मिथ्या निर्वात का क्षय

अगर खाली अंतरिक्ष अपनी न्यूनतम ऊर्जा पर नहीं है, तो सच्चे निर्वात का एक बुलबुला प्रकाश की गति से फैल सकता है: इसका क्या अर्थ है, यह कैसे शुरू हो सकता है, और इससे कोई खतरा क्यों नहीं है

एक परिकल्पना: भौतिकी काग़ज़ पर इसकी अनुमति देती है, पर किसी ने इसे कभी नहीं देखा। सब कुछ आज के सिद्धांत के अनुसार है।

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कदम-दर-कदम

खाली अंतरिक्ष खाली नहीं है

कणों को द्रव्यमान इस बात से मिलता है कि वे इस मान को कितनी ज़ोर से महसूस करते हैं। इलेक्ट्रॉन इसे कमज़ोर महसूस करता है और हल्का है; टॉप क्वार्क इसे सबसे ज़्यादा महसूस करता है और लगभग एक सोने के परमाणु जितना भारी है। मान बदलिए तो हर द्रव्यमान उसके साथ बदल जाएगा, और द्रव्यमानों के साथ परमाणुओं के आकार और पूरा रसायन भी।

हिग्स बोसॉन, जो 2012 में CERN में मिला, इस क्षेत्र में एक लहर है। बैंगनी झिलमिलाहट बनाई गई है: क्षेत्र खुद दिखाई नहीं देता और हर जगह एक जैसा दिखता।

गड्ढे में एक गेंद

क्षेत्र की ऊर्जा को एक भूदृश्य समझिए और हमारे निर्वात को एक गड्ढे में टिकी गेंद। अगर पहाड़ी के पार कोई गहरी घाटी है, तो हमारा निर्वात मिथ्या है: स्थिर, पर सबसे नीचा नहीं।

गड्ढे में रखी गेंद छोटे धक्कों से स्थिर रहती है: थोड़ा धकेलिए तो वह वापस लुढ़क आती है। पर अगर पहाड़ी के पार ज़मीन और नीचे जाती है, तो गड्ढा सिर्फ़ मितस्थायी है, अतिशीतित पानी की तरह, जो जमाव-बिंदु से नीचे भी तब तक तरल रहता है जब तक कुछ बर्फ़ बनना शुरू न करे। भौतिकविद ऐसी अवस्था को मिथ्या निर्वात कहते हैं, और सबसे निचली घाटी को सच्चा निर्वात।

दो मापे गए द्रव्यमान

देग्रास्सी और साथियों ने यह 2012 में दिखाया, उसी वर्ष जब हिग्स बोसॉन मिला, और बाद का काम भी इससे सहमत है। द्रव्यमान ATLAS, CMS और टेवाट्रॉन मापों के पार्टिकल डेटा ग्रुप वाले औसत हैं। वे रेखा के करीब हैं, जिसे कुछ भौतिकविद अपने आप में एक संकेत मानते हैं; कहीं भारी टॉप क्वार्क होता तो निर्वात बहुत पहले ही क्षय हो चुका होता।

यह निश्चित नहीं है। टॉप क्वार्क के द्रव्यमान को सिद्धांत के लिए ज़रूरी संख्या से जोड़ना कठिन है, और प्रबल बल की तीव्रता भी संदेह बढ़ाती है। एंड्रियासेन, फ़्रॉस्ट और श्वार्ट्ज़ ने 2018 में निकाला कि स्थिर निर्वात को पक्के तौर पर खारिज करने के लिए टॉप क्वार्क का द्रव्यमान 250 MeV के भीतर तक ज्ञात होना चाहिए।

यह कैसे शुरू हो सकता है

क्वांटम भौतिकी चीज़ों को ऐसी बाधाएँ पार करने देती है जिन पर वे चढ़ नहीं सकतीं, जैसे अल्फ़ा कण नाभिक से निकल भागता है। निर्वात के लिए इसका अर्थ है कि एक छोटा क्षेत्र बिना किसी कारण निचली घाटी में कूद सकता है। बहुत छोटा बुलबुला फिर सिकुड़ जाता है; एक क्रांतिक आकार से ज़रा बड़ा बुलबुला अपने भीतर से जितनी ऊर्जा पाता है वह उसकी दीवार की लागत से ज़्यादा होती है, और वह बढ़ता है।

यह आँकड़ा तभी सही है जब मानक मॉडल विशाल ऊर्जाओं तक पूरी कहानी हो। अज्ञात कण निर्वात को स्थिर बना सकते हैं, या उसका जीवन घटा सकते हैं। कुछ सिद्धांतकारों ने पूछा है कि क्या नन्हे ब्लैक होल बुलबुलों के बीज बन सकते हैं (बुर्दा, ग्रेगरी और मॉस, 2015), एक ऐसा विचार जिसके पक्ष या विपक्ष में कोई प्रमाण नहीं है।

