ঞাত নয়। আমি যদি ৯০ মাইল/ঘণ্টায় বেসবল ছুড়ি, তুমি ৬০ মাইল/ঘণ্টায় আমার দিকে গাড়ি চালাও—তুমি বল ১৫০ মাইল/ঘণ্টায় আসছে মাপবে। যোগ হয়। গ্যালিলিওর নিয়ম। সাধারণ জিনিস এভাবেই কাজ করে। কিন্তু আলো? আলো তা করে না। তুমি আলোর রশ্মির দিকে দৌড়ালেও, সেটা ঠিক একই গতিতে তোমার কাছে আসবে, সবসময়, সব পরিস্থিতিতে।

আইনস্টাইন দেখলেন, এর মানে স্থান আর সময় আলাদা স্বাধীন জিনিস নয়। এরা এক। স্থান-কাল। গতি বাড়লে স্থান আর সময় একে অপরের সাথে বদলায় যাতে আলোর গতি সবার জন্য একই থাকে। চলমান পর্যবেক্ষকের জন্য সময় ধীর হয়। দৈর্ঘ্য সংকুচিত হয়। এটা বিজ্ঞান কল্পকাহিনী নয়। কণা ত্বরক যন্ত্রে প্রতিদিন মাপা হয়।

উচ্চ বায়ুমণ্ডলে তৈরি মিউয়ন কণা ক্লাসিক্যাল হিসাবে মাটিতে পৌঁছানোর আগেই ক্ষয় হয়ে যাওয়া উচিত। কিন্তু পৌঁছায়, কারণ তাদের জন্য সময় ধীর চলে। আমরা মাপি।

এবার ফোটনের দৃষ্টিকোণ থেকে দেখলে ব্যাপারটা পাগলামি। ফোটনের নিজের রেফারেন্স ফ্রেমে (যদিও তুমি ফোটনের সাথে যেতে পারো না, শুধু চিন্তা করা যায়), সময় একদম থেমে যায়।

ফোটন সূর্য থেকে বেরিয়ে ৯৩ মিলিয়ন মাইল পথ পেরিয়ে পৃথিবীতে আসে—আমাদের ঘড়িতে ৮ মিনিট। ফোটনের কাছে সেই ৮ মিনিট শূন্য। নির্গত হয় আর শোষিত হয় একই মুহূর্তে। তার দৃষ্টিতে দূরত্ব শূন্য। ভ্রমণ বলে কিছু নেই।

এটা অসাধারণ। আমরা বলি আলো ভ্রমণ করেছে, কিন্তু আলোর দৃষ্টিতে কোনো যাত্রাই হয়নি।

এখানে একটা গুরুত্বপূর্ণ কথা বলতে হবে। ফোটনের ‘দৃষ্টিকোণ’ বলার সময় আমি একটু অসতর্ক ছিলাম। কারণ দৃষ্টিকোণ মানে পর্যবেক্ষক, আর ফোটনের ভর শূন্য, বিশেষ আপেক্ষিকতা শূন্য ভরের ফ্রেমে ভেঙে পড়ে। ফোটনের সাথে যাওয়া যায় না। গণিত দেয় না।

তাই ‘ফোটনের দৃষ্টিকোণ’ বললে আমি গণিতের ইঙ্গিত অনুসরণ করছি, পুরোপুরি অনুমোদিত নয়। পদার্থবিজ্ঞান সমীকরণ যা বলে সেটা, গল্প নয়। গল্প সাহায্য করে, কিন্তু পদার্থবিজ্ঞান নয়।

আলো তড়িৎ-চৌম্বকীয় ঢেউ, শূন্য দিয়ে ভ্রমণ করে কোনো বস্তু ছাড়া, সবার জন্য একই গতিতে, আর নিজের ফ্রেমে (ঢিলেঢালাভাবে বললে) সময় পার হয় না।

এবার সবচেয়ে সুন্দর আর অস্বস্তিকর অংশ—কোয়ান্টাম মেকানিক্স কী বলে। ২০শ শতাব্দীর শুরুতে একটা সমস্যা ছিল—আলোক-তড়িৎ ক্রিয়া (photoelectric effect)।

ধাতুর উপর আলো ফেললে ইলেকট্রন বেরিয়ে আসে। ঠিক আছে। কিন্তু ইলেকট্রনের শক্তি আলোর উজ্জ্বলতার উপর নির্ভর করে না। নির্ভর করে আলোর কম্পাঙ্ক বা রঙের উপর। উজ্জ্বল লাল আলো কোনো ইলেকট্রন বের করে না। মৃদু নীল আলো সহজেই বের করে।

ঢেউয়ের ছবি দিয়ে এটা ব্যাখ্যা করা যায় না। ঢেউ হলে উজ্জ্বল মানে বেশি শক্তি, ইলেকট্রন জোরে বের হওয়া উচিত। কিন্তু তা হয় না।

