রহস্যময় ও অধরা এক মেরু চুম্বক

কলেজ বা বিশ্ববিদ্যালয় পর্যায়ে বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্ব সম্পর্কে পড়তে গিয়ে আমরা জানতে পারি, বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্ব এই বল দুটি একে অপরের সঙ্গে সম্পর্কিত। সহজভাবে বলা যায়, একটার পরিবর্তনে অন্যটার উৎপত্তি হয়। যাঁরা ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণগুলো জানেন, এই ব্যাপার দুটি যে মোটামুটি সমার্থক, তাঁরা খুব দ্রুত তা সহজেই বুঝতে পারেন। আমরা ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণের নান্দনিক সৌন্দর্যে মুগ্ধ হই। কিন্তু এখানে একটা সমস্যা আছে, সেটা নিয়ে আমরা খুব বেশি মাথা ঘামাইনি বা ঠিক জানতেও পারিনি। কারণ, বিষয়টা সেভাবে প্রচার করা হয় না। সমস্যাটা হলো ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণগুলোতে বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্ব পুরোপুরি প্রতিসম (সিমেট্রিক) নয়। আরও পরিষ্কার করে বলা যায়, সমীকরণগুলোতে বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্বের উৎস পুরোপুরি একধরনের নয়। এই পার্থক্যের কারণ, প্রকৃতিতে আমরা আলাদা বৈদ্যুতিক চার্জ (ধনাত্মক ও ঋণাত্মক) পাই, কিন্তু একটা আলাদা চৌম্বকীয় মেরু বা ম্যাগনেটিক মনোপোল পাই না। চুম্বক সব সময় দুই মেরু (উত্তর ও দক্ষিণ) নিয়ে হাজির হয়। একটা চুম্বক দণ্ডকে ভাঙতে থাকলে আমরা ক্ষুদ্রাকৃতির চুম্বক পাই। সেগুলোতেও উত্তর ও দক্ষিণ—দুটি মেরুই থাকে। ইলেকট্রিক চার্জের ক্ষেত্রে কিন্তু এমনটা হয় না। পদার্থবিজ্ঞান গবেষণার একটা মূল চালিকাশক্তি হচ্ছে আমাদের প্রকৃতি এবং তত্ত্বে প্রতিসাম্য বা সিমেট্রির উপস্থিতি। কাজেই বিদ্যুৎ এবং চৌম্বকত্বের ক্ষেত্রে পুরোপুরি প্রতিসাম্যতা না পাওয়াটা পদার্থবিদদের জন্য মেনে নেওয়াটা একটু কঠিন।

এখন প্রশ্ন হলো, বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্বের উৎসের ভেতর এই ভিন্নতা কেন? বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্ব যদি একই ধরনের হবে, তবে এই পার্থক্য কেন? তর্কের খাতিরে এই প্রশ্নের উত্তর হতে পারে যে এভাবেই আমাদের মহাবিশ্ব তৈরি। কিন্তু এই উত্তরে তো আর পদার্থবিদদের মন ভরে না। মোদ্দাকথা হলো, এর তাৎপর্য আরও গভীর। এ সমস্যার পূর্ণাঙ্গ সমাধান আমাদের অজানা। কেউ এ প্রশ্নের একটা পূর্ণাঙ্গ উত্তর বা ব্যাখ্যা দিতে পারলে হয়তো নোবেল পুরস্কার পেয়ে যাবে।

চৌম্বকীয় এক মেরুর ধারণা প্রথম সামনে আনেন পিয়েরে কুরি ১৮৯৪ সালে। তিনি মূলত একটা কণার অস্তিত্বের সম্ভাবনার কথা বলেন, যার বৈদ্যুতিক চার্জ নয় বরং চৌম্বকীয় চার্জ আছে, অর্থাৎ চৌম্বকীয় মনোপোল।

