या शतकाच्या आरंभी भौतिकीमध्ये दोन क्रांतिकारी शोध लागले. आइन्स्टाइनप्रणीत सापेक्षता-सिद्धान्ताने निरपेक्ष अवकाश, काल आणि गती याविषयीच्या जुन्या कल्पनांना तिलांजली दिली. या सिद्धान्ताने न्यूटोनीय यांत्रिकीमुळे भक्कम पायावर प्रस्थापित झालेल्या कार्यकारणभावाच्या आणि नियतिवाद (causality and determinism) या तत्त्वांना मुळीच धक्का पोहोचला नाही. परंतु क्वांटम यांत्रिकीने मात्र या तत्त्वांना प्रचंड हादरा दिला. आधुनिक भौतिकीचा आधार अनिश्चितता तत्त्व आहे ही कल्पना विसाव्या शतकातील अनेक तत्त्ववेत्त्यांना बुचकळ्यात पाडणारी आहे.
कण आणि तरंग : एक द्वैत
अभिजात (classical) भौतिकीमध्ये प्रकाश अथवा सर्व प्रकारचे प्रारण (radiation) हे तरंगस्वरूपी मानण्यात येते, कारण या संकल्पनेने व्यवहारात आढळणाऱ्या सर्व घटनांचे स्पष्टीकरण देता येते. काही बाबतीत ही संकल्पना लागू पडत नाही. बोलपटात ध्वनीचे अभिलेखन करतात; ध्वनीच्या पुनरुत्पादनाच्या वेळी प्रकाश-विद्युत्-घट (photoelectric cell) वापरतात. या घटाच्या पृष्ठभागावर प्रकाश पडला की त्यावरून इलेक्ट्रॉन बाहेर पडतात. येथे प्रारणाचे आचरण कणासारखे होते. या घटनेचे गणिताद्वारे स्पष्टीकरण दिल्याबद्दल आइन्स्टाइनला नोबेल पारितोषिक मिळाले. वर निर्देशित प्रकाश-विद्युत् परिणामातच केवळ नव्हे, तर प्रारण आणि अणू अथवा रेणू यांची जेथे जेथे अन्योन्य क्रिया (interaction) होते तेथे तेथे प्रारण कणरूपी आहे असे मानावे लागते. प्रारण कणाला फोटॉन हे नाव आहे.
१९२३ साली लुइ डी ब्रॉग्ली या शास्त्रज्ञाने अशी संकल्पना मांडली की तरंगस्वरूपी प्रकाश जर कणाप्रमाणे वागू शकतो तर वस्तुकण तरंगाप्रमाणे वागू शकले पाहिजेत. त्याने गणिताद्वारे या दोन घटनांमधील साम्य दाखवून ही संकल्पना स्पष्ट केली. इलेक्ट्रॉन हे कणांसारखे आचरण करतात हे पूर्वी प्रस्थापित झालेच होते. १९२७ मध्ये इलेक्ट्रॉन तरंगांप्रमाणे आचरण करतात याचा प्रायोगिक पडताळा मिळाला. अशा प्रकारे कणस्वरूपी मानले गेलेले इलेक्ट्रॉन प्रसंगी तरंगासारखे वागतात याला भक्कम पाया मिळाला आणि या संकल्पनेचा भराभर विकास होत गेला. या ज्ञानशाखेला क्वांटम यांत्रिकी म्हणतात. अभिजात (classical) भौतिकीद्वारे न समजू शकणार्‍या अनेक घटनांचा उलगडा क्वांटम यांत्रिकीने केला, एवढेच नव्हे तर अशा अनेक घटनांचे भाकित केले की ज्यांचा नंतरच्या काळात प्रायोगिक पुरावा मिळाला. या सर्वांवरून क्वांटम यांत्रिकी हा केवळ बौद्धिक खेळ नसून त्याला प्रत्यक्ष प्रमाणाचे अधिष्ठान आहे हे प्रत्ययास आले.
