समय और स्थान का पुनर्मूल्यांकन – थोरियम कैसे भूमिका निभाने वाला है

समय और स्थान की अवधारणा ने हमेशा वैज्ञानिकों को मोहित किया है। हमारे चारों ओर जो कुछ भी हम देखते हैं वह एक कालिक और स्थानिक ढाँचे के भीतर कार्य करता है। अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्रसिद्ध रूप से कहा, “एक मानव सम्पूर्ण का हिस्सा है, जिसे हम \”ब्रह्मांड\” कहते हैं, एक भाग जो समय और स्थान में सीमित है।” 

हालांकि, समय और स्थान के हमारे मूल्यांकन विज्ञान में प्राप्त प्रगति और हमारे दार्शनिक समझ के साथ विकसित होते रहे हैं। 

इस विकासात्मक प्रवाह में नवीनतम जोड़, जो खेल बदलने वाला या क्रांतिकारी हो सकता है, इस से आता है एक शोध टीम के इनपुट टीम, जिसका नेतृत्व प्रोफेसर थॉर्स्टन शुम ने TU Wien (विएना) से किया है। आशा है कि यह शोध क्रांतिकारी उच्च-परिशुद्धता तकनीकों, जिसमें नाभिकीय घड़ियाँ शामिल हैं, का मार्ग प्रशस्त करेगा। 

लेज़र द्वारा उत्तेजित परमाणु नाभिक: थोरियम संक्रमण का रोचक मामला

वैज्ञानिक समुदाय लंबे समय से थोरियम परमाणु नाभिकों की एक विशिष्ट अवस्था प्राप्त करने का प्रयास कर रहा है, जो आज उपलब्ध सर्वोत्तम परमाणु घड़ियों से अधिक सटीक समय मापने वाली नाभिकीय घड़ियों के निर्माण में मदद करेगी। 

एक बड़े स्तर पर, ऐसी सूक्ष्म समय मापें सैद्धांतिक भौतिकी के मूल प्रस्तावों का पुनर्मूल्यांकन करने में मदद करेंगी, जिसमें प्रकृति के नियतांकों के बारे में प्रश्न शामिल है: क्या ये नियतांक पवित्र हैं, या वे स्थान और समय में बदलते हैं? 

इतनी सटीकता से समय मापने के लिए थोरियम को उसके परमाणु संक्रमण बिंदु तक उत्तेजित करने की सटीक ऊर्जा को जानना आवश्यक था। जिस शोध पर हम चर्चा कर रहे हैं, उसकी बदौलत अब वह ऊर्जा सटीक स्तर पर ज्ञात है। इसलिए, पहली बार, लेज़र के माध्यम से एक परमाणु नाभिक को उच्च ऊर्जा अवस्था में स्थानांतरित करना और फिर उसकी मूल अवस्था में वापस लौटने को ट्रैक करना संभव हो गया है। 

यह घटना एक अग्रणी उपलब्धि भी है क्योंकि यह पहली बार है जब भौतिकी के दो अलग-अलग क्षेत्रों—क्वांटम भौतिकी और नाभिकीय भौतिकी—को एक साथ जोड़ा गया है। इस शोध के लिए विशेष थोरियम-युक्त क्रिस्टल विकसित करना आवश्यक था। 

1970 के दशक से, वैज्ञानिक इस संभावना से अवगत हैं कि एक विशेष परमाणु नाभिक को लेज़र के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। हालांकि, सफलता प्राप्त करने के लिए संक्रमण की ऊर्जा को अत्यधिक सटीकता से जानना आवश्यक है। प्रोफेसर थॉर्स्टन शुम के अनुसार:

“इस संक्रमण की ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट के भीतर जानना कम उपयोगी है यदि आपको संक्रमण का पता लगाने के लिए एक मिलियनवें इलेक्ट्रॉन वोल्ट की सटीकता के साथ सही ऊर्जा को हिट करना पड़े।” 

