স্পিন কোয়ান্টাম কণার এক অদ্ভুত বৈশিষ্ট্য। অনেকটা ভুল পথে স্পিনের ধারণা পদার্থবিজ্ঞানে এসেছিল। সে ভুল শোধরাতেও দেরি হয়নি। কিন্তু স্পিনের ধারণা ছেটে ফেলা যায়নি শেষ পর্যন্ত। অন্যভাবে টিকে রইল কণিকার স্পিন।
প্রাচীনকাল থেকেই চুম্বকের অদ্ভুত বৈশিষ্ট্যগুলো মানুষকে বিস্মিত করেছে। চুম্বকের বিশেষ দুটি বৈশিষ্ট্য হলো দিকদর্শী ধর্ম ও আকর্ষণী ধর্ম। কোনো চুম্বককে সুতা দিয়ে মুক্তভাবে ঝুলিয়ে দিলে তা সর্বদা উত্তর ও দক্ষিণ দিকে মুখ করে থাকে। এর নামই দিকদর্শিতা। কোনো চুম্বককে অন্য আরেকটি চুম্বক বা চৌম্বক পদার্থের কাছে নিয়ে এলে একধরনের বল অনুভব করে দুটি চুম্বকই। এই বলের প্রকৃতি আকর্ষণধর্মী বা বিকর্ষণদমী দুই রকমই হতে পারে। আপাতদৃষ্টে এভাবে বল অনুভূত হওয়ার কোনো কারণ খুঁজে পাওয়া যায় না। তাই যে কারও মনে হতেই পারে যে একরকম শূন্য থেকে এগুলোর আবির্ভাব।
১
দীর্ঘ সময় অন্ধকারে থাকার পর বিজ্ঞানীরা চুম্বক বলের উৎস খুঁজে পেতে সক্ষম হয়েছেন। মূলত চৌম্বকক্ষেত্র থেকেই এগুলোর উৎপত্তি। চৌম্বকক্ষেত্র হলো চুম্বকের চারদিকে ছড়িয়ে থাকা একটি বিশেষ এলাকা, যার মধ্যে ক্রিয়াশীল থাকে অদৃশ্য চুম্বক বল। চৌম্বকক্ষেত্রকে নির্দেশ করা হয় বলরেখার মাধ্যমে। ধরুন, কোনো টেবিলের ওপরে কাগজ রাখা আছে। এর ঠিক মাঝখানে রাখা আছে একটি দণ্ড চুম্বক। এবার সেই কাগজের ওপর কিছু লোহার গুঁড়া ছড়িয়ে দিন। তারপর কাগজটিকে টোকা দিন ধীরে ধীরে। তাহলে দেখা যাবে, লোহার গুঁড়াগুলো দণ্ড চুম্বকের চারদিকে কতকগুলো বক্র রেখা তৈরি করেছে। চুম্বকের এক মেরু থেকে অন্য মেরু পর্যন্ত। এসব বক্ররেখার নামই বলরেখা। এগুলো কখনোই একে অপরকে ছেদ করে না এবং পরস্পরকে বিকর্ষণ করে। যেসব স্থানে বলরেখার ঘনত্ব যত বেশি, সেখানে চৌম্বকক্ষেত্র তত বেশি শক্তিশালী।
কীভাবে এই চৌম্বকক্ষেত্রের আবির্ভাব ঘটে? প্রায় দেড় শ বছর আগে বিখ্যাত স্কটিশ পদার্থবিদ জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল এর উত্তর দেন। তিনি দেখান, গতিশীল চার্জিত কণার মাধ্যমে উৎপন্ন হয় এসব বলরেখা। তিনি বলেন, যদি চার্জিত কণার ত্বরণ ঘটে, তাহলে পাওয়া যায় পরিবর্তনশীল বিদ্যুৎ-চৌম্বকক্ষেত্র। অর্থাৎ তখন উৎপন্ন হয় বিদ্যুৎ-চৌম্বকীয় বিকিরণ। আমরা জানি, বেগ একটি ভেক্টর রাশি। তাই মান অথবা দিক–এর যেকোনো একটি বা দুটির পরিবর্তন হলেই বেগের পরিবর্তন হয়। আর বেগের পরিবর্তন মানেই ত্বরণ। তাই কোনো গতিশীল চার্জিত কণা দিক পরিবর্তন করলেই সেটির ত্বরণ ঘটে। আর তখন উৎপন্ন হয় বিদ্যুৎ-চৌম্বকীয় বিকিরণ। যতক্ষণ পর্যন্ত কণাটি ত্বরিত হয়, ততক্ষণ পর্যন্ত পাওয়া যায় এগুলো।
