એકીકૃત ક્ષેત્રસિદ્ધાંત (unified field theory) : ગુરુત્વાકર્ષણ અને વીજચુંબકત્વનું એક જ સૈદ્ધાંતિક માળખામાં સંકલન. અનાદિકાળથી માનવે અલગ અલગ પ્રક્રિયાઓનું નિયમન કરતા એકીકૃત નિયમની શોધ કરવાનું ચાલુ રાખેલ છે. વૈજ્ઞાનિક રીતે જેને પ્રથમ એકીકૃત સિદ્ધાંત કહી શકાય તેવી શોધ ન્યૂટનના ગુરુત્વાકર્ષણને લગતા નિયમની છે. ન્યૂટનનો આ નિયમ ફક્ત આકાશી પદાર્થોની ગતિનું જ નિયમન નથી કરતો, પણ પૃથ્વીની સપાટીની નજીક પડતી વસ્તુઓની ગતિને પણ સંતોષજનક રીતે સમજાવે છે. આવી એકીકરણને લગતી બીજી શોધ મૅક્સવેલે કરી. ઓગણીસમી સદીમાં મૅક્સવેલે વીજચુંબકીય સિદ્ધાંત પ્રસ્થાપિત કર્યો અને તે દ્વારા તેણે વિદ્યુતીય, ચુંબકીય અને પ્રકાશને લગતી ઘટનાઓને એકીકૃત કરી.
એકીકૃત સિદ્ધાંતનો સંબંધ આઇન્સ્ટાઇનના સાપેક્ષતાવાદ સાથે છે. વીસમી સદીની શરૂઆતમાં વિશિષ્ટ અને સામાન્ય સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંતોની શોધ કર્યા બાદ, આઇન્સ્ટાઇને તેની જિંદગીનાં પાછલાં વર્ષોમાં ગુરુત્વાકર્ષણ અને વીજચુંબકતાને એકીકૃત કરવાના ઘણા પ્રયત્નો કર્યા. પરંતુ તેને આ કાર્યમાં સફળતા મળી નહિ. તેની આ નિષ્ફળતાનાં કારણો વિશે વિચારીએ. ગુરુત્વાકર્ષણ બીજાં ભૌતિક ક્ષેત્રો કરતાં મૂળભૂત રીતે જ જુદું પડે છે. ગુરુત્વાકર્ષણ સિવાયનાં બીજાં ભૌતિક ક્ષેત્રો, શક્તિ-વેગમાન પ્રદિશ (energy momentum tensor) દ્વારા, ગુરુત્વાકર્ષણનાં ઉદભવસ્થાનો તરીકે વર્તે છે. શક્તિ-વેગમાન ટેન્સર આઇન્સ્ટાઇનના ખ્યાતનામ ક્ષેત્રસમીકરણોની જમણી બાજુ દર્શાવે છે, જ્યારે આ ક્ષેત્રસમીકરણોની ડાબી બાજુએ આઇન્સ્ટાઇન ટેન્સર છે. આઇન્સ્ટાઇન ટેન્સર માન ટેન્સરના સંઘટકો ઉપર આધારિત છે. આ માન ટેન્સરના સંઘટકોને ગુરુત્વાકર્ષીય સ્થિતિમાનો કહેવાય છે. આમ ગુરુત્વાકર્ષણનો આધાર ભૌમિતિક બંધારણ ઉપર છે. બીજાં ભૌતિક ક્ષેત્રો ભૌમિતિક બંધારણ ઉપર આધાર રાખતાં નથી. વળી ગુરુત્વાકર્ષણ સામ્ય-સિદ્ધાંતનું પાલન કરે છે, જ્યારે બીજાં ભૌતિક ક્ષેત્રોને સામ્ય-સિદ્ધાંત સાથે કોઈ સંબંધ નથી.
બધાં જ ભૌતિક ક્ષેત્રોને એકીકૃત કરવા માટે આપણે એવું ભૌમિતિક બંધારણ શોધવું જોઈએ કે જે બધાં જ ભૌતિક ક્ષેત્રોનો સમાવેશ કરે. આઇન્સ્ટાઇનના સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદમાં માન ટેન્સરના સહગુણકોને સંમિત (symmetric) માની લેવામાં આવે છે. 1945થી 1955ના સમયગાળા દરમિયાન આઇન્સ્ટાઇને માન ટેન્સરના સંઘટકો સંમિત નથી તેમ માનીને ગુરુત્વાકર્ષણ અને વીજચુંબકતાનો સમન્વય કરવાનો અસફળ પ્રયત્ન કર્યો. થોડાક સમય સુધી વૈજ્ઞાનિકોએ એકીકૃત સિદ્ધાંત તરફ દુર્લક્ષ સેવેલું અને આઇન્સ્ટાઇનના આ અંગેના વિચારો બરાબર નથી એમ માનેલું.