আইনস্টাইন ১৯০৫ সালে (সেই একই বছর বিশেষ আপেক্ষিকতার) বললেন, আলো প্যাকেটে আসে, কোয়ান্টাইজড। প্রত্যেক প্যাকেটের শক্তি কম্পাঙ্কের উপর নির্ভর করে। E = hν। h হলো প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক।

একটা প্যাকেট যথেষ্ট শক্তি থাকলে ইলেকট্রন বের করে, নইলে না। উজ্জ্বলতা বেশি মানে বেশি প্যাকেট, প্রত্যেকের শক্তি একই। যথেষ্ট না হলে কত প্যাকেট ফেললেও কিছু হবে না।

এই প্যাকেটগুলোকে আমরা এখন ফোটন বলি। এখান থেকে গল্প সত্যিই অদ্ভুত হয়ে যায়। আলো শুধু ঢেউ নয়, কণাও।

খুব মৃদু আলো একটা একটা ফোটন ছাড়ে। সংবেদনশীল ডিটেক্টর থাকলে শোনা যায়—ক্লিক, ক্লিক, ক্লিক। এক একটা ঘটনা, এক একটা শক্তির টুকরো।

কিন্তু অদ্ভুত ব্যাপার—এক একটা ফোটন দুটো ফাটল দিয়ে পাঠালে (ডাবল-স্লিট পরীক্ষা), প্রত্যেক ফোটন যেন দুটো ফাটল দিয়েই যায়। কারণ যেখানে পড়ে, সময়ের সাথে সাথে ইন্টারফেয়ারেন্স প্যাটার্ন তৈরি হয়। ব্যান্ড। যেন ঢেউ দুটো ফাটল দিয়ে গিয়ে পরস্পরের সাথে মিশেছে।

কিন্তু একটা একটা ফোটন পাঠানো হচ্ছে। মিশবে কীসের সাথে? ফোটন নিজের সাথে মিশছে।

যদি ফাটলে ডিটেক্টর লাগাও—কোন ফাটল দিয়ে গেছে জানতে—তাহলে ইন্টারফেয়ারেন্স প্যাটার্ন উধাও। ফোটন এখন একটা ফাটল দিয়ে যায়, সাধারণ কণার মতো। দুটো স্তূপ হয়।

জানার চেষ্টা করলেই প্যাটার্ন নষ্ট। এটা আইনস্টাইনকে পাগল করে দিয়েছিল। তিনি কখনো মেনে নেননি। ভেবেছিলেন গভীর ব্যাখ্যা আছে। ঈশ্বর পাশা খেলেন না। কিন্তু তত্ত্ব কাজ করে। সব মাপা জিনিসের পূর্বাভাস দেয়। কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডায়নামিক্স—আলো আর পদার্থের কোয়ান্টাম তত্ত্ব—পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে নির্ভুল পরীক্ষিত তত্ত্ব। দশ দশমিক স্থান পর্যন্ত নিশ্চিত।

তাহলে আলো আসলে কী? ঢেউ না কণা? আমি একটা কথা বলি, আবারও বলছি।

এটা কোনোটাই নয়। এটা এমন কিছু যার জন্য আমাদের ভালো শব্দ নেই, ক্লাসিক্যাল ছবি নেই। ‘ঢেউ’ আর ‘কণা’ দুটোই মানুষের আবিষ্কার—পানির ঢেউ, বিলিয়ার্ড বলের অভিজ্ঞতা থেকে।

কোয়ান্টাম স্তরে প্রকৃতি সেই শব্দে বাঁধা নয়। নিজের মতো করে। আলো-সদৃশ, নিজস্ব শ্রেণি।

আমাদের কাছে আছে গাণিতিক কাঠামো—সম্ভাবনা অ্যামপ্লিটিউড, কমপ্লেক্স সংখ্যা, ওয়েভ ফাংশন—যা বলে দেয় কোনো জায়গায় ফোটন পাওয়ার সম্ভাবনা। ওয়েভ ফাংশন ঢেউয়ের মতো, কম্পাঙ্ক, তরঙ্গদৈর্ঘ্য আছে, নিজের সাথে হস্তক্ষেপ করে।

কিন্তু যখন ফোটন ধরা পড়ে, নির্দিষ্ট জায়গায় ধরা পড়ে—কণার মতো। ওয়েভ ফাংশনের অ্যামপ্লিটিউড বেশি হলে সম্ভাবনা বেশি। কম হলে কম। ধরা পড়ার মুহূর্তে ওয়েভ ফাংশন সেখানে কোলাপস করে।

এখন সবচেয়ে মন-উল্টে দেওয়া ব্যাপার। কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডায়নামিক্সে ফোটন A থেকে B যাওয়ার সঠিক ছবি এটা।