এরপর এই বিষয় নিয়ে অনেক দিন উল্লেখযোগ্য কিছু হয়নি। এর অনেক বছর পরে বিষয়টি নিয়ে কাজ শুরু করেন গত শতাব্দীর অন্যতম সেরা পদার্থবিজ্ঞানী পল ডিরাক। ১৯৩১ সালে ডিরাক এই বিষয়ে একটা প্রবন্ধ লেখেন। সেই প্রবন্ধে তিনি দেখান, এই মহাবিশ্বে যদি একটিও চৌম্বকীয় এক মেরুর অস্তিত্ব থাকে, তবে সব বৈদ্যুতিক চার্জ কোয়ান্টাইজড হতে হবে। কোয়ান্টাইজড হওয়ার অর্থ হচ্ছে বৈদ্যুতিক চার্জ কেবলই বিচ্ছিন্ন মানের হতে পারবে। আবার ইলেকট্রিক চার্জ কোয়ান্টাইজড হওয়া কোয়ান্টাম বলবিদ্যার একটা শর্ত। কাজেই এটা ডিরাকের চৌম্বকীয় এক মেরুর অস্তিত্বের ধারণার সঙ্গে মিলে যায়। কিন্তু এটা সন্দেহাতীতভাবে এক মেরুর অস্তিত্বকে প্রমাণ করে না। সত্তর আর আশির দশকে ডিরাকের এই চৌম্বকীয় এক মেরু বা ম্যাগনেটিক মনোপোল নিয়ে বেশ কিছু পরীক্ষা-নিরীক্ষা করা হয়েছে, তবে তা থেকে সন্দেহাতীত কোনো উপসংহার টানা যায়নি। এখানে উল্লেখ্য যে পদার্থবিদ্যার একটা শাখা কনডেনসড ম্যাটার সিস্টেমে একধরনের এক মেরুর ধারণা আছে। তবে আমরা যে মনোপোল নিয়ে কথা বলছি, এটা তা থেকে ভিন্ন। আমরা মনোপোল বলতে প্রকৃতির একধরনের মৌলিক কণা বোঝাতে চাচ্ছি, যেমন ইলেকট্রন।

পল ডিরাক নিঃসন্দেহে গত শতাব্দীর শ্রেষ্ঠতম বিজ্ঞানীদের অন্যতম এবং একজন নোবেল বিজয়ী। ডিরাক খুব শান্ত স্বভাবের মানুষ ছিলেন। চুপচাপ থাকতেন, খুব কম কথা বলতেন। তাঁর এই স্বভাবের জন্য তাঁর কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের বন্ধুরা ‘ডিরাক ইউনিট’ বলে একটা একক চালু করেছিলেন। যার মানে হচ্ছে, প্রতি ঘণ্টায় একটা শব্দ। অর্থাৎ কেউ যদি এক ঘণ্টায় দশ শব্দের একটা বাক্য বলে, তাহলে সে ১০ ডিরাক শব্দ বলল।

ডিরাকের দেওয়া এক মেরুর ধারণাটা খুবই কৌতূহলোদ্দীপক হলেও বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্বের তত্ত্বের জন্য ঠিক আবশ্যকীয় নয়। মনোপোল ছাড়া বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্বের তত্ত্ব একদম সংগতিপূর্ণ। কোয়ান্টাম পদার্থবিদ্যায় বিভিন্ন তত্ত্বকে ব্যাখ্যা করার জন্য একধরনের বিশেষ গাণিতিক কাঠামো ব্যবহার করা হয়, যাকে আমরা কোয়ান্টাম বলবিদ্যা বলি। বিদ্যুৎ ও চৌম্বকত্বের জন্য যে বিশেষ ধরনের কোয়ান্টাম বলবিদ্যা ব্যবহার করা হয়, তাকে বলে কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডাইনামিকস। এই তত্ত্বে অনেক ধরনের প্রতিসাম্যতা থাকে।

এখানে বলে রাখি, প্রতিসাম্যতা হলো একধরনের অপারেশন, যা সম্পাদন করার পরে বস্তু, পরিমাপকের বা তত্ত্বের কোনো পরিবর্তন হয় না। যেমন মানুষ বা প্রাণীদেহের ভেতর ডান-বাম প্রতিসাম্যতা লক্ষণীয়। আমাদের শরীরের ডান পাশ আর বাঁ পাশ একই রকম। আবার উদ্ভিদজগতে যে প্রতিসাম্যতা সবচেয়ে বেশি দেখা যায়, সেটা হলো ঘূর্ণন প্রতিসাম্যতা। ধরা যাক, চার পাপড়ির একটা ফুলকে আপনি তার ডাল ধরে ৯০ ডিগ্রি ঘোরালেন। সেটা দেখতে ঠিক একই রকম লাগবে। যদি কোনো কারণে একটা পাপড়ি পড়ে যায়, তবে আমরা বলতে পারি এই ঘূর্ণন প্রতিসাম্যতা ভেঙে গেছে। আমাদের প্রকৃতিতে এমন অনেক ধরনের প্রতিসাম্যতা আছে, সেগুলো একটু খেয়াল করে দেখলেই বোঝা যায়। আবার কিছু সিমেট্রির ধারণা কেবলই গাণিতিক। এ ধরনের একটা সিমেট্রিকে ‘গেজ সিমেট্রি’ বলে। এই প্রতিসাম্যতা আছে বলেই কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডাইনামিকসকে গেজতত্ত্বও বলা হয়। অর্থাৎ এটা একধরনের গেজতত্ত্ব। এ ছাড়া আরও কিছু গেজতত্ত্ব আছে, যেখানে মনোপোলের অস্তিত্ব আছে এবং তা তত্ত্ব–সংশ্লিষ্ট প্রতিসাম্যতার সঙ্গে সম্পর্কিত এবং আবশ্যকীয় একটা বিষয়। এ ধরনের এক মেরুকে তুফত-পোলিয়াকভ মনোপোল বলা হয়। এরা ডিরাক মনোপোলের থেকে গাণিতিকভাবে আলাদা।