এবার পরমাণুর গভীরে প্রবেশ করা যাক। চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞান বলে, পরমাণুর নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে ঘুরতে থাকে ঋণাত্মক চার্জযুক্ত ইলেকট্রন। অর্থাৎ ম্যাক্সওয়েলের নীতি অনুযায়ী এগুলো উৎপাদন করে বিদ্যুৎ-চৌম্বকক্ষেত্র। ফলে গোটা পরমাণু একটি ক্ষুদ্র চুম্বকের মতো আচরণ করে। প্রকৃতির সবকিছুই তৈরি হয় পরমাণু দিয়ে। আর সব পরমাণুতেই থাকে ঘূর্ণমান ইলেকট্রন। তাহলে সব পরমাণুই একেকটি ক্ষুদ্র চুম্বক। অর্থাৎ যেকোনো বস্তুই অসংখ্য ক্ষুদ্র চুম্বকের সমন্বয়ে তৈরি। কিন্তু মজার বিষয় হলো, চুম্বক এবং চৌম্বক পদার্থ ছাড়া অন্য কোনো বস্তুই চুম্বকের মতো আচরণ করে না। অর্থাৎ অসংখ্য ক্ষুদ্র চুম্বক মিলে একটি বড় চুম্বক তৈরি না-ও করতে পারে। কী ব্যাখ্যা এই অদ্ভুত ঘটনার?
ঘটনাটির মূলে রয়েছে চৌম্বকক্ষেত্রের অভিমুখ৷ পরমাণুগুলো থেকে পাওয়া চৌম্বকক্ষেত্রের অভিমুখ আলাদা হতে পারে। অর্থাৎ এগুলো একেক দিকে মুখ করে থাকতে পারে। ফলে এগুলো একটি অপরটিকে নাকচ করে দিতে পারে। যেসব বস্তু পরিপূর্ণভাবে চৌম্বক ধর্ম প্রদর্শন করে, সেগুলোর মধ্যে ক্ষুদ্র চুম্বকক্ষেত্রগুলো মোটামুটি একই অভিমুখে থাকে। ফলে সামগ্রিকভাবে পাওয়া যায় একটি লব্ধি চৌম্বকক্ষেত্র। অভিমুখ ভিন্ন হলে লব্ধির মান হয় শূন্য। এতে করে অসংখ্য ক্ষুদ্র চুম্বকের সমন্বয়ে গঠিত হলেও বস্তুটি সামগ্রিকভাবে চৌম্বকত্বহীন হয়।
২
ঠিক মনে হচ্ছিল, চৌম্বকক্ষেত্রের রহস্যের একটি কূলকিনারা হয়েছে, তখনই আবির্ভাব হয় নতুন সমস্যার।
আমরা আগেই বলেছি, পরমাণুর নিউক্লিয়াসের ঘূর্ণমান ইলেকট্রন থেকে উৎপন্ন হয় চৌম্বকক্ষেত্র। কিন্তু বিজ্ঞানীরা হিসাব-নিকাশ করে নিশ্চিত হন, যে পথ ধরে ইলেকট্রনগুলো ঘুরলে চৌম্বকক্ষেত্র পাওয়া যায়, সেই পথে ঘোরা এগুলোর জন্য প্রায় অসম্ভব। যেকোনো বস্তুতে পাশাপাশি থাকা অসংখ্য পরমাণু একে অপরের ওপর প্রভাব বিস্তার করে। ফলে প্রভাবিত হয় ইলেকট্রনগুলোর কক্ষপথ। তাই কোনোভাবেই ক্রমাগত চৌম্বকক্ষেত্র তৈরির জন্য প্রয়োজনীয় কক্ষপথে চলাচল করা সম্ভব নয়। তাহলে চৌম্বকক্ষেত্র উৎপন্ন হচ্ছে কীভাবে?
