ইলেকট্রন কি মার্বেলের মতো গোলাকার

কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের মূল ভিত্তি অনিশ্চয়তা তত্ত্ব। তাই একে ঘিরে পদার্থবিজ্ঞানে রয়েছে অদ্ভুত সব নীতি। আর এ নিয়ে মিথেরও কোনো অভাব নেই। কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের এসব মিথ নিয়ে বিজ্ঞানচিন্তায় নিয়মিত আলোচনা করা হচ্ছে। আজ রইল এর পঞ্চম কিস্তি।

আগের পর্ব

ইলেকট্রনের আকার কেমন?

কেমন আবার, মার্বেলের মতো গোল! অর্থাৎ গোলকের মতো।

সেটা দেখল কে? কেউ দেখেনি, কিন্তু অনুমান করতে তো দোষ নেই!

তা নেই, তবু কেন গোলাকার ধারণা করা হলো ইলেকট্রনের?

গোলই সর্বেসর্বা। পৃথিবী গোল, চাঁদ-তারা, সূর্য গোল। প্রকৃতি গোলাকার জিনিস পছন্দ করে। অর্থাৎ খুদে কণারাও গোল। পরমাণুদের আকার গোলকের মতো। কিছু অণুও গোলাকার। কিন্তু সব অণুর আকার গোলাকার নয়। অণুর আকার কেমন হবে, সেটা নির্ভর করে তার রাসায়নিক ধর্মের ওপর। কতগুলো মৌলের পরমাণু কীভাবে সজ্জিত হচ্ছে, তার ওপর নির্ভর করে অণুর আকার কেমন হবে। গোলাকার, পিরামিড আকৃতির, শিকলের মতো কিংবা ষড়ভুজাকৃতির হতে পারে। কিন্তু এসব অণু তরল পদার্থে রূপ নিলে হিসাব যায় বদলে। তখন পৃষ্ঠটানের ব্যাপারটা চলে আসে। পৃষ্ঠটানের কারণে অণুগুলো সর্বনিম্ন দূরত্বে পাশাপাশি থাকতে চায়। এ কারণে পানি বা তরলের ফোঁটাগুলো গোলাকার।

অন্যদিকে পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে নিউক্লিয়াস। নিউক্লিয়াসের ভেতরে থাকে চার্জযুক্ত প্রোটন এবং চার্জ নিরপেক্ষ নিউট্রন কণা। প্রোটন আর নিউট্রনগুলো পরস্পরের সঙ্গে নিউক্লিয়ার বল দ্বারা যুক্ত। এই বল বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের চেয়ে বহুগুণ শক্তিশালী। মহাকর্ষের মতো এরও শুধুই আকর্ষণী চরিত্র আছে। অন্যদিকে বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের আকর্ষণ ও বিকর্ষণ দুধরনের বৈশিষ্ট্য রয়েছে। দুটি ধনাত্মক চার্জযুক্ত কণার মধ্যে এই বল বিকর্ষী বল হিসেবে কাজ করে। দুটি ঋণাত্মক চার্জের কণাও পরস্পরকে বিকর্ষণ করে। তাই নিউক্লিয়াসের ভেতরে থাকা প্রোটনগুলো পরস্পরকে বিকর্ষণ করার কথা। তাহলে নিউক্লিয়াসের ভেতর প্রোটনদের একসঙ্গে থাকাটাও অসম্ভব হওয়ার কথা। কিন্তু বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের বিকর্ষণ ক্ষমতাকে হারিয়ে দেয় সবল নিউক্লীয় বলের অতি শক্তিশালী আকর্ষণ ক্ষমতা। ফলে প্রোটন ও নিউট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের ভেতর একটা গোলাকার পিণ্ডের মতো অবস্থান করে।

পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে নিউক্লিয়াস। নিউক্লিয়াসের ভেতরে থাকে চার্জযুক্ত প্রোটন এবং চার্জ নিরপেক্ষ নিউট্রন কণা। প্রোটন আর নিউট্রনগুলো পরস্পরের সঙ্গে নিউক্লিয়ার বল দ্বারা যুক্ত।

