ক্রিস বারানিউক (বিবিসি থেকে অনুদিত);
বিশ্বের অন্যতম অত্যাধুনিক বৈজ্ঞানিক গবেষণার মহাবিশ্বের লুকানো রহস্য উন্মোচনের চেষ্টায় অতি-নিম্ন তাপমাত্রার দিকে ঝুঁকছে।
এটি বিশ্বের অন্যতম বিখ্যাত বৈজ্ঞানিক স্থাপনা – এবং এটি দারুণভাবে পরিবর্তন হতে চলেছে পরবর্তী ধাপে। ফ্রান্স ও সুইজারল্যান্ডের সীমান্তে মাটির নিচে অবস্থিত লার্জ হ্যাড্রন কোলাইডার (এলএইচসি) ব্যবহার করে পদার্থবিজ্ঞানীরা আমাদের মহাবিশ্ব গঠনকারী ক্ষুদ্র কণাগুলোর রহস্য উন্মোচন করেন। এলএইচসি এই কণাগুলোর কয়েকটিকে একে অপরের সাথে সংঘর্ষ ঘটিয়ে এবং সংঘর্ষের ফলে কী ঘটে তা পর্যবেক্ষণ করে।
২০৩০-এর দশকের মধ্যে, ইউরোপীয় পারমাণবিক গবেষণা সংস্থা (সার্ন) দ্বারা নির্মিত এলএইচসি এই ধরনের আরও অনেক সংঘর্ষ ঘটাবে। এর উদ্দেশ্য হলো, এই সংঘর্ষগুলোর ফলে সৃষ্ট উপপারমাণবিক কণাগুলোর আরও নির্ভুল পরিমাপ গ্রহণ করা। সার্নের অ্যাটলাস পরীক্ষার কারিগরি সমন্বয়কারী মার্টিন আলেক্সা বলেন, “যদি কোনো পরিমাপ পদার্থবিজ্ঞানের তথাকথিত স্ট্যান্ডার্ড মডেল দ্বারা সংজ্ঞায়িত মান থেকে কখনো বিচ্যুত হয়, তাহলে আমরা বুঝতে পারব যে এখানে নিশ্চয়ই পদার্থবিজ্ঞানের নতুন কোন অধ্যায় রয়েছে।” তিনি আরও বলেন, “এটাই এলএইচসি-র প্রধান লক্ষ্য।”
কিন্তু, আশ্চর্যজনকভাবে, পদার্থের সূক্ষ্ম জটিলতা অনুসন্ধানকারী এই অগ্রণী গবেষণাটি অন্তত আংশিকভাবে এমন প্রযুক্তির উপর নির্ভর করে যা সুপারমার্কেটের ফ্রিজেও ব্যবহৃত হয়। অনেক বিজ্ঞানীর কাছে নিম্ন তাপমাত্রা অত্যন্ত মূল্যবান। উদাহরণস্বরূপ, শীতল পরীক্ষা-নিরীক্ষার মাধ্যমে উপপারমাণবিক কণার গতি কমানো যায় বা পদার্থকে এমনভাবে স্থিতিশীল করা যায়, যা সেগুলোকে অধ্যয়নের জন্য আরও সহজ করে তোলে। বিজ্ঞান যখন শীতল হয়, তখন এমনই ঘটে।
“আমরা এই হিট এক্সচেঞ্জার নিয়ে প্রযুক্তির অন্যতম শীর্ষস্থানীয় হতে চাই, তাই আমরা সার্নের সাথে যৌথভাবে এর উন্নয়ন শুরু করেছি,” বলেন হিট এক্সচেঞ্জার প্রস্তুতকারক সংস্থা সোয়েপের প্রধান বিজনেস ইঞ্জিনিয়ার স্টেফান ব্রোম। উদাহরণস্বরূপ, এই যন্ত্রগুলো এক তরল থেকে অন্য তরলে তাপ স্থানান্তর করে। ফ্রিজ, হিট পাম্প, গাড়ি এবং এমনকি বিমানের ইঞ্জিনেও তাপ স্থানান্তরের জন্য বিভিন্ন ধরনের হিট এক্সচেঞ্জার ব্যবহৃত হয়। আলেক্সা ব্যাখ্যা করেন, এক্ষেত্রে, এলএইচসি আপগ্রেড শেষ হয়ে গেলে, সোয়েপের হিট এক্সচেঞ্জারগুলো বিকিরণজনিত ইলেকট্রনিক্স নয়েজ কমানোর প্রচেষ্টায় এলএইচসি-র অ্যাটলাস এক্সপেরিমেন্টের অংশবিশেষকে -৪৫° সেলসিয়াস (-৪৯° ফারেনহাইট) পর্যন্ত ঠান্ডা করতে সাহায্য করবে।