इलेक्ट्रॉनची शलाका सोन्याच्या वर्खामधून पाठविली आणि ती प्रकाशचित्रपट्टीवर पडू दिली तर वर्तुळाकार कडी मिळतात. याचे स्पष्टीकरण इलेक्ट्रॉन तरंगासारखे आचरण करतात या संकल्पनेनेच होऊ शकते. परंतु एकच इलेक्ट्रॉन जर वर्खामधून पलीकडे गेला तर तो पट्टीवर कोठे जाऊन पडेल हे निश्चितपणे सांगता येत नाही. फार झाले तर तो कोणत्या ठिकाणी पोहोचेल याची संभाव्यता सांगता येईल.
हे तरंग कशाचे हा प्रश्न साहजिकच उद्भवतो. या प्रश्नाचे मॅक्स बॉर्नप्रणीत उत्तर म्हणजे या तरंगांच्या साह्याने इलेक्ट्रॉन कोणत्या स्थानी असेल याची संभाव्यता काढता येते; त्या वस्तुकणाचा मार्ग कसा राहील याविषयी खात्रीपूर्वक सांगता येत नाही. हा मार्ग स्पष्ट रेषेने दर्शविता येत नाही, तर तो पसरट पट्ट्याने दाखवावा लागेल.
हायजेनबर्गचे अनिश्चिति तत्त्व
क्वांटम यांत्रिकीच्या समुद्रमंथनातून एक आणखी धक्कादायक तत्त्व बाहेर पडले. अभिजात भौतिकीमधील तत्त्वानुसार एखाद्या कणाचे स्थान आणि संवेग (momentum) (संवेग = वस्तुमान (mass) x वेग (velocity)) एवढी माहिती मिळाली की त्या कणाचे भवितव्य निश्चितपणे सांगता येते. दुसर्‍या एखाद्या कणाशी टक्कर होऊन पहिल्या कणाचा मार्ग बदलला तरी दोन्ही कणांची स्थाने आणि संवेग माहीत असल्यामुळे आघातामुळे बदललेल्या मार्गाचे निश्चयन करता येते. अभिजात भौतिकीअनुसार कणाचे स्थान आणि त्याचा संवेग अचूकपणे निश्चित करता येतात.
क्वांटम यांत्रिकीमध्ये सूक्ष्म जगातील (micro-world) कणांचे स्थान आणि संवेग कशा रीतीने निश्चित करता येऊ शकतात त्या प्रयोगाचे विश्लेषण करण्यात आले. त्यावरून असे आढळले की कणाचे स्थान अचूकपणे निश्चित करण्याचा प्रयत्न केला की संवेग निश्चित करता येत नाही; तसेच संवेग अचूकपणे निश्चित करण्याच्या प्रयोगात कणाचे स्थान निश्चित करता येत नाही. कणाचे स्थान आणि संवेग यापैकी एक जेवढ्या अचूकपणे निश्चित करण्याचा प्रयत्न होईल तेवढ्याच प्रमाणात दुसरी राशी जास्त अनिश्चित होते.
(स्थानाची अनिश्चिती) x (संवेगाची अनिश्चिती) ≥ (प्लँक स्थिरांक). प्लँक स्थिरांक अतिशय लहान असल्यामुळे नेहमीच्या व्यवहारात या अनिश्चिततेचा परिणाम आढळून येत नाही.
