प्रकाश और पदार्थ की द्वैत प्रकृति - तरंग और कण

वैज्ञानिक युगों से प्रकाश की वास्तविक प्रकृति से हैरान रहे हैं। वे अभी भी हैं!

हालाँकि, इसके बारे में कई सिद्धांत प्रस्तावित किए गए हैं, और उनमें से कुछ को प्रयोगों द्वारा समर्थन भी दिया गया है। इस लेख में, हम इनके बारे में चर्चा करेंगे ताकि यह पता लगाया जा सके कि प्रकाश वास्तव में क्या है। यह सब क्वांटम-साइज़ मैटर पार्टिकल्स (quantum-sized matter particles) पर भी लागू होगा।

लेकिन ऐसा करने से पहले, आइए कुछ ऐतिहासिक संदर्भ देखें।

Table of Contents

• प्रकाश की द्वैत प्रकृति (Dual nature of Light)
• पदार्थ की द्वैत प्रकृति (Dual nature of Matter)

प्रकाश की द्वैत प्रकृति (Dual nature of Light)

प्रकाश की प्रकृति का ऐतिहासिक संदर्भ

• न्यूटन के कणिका सिद्धांत के अनुसार, प्रकाश को कणिकाओं की एक धारा माना जाता था।
• फिर 17वीं शताब्दी के मध्य में प्रकाश के तरंग होने का विचार प्रतिपादित किया गया।
• 20वीं शताब्दी की शुरुआत में, अल्बर्ट आइंस्टीन (Albert Einstein) और कुछ अन्य वैज्ञानिकों के काम ने साबित कर दिया कि प्रकाश ऐसा कार्य करता है जैसे कि यह अलग-अलग कणों से बना हो।

अब, वैज्ञानिकों के बीच एक आम सहमति है कि प्रकाश की दोहरी/ द्वैत प्रकृति होती है - कभी-कभी यह तरंग के रूप में व्यवहार करता है, और कभी-कभी कणों की धारा के रूप में। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रकाश की कुछ विशेषताएं प्रकाश की तरंग प्रकृति के साथ अच्छी तरह फिट बैठती हैं, जबकि अन्य को बेहतर तरीके से समझाया जा सकता है यदि हम प्रकाश को कणों (जिन्हें फोटॉन/photons कहा जाता है) के रूप में देखते हैं।

तो, आइए अब इसका अधिक विस्तार से अध्ययन करें। लेकिन ध्यान रखें कि अभी भी यह कार्य प्रगति पर है। वैज्ञानिक अभी भी प्रकाश की प्रकृति को पूरी तरह से समझ नहीं पाए हैं।

प्रकाश की तरंग प्रकृति

• ग्रिमाल्डी/Grimaldi (लगभग 1663 में) ने प्रकाश तरंगों के किसी वस्तु के किनारों के चारों ओर झुकने की घटना को देखा, जिसे विवर्तन (diffraction) कहा जाता है। 1665 में, हुक (Hooke) ने दिखाया कि प्रकाश के तरंग सिद्धांत द्वारा विवर्तन को समझाया जा सकता है।
• 1670 में, हाइजेंस (Huygens) ने भी यह विचार प्रस्तावित किया कि प्रकाश एक तरंग हो सकता है। उन्होंने दिखाया कि प्रकाश का तरंग सिद्धांत परावर्तन और अपवर्तन (reflection and refraction) के नियमों की व्याख्या कर सकता है।
• 1827 के आसपास, यंग और फ्रेस्नेल (Young and Fresnel) द्वारा प्रकाश के व्यतिकरण (interference) की परिघटना का अध्ययन करने के लिए कई प्रयोग किए गए (जैसे डबल-स्लिट प्रयोग)। उन्होंने प्रकाश की तरंग प्रकृति को निर्णायक रूप से सिद्ध किया।
• प्रकाश के तरंग सिद्धांत में अगली विशाल छलांग मैक्सवेल (Maxwell) से आई, जिन्होंने सैद्धांतिक रूप से दिखाया कि विद्युत परिपथ का दोलन करने पर विद्युत चुम्बकीय तरंगें विकीर्ण होती हैं। और यह कि इन विद्युतचुंबकीय तरंगों की गति प्रकाश की गति के बराबर होती है। शायद प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है। इसे मैक्सवेल का प्रकाश का विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत (Maxwell’s electromagnetic theory of light) कहा जाता है। लेकिन यह अगले पंद्रह वर्षों तक केवल एक सिद्धांत बनकर रह गया।
• अपने प्रयोगों में, हर्ट्ज़ (Hertz) ने सफलतापूर्वक लघु-तरंग दैर्ध्य विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्पादन किया। उन्होंने यह भी साबित किया कि इन तरंगों में प्रकाश तरंगों के सभी गुण होते हैं - परावर्तन, अपवर्तन, ध्रुवण, आदि। इस प्रकार, उन्होंने मैक्सवेल के प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया। यह उस युग की भौतिकी में एक क्रांतिकारी खोज थी।

