तरंगणारे 'टाइम क्रिस्टल': न्यूटनचा तिसरा नियम मोडणारा विज्ञानातील नवा चमत्कार!

ध्वनी लहरींवर आधारित 'अकौस्टिक लेव्हिटेशन' तंत्राचा वापर करून तयार केलेले 'तरंगणारे टाइम क्रिस्टल्स'. हे क्रिस्टल न्यूटनच्या तिसऱ्या नियमाला चकवा देऊन स्वतःहून दोलन करतात, जसे की या व्हिज्युअलायझेशनमध्ये दाखवले आहे.
प्रतिमा श्रेय: एआय-व्युत्पन्न (AI-Generated for Marathi Vigyan)

वेळ... ही विश्वातील सर्वात गूढ गोष्ट आहे. साय-फाय चित्रपटांमधील वेळेचे चक्र असो किंवा क्वांटम फिजिक्समधील न उलगडलेली कोडी असोत, मानवाला वेळेने नेहमीच भुरळ घातली आहे. पण काय होईल जर आपण वेळेलाच एका स्फटिकाच्या (Crystal) रूपात पाहू शकलो? आणि काय होईल जर हा स्फटिक भौतिकशास्त्राचे असे नियम मोडू लागला, जे आपण गेली ३०० वर्षे सत्य मानत आलो आहोत?

जेव्हा आपण 'डार्क' (Dark) किंवा 'द अम्ब्रेला अकॅडमी' (The Umbrella Academy) सारख्या गाजलेल्या वेब सिरीज पाहतो, तेव्हा त्यातील वेळेचे चक्र (Time loops), भूतकाळ आणि भविष्यातील गुंतागुंत पाहून आपले डोके चक्रावून जाते. वेळेचा हा खेळ केवळ मनोरंजनापुरता मर्यादित नाही. विज्ञानाच्या खऱ्या जगातही अशा अनेक रहस्यमयी गोष्टी आहेत ज्या कल्पनेपलीकडच्या वाटतात. आज आपण अशाच एका खऱ्याखुऱ्या वैज्ञानिक चमत्काराबद्दल जाणून घेणार आहोत—'टाइम क्रिस्टल्स' (Time Crystals).

मार्च २०२६ मध्ये न्यूयॉर्क युनिव्हर्सिटीच्या (NYU) भौतिकशास्त्रज्ञांनी एक असा शोध लावला आहे, ज्याने संपूर्ण विज्ञान जगतात खळबळ उडवून दिली आहे. त्यांनी ध्वनी लहरींचा (Sound Waves) वापर करून असे 'टाइम क्रिस्टल्स' तयार केले आहेत, जे चक्क हवेत तरंगतात आणि आश्चर्य म्हणजे, ते न्यूटनचा गतीचा तिसरा नियम (Newton's Third Law) पाळत नाहीत! हे सर्व कसे शक्य आहे? चला, या रहस्यमयी क्वांटम दुनियेत सखोल डोकावून पाहूया.

(वाचकांसाठी विशेष: वेळेच्या या गुंतागुंतीबद्दल वाचताना तुम्हाला वेळेच्या प्रवासाबद्दल आणखी जाणून घ्यायचे असेल, तर आमचा हा लेख नक्की वाचा: टाइम ट्रॅव्हल Time Travel खरंच शक्य आहे का? आइन्स्टाईनचा सिद्धांत काय सांगतो?)

१. क्रिस्टल म्हणजे काय आणि 'टाइम क्रिस्टल' वेगळे कसे? (Understanding the Basics)

ही गुंतागुंतीची संकल्पना समजून घेण्यासाठी आपण सर्वात आधी अगदी मुळापासून सुरुवात करूया. आपण आपल्या आजूबाजूला अनेक क्रिस्टल्स (स्फटिक) पाहतो. हिरा, मीठ, साखर किंवा बर्फ हे सर्व सामान्य क्रिस्टल्स आहेत.

जागेनुसार बनलेले स्फटिक (Space Crystals)

कोणत्याही सामान्य क्रिस्टलमध्ये अणू (Atoms) किंवा रेणू एका विशिष्ट, वारंवार परत येणाऱ्या रचनेत (Repeating Pattern) जोडलेले असतात. ही रचना 'जागेनुसार' (Space) असते. उदाहरणार्थ, मिठाच्या (Sodium Chloride) स्फटिकामध्ये सोडियम आणि क्लोरीनचे अणू एका विशिष्ट अंतरावर स्थिर असतात. ते हलता कामा नयेत, हीच त्यांची ओळख असते. विज्ञानाच्या भाषेत याला 'स्पॉन्टेनियस सिमेट्री ब्रेकिंग' (Spontaneous Symmetry Breaking) म्हणतात, जिथे द्रव अवस्थेतील मुक्त फिरणारे अणू गोठून एका विशिष्ट जागेवर स्थिर होतात.

