চিরায়ত কণারা প্রকৃতির নিয়ম মেনেই আমাদের চেনা কণার মতো আচরণ করে। ব্যাপারটা বোঝার জন্য সমুদ্রসৈকত থেকে কিছু চিরায়ত কণা হাতে তুলে নেওয়ার কথা ভাবো। অবশ্য এখানে সেই ‘কণা’ বলতে আসলে বালুকণাই বোঝাচ্ছি। এবার একটি কাঠের পাটাতনে পাশাপাশি দুটি সরু ছিদ্র কেটে নাও। সেই দুটি ছিদ্রের ওপর দিয়ে বালুকণাগুলো ছিটিয়ে দাও। প্রতিটি বালুকণা দুটি ছিদ্রেরযেকোনো একটির মধ্য দিয়ে যাবে। তারপর ছিদ্রদুটির নিচে তৈরি হবে বালুর দুটি আলাদা স্তূপ। এতে অবাক হওয়ার কিছু নেই।

কিন্তু এবার যদি বালুর বদলে দুটি ছিদ্রের দিকে ইলেকট্রনের মতো খুদে কোয়ান্টাম কণা ছিটিয়ে দিই, তাহলে কী হবে? তখন কিন্তু বালুর মতো দুটি স্তূপ তৈরি হবে না। তার বদলে চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞানের প্রায় সব ধারণার বিপরীত এবং আমাদের সাধারণ কাণ্ডজ্ঞান বিরোধী এক অদ্ভুত ঘটনা ঘটবে। দুটি ফাঁক দিয়ে ইলেকট্রন যাওয়ার পর পর্দায় তৈরি হবে ব্যতিচার বা ইন্টারফেয়ারেন্স প্যাটার্ন। সেখানে একের পর এক উজ্জ্বল ও অনুজ্জ্বল দাগ বা ফ্রিঞ্জ দেখা যাবে।

বালুর ক্ষেত্রে যেখানে দুটি ছিদ্রের নিচে কণাগুলো বেশি জমা হওয়ার কথা, ইলেকট্রনের ক্ষেত্রে ঘটে ঠিক তার উল্টো ঘটনা। একটি ইলেকট্রন ছিদ্র দিয়ে বেরিয়ে আসার পর দুটি ছিদ্রের ঠিক মাঝামাঝি জায়গায় তা সবচেয়ে বেশি পাওয়ার সম্ভাবনা থাকে। এমন নকশা তৈরি করতে হলে ইলেকট্রনগুলোকে অবশ্যই কণার বদলে তরঙ্গের মতো আচরণ করতে হবে। আর সেই তরঙ্গগুলোর নিজেদের মধ্যে ব্যতিচার ঘটাতে হবে। এখানেই আসে আরও অবাক করা ব্যাপার।

একই পরীক্ষা আবারও করা যাক। তবে এবার একসঙ্গে অনেক ইলেকট্রন না ছুড়ে, একবারে মাত্র একটি করে ইলেকট্রন দুটি ছিদ্রের দিকে পাঠানো হলো। প্রতিটি ইলেকট্রন কোথায় গিয়ে পৌঁছায়, সেটাও মেপে রাখো। প্রথমে হয়তো পর্দায় ছড়িয়ে-ছিটিয়ে কিছু বিন্দু দেখা যাবে। কিন্তু একের পর এক ইলেকট্রন পাঠাতে থাকলে, শেষ পর্যন্ত ঠিক আগের মতোই সেই একই ব্যতিচার নকশা ফুটে উঠবে। এর মানে কী?