कोई चेतावनी नहीं

जब बुलबुला बढ़ने लायक बड़ा हो जाता है, तो निर्वात के नीचे गिरने से मुक्त हुई ऊर्जा उसकी दीवार को और तेज़ धकेलती है, और बहुत कम समय में वह व्यावहारिक रूप से प्रकाश की गति से चलने लगती है। बाहर से देखने पर बुलबुला हर वर्ष एक प्रकाश-वर्ष बढ़ता है: आकाशगंगा के 1,00,000 प्रकाश-वर्ष लगभग 1,00,000 वर्षों में।

बुलबुले के जन्म का प्रकाश उसकी दीवार से बस ज़रा ही आगे चलता है, इसलिए उसके यहाँ पहुँचने तक देखने को कुछ नहीं होता। चित्र बुलबुले को बाहर से वैसे दिखाता है जैसे कोई आँख नहीं देख सकती: असल में उसके आगे के तारे दीवार आने के पल तक बेरोक चमकते रहते। यह एक इंसान को सेकंड के कुछ अरबवें हिस्सों में पार कर जाएगी, किसी भी तंत्रिका संकेत से कहीं तेज़, इसलिए कोई इसे महसूस नहीं करेगा।

बुलबुले के भीतर

भीतर हिग्स क्षेत्र का मान कहीं बड़ा होगा, और कणों के द्रव्यमान और उनके बीच के बल उसके साथ बदल जाएँगे। परमाणु, और इसलिए रसायन और जीवन, वहाँ नहीं रह सकते।

हिग्स क्षेत्र से द्रव्यमान पाने वाला हर कण बुलबुले के भीतर बहुत ज़्यादा भारी होगा, और परमाणुओं को जोड़े रखने वाले बलों का संतुलन खो जाएगा। वहाँ के नियम विस्तार में कैसे होंगे, यह ज्ञात नहीं: ऐसे क्षेत्र-मानों पर मानक मॉडल पर भरोसा नहीं किया जा सकता। इतना साफ़ है कि जिस पदार्थ से हम बने हैं वह दीवार से नहीं बचेगा।

गुरुत्व इसे और बुरा बनाता है। सच्चा निर्वात हमारे निर्वात से नीचे है, जिसकी ऊर्जा लगभग ठीक शून्य है, इसलिए उसकी ऊर्जा शून्य से कम होगी, और कोलमैन व डी लुचिया ने 1980 में दिखाया कि तब ऐसे बुलबुले के भीतर का अंतरिक्ष अपने ही ऊपर ढह जाएगा। भीतर का गहरा बैंगनी बनाया गया है: कोई नहीं जानता कि वह कैसा दिखेगा, अगर दिखेगा भी।

क्या कोई कोलाइडर इसे शुरू कर सकता है?

नहीं। कॉस्मिक किरणें चंद्रमा, ग्रहों और तारों से किसी भी कोलाइडर से कहीं ज़्यादा ऊर्जा के साथ टकराती हैं, और अरबों वर्षों से ऐसा करती आई हैं। निर्वात अब भी यहीं है।

पीट हट और मार्टिन रीस ने 1983 में यह तर्क दिया: अगर ऐसी ऊर्जाओं की टक्करें बुलबुला शुरू कर सकतीं, तो हमारे अतीत में कहीं बहुत पहले एक बन चुका होता, और हम यहाँ न होते। 2008 की LHC सुरक्षा समीक्षा भी इसी उत्तर पर पहुँची। कोलाइडर प्रयोगशाला में वही दोहराते हैं जो प्रकृति हर दिन कहीं ज़्यादा प्रचंड रूप से करती है।

क्या यह वास्तविक है?

कोई नहीं जानता। हो सकता है हमारा निर्वात आख़िरकार सबसे नीचा ही हो: उत्तर टॉप क्वार्क के सटीक द्रव्यमान पर और मानक मॉडल से परे की भौतिकी पर निर्भर है, जिसका होना हम जानते हैं।

मानक मॉडल डार्क मैटर, सबसे ऊँची ऊर्जाओं पर गुरुत्व और बहुत कुछ छोड़ देता है। ऊँची ऊर्जाओं पर नए कण हिग्स क्षेत्र की ऊर्जा का आकार बदल सकते हैं, जिससे हमारा निर्वात स्थिर बने, या कम स्थिर। LHC और भविष्य के कोलाइडरों पर टॉप क्वार्क के अधिक सटीक माप उत्तर को सीमित करेंगे।