उन्नीसवीं शताब्दी के अंत तक, इन सभी प्रयोगों ने विज्ञान समुदाय को यह विश्वास दिलाने के लिए प्रेरित किया कि प्रकाश वास्तव में केवल एक (विद्युत चुम्बकीय) तरंग है। लेकिन एक बड़ी समस्या थी। जबकि प्रकाश के तरंग सिद्धांत ने प्रकाश की कुछ परिघटनाओं को काफी स्पष्ट रूप से समझाया, यह कई अन्य घटनाओं की व्याख्या करने में विफल रहा। आइए इन दोनों घटनाओं के सेट पर एक नजर डालते हैं।

यदि हम प्रकाश को एक तरंग के रूप में देखते हैं तो प्रकाश के इन गुणों को बेहतर ढंग से समझाया जा सकता है:

• प्रकाश का प्रसार (Propagation of light)
• परावर्तन (Reflection)
• अपवर्तन (Refraction)
• विवर्तन (Diffraction)
• ध्रुवण (Polarization)
• व्यतिकरण (Interference) - शायद प्रकाश की तरंग प्रकृति का सबसे मजबूत प्रमाण

हालाँकि, प्रकाश का तरंग सिद्धांत प्रकाश के निम्नलिखित गुणों की व्याख्या नहीं कर सकता है:

• फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन (Photoelectric emission) - तरंग सिद्धांत यह स्पष्ट नहीं कर सका कि फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन तात्कालिक क्यों होता है, और दहलीज/देहली आवृत्ति (threshold frequency) की अवधारणा।
• कॉम्पटन का प्रभाव (Compton’s effect)
• रमन प्रभाव (Raman effect)

प्रकाश की कण प्रकृति

• 1900 में मैक्स प्लैंक (Max Planck) ने क्वांटम थ्योरी (Quantum Theory) का प्रस्ताव रखा। इस सिद्धांत के अनुसार, विद्युत चुम्बकीय तरंग अलग-अलग क्वांटम ऊर्जा पैकेट (जिसे बाद में फोटॉन कहा गया) से बनी होती है। यहां उन्होंने फोटॉन की ऊर्जा को मापने के लिए प्रसिद्ध समीकरण दिया, E = hv, जहां h को प्लैंक स्थिरांक कहा जाता है और v उत्सर्जित फोटॉन की आवृत्ति है। इस सिद्धांत ने क्वांटम यांत्रिकी की नींव रखी।
• 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन (Albert Einstein) ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को समझाने के लिए प्लैंक द्वारा प्रस्तावित क्वांटम थ्योरी का इस्तेमाल किया। उनके अनुसार, विकिरण की ऊर्जा के क्वांटा (जिसमें ऊर्जा और संवेग होता है) के कारण फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन होता है (ऊर्जा के निरंतर अवशोषण से नहीं)। चूंकि प्रकाश क्वांटम में ऊर्जा और संवेग का एक निश्चित मूल्य होता है, यह एक मजबूत संकेत है कि यह एक कण हो सकता है (जिसे बाद में फोटॉन नाम दिया गया)। इस प्रकार, उनके द्वारा विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक नई तस्वीर प्रस्तावित की गई, जिसमें प्रकाश कणों से बना था, वह केवल एक तरंग नहीं थी।
• 1924 में, ए.एच. कॉम्पटन (A.H. Compton) ने इलेक्ट्रॉनों से एक्स-रे के प्रकीर्णन (scattering) पर एक प्रयोग किया। इसने प्रकाश की कण प्रकृति की और भी अधिक पुष्टि की।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए नोबल पुरस्कार