LHC আপগ্রেডের জন্য সোয়েপ (Swep) যে নির্দিষ্ট হিট এক্সচেঞ্জারটি তৈরি করেছে, তা রেফ্রিজারেন্ট হিসেবে কার্বন ডাইঅক্সাইড ব্যবহারের সুযোগ করে দেয়। যদিও কার্বন ডাইঅক্সাইড একটি গ্রিনহাউস গ্যাস, তবে এটি পূর্ববর্তী সিস্টেমে ব্যবহৃত রেফ্রিজারেন্টের তুলনায় অনেক কম শক্তিশালী, তাই এই পরিবর্তনটি টেকসইতার দিক থেকে একটি উন্নতি। LHC-এর অন্যান্য অংশে অ্যাটলাসের চেয়ে অনেক কম তাপমাত্রার প্রয়োজন হয়। সার্নের (CERN) জন্য নতুন হিট এক্সচেঞ্জারটি তৈরি করার পর সোয়েপ জানায় যে, এই একই যন্ত্রের শিল্প ও বাণিজ্যিক শীতলীকরণেও প্রয়োগ রয়েছে – যেমন সুপারমার্কেটের চিল ক্যাবিনেটে। ব্রোম বলেন, “এটি অন্যান্য সিস্টেমের জন্য নতুন সম্ভাবনার দ্বার উন্মোচন করে।” জলবায়ুর জন্য কম ক্ষতিকর রেফ্রিজারেন্টের দিকে সাধারণ প্রবণতার অংশ হিসেবে বিভিন্ন অন্যান্য কোম্পানিও আলাদাভাবে তাদের নিজস্ব কার্বন ডাইঅক্সাইড হিট এক্সচেঞ্জার প্রযুক্তি তৈরি করেছে।
যুক্তরাজ্যের সাউদাম্পটন বিশ্ববিদ্যালয়ের ইঞ্জিনিয়ারিং অ্যান্ড ফিজিক্যাল সায়েন্সেস বিভাগের ক্রায়োজেনিক্স ইনস্টিটিউটের পরিচালক ইফেং ইয়াং বলেন যে, এলএইচসি-র কিছু শীতলীকরণ সরঞ্জামসহ অনেক ফ্রিজই বাষ্প সংকোচন চক্র ব্যবহার করে। এই প্রক্রিয়ায় একটি হিমায়ক তাপ শোষণ করে এবং তারপর সংকুচিত হয়, যা এর চাপ ও তাপমাত্রা বাড়িয়ে দেয়, যাতে তাপ অন্যত্র স্থানান্তরিত হতে পারে। এই প্রক্রিয়াটি বারবার করার মাধ্যমে একটি ঘর—কিংবা একটি বিশাল গবেষণাকে—ঠান্ডা করা যায়।
কিন্তু এলএইচসি-র অন্যান্য অংশে অ্যাটলাসের চেয়ে অনেক কম তাপমাত্রার প্রয়োজন হয় – কোলাইডারের এই অঞ্চলগুলো পৃথিবীর শীতলতম স্থানগুলোর মধ্যে অন্যতম। উদাহরণস্বরূপ, স্থাপনা জুড়ে ছড়িয়ে থাকা ১,০০০-এরও বেশি ইলেক্ট্রোম্যাগনেটকে বিস্ময়করভাবে কম ১.৯ কেলভিন (-২৭১°সে/-৪৫৬°ফা) তাপমাত্রায় শীতল করা হয়। ১০ কেলভিনের (-২৬৩°সে/-৪৪১°ফা) নিচে, এলএইচসি-র ইলেক্ট্রোম্যাগনেটগুলোর কেন্দ্রে থাকা নাইওবিয়াম-টাইটানিয়াম তারের কয়েলগুলো সুপারকন্ডাক্টরে পরিণত হয় – যার অর্থ হলো, এগুলো কোনো প্রতিরোধ ছাড়াই নিজেদের মধ্য দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হতে দেয়। এটি নিশ্চিত করে যে কয়েলগুলো অতিরিক্ত গরম না হয়ে যায়।