वेळेनुसार बनलेले स्फटिक (Time Crystals)

२०१२ मध्ये नोबेल पारितोषिक विजेते भौतिकशास्त्रज्ञ फ्रँक विल्झेक (Frank Wilczek) यांच्या मनात एक विलक्षण विचार आला. त्यांनी विचार केला, "जर स्फटिकांमधील अणूंची रचना 'जागेनुसार' (Space) वारंवार स्वतःची पुनरावृत्ती करू शकते, तर तीच रचना 'वेळेनुसार' (Time) का बदलू शकत नाही?"

या कल्पनेतून 'टाइम क्रिस्टल' चा जन्म झाला. टाइम क्रिस्टलमध्ये अणूंची रचना जागेवर स्थिर नसते, तर ती वेळेनुसार सतत बदलत असते आणि पुन्हा पहिल्या अवस्थेत येते. सोप्या भाषेत सांगायचे तर, एखाद्या जेलीसारखा पदार्थ जो बाहेरून कोणतीही ऊर्जा न मिळता सतत थरथरत (Oscillate) राहतो.

कल्पना करा की तुमच्याकडे एक घड्याळ आहे. घड्याळाचा काटा फिरण्यासाठी सेलची (बॅटरीची) ऊर्जा लागते. ऊर्जा संपली की घड्याळ थांबते. पण 'टाइम क्रिस्टल' हे असे घड्याळ आहे जे कोणतीही ऊर्जा न वापरता, आणि ऊर्जेचा कोणताही ऱ्हास न होता अनंत काळ टिक-टिक करू शकते! हे पदार्थ त्यांच्या सर्वात कमी ऊर्जेच्या अवस्थेतही (Ground state) हालचाल करत राहतात.

२. हवेत तरंगणारे मणी: NYU चा ऐतिहासिक प्रयोग (The Acoustic Levitation)

सुरुवातीला अनेक शास्त्रज्ञांना वाटले की फ्रँक विल्झेक यांची ही संकल्पना फक्त कागदावरच शक्य आहे. टाइम क्रिस्टल्स बनवणे अत्यंत कठीण मानले जात होते. त्यासाठी अतिशय थंड तापमान (Absolute Zero, म्हणजे -273.15 °C) किंवा अतिशय महागड्या लेझर आणि क्वांटम कॉम्प्युटरची गरज भासत होती.

पण न्यूयॉर्क युनिव्हर्सिटीच्या (NYU) भौतिकशास्त्र विभागातील प्राध्यापक डेव्हिड ग्रियर (David Grier) आणि त्यांच्या टीमने नुकतीच कमाल केली आहे. त्यांनी हा प्रयोग इतका सोपा केला आहे की तो एका टेबलावर मावू शकतो.

प्रयोगाची मांडणी:

• त्यांनी थर्मोकोलसारख्या दिसणाऱ्या छोट्या प्लास्टिकच्या मण्यांचा (Styrofoam beads) वापर केला.
• एका छोट्या, एक फूट उंच यंत्रावरून (Acoustic Resonator) त्यांनी विशिष्ट फ्रिक्वेन्सीच्या ध्वनी लहरी (Sound waves) सोडल्या.
• या आवाजाच्या लाटा एकमेकांवर आदळून हवेत 'पॉकेट्स' (दबावाचे क्षेत्र) तयार करतात. या अदृश्य लाटांवर ते छोटे मणी चक्क हवेत तरंगू लागले. या तंत्रज्ञानाला 'अकौस्टिक लेव्हिटेशन' (Acoustic Levitation) म्हणतात.

या प्रयोगातील सर्वात आश्चर्यकारक गोष्ट पुढेच घडली. जेव्हा हे मणी हवेत तरंगत होते, तेव्हा ते स्थिर राहिले नाहीत. ते आपोआप एका विशिष्ट तालात (Rhythm) एकमेकांभोवती फिरू लागले आणि त्यांनी एकमेकांशी संवाद साधत एक 'टाइम क्रिस्टल' तयार केले. उघड्या डोळ्यांनी पाहता येणारा क्वांटम भौतिकशास्त्राचा हा एक अत्यंत दुर्मिळ आविष्कार होता.