এখানে আরেকটু বলে রাখি, পদার্থবিদ্যার ভাষায় একটা আলাদা চৌম্বকীয় এক মেরুকে বলা হয় একধরনের টপোলজিক্যাল ত্রুটি। টপোলজি হলো গণিতের একটি তুলনামূলক নতুন শাখা, যা স্থান এবং তার আকৃতি নিয়ে কাজ করে। আরেকটু পরিষ্কার করে বললে, টপোলজি কীভাবে একটা আকৃতিকে অল্প অল্প পরিবর্তন করে অন্য আকৃতিতে রূপান্তর করা যেতে পারে সেসব বিষয় নিয়ে কথা বলে। গাণিতিকভাবে এ ধরনের রূপান্তর অনেক রকমের হতে পারে। টপোলজিক্যাল ত্রুটি হচ্ছে এ ধরনের রূপান্তরের একটা উদাহরণ। আজকাল পদার্থবিদ্যায় টপোলজির ব্যবহার অনেক বিস্তৃত। এখন এক মেরুর ক্ষেত্রে টপোলজিক্যাল ত্রুটি মূলত কোয়ান্টাম তত্ত্বের এক বিশেষ ধরনের সমাধান। একটু আগেই বলেছি, এ ক্ষেত্রে প্রতিসাম্যতার একটা ভূমিকা আছে। আসলে কিবেল-জুরেক মেকানিজম বলে একটা ব্যাপার আছে। এই মেকানিজম অনুযায়ী, যখন তত্ত্বের কোনো প্রতিসাম্যতা ভেঙে যায়, তখন নানা ধরনের টপোলজিক্যাল ত্রুটি তৈরি হয়। ভেঙে যাওয়া প্রতিসাম্যতা যদি বৃত্তাকার হয়, তবে যে টপোলজিক্যাল ত্রুটি দেখা দেয়, সেটাই মনোপোল বা এক মেরু। এ বিষয়টি অন্য কোনো সময় বিস্তারিত আলোচনা করা যাবে।

এখনকার পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ তত্ত্ব স্ট্রিং থিওরিও গাণিতিকভাবে এক মেরুর অস্তিত্বের কথা বলে। একইভাবে কসমোলজি, যা আমাদের এই মহাবিশ্ব সৃষ্টি এবং তার ভবিষ্যৎ নিয়ে কথা বলে, সেখানেও এক মেরুর ধারণা আছে, যদিও আমাদের এই মহাবিশ্বে আমরা এদের অস্তিত্ব এখনো পাইনি। মজার ব্যাপার হচ্ছে, আমাদের এই মহাবিশ্বের বয়স যখন খুব কম ছিল, তখন হয়তো এমনটা ছিল না। সেই শিশু মহাবিশ্বে সম্ভবত চৌম্বকীয় এক মেরু ছিল। চৌম্বকীয় এক মেরু বা টপোলজিক্যাল ত্রুটি যেহেতু এই মহাবিশ্ব সৃষ্টির শুরুর সঙ্গে সম্পর্কিত, সেই জন্য স্বাভাবিকভাবেই মহাবিশ্ব সম্পর্কে পরিষ্কার ধারণা পেতে হলে এদের বোঝা আমাদের জন্য জরুরি। কিন্তু মজার ব্যাপার হলো, আমরা সবচেয়ে ভালোভাবে পদার্থবিদ্যার যে তত্ত্বগুলো বুঝি, তাদের ক্ষেত্রেও এই টপোলজিক্যাল ত্রুটির অংশটুকু এখনো পরিষ্কার বুঝি না।

