Home / பொருளாதாரம் / இயற்கை வளம் / நியூட்டன் முதல் ஈர்ப்பு அலைகள் கண்டுபிடிப்பு வரை…! – ஜோசப் பிரபாகர்

நியூட்டன் முதல் ஈர்ப்பு அலைகள் கண்டுபிடிப்பு வரை…! – ஜோசப் பிரபாகர்

வரலாறு எப்போதும் ஒரே நேர் கோட்டில் பயணித்ததில்லை. குறிப்பாக இயற்பியலின் வரலாறு கரடுமுரடான பாதைகளைக் கொண்டது. தனது ஒவ்வொரு கோட்பாடுகளையும் நிலை நிறுத்திக் கொள்ள கடினமான சோதனைகளையும், பேரறிஞர்களின் கூர்மையான விமர்சனங்களையும்  வெல்ல வேண்டியிருந்தது. கலிலீயோ காலத்தில் ஆரம்பித்து இன்று ஈர்ப்பு அலைகளின் கண்டுபிடிப்பு வரை இந்தப் பயணம் தொடர்ந்து கொண்டேயிருக்கிறது. சில வாரங்களுக்கு முன் (பிப்ரவரி 11,2016) இயற்பியல் விஞ்ஞானிகள் ஈர்ப்பு அலைகளின் இருப்பை (existence of gravitational waves) உலகத்துக்கு அறிவித்தனர். இந்த கண்டுபிடிப்பை அறிவியல் உலகம் போற்றிக் கொண்டாடி வருகிறது.  காரணம் 1916 ஆம் ஆண்டு ஆரம்பித்த இந்த தேடல்,  நூறு ஆண்டுகள் கழித்து 2016 ஆம் ஆண்டுதான் முடிவுக்கு வந்துள்ளது. அதனால்தான் ஈர்ப்பு அலைகள் இந்த நூற்றாண்டின் மிக முக்கியமான கண்டுபிடிப்புகளில் ஒன்றாக அறிவியல் அறிஞர்களால் புகழப்படுகிறது.

இயற்பியலில் கண்டுபிடிப்புகள் இருவகைகளில் நிகழ்ந்துள்ளன. ஒன்று தற்செயலாக கண்டறிந்த கண்டுபிடிப்புகள்(Accidental discoveries). பிறகு அதற்கான அறிவியல் ரீதியான விளக்கங்களும் கோட்பாடுகளும்(Scientific explanations and Theory) அறிவியல் அறிஞர்களால் வழங்கப்பட்டன. எடுத்துக்காட்டாக நியுட்டனின் ஈர்ப்பு விசை கோட்பாடு அவர் மேல் ஆப்பிள் விழுந்த நிகழ்விலிருந்து பிறந்தது. அதைப்போல மின்காந்தவியலின் பாரடே கண்டுபிடிப்புகள் தற்செயலாக நிகழ்ந்தவைதான். ஆனால் இரண்டாவது வகையான கண்டுபிடிப்புகள் நிகழ்ந்த விதம் மிக சுவாரசியமானது. இந்த இரண்டாவது வகையான கண்டுபிடிப்புகள் இயற்பியல் அறிஞர்களால் கோட்பாட்டு ரீதியாக முன்கூட்டியே கணிக்கப்பட்டன(Theoretical predication). பின்னாளில் இந்த கணிப்புகள் உண்மையென ஆய்வக பரிசோதனைகள் மூலம் நிரூபிக்கப்பட்டிருக்கிறது(Experimentally verified). இந்த ஈர்ப்பு அலைகள் கண்டுபிடிப்பு கூட இப்படித்தான் நிகழ்ந்துள்ளது. ஈர்ப்பு அலைகள் பற்றி அறிந்து கொள்ளும் முன் இதைப் போன்று நிகழ்ந்த சில இயற்பியல் கண்டுபிடிப்புக்களை நாம் காண்போம்.