এ সমস্যার মধ্যেই বিজ্ঞানীরা আরেকটি অদ্ভুতুড়ে বিষয়ের হদিস পেলেন। যদি কোনো পরমাণুতে থাকা ইলেকট্রনগুলো কক্ষপথে থাকা ইলেকট্রনের দিক পরিবর্তন না করে অথবা ইলেকট্রনগুলো যদি নিজের জায়গা থেকে একচুল না-ও নড়ে, তবু এগুলো চুম্বকের মতো আচরণ করে। অর্থাৎ চৌম্বকক্ষেত্র উৎপন্ন করে। এটা ম্যাক্সওয়েলের তত্ত্বের সরাসরি লঙ্ঘন! এর ব্যাখ্যা বিজ্ঞানীদের কাছে তখন ছিল না।
এবার সমস্যার সমাধানে বিজ্ঞানীরা হাত বাড়ান সৌরজগতের দিকে। আমরা জানি, সৌরজগতের গ্রহগুলো সূর্যের চারদিকে উপবৃত্তাকার কক্ষপথে পরিভ্রমণ করে। একই সঙ্গে তারা ভিন্ন ভিন্ন গতিতে নিজের অক্ষের ওপরও ঘুরপাক খায়। কোনো কোনো পদার্থবিদ চৌম্বকক্ষেত্রের সমস্যা সমাধানে ঠিক এই বিষয়কেই কাজে লাগান। তাঁরা ইলেকট্রনগুলোকে অতি ক্ষুদ্র বলের মতো কল্পনা করে নিলেন। এগুলো একই সঙ্গে নিউক্লিয়াসের চারপাশে কক্ষপথে এবং নিজের অক্ষের ওপরও লাটিমের মতো করে ঘুরপাক খায় বলেও মনে করলেন বিজ্ঞানীরা। সুতরাং ঘূর্ণনশীল ইলেকট্রনের পক্ষে অবস্থান একচুলও পরিবর্তন না করেও ক্রমাগত চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি করা সম্ভব। পাশাপাশি এতে অটুট থাকে ম্যাক্সওয়েলের তত্ত্বও। এভাবে নিজ অক্ষের ওপর ইলেকট্রনের ঘূর্ণনের নাম দেওয়া হয় ইলেকট্রন স্পিন।
জার্মান পদার্থবিদ রালফ কোনিগ তাঁর থিসিসে প্রথম স্পিনের এই প্রস্তাব দেন। আপাতদৃষ্টে তত্ত্বকে অনেক যৌক্তিক মনে হয়, আসলে এটা পুরোপুরি ভুল ছিল। কারণ, ইলেকট্রনের পক্ষে নিজের অক্ষের ওপর লাটিমের মতো করে ঘোরা সম্ভব নয়। যদি আসলেই এটি ঘুরত, তাহলে প্রয়োজনীয়। চৌম্বকক্ষেত্র উৎপাদন করার জন্য এর আকার হতে হতো বিশাল। একটি ইলেকট্রনের আকার গোটা পরমাণুর চেয়ে বড় না হলে সেটা সম্ভব ছিল না। আবার আকার যদি অতটা বড়ই হতো, তাহলে ইলেকট্রনের নিজ অক্ষের ওপর ঘূর্ণনের বেগ হতো আলোর চেয়ে বেশি। সেটি হতো আইনষ্টাইনের আপেক্ষিকতা তত্ত্বের সরাসরি লঙ্ঘন।