सैद्धांतिक भौतिकी और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव में उनके योगदान के लिए आइंस्टीन को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

1923 में मिलिकन (Millikan) को बिजली के मूल आवेश (elementary charge) और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर उनके काम के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

यदि हम प्रकाश को एक कण के रूप में देखते हैं तो प्रकाश के निम्नलिखित गुणों को बेहतर ढंग से समझाया जाता है:

• फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन (संभवतः प्रकाश की कण प्रकृति का सबसे मजबूत सबूत)
• कॉम्पटन का प्रभाव
• रमन प्रभाव

ऐसा इसलिए है क्योंकि इन घटनाओं में ऊर्जा और संवेग हस्तांतरण शामिल है, यानी प्रकाश-पदार्थ की आपसी क्रिया।

फोटोन की विशेषताएं

अब, आइए प्रकाश के कणों की प्रकृति पर एक नजर डालते हैं, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है।

• प्रत्येक फोटॉन में एक विशेष ऊर्जा और संवेग (momentum) होता है, जो विभिन्न फोटॉनों के लिए भिन्न हो सकता है। हालाँकि, सभी फोटॉनों की गति समान मानी जाती है, अर्थात प्रकाश की गति, जिसे c द्वारा निरूपित किया जाता है।
• किसी फोटान की ऊर्जा और संवेग उसकी आवृत्ति और तरंगदैर्घ्य (frequency and wavelength) पर निर्भर करता है। दूसरे शब्दों में, समान आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य वाले फोटोनो में समान ऊर्जा और संवेग होगा।
• फोटॉन की ऊर्जा विकिरण की तीव्रता (intensity) पर निर्भर नहीं करती है। यदि आप प्रकाश की तीव्रता को बढ़ाते हैं, तो केवल किसी दिए गए क्षेत्र को प्रति सेकंड पार करने वाले फोटोनो की संख्या में वृद्धि होगी। इन सभी फोटॉनों में समान ऊर्जा होगी यदि उनकी आवृत्ति/तरंग दैर्ध्य समान है।
• फोटॉन और कणों की एक प्रणाली की कुल ऊर्जा और कुल संवेग संरक्षित होता है। उदाहरण के लिए, यदि हम एक फोटॉन को एक कण से टकराते हैं (जैसे फोटॉन-इलेक्ट्रॉन टकराव), तो टक्कर के बाद भी कुल ऊर्जा और कुल संवेग समान रहेगा। लेकिन ध्यान रखें कि हो सकता है कि फोटॉन की संख्या समान नहीं रहे - टकराव से मौजूदा फोटॉन का अवशोषण हो सकता है या नए फोटॉन का निर्माण हो सकता है।
• फोटोन विद्युत आवेशित नहीं होते हैं, अर्थात वे विद्युत रूप से उदासीन होते हैं। हम यह जानते हैं क्योंकि वे विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित नहीं होते हैं।

आजकल, हम प्रकाश को तरंग और कण दोनों मानते हैं। यानी हम प्रकाश की द्वैत (तरंग-कण) प्रकृति को स्वीकार करते हैं।

यह सामान्य रूप से सभी विद्युत चुम्बकीय विकिरणों के लिए सच है; हम यह जल्द ही पदार्थ कणों के लिए भी देखेंगे।

पदार्थ की द्वैत प्रकृति (Dual nature of Matter)

1924 में, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी लुई विक्टर डी ब्रोगली (Louis Victor de Broglie) ने एक परिकल्पना पेश की, जिसके अनुसार सभी सूक्ष्म उप-परमाणु पदार्थ कण (जैसे इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, आदि) भी गति में तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं। इन तरंगों को द्रव्य तरंग, पदार्थ तरंग, मैटर वेव्स या डी-ब्रॉग्ली वेव्स (matter waves or de-Broglie waves) के रूप में जाना जाने लगा।