ফোটন শুধু সোজা লাইনে যায় না। সব সম্ভব পথ দিয়ে যায়—সব, একসাথে। ভুল পথ, বাঁকা পথ, জিগজ্যাগ, বৃহস্পতি ঘুরে আসা পথ—সব। প্রত্যেক পথ একটা ছোট তীর (অ্যামপ্লিটিউড) দেয়। সব তীর যোগ করো।

অধিকাংশ কাছাকাছি পথের তীর এলোমেলো দিকে, গড় শূন্য হয়ে যায়। কিন্তু ক্লাসিক্যাল সোজা পথের কাছের পথগুলো বাতিল হয় না। সব তীর প্রায় একই দিকে, যোগ হয়ে বড় অবদান দেয়।

ফলে ফোটন প্রধানত সোজা লাইনে যাওয়ার মতো আচরণ করে—কারণ সেখানেই অবদান যোগ হয়। এটাকে পাথ ইন্টিগ্রাল ফর্মুলেশন বলে। এটা গভীর কথা বলে। ক্লাসিক্যাল ছবি—আলো সোজা লাইনে যায়—এটা কোনো নিয়ম নয় যা আলো মানে।

এটা কোয়ান্টাম মেকানিক্স থেকে উদ্ভূত ফল। সব পাগল পথ বাতিল হয়, শুধু ক্লাসিক্যাল পথ বেঁচে থাকে। প্রতিফলনের নিয়ম, প্রতিসরণের নিয়ম, সোজা চলা—সব এ থেকে বেরোয়।

সারাংশে বলি, আমরা কী জানি আর কী জানি না।

আমরা জানি কিছু একটা উৎস থেকে ডিটেক্টরে যায়। শূন্যে c গতিতে, সব পর্যবেক্ষকের জন্য একই।

যা যায় তাতে ঢেউয়ের ধর্ম আছে—কম্পাঙ্ক, তরঙ্গদৈর্ঘ্য, নিজের সাথে হস্তক্ষেপ। কণার ধর্ম আছে—ডিটেক্টরে ক্লিক, hν শক্তি।

ফোটনের ভর শূন্য, তাই শুধু আলোর গতিতে চলতে পারে। আপেক্ষিকতায় ফোটনের নিজস্ব সময় শূন্য। বয়স হয় না।

কিন্তু নির্গমন আর শোষণের মাঝে কী হচ্ছে—সত্যি কী হচ্ছে—আমরা জানি না। ফোটন কী করছে যখন কেউ দেখছে না? ওয়েভ ফাংশন বাস্তব? কণা বাস্তব? পথ আছে কি? এই প্রশ্নগুলো হয়তো অর্থহীন।

উত্তর নির্ভর করে কীভাবে প্রশ্ন করা হচ্ছে, কী যন্ত্র ব্যবহার করা হচ্ছে। প্রকৃতি গোপন করে একটা জিনিস করছে না। ‘কোন ফাটল দিয়ে গেছে’ প্রশ্নের উত্তর হয়তো নেই যখন দেখা হচ্ছে না।

এটা জ্ঞানের ব্যর্থতা নয়। হয়তো বাস্তবতার বৈশিষ্ট্য।

আর এটাই আমি যখন বলি কেউ কোয়ান্টাম মেকানিক্স বোঝে না—সমীকরণ জটিল নয়, কিন্তু সমীকরণ গল্প দেয় না। হিসাব দেয়। প্রশ্ন দাও, সম্ভাবনা পাও। সম্ভাবনা ঠিক। কিন্তু মাঝখানে কী হচ্ছে জিজ্ঞাসা করলে দর্শন পাও।

আর আমি সবসময় সন্দেহ করি যেখানে পদার্থবিজ্ঞান থাকা উচিত সেখানে দর্শন।

তাই বাস্তবতা চেক: আলো ভ্রমণ করে, হ্যাঁ। ৩০০,০০০ কিমি/সেকেন্ড। ঢেউ? হ্যাঁ। কণা? হ্যাঁ। কোনো বস্তু চলছে? ক্ষেত্রের মান কাঁপছে, কিন্তু কোনো পদার্থ বহন হচ্ছে না। যাত্রায় সময় পার হচ্ছে? ফোটনের ফ্রেমে না। সোজা লাইনে যায়? কোয়ান্টামে যোগফলের কারণে হ্যাঁ।

আলো কী? তড়িৎ-চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের কোয়ান্টাম—ফোটন। ঢেউ-সদৃশ আর কণা-সদৃশ আর কোনোটাই নয়। মাধ্যম ছাড়া ভ্রমণ করে, শুধু অনুমোদিত গতিতে চলে, সব পথ একসাথে নেয় আর বেশিরভাগ বাতিল করে, ক্লিক হয়ে পৌঁছায়।

এটাই প্রকৃতির ভ্রমণ।