নিউক্লিয়াসের চারপাশে শক্তিস্তরগুলোতে ইলেকট্রন একই সঙ্গে তরঙ্গ ও কণার মতো করে অবস্থান করে। একে বলে সুপারপজিশন। আর সুপারপজিশনে থাকা ইলেকট্রনগুলো পুরো শক্তিস্তর জুড়েই থাকতে পারে। অর্থাৎ পুরো শক্তিস্তরের যেকোনো জায়গায় ওদের পাওয়ার সম্ভাবনা থাকে। কোনো একটা নির্দিষ্ট বিন্দুতে ইলেকট্রন আছে, এ কথা নিশ্চিত করে বলার উপায় নেই। তবুও ইলেকট্রনের ওপর বিদ্যুৎচুম্বকীয় আকর্ষণ বল কাজ করে। নিউক্লিয়াসের ধনাত্মক চার্জযুক্ত প্রোটন ঋণাত্মক চার্জের ইলেকট্রনগুলোকে আকর্ষণ করে নিজেদের দিকে। অর্থাৎ ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের দিক থেকে একটা আকর্ষণ বল অনুভব করে। তাই বলা যায়, ইলেকট্রনের শক্তিস্তরগুলোর আকার উপবৃত্তাকারই হোক আর ডাম্বেলাকৃতিরই হোক, সব মিলিয়ে একটা পরমাণুর আকার গোলাকার। অনেকটা মার্বেলের বলের মতো।

প্রোটন ও নিউট্রনের আকার কেমন? প্রোটন-নিউট্রন মৌলিক কণা নয়। একটা প্রোটন তৈরি হয় দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্ক দিয়ে। আবার একটা নিউট্রন তৈরি হয় দুটি ডাউন কোয়ার্ক ও একটি আপ কোয়ার্ক দিয়ে। সবল নিউক্লীয় বলের সাহায্যে এসব কণাগুলো প্রোটন ও নিউট্রনের মধ্যে আটকে থাকে। কিন্তু তিনটা কণা খুব কাছাকাছি থাকলেও সেগুলো দিয়ে গোলাকার কোনো বস্তু তৈরি সম্ভব? তর্কের খাতিরে ধরে নিলাম কোয়ার্কগুলোর আকার গোলাকার, মার্বেলের মতো। তিনটি মার্বেল রাখুন কাছাকাছি। সেটার আকার কী গোলাকার হচ্ছে? হচ্ছে না। তাই প্রোটন আর নিউট্রনের আকার গোলাকার ধরে নিলে ভুল হবে। ক্ল্যাসিক্যাল জগৎ আর কোয়ান্টাম জগৎ এক নয়। তাই কোয়ান্টাম জগতে কোনোবস্তুর চেহারা ক্ল্যাসিক্যাল জগতের মতো গোলাকার, আয়তকার—এমন ধারণা করতে গেলে নিশ্চিতভাবেই ভুল হবে। তবু আমরা আরেকটু চেষ্টা করব। ইলেকট্রনের আকার কেমন, তা আমরা আমাদের ক্ল্যাসিক্যাল অনুভূতি দিয়েই বোঝার চেষ্টা করব।

প্রোটন-নিউট্রন মৌলিক কণা নয়। একটা প্রোটন তৈরি হয় দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্ক দিয়ে। আবার একটা নিউট্রন তৈরি হয় দুটি ডাউন কোয়ার্ক ও একটি আপ কোয়ার্ক দিয়ে।

ইলেকট্রন আবিষ্কার করেন ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জে জে টমসন, ১৮৯৭ সালে। তখন কোয়ান্টাম তত্ত্বই আবিষ্কৃত হয়নি। এর তিন বছর পর, ১৯০০ সালে জার্মান বিজ্ঞানী ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক তাঁর যুগান্তকারী কোয়ান্টাম তত্ত্ব হাজির করেন।