इस परिकल्पना को बाद में डेविसन-जर्मर प्रयोग (Davisson-Germer experiment) द्वारा प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध किया गया था। इसने गतिमान कणों की तरंग प्रकृति को सिद्ध किया।

1989 में, इलेक्ट्रॉनों की बीम (प्रकाश के बजाय) का उपयोग करके डबल-स्लिट प्रयोग किया गया था। इसने प्रयोगात्मक रूप से प्रकाश की तरह ही तरंग प्रकृति का प्रदर्शन किया।

1994 में, वैज्ञानिकों ने आयोडीन अणुओं के बीम द्वारा डबल-स्लिट प्रयोग में व्यतिकरण पैटर्न बनते देखा। आयोडीन के अणु इलेक्ट्रॉनों की तुलना में लगभग दस लाख गुना अधिक भारी होते हैं। यह साबित हुआ कि बहुत बड़े पदार्थ कण भी तरंग प्रकृति प्रदर्शित कर सकते हैं (न केवल पदार्थ के मूलकण)।

डी ब्रोगली परिकल्पना (de Broglie hypothesis) उन सफलताओं में से एक है जिसके कारण आधुनिक क्वांटम यांत्रिकी (modern quantum mechanics) का विकास हुआ।

डी ब्रोगली परिकल्पना ने इलेक्ट्रॉन प्रकाशिकी (electron optics) के क्षेत्र को भी जन्म दिया है। इलेक्ट्रॉनों के तरंग गुणों की समझ ने वैज्ञानिकों को इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप डिजाइन करने में मदद की, जिसमें ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की तुलना में बहुत अधिक विभेदन क्षमता (रिज़ॉल्यूशन/resolution) होती है।

नोट

इलेक्ट्रॉनों की तरंग प्रकृति की खोज के लिए 1929 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार लुइस विक्टर डी ब्रोगली (Louis Victor de Broglie) को प्रदान किया गया था।

जैसा कि प्रकाश/विकिरण के मामले में था, वैज्ञानिक पदार्थ की द्वैत प्रकृति को पूरी तरह से नहीं समझते हैं - कि यह भौतिक रूप से कैसे काम करता है। लेकिन फिर भी, गणितीय रूप से इसे आधुनिक क्वांटम यांत्रिकी में उल्लेखनीय परिणामों के साथ पेश किया गया है।

उदाहरण के लिए, इसने मैक्स बॉर्न (Max Born) को द्रव्य/पदार्थ तरंग आयाम (matter wave amplitude) के लिए एक संभाव्यता (probability) व्याख्या का सुझाव दिया। इसके अनुसार किसी बिंदु पर द्रव्य तरंग की तीव्रता (आयाम का वर्ग) उस बिंदु पर कण का प्रायिकता घनत्व (probability density) निर्धारित करती है (प्रायिकता घनत्व का अर्थ है प्रति इकाई आयतन की प्रायिकता / probability per unit volume). एक निश्चित क्षेत्र में द्रव्य तरंग की तीव्रता जितनी अधिक होगी, हमारे द्वारा वहां कण खोजने की संभावना उतनी ही अधिक होगी, और इसके विपरीत भी सही है।

हाइजेनबर्ग का अनिश्चितता सिद्धांत (Heisenberg’s uncertainty principle)

पदार्थ की द्वैत प्रकृति हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के साथ अच्छी तरह से फिट बैठती है।

हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, हम एक ही समय में किसी क्वांटम-आकार के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) की स्थिति और संवेग दोनों को एकसाथ सटीकता के साथ नहीं माप सकते। कण की स्थिति (Δx), या संवेग (Δp) और आम तौर पर दोनों में ही हमेशा कुछ अनिश्चितता रहेगी। सामान्यतया, Δx और Δp दोनों गैर-शून्य (non-zero) होते हैं।