इस मिशन में सफल होने के लिए, जो उस समय लगभग असंभव लग रहा था, टीम ने बड़ी संख्या में थोरियम परमाणुओं को शामिल करने वाले क्रिस्टल विकसित किए। 

फ़ैबियन शैडेन, जो वियना में इन क्रिस्टलों को डिजाइन करने वाले शोधकर्ता हैं, ने जटिलताओं को समझाने के लिए निम्नलिखित कहा:

 “हालांकि यह तकनीकी रूप से काफी जटिल है, इसका लाभ यह है कि हम न केवल व्यक्तिगत थोरियम नाभिकों का इस प्रकार अध्ययन कर सकते हैं, बल्कि लेज़र के साथ लगभग दस के घात अत्रहत्तर थोरियम नाभिकों को एक साथ हिट कर सकते हैं – जो हमारी आकाशगंगा में सितारों की संख्या से लगभग एक मिलियन गुना अधिक है।” 

थोरियम नाभिकों की बड़ी संख्या की उपस्थिति ने प्रभाव को बढ़ाया, आवश्यक माप समय को घटाया और ऊर्जा संक्रमण को वास्तव में खोजने की संभावना को बढ़ाया। 

यह突破 कितना महत्वपूर्ण था? थॉर्स्टन शुम के अनुसार:

“हमारे लिए, यह एक सपना सच होने जैसा है।” उन्होंने आगे कहा, “हम प्रसन्न हैं कि अब हम ही हैं जो इस महत्वपूर्ण突破 को प्रस्तुत कर सकते हैं: एक परमाणु नाभिक की पहली लक्षित लेज़र उत्तेजना।” 

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सफलता का समय और स्थान की अवधारणाओं पर प्रभाव

इस शोध में प्राप्त सफलता अधिक परिष्कृत परिशुद्धता उपकरणों की ओर ले जाएगी। घड़ियाँ थोरियम संक्रमण को सक्रिय करने वाली प्रकाश की दोलन का उपयोग करके नई वैरिएंट बनेंगी, जो आज उपलब्ध सर्वोत्तम परमाणु घड़ियों से अधिक सटीक हो सकती हैं। 

यह घटना पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों का अधिक सटीक विश्लेषण करने में भी मदद कर सकती है, जिससे खनिज संसाधनों का पता लगाने और भूकंप की निकटता को अधिक सटीकता से संकेत करने में सहायता मिल सकती है। 

शोधकर्ता अभी तक सभी संभावित अनुप्रयोगों की पूरी श्रृंखला के बारे में निश्चित नहीं हैं, लेकिन वे आश्वस्त हैं कि संभावनाएँ असीमित हो सकती हैं। थॉर्स्टन शुम के शब्दों में:

“हमारी माप विधि केवल शुरुआत है। हम अभी यह भविष्यवाणी नहीं कर सकते कि इससे हमें कौन से परिणाम मिलेंगे। यह निश्चित रूप से बहुत रोमांचक होगा।”

यह शोध उन व्यवसायों को बहुत लाभ पहुंचा सकता है जो परिष्कृत परिशुद्धता घड़ियों का विकास करते हैं। नीचे कुछ ऐसी कंपनियों का उल्लेख है। 

#1. Microsemi

Microsemi अपनी परमाणु घड़ी क्षमताओं के लिए विश्व स्तर पर जाना जाता है। ये घड़ियाँ ऐसी हैं जिनका विद्युत ऑसिलेटर एक परमाणु प्रणाली की प्राकृतिक दोलन आवृत्तियों द्वारा नियंत्रित होता है, जो सीज़ियम परमाणु बीम, अमोनिया परमाणु, या रूबिडियम हो सकते हैं। 

Microsemi की परमाणु घड़ियों को यूनिवर्सल कोऑर्डिनेटेड टाइम (UTC) को 90% से अधिक इनपुट प्रदान करने के लिए जाना जाता है। यह सीज़ियम बीम-ट्यूब घड़ियों का विश्व का एकमात्र व्यावसायिक प्रदाता भी है, जो विश्व भर के राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में पाए जाते हैं।