এই ধরনের তাপমাত্রা অর্জন করতে কয়েক সপ্তাহ সময় লাগে এবং এর জন্য তরল হিলিয়ামকে বিভিন্ন ধাপে ধীরে ধীরে ঠান্ডা করে ১.৯ কেলভিন (-২৭১° সেলসিয়াস/-৪৫৬° ফারেনহাইট) এর লক্ষ্যমাত্রার তাপমাত্রায় আনা হয়। এই তাপমাত্রা এমনকি বুমেরাং নেবুলার চেয়েও শীতল, যা মহাবিশ্বের সবচেয়ে শীতলতম প্রাকৃতিক স্থান হিসেবে পরিচিত। বিজ্ঞানীরা অতি নিম্ন তাপমাত্রায় পৌঁছানোর জন্য হিলিয়ামের উপর নির্ভরশীল একটি প্রধান প্রযুক্তি ব্যবহার করেন, যার নাম ডাইলুশন রেফ্রিজারেশন। এতে হিলিয়ামের দুটি আইসোটোপ ব্যবহৃত হয়: হিলিয়াম-৪ এবং হিলিয়াম-৩ – এই সংখ্যাগুলো প্রতিটি পরমাণুর নিউক্লিয়াসে থাকা প্রোটন এবং নিউট্রনের সংখ্যা নির্দেশ করে। হিলিয়াম-৪ পার্টির বেলুনে ব্যবহৃত হয়, অন্যদিকে হিলিয়াম-৩ বিশ্বের অন্যতম ব্যয়বহুল পদার্থ। যুক্তরাজ্যের ল্যাঙ্কাস্টার বিশ্ববিদ্যালয়ের নিম্ন তাপমাত্রা পদার্থবিজ্ঞানের অধ্যাপক রিচার্ড হ্যালি বলেন, এর দাম ওঠানামা করে, তবে এক লিটার হিলিয়ামের দাম হাজার হাজার পাউন্ড হতে পারে।
নিম্ন তাপমাত্রার কারণে হিলিয়াম-৩ মূলত হিলিয়াম-৪ থেকে আলাদা হয়ে যায় এবং তার উপরে ভেসে ওঠে, অনেকটা জলের উপর তেলের মতো। এরপর যখন কিছু হিলিয়াম-৩ পরমাণুকে নিচের দিকে পাম্প করে মূলত হিলিয়াম-৪ পরমাণু থাকা অঞ্চলে পাঠানো হয়, তখন এই প্রক্রিয়ায় তারা তাপ শোষণ করে, যার ফলে একটি গভীর শীতলীকরণ প্রভাব সৃষ্টি হয়। হ্যালি বলেন, এটি অনেকটা “উল্টো বাষ্পীভবন”-এর মতো – যা এক কাপ কফি থেকে তরল জলের অণু বাষ্পে পরিণত হয়ে উপরে উঠে আসার ঘটনার এক ধরনের বিপরীত সংস্করণ। সেই জলের বাষ্পীভবনের জন্য শক্তির প্রয়োজন হয়, আর একারণেই এই প্রক্রিয়াটি ধীরে ধীরে পানীয়টিকে ঠান্ডা করে।