এ ঘটনার একমাত্র ব্যাখ্যা হলো, প্রতিটি ইলেকট্রন নিজের সঙ্গেই ব্যতিচার ঘটিয়েছে। অর্থাৎ প্রতিটি ইলেকট্রনকে একই সময়ে দুটি ছিদ্র দিয়েই বেরিয়ে গেছে! এই পরীক্ষাকে বলা হয় দ্বিচির পরীক্ষা বা ডাবল-স্লিট এক্সপেরিমেন্ট। আর এর মাধ্যমে নিঃসন্দেহে প্রমাণ করা সম্ভব যে কোয়ান্টাম কণারা কখনো কখনো তরঙ্গের মতোও আচরণ করতে পারে।

একসময় মনে করা হতো, আলো শুধু একটি তরঙ্গ। কারণ আলো কোনো কোণের চারপাশ দিয়ে বেঁকে যেতে পারে (অপবর্তন) এবং অন্য আলোকরশ্মির সঙ্গে ব্যতিচার ঘটাতে পারে। কিন্তু ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক এবং আইনস্টাইনের গবেষণা থেকে আমরা এখন জানি, আলো আসলে ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র শক্তির প্যাকেট দিয়ে তৈরি। এই প্যাকেটগুলোকেই বলা হয় কোয়ান্টা। আলোর এই কোয়ান্টাগুলোর নামই ফোটন।

ফোটন এমন এক ধরনের কোয়ান্টাম কণা, যা একই সঙ্গে কণা এবং তরঙ্গ—দুইয়ের মতোই আচরণ করতে পারে। আলোর কণা-ধর্ম আবিষ্কার করেছিলেন মেধাবী বিজ্ঞানী আলবার্ট আইনস্টাইন। ১৯০৫ সালে আলোক-তড়িৎ ক্রিয়া বা ফটোইলেকট্রিক ইফেক্ট নিয়ে ভাবতে গিয়ে এই ধারণায় পৌঁছান। সরাসরি পরীক্ষা-নিরীক্ষা চালানোর ক্ষেত্রে আইনস্টাইন খুব একটা দক্ষ ছিলেন না। কিন্তু পরীক্ষার ফলাফল ব্যাখ্যা করার জন্য তাত্ত্বিক মডেল দাঁড় করাতে তিনি ছিলেন অসাধারণ প্রতিভাবান।

আলোক-তড়িৎ ক্রিয়ার ক্ষেত্রেও তিনি সেই পরীক্ষিত কৌশলই কাজে লাগালেন। ১৮৮৭ সালে জার্মান পদার্থবিদ হাইনরিখ হার্টজ প্রথম যে পরীক্ষাটি করেছিলেন, তার ফলাফল ব্যাখ্যা করতেই আইনস্টাইন এই সুপরীক্ষিত কৌশল প্রয়োগ করেন। আলোক-তড়িৎ ক্রিয়ায় দেখা যায়, কোনো ধাতুর ওপর আলো ফেললে ধাতুটি ইলেকট্রন নির্গত করে। কিন্তু আলো যদি চিরায়ত বিদ্যুৎচুম্বকত্বের ধারণা অনুযায়ী কোনো অবিচ্ছিন্ন তরঙ্গ হতো, তাহলে ঘটনাটি ঘটার কথা অন্যভাবে। সে ক্ষেত্রে আলো ধাতুর ইলেকট্রনগুলোর কাছে ধীরে ধীরে শক্তি জোগাত। কিছু সময় পর ইলেকট্রনগুলো পর্যাপ্ত শক্তি অর্জন করলে ধাতুর পৃষ্ঠ থেকে বেরিয়ে আসতে পারত। এমনকি আলোর তরঙ্গের শক্তি যদি খুব কমও হতো (যা এর কম্পাঙ্কের সমানুপাতিক), তবুও দীর্ঘদিন বা যথেষ্ট সময় ধরে আলো ফেললে সেখান থেকে ইলেকট্রন নির্গত হওয়া উচিত ছিল।

চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞানের দৃষ্টিতে আরও একটি বিষয় প্রত্যাশিত ছিল। সেটা হলো, আলোর তীব্রতা বাড়ালে, অর্থাৎ প্রতি একক ক্ষেত্রফলে আলোর মাধ্যমে সরবরাহ করা শক্তি বাড়ালে, নির্গত ইলেকট্রনগুলোর গতিশক্তিও বাড়ার কথা। ফলে বেশি তীব্র আলো ফেললে ইলেকট্রনগুলো ধাতুর পৃষ্ঠ থেকে আরও বেশি গতিতে বেরিয়ে আসবে—এটাই ছিল চিরায়ত ধারণা।