ক্রোনিগের এ প্রস্তাব শোনার পর অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ উলফগ্যাং পাউলি বেশ কড়া ভাষায় সমালোচনা করেন। তাই ক্রোনিগ থিসিসটি প্রকাশ না করার সিদ্ধান্ত নেন। তবে তত্ত্বটি এতটাই আকর্ষণীয় ছিল যে লাটিমের মতো ঘূর্ণনশীল ইলেকট্রনের প্রতিচ্ছবি বিভিন্ন প্রজন্মের পদার্থবিদদের মাথায় বেশ ভালোভাবেই গেঁথে যায়। এমনকি এখনো পদার্থবিজ্ঞানের বিভিন্ন বইয়ে সহজে স্পিন বোঝানোর জন্য লাটিমের মতো ঘূর্ণনের ব্যাপারটা শেখানো হয়।
৩
কোয়ান্টাম মেকানিকস বলে, ইলেকট্রন আকারহীন বিন্দুর মতো। তাই অক্ষের ওপর ঘূর্ণন সম্ভব নয়। এগুলো পরমাণুর রাদারফোর্ডের চিরায়ত মডেল এমনকি বোরের মডেলও মানে না। অর্থাৎ সৌরজগতের গ্রহের মতো নিউক্লিয়াসের চারদিকেও এগুলো ঘোরে না। নিউক্লিয়াসের চারদিকে কতকগুলো অনুমোদিত ও নির্দিষ্ট এলাকাজুড়ে এগুলোর অবস্থান, যা কিনা ইলেকট্রন মেঘ হিসেবে পরিচিত। সেই মেঘের ঠিক কোথায় ইলেকট্রনের প্রকৃত অবস্থান, তা-ও কখনো শতভাগ নিশ্চিত করে বলা সম্ভব নয়। সম্ভাব্যতা জানা সম্ভব কেবল। ইলেকট্রনকে ঠিক কণা যেমন বলা যাবে না, তেমনি তরঙ্গও বলা যাবে না। তবে এগুলো প্রয়োজন অনুসারে দুভাবেই আচরণ করতে পারে। এই যদি হয় অবস্থা, তাহলে স্পিন আসলে কী?
বর্তমানে বিজ্ঞানীরা স্পিনকে সম্পূর্ণ কোয়ান্টাম মেকানিক্যাল কনসেপ্ট হিসেবে বিবেচনা করেন, যাকে চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞান দিয়ে ব্যাখ্যা করা যায় না। এমনকি উপমাও দেওয়া যায় না। মেলানো যায় না দৈনন্দিন জীবনের কোনো কিছুর সঙ্গে। এটি মৌলিক কণাগুলোর বৈশিষ্ট্যসূচক ধর্ম। চার্জ যেমন একটি মৌলিক ধর্ম, ঠিক তেমনি স্পিনও একটি সহজাত মৌলিক ধর্ম। একে সংজ্ঞায়িত করা হয় এর কাজ দ্বারা। স্পিন হলো এমন একটি ধর্ম, যার মাধ্যমে কোনো কণা ঘূর্ণন ছাড়াই চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি করতে পারে, অর্থাৎ ক্ষুদ্র চুম্বকের মতো আচরণ করতে পারে। শুনতে যতই অদ্ভুত মনে হোক না কেন, কোয়ান্টাম মেকানিকস অনুসারে স্পিনের ধারণা ঠিক এমনই। হয়তো একদিন স্পিনের রহস্য বিজ্ঞানীদের কাছে পুরোপুরি উন্মোচিত হবে। আপাতত আমরা সেই অপেক্ষায় থাকি।
তথ্য - বিজ্ঞানচিন্তা