ইলেকট্রন আবিষ্কারের পর টমসন এ কণা নিয়ে আরও কিছু পর্যবেক্ষণ করেন। তিনি চৌম্বকক্ষেত্রের ভেতর দিয়ে ইলেকট্রন প্রবাহিত করেন। সেখান থেকে এর কিছু বৈশিষ্ট্য জানা যায়। তিনি নিশ্চিত হন যে এই কণা ঋণাত্মক চার্জ বহন করে। শুধু তা-ই নয়, এর ভর আর চার্জের অনুপাত (m/q) বের করতে সক্ষম হন তিনি। সেখান থেকেই বেরিয়ে আসে ইলেকট্রনের ভর ও চার্জের পরিমাণ। টমসন হিসাব করে দেখেন, এই কণার ভর হাইড্রোজেন আয়নের ভরের প্রায় ১ হাজার ৮০০ ভাগের এক ভাগ। অথচ এর চার্জের পরিমাণ হাইড্রোজেন আয়নের চার্জের সমান। চার্জ সমান হলেও চার্জের প্রকৃতি হাইড্রোজেন আয়নের ঠিক উল্টো। হাইড্রোজেন আয়ন ধনাত্মক চার্জের, আর ইলেকট্রনের চার্জের প্রকৃতি ঋণাত্মক।

এখানে একটা কথা বলে রাখা জরুরি। হাইড্রোজেন আয়ন ও হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াসের মধ্যে কোনো পার্থক্য নেই। কারণ, এর নিউক্লিয়াসে একটিমাত্র ধনাত্মক কণা থাকে। সেই কণাটিই যে প্রোটন, এটা বহুদিন পর আবিষ্কার করেন বিজ্ঞানী আর্নেস্ট রাদারফোর্ড। অর্থাৎ হাইড্রোজেন আয়ন আসলে একটি প্রোটন।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যা প্রতিষ্ঠিত হওয়ার পর একে একে আবিষ্কৃত হয় নানা মৌলিক কণা। পরবর্তী পাঁচ-ছয় দশকের মধ্যে পাওয়া যায় কোয়ার্ক, টাউ কণা, নিউট্রিনো ইত্যাদি মৌলিক কণা। এ ছাড়া ভারী কণা হ্যাড্রনের দেখা মেলে কাতারে কাতারে। পাওয়া যায় বলবাহী মৌলিক কণা গ্লুয়ন এবং ডব্লিউ ও জেড বোসন কণা। এর বহু আগেই পাওয়া গিয়েছিল সবচেয়ে পরিচিত বলবাহী কণা—ফোটন।

টমসন হিসাব করে দেখেন, ইলেকট্রন কণার ভর হাইড্রোজেন আয়নের ভরের প্রায় ১ হাজার ৮০০ ভাগের এক ভাগ। অথচ এর চার্জের পরিমাণ হাইড্রোজেন আয়নের চার্জের সমান।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় মূল কণাদের একটি সংজ্ঞা আছে। এদের বলা হয় পয়েন্ট-লাইক কণা বা বিন্দু কণা। বিন্দু কণা মানে এরা বিন্দুর মতো। এদের আয়তন শূন্য। এদের দৈর্ঘ্য, প্রস্থ বা উচ্চতা নেই। ভর আছে, চার্জ আছে, স্পিন আছে। কোনো কোনো কণার ভর ও চার্জও নেই, আছে শুধু স্পিন। যেমন আলোর কণা ফোটন এবং বলবাহী কণা গ্লুয়ন ভরহীন, কিন্তু এদের স্পিন আছে।

মোদ্দাকথা হলো, বিন্দু কণাদের কোনো দৈর্ঘ্য, প্রস্থ বা উচ্চতা নেই; তাই এদের গোলাকার হিসেবে কল্পনা করাটাই ভুল। গোলাকার হতে হলে ব্যাস থাকতে হবে, পরিধি থাকতে হবে, কেন্দ্র থাকতে হবে। সে সবের কিছুই নেই বিন্দু কণাদের। তাই ইলেকট্রনের আকার কল্পনা করতে যাওয়াটাই বোকামি।