(विश्वातील लहरींचे आणि तंत्रज्ञानाचे असेच अद्भुत चमत्कार पाहण्यासाठी हा लेख वाचा: वेळेच्या मागे प्रवास: MeerKAT टेलिस्कोपने शोधला ८ अब्ज प्रकाशवर्षे दूरचा 'स्पेस लेसर'!)

३. न्यूटनचा तिसरा नियम कसा खोटा ठरला? (Shattering the Laws of Physics)

शाळेत असताना आपण सर्वांनी सर आयझॅक न्यूटनचा गतीचा तिसरा नियम (Newton's Third Law of Motion) घोकला आहे:
"प्रत्येक क्रियेला समान आणि विरुद्ध प्रतिक्रिया असते" (For every action, there is an equal and opposite reaction).

म्हणजे, जर तुम्ही भिंतीला जोराने धक्का दिला, तर भिंतही तुम्हाला तितक्याच जोराने मागे ढकलते. बंदूक चालवली की गोळी पुढे जाते आणि बंदूक तितक्याच जोराने मागे (Recoil) येते. हे संपूर्ण विश्व संवेगाच्या अक्षय्यतेवर (Conservation of Momentum) चालते.

पण हे तरंगणारे टाइम क्रिस्टल्स न्यूटनला अजिबात जुमानत नाहीत! इथे 'नॉन-रेसिप्रोकल इंटरेक्शन' (Nonreciprocal interaction) नावाची भौतिकशास्त्रातील एक अद्भुत घटना घडते.

बोटीचे सोपे उदाहरण (The Ferry Analogy):

हा अवघड शब्द समजून घेण्यासाठी NYU च्या शास्त्रज्ञ 'मिया मोरेल' यांनी एक अतिशय सोपे उदाहरण दिले आहे.

समजा, समुद्राच्या पाण्यातून दोन वेगवेगळ्या आकाराच्या बोटी (Ferries) येत आहेत. एक बोट खूप मोठी आहे आणि दुसरी बोट आकाराने लहान आहे. जेव्हा मोठी बोट पुढे जाते, तेव्हा ती पाण्यात प्रचंड मोठ्या लाटा निर्माण करते. या मोठ्या लाटांमुळे छोटी बोट जोराने मागे ढकलली जाते किंवा हेलकावे खाते.

पण, जेव्हा छोटी बोट चालते, तेव्हा ती अतिशय लहान लाटा निर्माण करते. या लहान लाटांचा मोठ्या बोटीवर अजिबात परिणाम होत नाही, मोठी बोट तिथेच स्थिर राहते.

प्रयोगात नेमके काय घडले?

नेमके हेच त्या हवेत तरंगणाऱ्या मण्यांसोबत घडले. शास्त्रज्ञांनी वेगवेगळ्या आकाराचे दोन मणी वापरले. मोठा मणी आजूबाजूच्या ध्वनी लहरींमध्ये जास्त अडथळा निर्माण करतो आणि त्या लहरींमार्फत छोट्या मण्याला 'जोराने ढकलतो'. पण छोटा मणी मोठ्या मण्याला तेवढी 'विरुद्ध प्रतिक्रिया' देऊ शकत नाही.

न्यूटनचा नियम इथेच तुटतो! क्रियेला 'समान' प्रतिक्रिया मिळत नाही. याच असंतुलनामुळे (Unbalanced forces) ते मणी कधीही न थांबता, एका विशिष्ट लयीत एकमेकांचा पाठलाग करत फिरत राहतात. आजूबाजूला असलेला ध्वनी लहरींचा 'माध्यम' (Medium) हा त्या ऊर्जेचा समतोल राखतो, ज्यामुळे हा चमत्कार घडून येतो.

४. क्वांटम बॅटरी आणि ग्रोव्हरचे अल्गोरिदम: भविष्यातील क्रांती (The Quantum Leap)

आता तुम्हाला साहजिकच प्रश्न पडला असेल की, "मणी हवेत तरंगत आहेत आणि न्यूटनचा नियम मोडला गेला आहे, हे सगळं ठीक आहे, पण याचा आपल्या सामान्य जीवनात काय उपयोग?" मित्रांनो, विज्ञानातील हा शोध भविष्यातील क्वांटम तंत्रज्ञानाची संपूर्ण दिशा बदलून टाकू शकतो.