কিন্তু আলোক-তড়িৎ ক্রিয়া নিয়ে পরীক্ষা চালিয়ে বিজ্ঞানীরা যা দেখলেন, তা ছিল একেবারেই ভিন্ন। আলো থেকে পর্যাপ্ত শক্তি পাওয়ার জন্য ইলেকট্রনগুলোকে অপেক্ষা করতে হয়নি। আলোতে যথেষ্ট শক্তি বা কম্পাঙ্ক থাকলেই ইলেকট্রন সঙ্গে সঙ্গে ধাতু থেকে বেরিয়ে আসত।

আরও একটি অদ্ভুত ব্যাপার দেখা গেল। একটি নির্দিষ্ট ধাতু থেকে ইলেকট্রন বের করে আনার জন্য আলোর একটি ন্যূনতম শক্তি সীমা বা থ্রেশহোল্ড ছিল। সেই সীমার নিচে আলো যতক্ষণই কোনো নির্দিষ্ট ধাতুর ওপর ফেলা হোক না কেন, কোনো ইলেকট্রন বের হবে না। ইলেকট্রনগুলো যেন জেদ করে একগুঁয়ের মতো ধাতুর গায়ে আটকে থাকবে! শুধু তা-ই নয়, আলোর তীব্রতা বাড়ালেও বেরিয়ে আসা ইলেকট্রনগুলোর গতিশক্তি বাড়ল না। বরং বেড়ে গেল নির্গত ইলেকট্রনের সংখ্যা।

আইনস্টাইনের অসাধারণ কৃতিত্ব ছিল, তিনি বুঝতে পারলেন—এই আলোক-তড়িৎ ক্রিয়ার ফলাফলগুলো আসলে দেখাচ্ছে যে আলো শুধু তরঙ্গ নয়। আলো ধাতুর ওপর আসছে একেকটি আলাদা শক্তির প্যাকেট বা ফোটন হিসেবে। প্রতিটি ফোটনের শক্তি আলোর কম্পাঙ্কের সমানুপাতিক। একটি ফোটনের শক্তি যথেষ্ট হলে সেটি ধাতু শোষণ করে নেবে এবং একটি ইলেকট্রনকে সঙ্গে সঙ্গে বাইরে বের করে দেবে। সেই ইলেকট্রনের শক্তিও হবে আলোর কম্পাঙ্কের সমানুপাতিক। অন্যদিকে, আলোর তীব্রতা বাড়ালে প্রতি সেকেন্ডে ধাতুর ওপর এসে পড়া ফোটনের সংখ্যা বেড়ে যাবে। ফলে সেই সঙ্গে বেড়ে যাবে ধাতু থেকে বেরিয়ে আসা ইলেকট্রনের সংখ্যাও। তবে প্রতিটি ইলেকট্রনের গতিশক্তি থাকবে একই।

আলোর প্রকৃতি নিয়ে কয়েক শতাব্দীর পুরোনো ধারণাই যেন এক ধাক্কায় বদলে দেন আইনস্টাইন। তিনি দেখালেন, আলো শুধু তরঙ্গ নয়, বরং এটি আসলে কণার স্রোতও বটে। একই বছর, ১৯০৫ সালে, আইনস্টাইন আরও বেশ কিছু অসাধারণ কাজ করেন। পানিতে ভাসতে থাকা পরাগরেণুর ব্রাউনিয়ান গতি ব্যাখ্যা করে পরমাণুর অস্তিত্বের পক্ষে প্রমাণ দেন তিনি। এছাড়া প্রস্তাব করেন বিশেষ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব বা থিওরি অব রিলেটিভিটি। এই তত্ত্বে দেখানো হয় যে আলোর বেগ একটি ধ্রুবক—c। কোনো পর্যবেক্ষক যত দ্রুতই চলুক না কেন, তার কাছে আলোর বেগ সবসময় একই থাকবে। একই সঙ্গে তিনি ভর ও শক্তির সমতুল্যতার বিখ্যাত সমীকরণও খুঁজে পান। সেটিই পদার্থবিজ্ঞানের বিখ্যাত সমীকরণ E = mc2। তাই ১৯০৫ সাল আইনস্টাইনের মিরাকল ইয়ার বা অলৌকিক বছর নামে পরিচিতি পায়। বার্ন শহরের এক পেটেন্ট অফিসের সামান্য একজন কেরানির জন্য বছরটা মন্দ ছিল না! এর কিছুদিন আগেই পদোন্নতির আবেদন করে প্রত্যাখ্যাত হন তিনি।