তুফত এবং পোলিয়াকভ তাত্ত্বিকভাবে মনোপোলের অস্তিত্ব ভবিষ্যদ্বাণী করার পর থেকে পরীক্ষাগারে মনোপোল দেখার অনেক চেষ্টা করা হয়েছে এবং হচ্ছে। এ ব্যাপারে অগ্রণী ভূমিকা পালন করছে সার্ন। মাত্র কয়েক বছর আগে সার্নে এই বিষয়ে একটা রিসার্চ প্রোগ্রাম শুরু করা হয়েছে। সেটার নাম মনোপোল এক্সোটিকস ডিটেকটর অ্যাট দ্য লার্জ হ্যাড্রন (Monopole and Exotics Detector at the Large Hadron Collider) বা সংক্ষেপে MoEDAL। কিন্তু এখনো এই প্রচেষ্টা সাফল্যের মুখ দেখেনি। এর একটা সম্ভাব্য কারণ হচ্ছে, এটি দেখতে হলে যে শক্তিতে পরীক্ষাটাকে সাজাতে হবে, তা সার্নের বর্তমান শক্তি সক্ষমতার বাইরে। সংখ্যা দিয়ে ব্যাপারটা আরেকটু পরিষ্কার করা যাক। সার্নের পার্টিকেল অ্যাকসিলারেটর বর্তমানে ১০ টেরা ইলেকট্রন ভোল্টের মতো শক্তিতে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করতে পারে। বিভিন্ন তত্ত্ব থেকে গাণিতিকভাবে অনুমান করা হয়, মনোপোল দেখতে হলে যে শক্তিতে পরীক্ষা সাজাতে হবে, তা সর্বোচ্চ ১০১৪ টেরা ইলেকট্রন ভোল্ট পর্যন্ত হতে পারে। ১০১৪ মানে হচ্ছে একের পরে ১৪টি শূন্য দিলে যে সংখ্যা পাওয়া যায়, সেটা। লক্ষণীয়, এটা মনোপোলের শক্তির হিসাবের ঊর্ধ্বসীমা, কাজেই শক্তির হিসাব এর থেকে কম বা এর সমানও হতে পারে। তবে বর্তমান পরীক্ষা-নিরীক্ষা আমাদের বলছে যে এই সংখ্যা ১০ টেরা ইলেকট্রন ভোল্টের থেকে ওপরে। খুব সম্ভবত অনেক অনেক ওপরে, ঊর্ধ্বসীমা থেকে সেটাই মনে হয়। তত্ত্বগুলো থেকে পাওয়া এই ঊর্ধ্বসীমাই যদি মনোপোলের শক্তির সঠিক হিসাব হয় বা এর থেকে অনেক কমও যদি হয়, তবু নিকট ভবিষ্যতে পরীক্ষাগারে এটাকে দেখতে পাওয়ার কোনো সম্ভাবনা নেই। সে ক্ষেত্রে বলা যায়, শক্তির এই পার্থক্য এতই বেশি যে মনোপোলের দেখা পাওয়া আমাদের কল্পনারও বাইরে হবে।

আমরা প্রকৃতিকে জানার চেষ্টা করছি। পর্যবেক্ষণ থেকে আমরা সহজেই বুঝতে পারি, প্রকৃতির গতিবিধি মোটেই এলোমেলো নয়, অত্যন্ত সুশৃঙ্খল। খুব সম্ভবত আমাদের প্রকৃতির ভাষা গণিত। গণিত ভাষা হিসেবে স্বাধীন এবং এর সম্ভাবনা সীমাহীন। যখন এই গণিতের অমিত সম্ভাবনাকে প্রকৃতির নিয়ম দিয়ে সীমাবদ্ধ করা হয়, তখন আমরা যা পাই, সেটাই পদার্থবিজ্ঞান। আর এই নিয়ন্ত্রিত গণিতকে আবিষ্কার করাই হলো পদার্থবিদদের কাজ। ব্যাপারটা অনেকটা একজন কবির কোনো ভাষাতে সনেট লেখার মতো। প্রথমে ভাষাটা ঠিক করতে হবে, তারপর কিছু নির্দিষ্ট নিয়ম মানতে হবে, যেমন চৌদ্দটা লাইন থাকতে হবে এবং প্রতিটি লাইনে চৌদ্দটা শব্দ থাকতে হবে ইত্যাদি। কোথায় যেন (সম্ভবত পদার্থবিদ রিচার্ড ফাইনম্যানের বইতে) একটা উপমা পড়েছিলাম, সেটা খুব ভালো লেগেছিল। উপমাটা অনেকটা এমন—ধরা যাক, দুজন গ্র্যান্ডমাস্টার দাবা খেলছেন এবং তাঁরা কোনো একটা গেমের মাঝপর্যায়ে আছেন। এমন সময় তৃতীয় একজন ব্যক্তিকে ওখানে নিয়ে আসা হলো, যার দাবা খেলা সম্পর্কে কোনো ধারণাই নেই। তাঁকে বলা হলো খেলাটা দেখতে এবং খেলাটার নিয়মগুলো বের করতে। পদার্থবিদদের অবস্থা অনেকটা একই রকম। তবে এটা কিন্তু কোনোভাবেই হতাশার নয়, বরং অসম্ভব চ্যালেঞ্জিং, যার প্রতিটি পরতে আছে সৃষ্টিকে জানার রোমাঞ্চ।

লেখক: শিক্ষক ও গবেষক, স্ট্রিং থিওরি অ্যান্ড কসমোলজি, ইউনিভার্সিটি অব উইন্ডসর, কানাডা

*লেখাটি বিজ্ঞানচিন্তার জানুয়ারি ২০১৯ সংখ্যায় প্রথম প্রকাশিত হয়