यांत्रिकी

यांत्रिकी भौतिकी की एक शाखा है जो वस्तुओं की गति और उस गति को उत्पन्न करने वाले बलों से संबंधित है। इसे दो मुख्य उप-क्षेत्रों में बाँटा गया है: शास्त्रीय यांत्रिकी और क्वांटम यांत्रिकी। शास्त्रीय यांत्रिकी, न्यूटन के गति के नियमों पर आधारित, मैक्रोस्कोपिक वस्तुओं—गोलियों से लेकर मशीनों के पुर्जों तक—की गति का वर्णन करती है, साथ ही अंतरिक्ष यान, ग्रहों, तारों और आकाशगंगाओं जैसी खगोलीय वस्तुओं की भी। दूसरी ओर, क्वांटम यांत्रिकी बहुत छोटे पैमाने पर होने वाली घटनाओं—जैसे परमाणु और कण—से संबंधित है। समग्र रूप से, यांत्रिकी भौतिकी के अध्ययन की आधारशिला है क्योंकि यह भौतिक जगत की हमारी समझ का बड़ा आधार है।

शास्त्रीय यांत्रिकी

शास्त्रीय यांत्रिकी, जिसे न्यूटोनियन यांत्रिकी भी कहा जाता है, भौतिकी की वह शाखा है जो बलों के प्रभाव में मैक्रोस्कोपिक वस्तुओं की गति से संबंधित है। यह 17वीं सदी में सर आइज़ेक न्यूटन द्वारा प्रतिपादित गति के नियमों पर आधारित है। शास्त्रीय यांत्रिकी का उपयोग ग्रहों, कारों, गोलियों और अन्य ऐसी वस्तुओं की गति का वर्णन करने के लिए किया जाता है जो परमाणुओं और अणुओं से बहुत बड़ी होती हैं।

शास्त्रीय यांत्रिकी को तीन मुख्य भागों में बाँटा जा सकता है: गतिकी, गतिकी-विज्ञान और स्थिरिकी।

1. गतिकी: यह गति का ऐसा अध्ययन है जिसमें गति को उत्पन्न करने वाले बलों पर विचार नहीं किया जाता। उदाहरण के लिए, यदि एक कार सीधी सड़क पर 60 मील प्रति घंटा की स्थिर चाल से चल रही है, तो गतिकी का उपयोग करके यह गणना की जा सकती है कि निर्धारित समय में वह कितनी दूरी तय करेगी।

2. गतिकी (Dynamics): यह गति और उसे उत्पन्न करने वाले बलों का अध्ययन है। उदाहरण के लिए, यदि कोई कार विराम से त्वरित हो रही है, तो गतिकी का उपयोग कर कार के द्रव्यमान को देखते हुए त्वरण उत्पन्न करने के लिए आवश्यक बल की गणना की जा सकती है।

3. स्थिरिकी (Statics): यह विरामावस्था में पिण्डों पर लगने वाले बलों का अध्ययन है। उदाहरण के लिए, यदि कोई पुस्तक मेज़ पर रखी है, तो स्थिरिकी का उपयोग कर पुस्तक द्वारा मेज़ पर लगाए गए बल (जो पुस्तक के भार के बराबर है) और मेज़ द्वारा पुस्तक पर लगाए गए बल (जो पुस्तक के भार के बराबर और विपरीत है) की गणना की जा सकती है।

क्लासिकल मैकेनिक्स कई मूलभूत सिद्धांतों पर आधारित है, जिनमें शामिल हैं:

1. न्यूटन के गति के तीन नियम: ये नियम बताते हैं कि बल वस्तुओं की गति को कैसे प्रभावित करते हैं। पहला नियम (जड़ता का नियम) कहता है कि कोई वस्तु विराम में रहना चाहती है और गति में रहना चाहती है, जब तक कोई बल उस पर न लगे। दूसरा नियम कहता है कि किसी वस्तु का त्वरण उस पर लगने वाले कुल बल के समानुपाती और उसके द्रव्यमान के व्युत्क्रमानुपाती होता है। तीसरा नियम कहता है कि प्रत्येक क्रिया के लिए एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है।

२. ऊर्जा संरक्षण का सिद्धांत: यह सिद्धांत कहता है कि किसी एकांतित तंत्र की कुल ऊर्जा स्थिर रहती है यदि उस पर कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता। उदाहरण के लिए, यदि एक लोलक आगे-पीछे दोलन कर रहा हो, तो लोलक की कुल ऊर्जा (उसकी गतिज ऊर्जा और स्थितिज ऊर्जा का योग) स्थिर रहती है, यह मानते हुए कि वायु प्रतिरोध या घर्षण के कारण कोई ऊर्जा नष्ट नहीं हो रही।