কোয়ান্টাম কণার তরঙ্গ-কণা দ্বৈততার আবিষ্কারের আরেকটি মজার উদাহরণ পাওয়া যায় ইলেকট্রনের ক্ষেত্রে। ১৮৯৭ সালে ক্যাথোড রশ্মি নিয়ে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করছিলেন ব্রিটিশ পদার্থবিদ জে. জে. টমসন। ক্যাথোড রশ্মি হলো ঋণাত্মক চার্জযুক্ত একটি ইলেকট্রোড বা ক্যাথোড থেকে বেরিয়ে আসা ইলেকট্রনের স্রোত।

সে সময়ে ক্যাথোড-রে টিউব নিত্যনতুন উদ্ভাবিত হচ্ছিল। নানারকম পরীক্ষা-নিরীক্ষাও চলছিল ওই যন্ত্রটা নিয়ে। বলা যায়, সে যুগে বিজ্ঞানীদের ফ্যাশনের পরিণত হয়েছিল ক্যাথোড রে টিউব। ঘটনাটি ঘটেছিল মোটামুটি সেই সময়েই। এই টিউবে একটি ক্যাথোড থেকে ইলেকট্রনের স্রোত বের করে বায়ুশূন্য কাচের নলের মধ্য দিয়ে পাঠানো হয়। শেষ পর্যন্ত সেই ইলেকট্রন একটি ফস্ফরেসেন্ট পর্দায় ছুড়ে মারা হতো। সেটা সেখানে ছবি তৈরি করত।

তখনও কেউ জানত না, ক্যাথোড রশ্মি আসলে কী দিয়ে তৈরি। পদার্থবিদ টমসন দেখলেন, বাতাসের গ্যাস অণুর মধ্য দিয়ে ক্যাথোড রশ্মি যতটা দূর যাওয়ার কথা, তার চেয়ে অনেক বেশি দূর পর্যন্ত যেতে পারে। এত ছোট কণার ক্ষেত্রে এমনটা হওয়ার কথা নয়। এই অপ্রত্যাশিত ফল থেকেই তিনি আবিষ্কার করে ফেললেন পরমাণুর প্রথম উপ-পরমাণবিক কণা (ভুলভাবে অনেকে একে বলেন অতিপারমাণবিক কণা)।

টমসন দেখলেন, ক্যাথোড রশ্মিতে প্রবাহিত বিদ্যুৎ আসলে চার্জযুক্ত কণার একটি স্রোত। সেই কণাগুলো পরমাণুর চেয়ে এক হাজার ভাগেরও বেশি ছোট। টমসন এই ঋণাত্মক আধানযুক্ত উপ-পরমাণবিক কণাগুলোর নাম দেন করপাসল। কয়েক বছর পরে এই কণাগুলোই ইলেকট্রন নামে পরিচিত হয়। ইলেকট্রন যে আসলে এক ধরনের কণা—এটি আবিষ্কারের জন্য ১৯০৬ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার পান জে. জে. টমসন।

বিষয়টির মধ্যে এক অদ্ভুত পরিহাস রয়েছে! কারণ ১৯৩৭ সালে টমসনের ছেলে জর্জ পেজেট টমসন পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার পান। তাঁর পুরস্কার পাওয়ার কারণ ছিল—ইলেকট্রন আসলে তরঙ্গের মতোও আচরণ করে, তা আবিষ্কার করা। অর্থাৎ বাবার আবিষ্কারের ঠিক উল্টো কথাই প্রমাণ করে ছেলে নোবেল পুরস্কার পেলেন!