सूक्ष्म जगतामधील या अनिश्चिततेची कारणमीमांसा सहज समजण्यासारखी आहे. अभिजात भौतिकीमध्ये असे गृहीत धरले जाते की कोणतेही मापन करताना ज्या साधनाच्या साह्याने मापन करतात त्या साधनाच्या संपर्कामुळे वस्तूच्या मूळ गुणधर्मात फरक पडत नाही. उदा. तापमान मोजण्यासाठी पाण्यात तापमापी बुडविला तर पारा पाण्यापासून उष्णता शोषून घेतो. ही शोषित उष्णता नगण्य असल्यामुळे पाण्याच्या तापमानात काही फरक पडत नाही. परंतु सूक्ष्मजगतामध्ये ज्या गुणधर्माची माहिती प्राप्त करण्यात येते त्या गुणधर्मात मापन करण्याच्या क्रियेमुळे बदल होतो. उदा. सूक्ष्म कणाचे स्थान निश्चित करण्यासाठी त्यावर टाकलेल्या प्रकाशाची तरंगलांबी अतिशय लहान असणे आवश्यक आहे; लहान तरंगलांबीच्या प्रकाशामध्ये (प्रारणामध्ये) जास्त ऊर्जा असल्यामुळे असे प्रारण कणावर पडले की त्याचा वेग बदलतो. कणाचा संवेग-निश्चय करण्यासाठी कमी ऊर्जेचे अर्थात् मोठ्या तरंगलांबीचे प्रारण वापरले तर कणाच्या संवेगामध्ये बदल होणार नाही. पण तरंगलांबी मोठी असली तर स्थान निश्चित करता येत नाही.
क्वांटम सिद्धांतामुळे निर्माण झालेले विवाद
इलेक्ट्रॉन हे कणस्वरूपी त्याचप्रमाणे तरंगस्वरूपी आचरण करतात. कणाच्या कल्पनेत स्थान-कल्पना (localisation) अनुस्यूत आहे, तर तरंग-संकल्पनेत विस्तारत्वाचा गुण आहे. हे परस्परविरोधी गुण एकत्र कसे असू शकतात? काही प्रयोगांत इलेक्ट्रॉन कणासारखे वागतात, तर इतर प्रयोगांत ते तरंगासारखे वागतात! मग कोणत्या प्रयोगात कसे आचरण करावे याविषयी इलेक्ट्रॉनजवळ निर्णय घेण्याची मुक्त ईहा (free will) असते काय?
अंतिमतः सूक्ष्म जगतातील प्रत्येक कणाचे आचरण कसे होते हे संभाव्यतेच्या (probability) स्वरूपातच जर व्यक्त करता येते तर कार्यकारण भाव (causality) आणि नियतिवाद (determinism) यांच्या ज्या आधारावर विज्ञानाची सर्व प्रगती झाली तो पार ढासळतो. निसर्गातील ही अनिश्चिती आइन्स्टाइनला मान्य नव्हती. ‘ईश्वर फाशांनी खेळत नाहीं (God does not play dice)’ या त्याच्या वाक्यामागे ही भूमिका आहे.
अभिजात भौतिकीमध्ये देखील सांख्यिकीय विचार करावा लागतो. न्यूटोनीय यांत्रिकीच्या (Mechanics) अनुसार एका संहतीमधील (उदा. वायूमधील) सर्व रेणूची स्थाने आणि संवेग आपणाला एखाद्या क्षणी माहीत असले, तर यांत्रिकीमधील गतीच्या आणि आघातांच्या नियमांचा उपयोग करून त्या रेणूंचे भवितव्य निश्चितपणे सांगता येते. प्रत्यक्ष व्यवहारात १ मिलीलिटर हवेमध्ये परार्धापेक्षाही जास्त रेणू असतात. त्या सर्वांची स्थाने आणि संवेग ज्ञात होऊ शकत नाहीत, आणि ज्ञात असले तरी त्या सर्वांची गतिविषयक समीकरणे सोडवता येणे शक्य नाही. त्यामुळे येथे सांख्यिकीय रीतींचा वापर करावा लागतो. व त्या आधारे स्थूलसंहती (macro-system) चे भवितव्य सांगता येते. अशा प्रकारे स्थूल जगतामध्ये (macro-world) संभाव्यतेच्या मार्गाने जावे लागत असले, तरी ही निकड आवश्यक माहितीची विपुलता आणि गणिते सोडविण्याच्या अशक्यतेमुळे निर्माण झाली आहे. सर्वसाक्षी व सर्वज्ञ परमेश्वराची संकल्पना मान्य केली तर त्याला सर्व कणांचे स्थान-संवेग माहिती करून गणिते सोडवता येतील. तात्त्विकदृष्ट्या यामध्ये काहीही अडचणी येणार नाहीत.