क्वांटम बॅटरीची निर्मिती (Quantum Batteries)

सध्या आपण ज्या लिथियम-आयन बॅटरी वापरतो (मोबाईल आणि ईव्ही मध्ये), त्या वेळेनुसार डिस्चार्ज होतात. पण टाइम क्रिस्टल्समध्ये ऊर्जा साठवण्याची एक अनोखी क्षमता असते. ते 'ग्राउंड स्टेट' (सर्वात कमी ऊर्जेची अवस्था) मध्ये असतानाही हालचाल करतात आणि त्यांची ऊर्जा वाया जात नाही. भविष्यात या तत्त्वावर आधारित 'क्वांटम बॅटरी' बनवता येऊ शकतात, ज्या हजारो वर्षे ऊर्जा साठवून ठेवू शकतील आणि कधीही खराब होणार नाहीत किंवा त्यांची ऊर्जा 'गळणार' (Leak) नाही.

ग्रोव्हरचे अल्गोरिदम अधिक वेगवान करणे (Supercharging Grover's Algorithm)

कॉम्प्युटर सायन्समध्ये 'ग्रोव्हरचे अल्गोरिदम' (Grover's Algorithm) नावाचे एक अतिशय प्रसिद्ध क्वांटम अल्गोरिदम आहे. याचा वापर मोठ्या डेटाबेसमधून माहिती अत्यंत वेगाने शोधण्यासाठी केला जातो. (जसे की अब्जावधी नावांच्या यादीतून एक विशिष्ट नाव शोधणे). पण सध्याचे क्वांटम कॉम्प्युटर खूप नाजूक असतात; बाहेरील तापमानातील थोड्या बदलानेही त्यांची माहिती नष्ट होऊ शकते (याला Quantum Decoherence म्हणतात).

टाइम क्रिस्टल्स हे अतिशय 'स्थिर' (Stable) असतात. त्यांचा वापर क्वांटम कॉम्प्युटरमध्ये केल्यास, ग्रोव्हरच्या अल्गोरिदमसारखी गुंतागुंतीची गणिते सोडवताना सिस्टीम अतिशय स्थिर राहील आणि चुका (Errors) होण्याची शक्यता शून्यावर येईल.

५. टाइम क्रिस्टल आणि वेळेचा प्रवास: पॅराडॉक्सची उकल (Time Travel & Paradoxes)

जेव्हा 'टाइम' हा शब्द येतो, तेव्हा वेळेच्या प्रवासाची (Time Travel) चर्चा होणार नाही, असे कसे होईल? साय-फाय कथांमध्ये आपण नेहमी दोन प्रसिद्ध पॅराडॉक्स (Paradox - विरोधाभास) ऐकतो:

1. ग्रँडफादर पॅराडॉक्स (Grandfather Paradox): जर तुम्ही भूतकाळात जाऊन स्वतःच्याच आजोबांना मारले, तर तुमचा जन्म कसा होईल? आणि जर तुमचा जन्मच झाला नाही, तर भूतकाळात जाऊन आजोबांना कोणी मारले?
2. बूटस्ट्रॅप पॅराडॉक्स (Bootstrap Paradox): जर भविष्यकाळातून एक पुस्तक तुमच्याकडे आले आणि तुम्ही तेच पुस्तक लिहून प्रसिद्ध केले, तर त्या पुस्तकाचा खरा लेखक कोण? माहितीची सुरुवात कुठून झाली?

हे पॅराडॉक्स निर्माण होतात कारण आपण वेळेला एक सरळ रेषा (Linear concept) मानतो. पण टाइम क्रिस्टल्स आपल्याला शिकवतात की वेळ ही केवळ पुढे जाणारी रेषा नसून, ती एका 'रचनेमध्ये' (Structure) बांधली जाऊ शकते.

"टाइम क्रिस्टल्समुळे आपण भूतकाळात जाऊन ग्रँडफादर पॅराडॉक्स निर्माण करू शकत नाही, पण ते आपल्याला हे नक्की शिकवतात की 'वेळेचा बाण' (Arrow of Time) नेहमी एकाच दिशेने का जातो आणि थर्मोडायनॅमिक्सचे नियम वेळेवर कसे नियंत्रण ठेवतात."

हे क्रिस्टल्स वेळेचे स्वरूप समजून घेण्यासाठी शास्त्रज्ञांना एक नवीन साधन (Tool) मिळवून देतात.