1960ના અરસામાં સંશોધનકારો એવા અભિપ્રાય ઉપર આવ્યા કે અખિલ સૃષ્ટિમાંની બધી જ ભૌતિક આંતરપ્રક્રિયાઓ(interact-ions)ને મુખ્યત્વે ચાર પ્રકારોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે : (1) સબળ આંતરપ્રક્રિયા જેમાં ફક્ત હૅડ્રોન (hadrons) ભાગ લે છે. (2) વીજચુંબકીય આંતરપ્રક્રિયા જેમાં વીજભારિત કણો ભાગ લે છે. (3) નબળી આંતરપ્રક્રિયા જેમાં હાડ્રોન અને લેપ્ટોન ભાગ લે છે. (4) ગુરુત્વાકર્ષીય આંતરપ્રક્રિયા જેમાં બધા જ કણો ભાગ લે છે. આ બધાંમાં ગુરુત્વાકર્ષણ નબળામાં નબળી પ્રક્રિયા છે. આ ચારે આંતરપ્રક્રિયાઓના પોતપોતાના સ્વતંત્ર સિદ્ધાંતો પ્રતિપાદિત થયેલા, પરંતુ તેમની વચ્ચેના આંતરસંબંધો વિશે વૈજ્ઞાનિકોને ખાસ જ્ઞાન ન હતું.
આ સમયમાં અબ્દુસ સલામ, એસ. વાઇનબર્ગ અને એસ. ગ્લાસોએ આ ચારે આંતરપ્રક્રિયાઓના સમન્વય તરફ ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું. આ ત્રણે વૈજ્ઞાનિકોએ એકબીજાથી સ્વતંત્ર રીતે એવો સિદ્ધાંત પ્રતિપાદિત કર્યો કે જે નબળી આંતરપ્રક્રિયા અને વીજચુંબકીય આંતરપ્રક્રિયાને એકીકૃત કરે છે તેમના આ સિદ્ધાંતને નબળી વીજચુંબકીય આંતરપ્રક્રિયાઓનો એકીકૃત સિદ્ધાંત કહે છે. આ સિદ્ધાંત ઘણાં પ્રાયોગિક અવલોકનો સાથે સુસંગત છે.
ઉપર નિર્દેશેલ એકીકૃત સિદ્ધાંતની સફળતાથી સંશોધનકારોને વધારે વ્યાપક એકીકૃત સિદ્ધાંત મેળવવાની પ્રેરણા મળી. વૈજ્ઞાનિકોએ નબળી આંતરપ્રક્રિયા, સબળી આંતરપ્રક્રિયા અને વીજચુંબકીય આંતરપ્રક્રિયાને એકીકૃત કરવાના પ્રયત્નો આદર્યા. આ પ્રકારના સિદ્ધાંતને વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંત (grand unified theory) કહેવાય છે. આ સિદ્ધાંતની ઘણી યોજનાઓ અત્યારે અસ્તિત્વમાં છે. આ બધી યોજનાઓની યથાર્થતા ચકાસવા માટેના પ્રયોગોમાં વિશાળ શક્તિ 1024 eV (લગભગ 1012 અર્ગ)ની જરૂર પડે છે. આટલી શક્તિ તો અખિલ સૃષ્ટિનો ધડાકા સાથે જ્યારે જન્મ થયો હશે ત્યારે જ હોઈ શકે, તેથી ઉપરના વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંતની યથાર્થતાની ચકાસણી માટે અખિલ સૃષ્ટિના જન્મવખતની થોડી ક્ષણો જ ઘણી ઉપયોગી થઈ પડે. આ કારણે જ કણ વિશ્વવિજ્ઞાન(particle cosmology)નો અર્વાચીન સમયમાં ખૂબ જ ઝડપથી વિકાસ થઈ રહ્યો છે.
કણ વિશ્વવિજ્ઞાનમાં થયેલા વિકાસની મદદથી અખિલ સૃષ્ટિમાં આવેલા કણ અને પ્રતિકણ વચ્ચેની વિસંમિતતા(antisymmetry)ને સારી રીતે સમજાવી શકાય છે. 1928માં ખ્યાતનામ ભૌતિકશાસ્ત્રી ડીરાકે ઇલેક્ટ્રૉનના સાપેક્ષ ક્વૉન્ટમ સિદ્ધાંતની શોધ કરી. 1932માં મૂળભૂત કણ પૉઝિટ્રૉનની શોધ થઈ. આ શોધ દ્વારા ડીરાકના ઉપરના સિદ્ધાંતની સત્યાર્થતા પુરવાર થઈ. આ સમયથી વૈજ્ઞાનિકો માને છે કે અખિલ સૃષ્ટિમાં કણ અને પ્રતિકણ બંને અસ્તિત્વ ધરાવે છે અને આ કણોના ગુણધર્મો એકબીજાથી ભિન્ન છે. ખગોળશાસ્ત્રીય અવલોકનો દ્વારા સાબિત થયું છે કે અખિલ સૃષ્ટિમાં કણોની સંખ્યા પ્રતિકણોની સંખ્યા કરતાં વધારે છે. આ હકીકતને જ કણ અને પ્રતિકણ વચ્ચેની વિસંમિતતા કહેવાય છે.
વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંત આ વિસંમિતતાની સ્વાભાવિક સમજૂતી આપે છે. વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંતમાંથી એવી એક પદ્ધતિ ફલિત થાય છે, જે કણ અને પ્રતિકણ વચ્ચેની સંમિતતાનું ખંડન કરે છે. આને પરિણામે જ અખિલ સૃષ્ટિમાં કણોની સંખ્યા પ્રતિકણોની સંખ્યા કરતાં વધારે થાય છે. અત્યારની અખિલ સૃષ્ટિમાં સંમિતતાનું ખંડન કરતી આ પદ્ધતિ કોઈ મહત્વપૂર્ણ ભાગ ભજવતી નથી. અખિલ સૃષ્ટિની ઉંમર જ્યારે 10–6 સેકંડ કરતાં પણ ઓછી હશે ત્યારે આ પદ્ધતિએ સૃષ્ટિ ઉપર ખૂબ જ અસર કરી હશે. પરિણામે સૃષ્ટિમાં પ્રોટૉનની સંખ્યા ઍન્ટિપ્રોટૉનની સંખ્યા કરતાં વધારે થઈ હશે. વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંતનું પર્યાપ્ત પરિણામો દ્વારા સમર્થન થતું નથી. તેમ છતાં આ એકીકૃત સિદ્ધાંતે ઘણા ખ્યાતનામ વૈજ્ઞાનિકોને પોતાની તરફ આકર્ષ્યા છે.
એ તો સ્પષ્ટ છે કે વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંતમાં ગુરુત્વાકર્ષીય આંતરપ્રક્રિયાનો સમાવેશ થતો નથી. ખરા એકીકૃત સિદ્ધાંતમાં તો ચારે મૂળભૂત આંતરપ્રક્રિયાઓનો સમન્વય થવો જોઈએ. વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંતમાં ગુરુત્વાકર્ષણનો સમાવેશ કરવાનું કાર્ય ઘણું મુશ્કેલ છે. આ માટેનાં કારણોમાંનું એક અગત્યનું કારણ એ છે કે હજુ સુધી ગુરુત્વાકર્ષણ અને ક્વૉન્ટમ-સિદ્ધાંત વચ્ચેનો સંબંધ પ્રસ્થાપિત થઈ શક્યો નથી. આઇન્સ્ટાઇન એમ માનતા હતા કે બીજી આંતરપ્રક્રિયાઓ સાથેના ગુરુત્વાકર્ષણના એકીકરણનો સિદ્ધાંત સત્ય છે અને અત્યારના ક્વૉન્ટમ સિદ્ધાંતને ઉપર દર્શાવેલ એકીકરણ સાથે સુસંગત રહે તે રીતે બદલવો જોઈએ. આઇન્સ્ટાઇનનો આ અભિગમ અત્યારસુધી ફળદાયી થયો નથી. આનાથી ઊલટું, વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંત અત્યારના ક્વૉન્ટમક્ષેત્રના સિદ્ધાંતના માળખામાં રહીને જ મેળવી શકાયો છે. તેથી અત્યારે એવું માનવામાં આવે છે કે ગુરુત્વાકર્ષણ સિદ્ધાંત અને ક્વૉન્ટમ-સિદ્ધાંત વચ્ચેના સંબંધને લાગેવળગે છે ત્યાં સુધી આઇન્સ્ટાઇનના અભિગમને બાજુએ મૂકી દેવો જોઈએ. તેથી ચારે મૂળભૂત આંતરપ્રક્રિયાઓને એકીકૃત કરવા માટે આપણે એવો ગુરુત્વાકર્ષણ-સિદ્ધાંત શોધવો જોઈએ, જે અત્યારના ક્વૉન્ટમ-સિદ્ધાંત સાથે સુસંગત હોય. હાલ વૈજ્ઞાનિકો ગુરુત્વાકર્ષણનો સંતોષજનક ક્વૉન્ટમ-સિદ્ધાંત શોધવાના કાર્યમાં પોતાનું ધ્યાન કેન્દ્રિત કરી રહ્યા છે. આ કાર્ય ઘણું મુશ્કેલ હોવાથી હજુ સુધી તેમાં મહત્વપૂર્ણ પ્રગતિ સાધી શકાઈ નથી.
ગુરુત્વાકર્ષણના ક્વૉન્ટમ-સિદ્ધાંતની શોધ બાદ ગુરુત્વાકર્ષણને વિશાળ એકીકૃત સિદ્ધાંત સાથે સાંકળી લેવાનું કાર્ય થોડુંઘણું સરળ બનશે. આમ, ચારે મૂળભૂત આંતરપ્રક્રિયાઓનો સમન્વય કરે તેવો કોઈ એકીકૃત સિદ્ધાંત આજની ક્ષણે તો અસ્તિત્વ ધરાવતો નથી.
લીલાધર ખેસાભાઈ પટેલ