परंतु क्वांटम यांत्रिकीमध्ये इलेक्ट्रॉनसारख्या मूलकणांचे स्थान आणि संवेग युगपत्‌रीत्या (एक समयावच्छेदेकरून) अचूकपणे निश्चित करताच येत नाही हे दर्शविल्यामुळे सूक्ष्म जगतामध्ये तात्त्विक दृष्ट्या देखील नियतिवादाचा अभाव आढळतो. ही अनियतता आइन्स्टाइनला मान्य नव्हती. त्याने सॉल्व्हे येथील १९३० च्या परिषदेत अनिश्चिति-तत्त्वाचे खंडन करणार्‍या एका प्रयोगाची कल्पना सांगितली. रात्रभर विचार करून दुसर्‍याच दिवशी बोहर यांनी त्या प्रयोगाचे सविस्तर विवेचन केले. त्यात त्यांनी आइन्स्टाइनप्रणीत सापेक्षता सिद्धांताचा उपयोग करून आइन्स्टाइनच्या तर्कामधली चूक दाखविली; तेव्हा आइन्स्टाइनला हायजेनबर्गच्या अनिश्चिति-तत्त्वात काहीही अंतर्विरोध नाही हे मान्य करावे लागले. तथापि क्वांटम यांत्रिकीची उपयुक्तता मान्य करूनदेखील आइन्स्टाइनने क्वांटम घटनेतील अनिश्चिति मान्य केली नाही. या तात्त्विक चर्चेत आइन्स्टाइन आणि काही प्रमाणात श्रोडिंगर हे एका बाजूला तर विरुद्ध बाजूला बोहर, हायजेनबर्ग, मॅक्स बॉर्न, डिरॅक, पाउली हे महारथी होते. वर उल्लेखिलेले सर्व शास्त्रज्ञ नोबेल-पुरस्कृत आहेत यावरून सदरहू तात्त्विक विवेचनाचे महत्त्व समजते.
अभिजात भौतिकीच्या दृष्टीने कोणत्याही प्रक्रियेचे सूक्ष्मातिसूक्ष्म खंड पाडता येतात व त्यांचा क्रमाक्रमाने विचार करता येतो. परंतु सूक्ष्मजगतात घडणारी प्रत्येक क्वांटल प्रक्रिया ही संपूर्ण प्रक्रिया असून तिचे खंड पाडता येत नाही. स्थूल जगतात (macroworld) परार्धावधी क्वांटल प्रक्रिया घडतात म्हणून स्थूल प्रक्रियेचे खंड पाडता येतात.
क्वांटम यांत्रिकीच्या आकलनामधील अडचणीचे मूळ आपल्या विचारपद्धतीत आहे. कोणत्याही घटनेचे स्पष्टीकरण करण्यासाठी आपल्या प्रत्ययास येणार्‍या अनुभवाच्या आधाराने आपण घटनेचे चित्र मनःचक्षूंपुढे उभे करण्याचा प्रयत्न करतो. हे चित्र अथवा ही घटना दुसऱ्यास सांगण्यासाठी भाषेचा वापर करावा लागतो. व्यवहारात आढळणार्‍या घटनांच्या आधाराने भाषेचा विकास आणि उत्क्रांती होतात. त्यामुळे भाषेच्या मर्यादेतच कल्पनांची अभिव्यक्ती होते. अभिजात भौतिकीमध्ये अभ्यासण्यात येणार्‍या घटना स्थूल जगतातल्याच असतात; त्यामुळे त्यांचे आकलन होण्यात अडचण होत नाही. अणु-भौतिकीत अथवा सूक्ष्म जगतात अभिजात भौतिकीचे नियम लागू पडत नसताना त्या क्षेत्रात स्थूल जगतातील चित्र डोळ्यांसमोर ठेवले तर त्यामुळे अंतर्विरोध उत्पन्न न झाला तरच नवल! तथापि आपण स्थूल जगतात वावरत असल्यामुळे संकल्पना करण्यासाठी स्थूल जगतातील घटितेच (phenomena) वापरणे अपरिहार्य असल्यामुळे कण-तरंग या द्वैताचे तात्त्विकदृष्ट्या तरी निरसन करणे भाग आहे. त्या दृष्टीने बोहर यांनी १९२७ साली कोमो येथे भरलेल्या परिषदेत परिपूरक तत्त्वाची (complementarity) मांडणी केली.