६. इतर उपयोग: निसर्गाचे जैविक घड्याळ (Biological Clocks)

या शोधाचा उपयोग केवळ भौतिकशास्त्रातच नाही, तर जीवशास्त्रातही (Biology) होणार आहे. निसर्गात असे अनेक चमत्कार आहेत जे स्वतःला एका लयीत बांधून ठेवतात. आपल्या शरीरातील हृदयाचे ठोके, मेंदूतील न्यूरॉन्सची लय, किंवा पक्ष्यांचे स्थलांतर हे सर्व एका 'जैविक घड्याळावर' चालते. हवेत तरंगणाऱ्या या टाइम क्रिस्टल्सचा अभ्यास करून शास्त्रज्ञ मानवी शरीरातील या लयीचे (Rhythms) आणि त्यातील आजारांचे रहस्य अधिक चांगल्या प्रकारे उलगडू शकतील.

(निसर्गाच्या अशाच एका अद्भुत घड्याळाविषयी जाणून घ्या: डायनासोरच्या अंड्यांमध्ये दडलेले ७ कोटी वर्षांपूर्वीचे 'नैसर्गिक घड्याळ'!)

७. नेहमी विचारले जाणारे प्रश्न (Frequently Asked Questions)

१. टाइम क्रिस्टलला आपण हाताने स्पर्श करू शकतो का?

NYU च्या या प्रयोगात वापरलेले थर्मोकोलचे मणी आपण नक्कीच पाहू शकतो आणि त्यांना स्पर्शही करू शकतो. पण जेव्हा ते मणी ध्वनी लहरींवर तरंगून 'टाइम क्रिस्टल' ची अवस्था प्राप्त करतात, तेव्हा जर आपण त्यांना स्पर्श केला, तर ध्वनी लहरींचा समतोल बिघडेल आणि ती अवस्था नष्ट होईल. त्यामुळे त्यांना दूरूनच पाहणे योग्य ठरते.

२. हा प्रयोग आपण घरी करू शकतो का?

हा प्रयोग कागदावर किंवा वाचण्यास सोपा वाटत असला, तरी यासाठी विशिष्ट फ्रिक्वेन्सी निर्माण करणारे 'अकौस्टिक लेव्हिटेटर' (Acoustic Levitator) नावाचे यंत्र लागते. तसेच, लहरींची दिशा आणि दाबाचे गणित अतिशय अचूक असावे लागते. पण हो, जर तुमच्याकडे 3D प्रिंटर आणि योग्य इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स असतील, तर युट्युबवरील ट्युटोरियल्स पाहून तुम्ही घरच्या घरी एक साधे 'अकौस्टिक लेव्हिटेटर' नक्की बनवू शकता.

३. जर ते ऊर्जेचा वापर करत नाहीत, तर तो 'थर्मोडायनॅमिक्सचा पहिला नियम' मोडत नाही का?

नाही. टाइम क्रिस्टल्स कोणतीही 'नवीन' ऊर्जा निर्माण करत नाहीत (Perpetual motion machines नाहीत). ते फक्त त्यांच्यातील असलेली ऊर्जा न गमावता सतत फिरत राहतात. त्यामुळे ते ऊर्जेच्या अक्षय्यतेचा नियम मोडत नाहीत, ते फक्त न्यूटनच्या तिसऱ्या नियमाला चकवा देतात.

निष्कर्ष (Conclusion)

विज्ञानाची खरी मजा हीच आहे की ते कधीही एका जागी थांबत नाही. दररोज नवनवीन शोध आपल्याला हे मान्य करायला भाग पाडतात की, आपण जे नियम शतकानुशतके सत्य मानत आलो आहोत, ते विश्वाच्या एका वेगळ्या कोपऱ्यात किंवा सूक्ष्म पातळीवर खोटे ठरू शकतात.

न्यूटनचा नियम मोडणारे आणि हवेत तरंगणारे हे टाइम क्रिस्टल्स आपल्याला आठवण करून देतात की हे ब्रह्मांड रहस्यांनी भरलेले आहे. आज जे विज्ञान केवळ प्रयोगशाळेत थर्मोकोलच्या मण्यांसोबत खेळत आहे, तेच तंत्रज्ञान उद्या जगातील सर्वात वेगवान क्वांटम कॉम्प्युटर आणि कधीही न संपणाऱ्या बॅटरी बनवणार आहे. आपण एका नवीन क्वांटम युगाच्या उंबरठ्यावर उभे आहोत, आणि ही तर फक्त सुरुवात आहे!

तुम्हाला हा लेख कसा वाटला?

तुमच्या मनात टाइम क्रिस्टल, क्वांटम फिजिक्स किंवा वेळेच्या प्रवासाबद्दल अजून काही प्रश्न असतील, तर खाली कमेंट बॉक्समध्ये नक्की सांगा! मला तुमच्या प्रश्नांची उत्तरे द्यायला नक्की आवडेल. 'मराठीतून विज्ञान' ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद!