डिराक की 1927 की अंतर्दृष्टि: क्वांटम उतार-चढ़ाव का वैक्यूम इंजीनियरिंग में विकास

वर्ष 1927 में, 25 वर्षीय भौतिक विज्ञानी पॉल डिराक ने कैम्ब्रिज में क्वांटम यांत्रिकी को आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत के साथ एकीकृत करने का प्रयास किया। उनके मौलिक कार्य ने यह स्थापित किया कि एक सैद्धांतिक निर्वात, जो सभी पदार्थ और प्रकाश से रहित है, में भी एक स्थायी अवशिष्ट ऊर्जा होती है, जिसे अब क्वांटम उतार-चढ़ाव के रूप में जाना जाता है। डिराक की गणितीय खोज ने बाद में प्रतिपदार्थ, विशेष रूप से पॉज़िट्रॉन, के सैद्धांतिक पूर्वानुमान को जन्म दिया, जिसकी प्रायोगिक पुष्टि 1932 में हुई थी। डिराक ने अपने 1928 के समीकरण के माध्यम से इलेक्ट्रॉन के स्पिन और सापेक्षतावादी कॉम्पटन प्रकीर्णन के लिए सही सूत्र प्राप्त किया, लेकिन इस प्रक्रिया में नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं का एक विरोधाभास भी सामने आया था।

डिराक ने सहज रूप से महसूस किया कि ये क्वांटम उतार-चढ़ाव, जिन्हें 'शून्य-बिंदु दोलन' कहा जाता है, परम शून्य तापमान पर भी बने रहते हैं, जो चिरसम्मत भौतिकी का खंडन करता है। सैद्धांतिक निर्वात, जो ऊर्जा की सबसे निचली संभव अवस्था है, में एक अवशेषी ऊर्जा पाई गई, जिसका अर्थ है कि 'कुछ नहीं' वास्तव में खाली नहीं था। डिराक ने नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाओं को समझाने के लिए 'होल थ्योरी' का प्रस्ताव दिया था, जिसमें उन्होंने माना था कि सभी नकारात्मक ऊर्जा अवस्थाएँ पहले से ही एक इलेक्ट्रॉन से भरी हुई हैं, जिसे अब डिराक सागर के रूप में जाना जाता है।

ठोस प्रायोगिक प्रमाण 1947 में लैम्ब शिफ्ट के साथ सामने आया, जो हाइड्रोजन में एक सूक्ष्म ऊर्जा अंतर था जिसे मौजूदा समीकरण समझा नहीं पा रहे थे। विलिस लैम्ब और उनके छात्र रॉबर्ट रेदरफोर्ड ने कोлумबिया विश्वविद्यालय में माइक्रोवेव तकनीकों का उपयोग करके यह प्रयोग किया था। हैंस बेथे ने गणना की कि यह विसंगति सिद्ध करती है कि परमाणु क्वांटम निर्वात उतार-चढ़ाव के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे इस बल का पहला मापने योग्य भौतिक प्रमाण मिला। लैम्ब शिफ्ट की प्रस्तुति 1947 में प्रतिष्ठित शेल्टर आइलैंड सम्मेलन में हुई थी।

लगभग उसी समय, 1948 में, हेंड्रिक कैसिमिर ने भविष्यवाणी की थी कि दो निकट-स्थित धातु प्लेटों के बीच सीमित निर्वात उतार-चढ़ाव के कारण वे एक-दूसरे को आकर्षित करेंगी, जिसे कैसिमिर प्रभाव के रूप में जाना जाता है। यह प्रभाव, जिसकी उच्च सटीकता के साथ पुष्टि की गई है, अब 2025 में मानक मॉडल से परे के सिद्धांतों, जैसे कि एक्सियन-जैसे डार्क मैटर कणों को सीमित करने, का परीक्षण करने के लिए शोध का विषय है। स्टीवन लैमोरॉक्स ने 1996 में कैसिमिर बल का सटीक मापन किया था, जो सिद्धांत के 5% की सीमा के भीतर था।

आज, इस क्षेत्र को 'वैक्यूम इंजीनियरिंग' या 'वैक्यूमरोनिक्स' कहा जाता है, जिसमें राइस विश्वविद्यालय जैसे संस्थानों के शोधकर्ता नई क्वांटम सामग्रियों को इंजीनियर करने के लिए उतार-चढ़ाव को नियंत्रित कर रहे हैं। निर्वात उतार-चढ़ाव एक ओर तो क्वबिट डीकोहेरेंस का कारण बनने वाले शोर का स्रोत हैं और दूसरी ओर 2025 में स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटिंग विकसित करने के लिए एक उपकरण भी हैं। डिराक द्वारा परिकल्पित युग अब एक व्यावहारिक तकनीकी क्षेत्र बन गया है, हालांकि सैद्धांतिक और ब्रह्मांडीय निर्वात ऊर्जा के बीच का विशाल अंतर एक अत्यावश्यक खुला प्रश्न बना हुआ है, जिसे 'वैक्यूम कैटास्ट्रोफी' कहा जाता है।