यह कंपनी गैस-सेल परमाणु घड़ियों की प्रमुख प्रदाता के रूप में स्थापित है, जिसमें चिप स्केल एटॉमिक क्लॉक (CSAC), विश्व की सबसे छोटी और कम शक्ति वाली परमाणु घड़ी, और मिनिएचर एटॉमिक क्लॉक (MAC) शामिल हैं।

Microsemi कहता है कि उसके सीज़ियम परमाणु घड़ियाँ संचार में विशेष रूप से उपयोगी हैं। ये घड़ियाँ आवृत्ति, समय और फेज अनुप्रयोगों के लिए GNSS/GPS तकनीक को बहुत प्रभावी ढंग से बैकअप कर सकती हैं। 

सीज़ियम UTC से 1×10-12 सटीकता के ऑफ़सेट पर कार्य करता है। यह एक सीज़ियम घड़ी बनाता है जो आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए प्रदर्शन में कोई गिरावट के बिना GNSS/GPS को बैकअप कर सकती है। यह समय और फेज अनुप्रयोगों के लिए होल्डओवर मोड संचालन को सक्षम करता है। 

हालांकि, ‘थोरियम संक्रमण’ शोध की सफलता के साथ, Microsemi के पास अब अधिक सटीक और सूक्ष्म-ट्यून्ड घड़ी विकसित करने के संसाधन हैं। 

समग्र रूप से, Microsemi कॉरपोरेशन Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP) की पूरी तरह से स्वामित्व वाली सहायक कंपनी है। वित्तीय वर्ष 2023 में, Microchip ने शुद्ध बिक्री दर्ज की more than US$8.4 billion. In FY 2023, the company returned $1.64 billion to its stockholders compared to $0.9 billion that it returned in fiscal 2022.

#2. General Atomics

अक्टूबर 2021 में, General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) ने घोषणा की कि उसने NASA के जेट प्रोपल्शन लैबोरेटरी कीDeep Space Atomic missionको पूरा कर लिया है। GA-EMS के अध्यक्ष स्कॉट फोर्नी के अनुसार:

“OTB पर DSAC मिशन की सफलता भविष्य के प्रयासों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है, जिससे महत्वपूर्ण अंतरिक्ष-आधारित तकनीकों को आगे बढ़ाया जा सके और उन्हें विश्वसनीय, मजबूत सैटेलाइट डिज़ाइनों के साथ कक्षा में स्थापित किया जा सके।”

DSAC एक लघु, अत्यधिक सटीक मरकरी-आयन परमाणु घड़ी थी। General Atomics के मूल्यांकन के अनुसार, इसने GPS उपग्रहों पर कार्यरत अन्य परमाणु घड़ियों की तुलना में समय स्थिरता में उल्लेखनीय सुधार दिखाया। यह लंबे समय तक लगातार समय माप सकती थी और गहरी अंतरिक्ष नेविगेशन और अन्वेषण का समर्थन कर सकती थी। 

समझदारी से, General Atomics ऐसी कंपनी है जिसे ‘थोरियम संक्रमण’ शोध से काफी लाभ मिल सकता है। 

मूल रूप से, General Atomics एक रक्षा और विविधीकृत प्रौद्योगिकी कंपनी है। 2023 में, कंपनी ने राजस्व कमाया US$3.1 billion। 

जबकि नाभिकीय घड़ी अधिक सटीकता की ओर बढ़ रही है, वैज्ञानिकों ने ऐसे समाधान विकसित करना जारी रखा है जिन्होंने नई पीढ़ी की परमाणु घड़ियों को जन्म दिया है। यूरोपीय XFEL एक्स-रे लेज़र में एक प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने स्कैंडियम तत्व का उपयोग किया। 

एक अत्यधिक सटीक परमाणु घड़ी: अत्यधिक उच्च सटीकता मानकों के लिए स्कैंडियम का उपयोग

शोधकर्ताओं ने स्कैंडियम का उपयोग किया ताकि 300 अरब वर्षों में एक सेकंड की सटीकता प्राप्त की, जो सीज़ियम-आधारित वर्तमान परमाणु घड़ियों के मानकों से हजार गुना अधिक सटीक है।