நெப்டியுன் கிரகத்தின் கண்டுபிடிப்பு

சூரியனைச் சுற்றி வரும் நெப்டியூன் கிரகம் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட விதம் மிக சுவாரசியமானது. நெப்டியூன் கிரகம் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட ஆண்டு கி.பி.1846. ஆனால் மற்ற கிரகங்களைப் போல இந்த கிரகம் தொலைநோக்கி மூலம் எதேச்சையாக கண்டுபிடிக்கப்பட வில்லை. அதற்கு முன்னதாக கி.பி.1781ல் வானியலாளர் ஜான் ஹெர்ஷல் என்பார் யுரேனஸ் கிரகத்தை தொலைநோக்கி மூலம் தற்செயலாக கண்டறிந்தார்.  பின்னாளில் வந்த வானியல் அறிஞர்கள் இந்த கிரகத்தின் சுற்றுப் பாதையை (orbit)  ஆராயும்போது அது சூரியனை சீரற்ற(irregularities) முறையில் சுற்றி வருவதைக்கண்டனர். நியூட்டனின் ஈர்ப்பு விசை கோட்பாடுகள்(newton’s gravitation theory) மூலம் இந்த சீரற்ற தன்மையை விளக்க முயன்றனர். நியுட்டன் கோட்பாடுகள் “சுற்று பாதையின் சீரற்ற தன்மைக்கு காரணம் சூரியன் ஈர்ப்பு விசை அல்ல. யுரேனசின் அருகில் வேறு ஏதேனும் ஒரு கிரகம் இருந்தால் மட்டுமே இந்த சீரற்ற தன்மை உருவாகும்” என்று கணித்தது(predicted).  கி.பி. 1845ல் ஜெர்மன் வானியலாளர் லீ வேரியர் (Le Verrier) இதே நியூட்டனின் கோட்பாடுகளை வைத்தே கண்டுபிடிக்கப்படாத அந்த கிரகத்தின் நிறை (mass), மற்றும் திசையை கணித்தார். கி.பி.1846 ல் அவர் சொன்ன அதே திசையில், அதே நிறையோடு புதிய கிரகம் கண்டுபிடிக்கப் பட்டது. அதன் பெயர்தான் “நெப்டியூன்”.