“যদি আপনি কোনো কিছুকে এমন তাপমাত্রায় ঠান্ডা করেন যেখানে এটি আগে কখনো ছিল না, তাহলে এটি আকর্ষণীয় কিছু করতে পারে”– রিচার্ড হ্যালি। তবে, আপনার কফির মতো নয়, ডাইলুশন রেফ্রিজারেশন অবিশ্বাস্যভাবে নিম্ন তাপমাত্রায় পৌঁছাতে পারে, এমনকি ৫-১০ মিলিকেলভিন পর্যন্ত। হ্যালি বলেন, অতি-নিম্ন তাপমাত্রার পদার্থবিদ্যা একটি “অগ্রবর্তী ক্ষেত্র”। “যদি আপনি কোনো কিছুকে এমন তাপমাত্রায় ঠান্ডা করেন যেখানে এটি আগে কখনো ছিল না, তাহলে এটি আকর্ষণীয় কিছু করতে পারে।” বিজ্ঞানীরা এমনকি নিম্ন তাপমাত্রা ব্যবহার করে আলোর গতিকে তার স্বাভাবিক গতি ১.০৮ বিলিয়ন কিমি/ঘণ্টা থেকে কমিয়ে মাত্র ৬১ কিমি/ঘণ্টায় নামিয়ে এনেছেন – যেখানে এটি একটি ব্রিটিশ মোটরওয়েতে গতিসীমা মেনে চলা গাড়ির চেয়েও অনেক পিছিয়ে থাকবে।
উদাহরণস্বরূপ, কিছু বিজ্ঞানী বিগ ব্যাং-এর পরবর্তী সময়ে মহাবিশ্ব কীভাবে আচরণ করতে পারতো, তা অধ্যয়ন করার জন্য অতি-নিম্ন তাপমাত্রার ব্যবস্থা ব্যবহার করেন। এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটারের জন্যও ডাইলুশন ফ্রিজ অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। হ্যালি ব্যাখ্যা করেন, কোয়ান্টাম কম্পিউটারের ছবিতে মাঝে মাঝে যে বড়, সোনালি ঝাড়বাতির মতো যন্ত্রগুলো দেখা যায়, সেগুলোই হলো ডাইলুশন ফ্রিজ যা কোয়ান্টাম কম্পিউটিংকে সম্ভব করে তোলে। এই অতি-নিম্ন তাপমাত্রা প্রয়োজন, কারণ তাপ কোয়ান্টাম বিট বা কিউবিটে ত্রুটি সৃষ্টি করে। কিউবিট হলো তথ্যের এমন একক যা একই সাথে একাধিক অবস্থানে থাকতে পারে এবং এটি কোয়ান্টাম কম্পিউটিংয়ের জন্য অপরিহার্য।
এর অন্যান্য প্রকৌশলগত প্রয়োগও রয়েছে। বছরের পর বছর ধরে কম্পিউটার চিপগুলো আরও ছোট থেকে ছোট হয়েছে, কিন্তু এর ফলে সেগুলোর ছবি তোলা আরও কঠিন হয়ে পড়েছে। বিশ্লেষণ বা গুণমান নিয়ন্ত্রণের উদ্দেশ্যে সেমিকন্ডাক্টরের স্পষ্ট ছবি তোলার জন্য সেগুলোকে সর্বনিম্ন তিন কেলভিন পর্যন্ত ঠান্ডা করা সম্ভব। বিভিন্ন ধরনের প্রয়োগের জন্য ক্রায়োজেনিক কুলিং সরঞ্জাম প্রস্তুতকারী সংস্থা অ্যাডভান্সড রিসার্চ সিস্টেমস-এর বিক্রয় প্রকৌশলী ডিলান কওম্যান বলেন, “আপনি একটি ছোট এলাকা দেখছেন, কিন্তু সেটি যদি উষ্ণ থাকে এবং সামান্য পরিমাণেও প্রসারিত বা সংকুচিত হয়, তবে তা আপনাকে ততটা স্পষ্ট ছবি দেবে না।”
সুতরাং, আপনি যদি কখনও কোনো কিছুকে সময়ে স্থির করে রাখার একটি উপায় হিসেবে ছবি তোলার কথা ভেবে থাকেন, তাহলে বলতে পারেন, এর চেয়ে চরম সংস্করণ আপনি আর কখনও শুনবেন না।