बिल्कुल उसी तरह जैसे हमने शुरुआत में थोरियम संक्रमण पर चर्चा की थी, यूरोपीय XFEL के शोधकर्ता स्कैंडियम के नाभिक में एक आशाजनक संक्रमण को उत्तेजित कर सके। स्कैंडियम आसानी से उच्च-शुद्धता धातु की फॉयल या स्कैंडियम डाइऑक्साइड यौगिक के रूप में उपलब्ध है। इस उद्देश्य के लिए इसे सटीक रूप से उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा 12.4 किलोइलेक्ट्रॉन वोल्ट (keV) की एक्स-रे थी, जो दृश्यमान प्रकाश की ऊर्जा से लगभग 10,000 गुना अधिक है। 

इसकी चौड़ाई केवल 1.4 फेम्टो-इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) और 1.4 क्वाड्रिलियनवां इलेक्ट्रॉन वोल्ट है, जो उत्तेजना ऊर्जा (10-19) के लगभग एक दहाई ट्रिलियनवां भाग के बराबर है। इसने 1:10,000,000,000,000 की सटीकता हासिल करने में मदद की, जो 300 अरब वर्षों में एक सेकंड के बराबर है।

इस शोध और उसकी सफलता के संभावित लाभों की व्याख्या करते हुए, शोधकर्ता कई बातें बता सके। उदाहरण के लिए, बेहतर सटीकता वाली परमाणु घड़ियाँ उपग्रहों को अधिक सटीक रूप से स्थित करने में मदद कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने भविष्य की नाभिकीय घड़ियों के लिए एक मार्ग खोलने के रूप में परमाणु घड़ी की संभावनाओं को भी उजागर किया। 

प्रयोग के परियोजना प्रमुख, संयुक्त राज्य के अर्जोन नेशनल लैबोरेटरी के यूरी श्विडको के अनुसार:

“स्कैंडियम की अनुनादी उत्तेजना और उसकी ऊर्जा के सटीक मापन में यह突破 न केवल नाभिकीय घड़ियों के लिए, बल्कि अल्ट्रा-हाई-प्रिसिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी और मौलिक भौतिक प्रभावों के सटीक मापन के लिए भी नए मार्ग खोलता है।”

इस शोध की संभावनाओं को विस्तार से बताते हुए, टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी, यूएस की ओल्गा कोचारोव्स्काया, परियोजना की आरंभकर्ता और नेता, ने कहा:

“उदाहरण के लिए, ऐसी उच्च सटीकता गुरुत्वीय समय विस्तार को उप-मिलिमीटर दूरी पर जांचने की अनुमति दे सकती है। यह अब तक अप्राप्य लंबाई स्केल पर सापेक्षिक प्रभावों के अध्ययन को संभव बनाएगा।”

संक्षेप में, यह नवाचार, जैसा कि हमने थोरियम संक्रमण के बारे में पढ़ा, कई लाभ प्रदान करता है। एक स्तर पर, ये लाभ इस घटना को सीधे नई समाधान बनाने में लागू करने का अर्थ रखते हैं। दूसरे स्तर पर, लाभ नई क्षितिजों के खुलने के रूप में थे। सैद्धांतिक भौतिकी के क्षेत्र में, ये नई खुली राहें अधिक कुशल समाधान प्रदान करेंगी। 

स्ट्रॉन्शियम का उपयोग करने वाली परिशुद्धता घड़ी

हम पहले ही देख चुके हैं कि थोरियम और स्कैंडियम का उपयोग कैसे समय और स्थान का सबसे सूक्ष्म स्तर तक पुनर्मूल्यांकन करने में किया गया है। 2022 में,शोधकर्ताओं ने स्ट्रॉन्शियम की संभावनाओं का अन्वेषण किया इस संदर्भ में। 