Newtons-and-law-of-gravitation

மின்காந்த அலைகளின் கண்டுபிடிப்பு

பத்தொன்பதாம் நூற்றாண்டின் மிகப் பெரிய இயற்பியல் அறிஞரான ஜேம்ஸ் கிளார்க் மாக்ஸ்வெல் (James Clark Maxwell) கி.பி. 1865 ல் மின்காந்தவியலின்(Electromagnetic theory) மிக முக்கியமான நான்கு கணித சமன்பாடுகளை (Maxwell’s Equations) உலகுக்கு அளித்தார்.  இவரது கணித சமன்பாடுகள் இந்த பிரபஞ்சத்தில் மின்காந்த அலைகளின் (Electromagnetic  waves)  இருப்பை கோட்பாட்டு ரீதியாக கணித்தது(theoretical prediction) . அது மட்டும் அல்லாமல் நாம் பார்க்கும் ஒளி கூட மின்காந்த அலைகள் தான் என்றும், எல்லா மின்காந்த அலைகளும் வினாடிக்கு மூன்று லட்சம் கிலோ மீட்டர் வேகத்தில் வெற்றிட வெளியில் (vacuum space)  பயணம் செய்யும் என்றும் கணித்தார். அவருக்குப் பின் வந்த பல இயற்பியல் அறிஞர்கள் ஆய்வக பரிசோதனைகள் மூலம் இந்த மின்காந்த அலைகளின் இருப்பை (Existence of electromagnetic waves)  நிரூபிக்க முயன்று வந்தார்கள். கடைசியாக இயற்பியலாளர் ஹெர்ட்ஸ் (Hertz) என்பார் இந்த கருதுகோளை தனது முனைவர் பட்ட ஆய்வாக (Ph.D topic) எடுத்து கி.பி. 1887 ல் ஆய்வக பரிசோதனைகள் மூலம் மின்காந்த அலைகளை உருவாக்கி, மின்காந்த அலைகளின் இருப்பை உறுதி செய்தார். கிட்டத்தட்ட ஈர்ப்பு அலைகளுக்கு இணையான கண்டுபிடிப்பு அது. ஆனால் மின்காந்த அலைகள் கண்டுபிடிக்கப் பட்ட காலத்தில் அதன் பயன்பாடு முழுமையாக அறியப்படவில்லை. ஆனால் தற்போது உலகின் பெரும்பாலான தொழில்நுட்ப சாதனங்களும் மின்காந்த அலைகள் இல்லாமல் இயங்காது என்ற அளவுக்கு அதன் பயன்பாடு நீக்கமற  நிறைந்து விட்டது. உதாரணமாக அமெரிக்காவில் இருக்கும் நமது நண்பரிடம் நினைத்த நொடியில் அலைபேசியில் பேச முடிவதும், ஆஸ்திரேலியாவில் நடக்கும் கிரிக்கெட்டை நேரலையாக(Live Telecast) நமது வீட்டு தொலைக்காட்சியில் காண்பதும் இந்த மின்காந்த அலைகளால் தான். அதுமட்டுமில்லாமல் வானியல் துறையின் அபரிதமான வளர்ச்சியை மின்காந்த அலைகளின் கண்டுபிடிப்புதான் சாத்தியமாக்கியது என்றால் அது  மிகையாகாது. இன்று நாம் பெற்றிருக்கும் பிரபஞ்சத்தை பற்றிய, நட்சத்திரங்களைப் பற்றிய மற்றும் கிரகங்களைப் பற்றிய அறிவுக்கு இந்த மின்காந்த அலைகள்தான் காரணம். அதனால்தான் இயற்பியலாளர் பிராக்(Bragg) என்பார்  “மின்காந்த அலைகள் என்பவை பிரபஞ்ச செய்திகளை நமக்குச் சொல்லும் தூதுவன்” என்று அழைத்தார். அந்த அளவுக்கு நமது அறிவியல் பார்வையை இந்த மின்காந்த அலைகள் விசாலமாக்கின.

எதிர்த்துகள்களின் கண்டுபிடிப்பு

இருபதாம் நூற்றாண்டின் மிக முக்கிய இயற்பியல் அறிஞரான பால் டிராக் (Paul Dirac) என்பார் குவாண்டம் இயக்கவியலின் (quantum mechanics) உருவாக்கத்திற்கு மிக முக்கியமான சமன்பாட்டை கி.பி.1928ல் வழங்கினார். குவாண்டம் இயக்கவியலில் இது “டிராக் சமன்பாடு (Dirac Equation)” என்று அழைக்கப்படுகிறது. இந்த சமன்பாடுதான் எலக்ட்ரான், புரோட்டான், நியுட்ரான்  போன்ற துகள்களின் இயல்பை விளக்கப் பயன்படுகிறது. இந்த சமன்பாடு எந்த ஒரு துகளுக்கும் (matter) எதிர்த்துகள்(antimatter) ஒன்று இருந்தே ஆக வேண்டும் என்று கணித்தது (theoretical prediction). இந்த கணிப்புக்காக அவர் கடுமையான விமர்சனங்களை எதிர்கொண்டார். ஹெய்ஸ்சென்பேர்க் (Heisenberg) என்பார் ஒரு படி மேலே போய் இந்த டிராக் சமன்பாடுகளை கடலில்தான் தூக்கி எறிய வேண்டும் என்று விமர்சித்தார். ஆனால் 1932 ல் ஆண்டர்சன் என்ற அறிஞர் எலக்ட்ரானைப் போல நிறை(mass) உள்ள ஆனால் நேர்மின் (positively charged) தன்மை கொண்ட ஒரு துகளை கண்டறிந்தார். இதுதான் எலக்ட்ரானின் எதிர்மின் துகளாக ”பாசிட்ரான் (positron)”  என்றழைக்கப் படுகிறது. இதன் மூலம் டிராக்  கணித்தது உண்மையென நிரூபணமானது.