परिपूरकता :
भौतिक जगतातील घटनांचे निरीक्षण करताना वापरण्यात येणार्‍या साधनाची / उपकरणाची घटनेत भाग घेणार्‍या वस्तूशी (entity) अन्योन्य क्रिया होते. तिच्यावर नियंत्रण ठेवता येत नाही. घटनेचा अभ्यास तरंग स्वरूपाच्या आधारे करण्याच्या दृष्टीने प्रयोगरचना केली की कणस्वरूप पाहण्यासाठी लागणारी प्रयोगरचना आपोआप वगळली जाते. उलटपक्षी देखील असेच घडते. या दोन प्रकारच्या प्रयोगरचना परस्पर व्यावर्तक (mutually exclusive) आहेत. यामुळे विभिन्न भौतिक परिस्थितीमधून मिळालेला पुरावा परिपूरक मानला पाहिजे. तेव्हा सूक्ष्म जगतातील घटनेचे वस्तुनिष्ठ वर्णन करण्यासाठी निरीक्षणपद्धतीचा सविस्तर अंतर्भाव करणे आवश्यक असते.
१९व्या शतकात अभिजात भौतिकीमध्ये निरीक्षणपद्धतीचा असा उल्लेख करण्याची आवश्यकता नव्हती. पण विज्ञानाची जसजशी प्रगती होत जाते तसतशी पूर्वीच्या संज्ञांची मर्यादा ध्यानात येऊन त्यांची नव्याने अभिव्यक्ती करावी लागते.
परिपूरकता तत्त्वाच्या प्रतिपादनामध्ये डेकार्टच्या नियमांचा भंग झालेला पाहून फ्रेंच तत्त्वज्ञांना धक्का बसला. चिकित्सक दृष्टीबद्दल प्रसिद्ध असलेल्या जर्मनांनी निरनिराळ्या प्रकारच्या परिपूरकतांचा अभ्यास आणि विश्लेषण करून त्यांचा कांटच्या तत्त्वज्ञानाशी संबंध जोडण्याचे प्रयत्न केले; तर व्यावहारिक वृत्तीच्या अमेरिकनांनी या संकल्पनेचे सांकेतिक तर्कशास्त्राच्या आधारे विश्लेषण केले आणि योग्य शब्दांचा वापर करण्याच्या आवश्यकतेकडे लक्ष वेधले.
क्वांटम भौतिकीने अनेक प्रश्नांची उत्तरे दिली, आणि असे अनेक नवे प्रयोग सूचित केले की ज्यांनी क्वांटम भौतिकीमधील निष्कर्षाचा प्रत्यक्ष पुरावा उपलब्ध करून दिला. काही शास्त्रज्ञांना क्वांटम भौतिकीमधील संभाव्यतेचा दृष्टिकोण जगताचे मूळ स्वरूप निदर्शित करतो असे वाटते, तर काही शास्त्रज्ञांची क्वांटम सिद्धांत अपूर्ण आहे अशी धारणा आहे. ते क्वांटम यांत्रिकीच्या पलीकडे जाऊन नियतिवादावर आधारित अशा सिद्धांताचा शोध घेत आहेत.