ইলেকট্রন একটি কোয়ান্টাম কণা। আর কোয়ান্টাম জগতে আমাদের সাধারণ কাণ্ডজ্ঞান প্রতারিত হয়। তাই সেখানে ঢুঁ মেরে ইলেকট্রন বা কোয়ার্কের আকার গোল না চারকোনা, সেটা দেখতে চাওয়াটাই বোকামি। ইলেকট্রন বিন্দু কণা, তাই আকারহীন; আর এ জন্যই একই বিন্দুতে একাধিক কণা রাখা সম্ভব। তবে সে ক্ষেত্রে পাউলির বর্জন নীতি অনুযায়ী ইলেকট্রনগুলোর স্পিন অবশ্যই আলাদা হতে হবে।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় মূল কণাদের একটি সংজ্ঞা আছে। এদের বলা হয় পয়েন্ট-লাইক কণা বা বিন্দু কণা। বিন্দু কণা মানে এরা বিন্দুর মতো। এদের আয়তন শূন্য। এদের দৈর্ঘ্য, প্রস্থ বা উচ্চতা নেই।

২.

বিন্দুকে আয়তনশূন্য বললেও আমরা সেটার একটি আকার কল্পনা করে নিই—গোলের মতো খুব ছোট্ট এক ফোঁটা। কিন্তু জ্যামিতিক নিয়মে বিন্দু আসলে এমন নয়। ইলেকট্রন বিন্দুর মতো কণা বলে অনেকেই একে গোলাকার মনে করেন। আসলে তা নয়। বিন্দু মানে আকারহীন; আর ইলেকট্রনও আকারহীন। সবচেয়ে বড় কথা হলো, ইলেকট্রন শুধু কণা নয়, তরঙ্গও। তরঙ্গ মানে ঢেউ। ডাবল স্লিট এক্সপেরিমেন্ট বা দ্বিচির পরীক্ষায় এর তরঙ্গ ধর্মের প্রমাণ মেলে। তরঙ্গ ধর্মের কারণেই এর নির্দিষ্ট কোনো আকার থাকা সম্ভব নয়।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যার ভিত্তি হলো হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতি আর শ্রোডিঙ্গারের তরঙ্গ ফাংশন। এই দুই তত্ত্বের মূল সুর এক। ইলেকট্রনের মতো কণাদের নির্দিষ্ট কোনো স্থানে পরীক্ষা করে পাওয়া সম্ভব নয়। এদের নির্দিষ্ট আকার নেই, নির্দিষ্ট ভরবেগ নেই; একটি নিশ্চিত করতে গেলে আরেকটি অনিশ্চিত হয়ে যায়। তাই এর আকার নিয়ে ভাবাটা বোকামি।

শ্রোডিঙ্গারের তরঙ্গ সমীকরণ আসলে একধরনের তরঙ্গ ফাংশন। এটি অনিশ্চয়তা নীতি মেনে চলে। কোনো গবেষক হয়তো ইলেকট্রনকে কণা হিসেবে দেখতে চাইবেন, তখন এর তরঙ্গ ফাংশন ভেঙে পড়বে। ভেঙে পড়বে কণা-তরঙ্গের অনিশ্চয়তাও। তখন ইলেকট্রনের কণারূপ নিশ্চিত হবে। কিন্তু ইলেকট্রনের কণারূপ সরাসরি দেখার কোনো উপায় নেই। এমন কোনো যন্ত্র নেই, যা ইলেকট্রনের ছবি তুলতে পারে। তবে আশার কথা হলো, ইলেকট্রনকে পরোক্ষভাবে শনাক্ত করা যায়। কিন্তু বিন্দুর মতো কণাদের কখনো সরাসরি দেখা যাবে না; ইলেকট্রনকে সরাসরি দেখতে সাহায্য করতে পারে—এমন কোনো যন্ত্র অদূর ভবিষ্যতেও তৈরি করা হয়তো সম্ভব হবে না।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যার ভিত্তি হলো হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতি আর শ্রোডিঙ্গারের তরঙ্গ ফাংশন। এই দুই তত্ত্বের মূল সুর এক। ইলেকট্রনের মতো কণাদের নির্দিষ্ট কোনো স্থানে পরীক্ষা করে পাওয়া সম্ভব নয়।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যা বলে, ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের চারপাশে মেঘের মতো ছড়িয়ে থাকে। এই মেঘ কিন্তু অজস্র ইলেকট্রনের মেঘ নয়। বরং একটি ইলেকট্রন পুরো শক্তিস্তরজুড়ে যেকোনো জায়গায় থাকতে পারে। অর্থাৎ শক্তিস্তরের প্রতিটি বিন্দুতে একে পাওয়ার সম্ভাবনা সমান। এই সম্ভাব্যতাকেই ইলেকট্রন মেঘ বলা হচ্ছে। এটি একটি গাণিতিক সম্ভাবনা, আকাশের দৃশ্যমান কোনো মেঘ নয়।