३. संवेग संरक्षण का सिद्धांत: यह सिद्धांत कहता है कि किसी एकांतित तंत्र का कुल संवेग स्थिर रहता है यदि उस पर कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता। उदाहरण के लिए, यदि दो बर्फ़ पर स्केट करने वाले एक-दूसरे को धक्का देकर विपरीत दिशाओं में फिसलते हैं, तो दोनों स्केटर्स का कुल संवेग स्थिर रहता है।

क्लासिकल मैकेनिक्स एक निर्धारणीय सिद्धांत है, जिसका अर्थ है कि यदि किसी तंत्र की वर्तमान अवस्था ज्ञात हो, तो उसकी भविष्य की अवस्था को ठीक-ठीक पूर्वानुमानित किया जा सकता है। तथापि, क्लासिकल मैकेनिक्स बहुत छोटे कणों (जैसे इलेक्ट्रॉन) और बहुत अधिक चालों (प्रकाश की चाल के निकट) के व्यवहार को सटीक रूप से वर्णित करने में असफल रहता है। इन परिस्थितियों का वर्णन क्रमशः क्वांटम मैकेनिक्स और विशेष आपेक्षिकता द्वारा बेहतर रूप से किया जाता है।

क्वांटम मैकेनिक्स

क्वांटम मैकेनिक्स भौतिकी का एक मौलिक सिद्धांत है जो परमाणुओं और उपपरमाणु कणों के पैमाने पर प्रकृति के भौतिक गुणों का वर्णन प्रदान करता है। यह सभी क्वांटम भौतिकी—जिनमें क्वांटम रसायन, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत, क्वांटम प्रौद्योगिकी और क्वांटम सूचना विज्ञान शामिल हैं—की आधारशिला है।

शब्द “क्वांटम” स्वयं किसी भी भौतिक गुण की सबसे छोटी संभावित विविक्त इकाई को दर्शाता है, आमतौर पर ऊर्जा या पदार्थ की। क्वांटम यांत्रिकी इस सिद्धांत पर आधारित है कि पदार्थ और प्रकाश दोनों में कणों और तरंगों दोनों के गुण होते हैं, इस सिद्धांत को तरंग-कण द्वैत कहा जाता है।

क्वांटम यांत्रिकी के प्रमुख सिद्धांतों में से एक अतिव्यापन सिद्धांत है जो कहता है कि एक भौतिक प्रणाली—जैसे कि परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन—सैद्धांतिक रूप से संभावित सभी विशेष अवस्थाओं में आंशिक रूप से एक साथ विद्यमान रहती है; लेकिन जब इसे मापा या प्रेक्षित किया जाता है, तो यह केवल संभावित विन्यासों में से एक के अनुरूप परिणाम देती है।

उदाहरण के लिए, एक क्वांटम कण जैसे कि परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन किसी एक अवस्था या दूसरी अवस्था में नहीं होता, बल्कि अपनी सभी संभावित अवस्थाओं में एक साथ होता है। यह तभी एक निश्चित स्थान पर आता है जब हम इलेक्ट्रॉन की स्थिति को मापने का प्रयास करते हैं।

क्वांटम यांत्रिकी में एक और मौलिक सिद्धांत अनिश्चितता सिद्धांत है, जिसे वर्नर हाइज़ेनबर्ग ने तैयार किया था, जो कहता है कि किसी वस्तु की स्थिति और वेग दोनों को एक साथ ठीक-ठीक नहीं मापा जा सकता। जितना सटीक रूप से इनमें से एक जाना जाता है, उतना ही कम सटीक रूप से दूसरा जाना जा सकता है। यह किसी शोधकर्ता की माप क्षमता की सीमाओं के बारे में कोई बयान नहीं है, बल्कि स्वयं प्रणाली की प्रकृति के बारे में है।

क्वांटम उलझाव क्वांटम यांत्रिकी द्वारा भविष्यवाणी की गई एक और अजीब तथा आकर्षक घटना है। यह एक ऐसी स्थिति को संदर्भित करता है जहाँ कई कण इस प्रकार से जुड़े होते हैं कि एक कण की स्थिति तुरंत दूसरे कण की स्थिति से जुड़ी होती है, चाहे वे कितनी भी दूरी पर क्यों न हों।

उदाहरण के लिए, यदि दो उलझे हुए कण बनाए जाते हैं और एक को ब्रह्मांड के दूसरी ओर भेजा जाता है, तो एक कण की स्थिति में परिवर्तन तुरंत दूसरे कण की स्थिति को प्रभावित करेगा। इस “दूरी पर भयावह क्रिया” को वर्णित करने के लिए आइंस्टीन ने “spooky action at a distance” यह वाक्यांश प्रयोग किया था, और यह वैज्ञानिक समुदाय में बहुत बहस और परीक्षण का विषय रहा है।