इस शोध में अमेरिकी वैज्ञानिकों का एक समूह शामिल था। उन्होंने दावा किया कि उन्होंने एक उपकरण बनाया है जो अपने परमाणु घड़ी समकक्षों से 50 गुना अधिक सटीक है। 

नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) और यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोराडो बॉल्डर से जुड़े जुन ये के अनुसार, अपनी परिशुद्धता विशेषताओं के अलावा, यह घड़ी क्वांटम मैकेनिक्स में खोजों और उपपरमाणु विश्व की गतिशीलता को मार्गदर्शित करने वाले सिद्धांतों को प्रस्तुत कर सकती है। 

समाधान ने सफलतापूर्वक प्रकाश के जाल, जिन्हें ऑप्टिकल लैटिस कहा जाता है, का अन्वेषण किया। ये लैटिस एटमों को व्यवस्थित रूप से फँसाते हैं और उन्हें गुरुत्वाकर्षण-प्रेरित गिरने या गति से रोकते हैं, जिससे सटीकता में कमी आती है। परिशुद्धता घड़ी में 100,000 स्ट्रॉन्शियम एटम शामिल थे। प्रत्येक को एक दूसरे के ऊपर पैनकेक जैसी परत में रखा गया, जिससे लगभग 1 मिलीमीटर की ऊँचाई बनती है। 

घड़ी की आकर्षक विशेषताओं की व्याख्या करते हुए, ये ने कहा: 

“स्थान और समय जुड़े हुए हैं। और इतनी सटीक समय माप के साथ, आप देख सकते हैं कि स्थान वास्तविक समय में कैसे बदल रहा है—पृथ्वी एक जीवंत, जीवित शरीर है।”

अब तक चर्चा की गई अन्य घड़ियों की तरह, ये इस घड़ी की संभावनाओं से उत्साहित थे कि यह भौतिकी के एक पूरी नई युग को शुरू कर सकती है। घड़ी 200 माइक्रॉन के अंतराल में समय अंतर को पहचान सकती थी। इसे 20 माइक्रॉन तक घटाने पर, यह क्वांटम विश्व की आंतरिक गतिशीलता को अधिक कुशलता से जांच सकती है। 

थोरियम और अधिक के साथ समय और स्थान का पुनर्मूल्यांकन: निष्कर्ष शब्द

हमारे ब्रह्मांड की कालिक और स्थानिक प्रकृति के बारे में नई आयाम खोलने के अलावा, ये सुपर परिशुद्धता घड़ियाँ कई, कई उद्देश्यों की सेवा करती हैं, जिसमें हमारे दूरसंचार और नेविगेशन सिस्टम को सुधारना शामिल है। 

एंड्रयू लड्लो, बॉल्डर, कोलोराडो के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी के एक भौतिक विज्ञानी के अनुसार:

“घड़ियों के कई अनुप्रयोग हैं जिन्हें केवल बहुत अच्छी स्थिरता की आवश्यकता होती है, और फिर ऐसे अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला है जहाँ केवल स्थिरता पर्याप्त नहीं है, और आपको सटीकता भी चाहिए।”

ये सुपर-संवेदनशील उपकरण अंतरिक्ष-समय के हर सूक्ष्म लहर को माप सकते हैं। वे गुरुत्वीय तरंगों को उन आवृत्तियों पर पहचान सकते हैं जो हमारे पारंपरिक समाधान के लिए लगभग अप्राप्य हैं। एक उच्च-प्रदर्शन अंतरिक्ष-समय मापन उपकरण गहरी भूमिगत में होने वाले सबसे छोटे गुरुत्वीय परिवर्तनों को महसूस कर सकता है, जो भूकंप या ज्वालामुखी विस्फोट के पूर्व संकेतों को दर्शाते हैं। 

संक्षेप में, संभावनाएँ असीमित हैं, और वैज्ञानिक भविष्य में थोरियम, स्कैंडियम और स्ट्रॉन्शियम जैसे अधिक तत्वों की खोज कर सकते हैं, जो हमारे स्थान और समय को देखने के तरीके में क्रांति लाएंगे। 

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