১৯২৭ সালে জর্জ দেখলেন, অ্যালুমিনিয়াম, সোনা ও প্লাটিনামের ধাতব পাতলা ফিল্মের মধ্য দিয়ে ইলেকট্রন পাঠালে তারা অন্য রকম আচরণ করে। এই ধাতুগুলোর পরমাণু ক্রিস্টালের মধ্যে একটি নিয়মিত পুনরাবৃত্ত বিন্যাসে সাজানো থাকে। সেই পাতলা স্তরের মধ্য দিয়ে যাওয়ার সময় ইলেকট্রনগুলো ঠিক তরঙ্গের মতো বিচ্ছুরিত বা বেঁকে ছড়িয়ে পড়ে।

আসলে বাবা ও ছেলে—দুজনেই সঠিক ছিলেন! কারণ এখন আমরা জানি, ইলেকট্রন একই সঙ্গে কণা এবং তরঙ্গ। তাঁরা শুধু ইলেকট্রনের স্বভাবের দুটি ভিন্ন দিক দেখেছিলেন। ভিন্ন ভৌত পরিস্থিতিতে কোয়ান্টাম বস্তু কণা বা তরঙ্গ—দুই রকম আচরণের যেকোনো একটি দেখায়। একদিকে তাদের কণার মতো স্বভাব আছে। তখন তারা আলাদা আলাদা শক্তির প্যাকেট হিসেবে শোষিত বা নির্গত হয়। অন্যদিকে তাদের তরঙ্গের মতো স্বভাবও আছে। তখন তারা কোনো বাধার চারপাশে বেঁকে ছড়িয়ে পড়তে পারে, কিংবা নিজের সঙ্গেই অথবা অন্য তরঙ্গের সঙ্গে ব্যতিচার ঘটাতে পারে।

জর্জের পরীক্ষাগুলো ফরাসি পদার্থবিদ লুই দ্য ব্রগলির একটি ধারণাকেও সমর্থন করেছিল। দ্য ব্রগলি বলেছিলেন, সব পদার্থেরই তরঙ্গের মতো বৈশিষ্ট্য রয়েছে। ১৯২৪ সালে নিজের পিএইচডি থিসিসে এই ওয়েভ-পার্টিকেল ডুয়ালিটি বা তরঙ্গ-কণা দ্বৈততার ধারণা প্রস্তাব করেন দ্য ব্রগলি। তাঁর উদ্দেশ্য ছিল একটি অদ্ভুত প্রশ্নের উত্তর খোঁজা—বোরের পরমাণুর মডেলে ইলেকট্রন কেন শুধু নির্দিষ্ট কিছু কক্ষপথেই থাকতে পারে? এর ব্যাখ্যায় দ্য ব্রগলি কল্পনা করলেন, পরমাণুর নিউক্লিয়াসকে ঘিরে ইলেকট্রন আসলে তরঙ্গের মতো কম্পিত হয়। অনেকটা টেনে ছেড়ে দেওয়া গিটারের তারের কম্পনের মতো।

এখানে একটা গুরুত্বপূর্ণ শর্ত আছে। ইলেকট্রন যে কক্ষপথে ঘুরছে, সেই কক্ষপথের পরিধি ইলেকট্রনের তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পূর্ণসংখ্যক গুণিতক হতে হবে। তাহলেই ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে প্রতিটি চক্কর দেওয়ার সময় তার তরঙ্গটি আগেরবারের চক্করের তরঙ্গের সঙ্গে মিলে যাবে নিখুঁতভাবে। অর্থাৎ দুই তরঙ্গ একে অন্যকে শক্তিশালী করবে। একে বলা হয় গঠনমূলক ব্যতিচার। ফলে ইলেকট্রনের তরঙ্গ টিকে থাকতে পারবে। একে অপরকে বাতিল করে দিয়ে অদৃশ্য হয়ে যাবে না।

এই ধারণাটাই ব্যাখ্যা করে, কেন একটি ইলেকট্রনের বোরের কক্ষপথ যেকোনো মানের হতে পারে না। কক্ষপথের পরিধির মধ্যে ইলেকট্রনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য অবশ্যই পূর্ণসংখ্যক বার ঠিকমতো বসতে হবে। তাই ইলেকট্রন কেবল নির্দিষ্ট কিছু কক্ষপথেই থাকতে পারে।