क्वांटम यांत्रिकी परमाणुओं और उप-परमाणुक कणों जैसे बहुत छोटे तंत्रों के व्यवहार को समझाने में अत्यंत सफल रही है। हालांकि, इसकी कई अजीब और प्रतिकूल अनुमान भी हैं, और अभी भी कई खुले प्रश्न हैं कि यह भौतिकी के बाकी भागों के साथ कैसे फिट बैठती है। इन प्रश्नों के बावजूद, क्वांटम यांत्रिकी के अनेक अनुप्रयोग हैं जिनमें लेज़र, अर्धचालक, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग, और चिकित्सा के लिए औषधियों की डिज़ाइन शामिल हैं।

सांख्यिकीय यांत्रिकी

सांख्यिकीय यांत्रिकी सैद्धांतिक भौतिकी की एक शाखा है जो बड़ी संख्या में कणों वाली भौतिक समस्याओं को हल करने के लिए प्रायिकता सिद्धांत और सांख्यिकी का उपयोग करती है। यह व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं की सूक्ष्म गुणधर्मों को उन पदार्थों के स्थूल या थोक गुणधर्मों से जोड़ने का ढांचा प्रदान करती है जो रोज़मर्रा की ज़िंदगी में देखे जा सकते हैं, इसलिए यह ऊष्मागतिकी को प्रणालियों की शास्त्रीय और क्वांटम यांत्रिक व्यवहारों के परिणामस्वरूप समझाती है।

सांख्यिकीय यांत्रिकी एक मूलभूत अभिधारणा पर आधारित है, जिसे अर्गोडिक परिकल्पना कहा जाता है, कि सभी सुलभ सूक्ष्मस्थितियाँ लंबे समय में समान रूप से प्रायिक होती हैं। एक सूक्ष्मस्थिति प्रणाली की एक विशिष्ट सूक्ष्म विन्यास है जिसे प्रणाली अपनी ऊष्मीय उतार-चढ़ावों के दौरान किसी निश्चित प्रायिकता के साथ ग्रहण कर सकती है।

उदाहरण के लिए, गैस कणों के एक बक्से पर विचार करें। प्रणाली की स्थूलस्थिति समग्र गुणधर्मों—जैसे दाब, तापमान और आयतन—द्वारा परिभाषित की जा सकती है। हालाँकि, सूक्ष्मस्थिति प्रत्येक व्यक्तिगत कण की स्थिति और वेग का वर्णन करेगी। यद्यपि हम प्रत्येक कण का पीछा नहीं कर सकते, हम प्रणाली के किसी निश्चित सूक्ष्मस्थिति में होने की प्रायिकता की गणना कर सकते हैं।

सांख्यिकीय यांत्रिकी के दो मुख्य प्रकार हैं: शास्त्रीय सांख्यिकीय यांत्रिकी, जो क्वांटम यांत्रिक प्रभावों को ध्यान में नहीं रखती, और क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी, जो इन्हें ध्यान में रखती है।

शास्त्रीय सांख्यिकीय यांत्रिकी का उपयोग आदर्श गैस नियम को व्युत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, बड़ी संख्या में गैस कणों, उनकी औसत गतिज ऊर्जा और उनके द्वारा घिरे आयतन पर विचार करके, हम संबंध PV=nRT व्युत्पन्न कर सकते हैं, जहाँ P दबाव है, V आयतन है, n मोलों की संख्या है, R गैस नियतांक है और T तापमान है।

दूसरी ओर, बहुत कम तापमान या बहुत अधिक घनत्व वाली प्रणालियों से निपटने के लिए क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी आवश्यक होती है, जहाँ क्वांटम प्रभाव महत्वपूर्ण हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, यह ऐसी घटनाओं जैसे अतिचालकता और अतिद्रवता को समझा सकती है, जहाँ क्रमशः पदार्थ प्रतिरोध के बिना विद्युत का संचालन करते हैं या घर्षण के बिना बहते हैं।

निष्कर्षतः, सांख्यिकीय यांत्रिकी भौतिकी में एक शक्तिशाली उपकरण है जो हमें व्यक्तिगत कणों की सूक्ष्म दुनिया और थोक पदार्थों की स्थूल दुनिया के बीच की खाई को पाटने की अनुमति देता है। इसके व्यापक अनुप्रयोग हैं, गैसों के व्यवहार की व्याख्या से लेकर ठोस और द्रव पदार्थों के गुणों की भविष्यवाणी तक।