ব্রিটিশ তাত্ত্বিক পদার্থবিদ ও জনপ্রিয় বিজ্ঞান লেখক জিম আল-খলিলি বলেন, ‘অনেকেই ইলেকট্রনকে ছোট্ট একটা বল হিসেবে কল্পনা করতে ভালোবাসেন। এটি কোয়ান্টাম বলবিদ্যার জগতটাকে অনুভব করতে সাহায্য করে। কিন্তু বাস্তবতা সম্পূর্ণ আলাদা। কোয়ান্টাম তত্ত্ব বলে, ইলেকট্রনের আচরণ বুঝতে হলে সম্ভাব্যতা ও তরঙ্গের ধারণা একসঙ্গে হিসাব করতে হবে।’

খলিলি মনে করেন, মানুষের কল্পনা ক্লাসিক্যাল পদার্থবিজ্ঞানের দৃশ্যমান জগতের মধ্যেই ডুবে থাকে। তাই আমরা যেকোনো কিছুকে আমাদের অভিজ্ঞতার মাপকাঠিতে বিচার করার চেষ্টা করি। কিন্তু কোয়ান্টাম জগৎ কল্পনার সেই সীমা সম্পূর্ণ ভেঙে দিয়েছে। সুতরাং ইলেকট্রনকে কোনো বস্তু বা আকৃতির সঙ্গে তুলনা করা বড্ড ভুল।

খলিলি মনে করেন, মানুষের কল্পনা ক্লাসিক্যাল পদার্থবিজ্ঞানের দৃশ্যমান জগতের মধ্যেই ডুবে থাকে। তাই আমরা যেকোনো কিছুকে আমাদের অভিজ্ঞতার মাপকাঠিতে বিচার করার চেষ্টা করি।

নোবেলজয়ী মার্কিন পদার্থবিদ স্টিভেন ওয়াইনবার্গও মৌলিক কণার বিষয়ে বলেছেন, ‘আমরা যত গভীরে যাচ্ছি, ততই বুঝতে পারছি—প্রকৃতির মৌলিক কণাগুলো আমাদের চিরচেনা কোনো বস্তুর মতো নয়।’

ওয়াইনবার্গ মৌলিক কণাদের আচরণ নিয়ে গবেষণা করেছেন। এ জন্য তিনি ব্যবহার করেছেন কোয়ান্টাম ক্ষেত্রতত্ত্ব বা কোয়ান্টাম ফিল্ড থিওরি। এই ক্ষেত্রতত্ত্ব আরও অদ্ভুত কথা বলে। ক্ষেত্রতত্ত্ব অনুযায়ী প্রতিটি কণার জন্য গোটা মহাবিশ্বজুড়ে রয়েছে একটি করে ক্ষেত্র। তেমনি ইলেকট্রনের জন্য আছে ‘ইলেকট্রন ক্ষেত্র’। এই ক্ষেত্রের যখন যেখানে উত্তেজনা বা স্পন্দন তৈরি হয়, সেখানে জন্ম হয় একটি করে ইলেকট্রনের। এ ব্যাপারটা অদ্ভুত শোনালেও এটি কোয়ান্টাম বলবিদ্যার অন্যতম সফল একটি তত্ত্ব।

সুতরাং ইলেকট্রন যে মার্বেলের মতো গোল নয়, এটি এখন নিশ্চিত করেই বলা যায়!

লেখক: সাংবাদিক