ஹிக்ஸ் போசானின் கண்டுபிடிப்பு  

அதைப் போல மூன்று வருடங்களுக்கு (2012) முன்பு கண்டறியப்பட்ட “கடவுள்(?) துகள்” என்று ஊடகங்களால் அழைக்கப்படும்  “ஹிக்ஸ் போசான் (Higgs Boson)”  என்ற துகளும் இயற்பியலாளர் பீட்டர் ஹிக்ஸ் என்பவரால் 1960களில் கோட்பாட்டு ரீதியான கருதுகோளாக(theoretical prediction) முன்மொழியப்பட்டது.

ஆனால் இதைக் கண்டுபிடிக்க கிட்டத்தட்ட ஐம்பது ஆண்டுகள் ஆனது.  இந்த துகள்தான் எல்லா அடிப்படைத் துகள்களுக்கும் நிறை (mass) என்ற பண்பை வழங்குகிறது. இதுவும் மிக முக்கியமான அறிவியல் கண்டுபிடிப்புகளில் ஒன்று. இந்த கண்டுபிடிப்பில் பங்காற்றிய அறிஞர்களுக்கு (பீட்டர் ஹிக்ஸ் உட்பட) பின்னர் நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

ஐன்ஸ்டீன் பொதுச்சார்பியல் தத்துவம்

கடைசியாக இந்த ஈர்ப்பு அலைகளின் கண்டுபிடிப்புக்கு வருவோம். இயற்பியல் பேரறிஞர் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் 1915 ல் பொதுச்சார்பியல் கோட்பாட்டை(general theory of relativity) முன்வைத்தார். அதன் மையக் கோட்பாடு “ஐன்ஸ்டீன் புலச்சமன்பாடுகள்(Einstein’s field equations)”  என்றழைக்கப்படுகிறது. அதற்கு அடுத்த ஆண்டு (1916) அவர் ஈர்ப்பு அலைகளின் இருப்பை கணித்தார். அவரது கணிப்பின் படி முடுக்கத்திற்கு உள்ளாகும் எந்த ஒரு கோளவடிவம் அல்லாத பொருளும்(accelerated non-spherical mass)  ஈர்ப்பு அலைகளை வெளியிட வேண்டும். இந்த ஈர்ப்பு அலைகளின் விளைவை பற்றி அறிந்து கொள்ள வேண்டும் என்றால் பொதுச்சார்பியல் கோட்பாடு அடிப்படையாக என்ன சொல்கிறது என்று நாம் தெரிந்து கொள்வது அவசியம். பொதுச்சார்பியல் கோட்பாட்டின் அடிப்படைக் கருத்து “எந்த ஒரு பொருளும்(mass) தன்னை சுற்றியுள்ள காலவெளியை(space-time)  வளைக்கிறது. அதிக நிறையுள்ள பொருள்(massive object) தன்னைச் சுற்றியுள்ள காலவெளியை(space-time) மிக அதிகமாக வளைக்கிறது” என்பதே.

நியூட்டன்  ஈர்ப்பு விசைக் கோட்பாடு “எந்த இரு பொருளுக்கும் இடையில் ஈர்ப்பு விசை உள்ளது. அதனால்தான் மேலே எறியப்பட்ட கல் பூமியை நோக்கி திரும்ப வருகிறது. அதைப்போல நிலா பூமியை சுற்றி வருவதற்கும் இந்த பூமியின் ஈர்ப்பு விசைதான் காரணம்” என்று கூறுகிறது.. ஆனால் ஐன்ஸ்டீன் பொதுச்சார்பியல் கோட்பாடோ “நிலா பூமியை சுற்றி வரக் காரணம் பூமியை சுற்றி உள்ள வெளி(space) வளைந்துள்ளதால்தான்(space is curved). அதே மாதிரி மேலே எறியப்பட்ட பொருள் பூமியை நோக்கி வரக்காரணம் பூமியின் மிக அருகில் வெளி மிக அதிகமாக வளைந்துள்ளதால்தான். நிலா மிக தொலைவில் இருப்பதால் வளைவின் வலிமை இதை விட சற்று குறைவானதாக இருக்கிறது. அதனால்தான் அது நேரடியாக பூமியில் வந்து விழவில்லை” என்று விளக்குகிறது. இதன் மூலம் ஐன்ஸ்டீன் “ஈர்ப்புவிசை என்பதே காலவெளியின் வளைவுதான்(gravity is nothing but space-time curvature)” என்று சொன்னார். இதை “இந்த நூற்றாண்டின் மிக அழகான, மிகப் பெரும் சிந்தனை(greatest thought of this century)” என்று பல அறிவியல் அறிஞர்கள் புகழ்கின்றனர். ஜான் வீலர்(John Wheeler)  என்ற இயற்பியல் அறிஞர் இதை மிக அழகாகக் கூறுவார் “நிறை காலவெளியிடம் எவ்வாறு வளையவேண்டும் என்று சொல்லுகிறது. கால வெளி நிறையிடம் எவ்வாறு நகர வேண்டும் என்று சொல்லுகிறது (mass tells space how to curve. Space-time tells mass how to move)”.

ஒளி கூட வளையும்

ஐன்ஸ்டீனின் சார்பியல் கோட்பாட்டின்படி பொருளின் இயக்கத்தை விளக்க அதைச் சுற்றி உள்ள கால வெளியின் வளைவை(local spacetime curvature) கணக்கிட்டால் போதும். விசை என்ற கருத்து(concept) தேவையில்லை. மிக அதிக நிறையுள்ள பொருளுக்கு அருகில் ஒளி கூட வளைந்துதான் செல்லும்(light bends near massive objects). அதனால்தான் விண்மீன்களில் இருந்து வரும் ஒளி சூரியனைக் கடக்கும் போது வளைகிறது. இந்த ஒளியின் வளைவு(Bending of light) ஆய்வக பரிசோதனை மூலம் பல ஆண்டுகளுக்கு முன்பே நிரூபிக்கப்பட்டு விட்டது. ஐன்ஸ்டீனின் பொதுச்சார்பியல் கோட்பாட்டில் சொல்லப்பட்ட பெரும்பாலான கணிப்புகள்(predictions) கடந்த நூறு வருடங்களில் பல முறை ஆய்வக பரிசோதனைகள் மூலம் நிரூபிக்கப் பட்டுவிட்டது. ஆனால் ஈர்ப்பு அலைகள் மட்டும் மிகப்பெரிய சவாலாக இருந்து வந்தது. காரணம் அடிப்படையிலேயே ஈர்ப்பு அலைகள் மின்காந்த அலைகளை விட வலிமை குறைந்தவை. அதுமட்டுமில்லாமல் ஈர்ப்பு அலைகள் இவ்வளவு தூரம் கடந்து வருவதாலும் அதன் செறிவு மேலும் குறைகிறது. அதனால் ஈர்ப்பு அலைகள் நமது பூமியில் ஏற்படுத்தும் விளைவுகளும் மிக மிக நுண்ணியவை. இதுதான் இயற்பியல் அறிஞர்களுக்கு மிகச் சவாலாக விளங்கியது.

(ஆய்வறிஞர்கள் இச்சவால்களை எவ்வாறு கடந்து ஈர்ப்பலைகளை கண்டறிந்தார்கள் குறித்து அடுத்த பதிவில் விரிவாக …)

ஜோசப் பிரபாகர்

இயற்பியல் உதவி பேராசிரியர்

இலயோலா கல்லூரி , சென்னை

About சிறப்பு கட்டுரையாளர்கள்

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*