நேரம் சரியாக… – 6

அணு கடிகாரங்கள், துல்லியத்தை குறியாகக் கொண்டு வேகமாக வளரும் ஒரு துறையாக முன் பாகங்களைப் படித்த உங்களுக்குத் தோன்றியிருக்கலாம். மர்ம சினிமா ஒன்றைப் பார்த்துவிட்டு, சினிமாவே மர்மத்தை மையமாகக் கொண்டது என்று முடிவெடுப்பதைப் போன்ற விஷயம் இது. அப்படியானால், நிஸ்டில் வேலை செய்யும் பல விஞ்ஞானிகள் ஏன் பெளதிக நோபல் பரிசு வென்றுள்ளார்கள்? வெறும் துல்லியத்திற்காகவா? துல்லிய அளவீடு என்பது விஞ்ஞானத்தின் ஒவ்வொரு துறையிலும் தேவையான ஒன்று. ஆனால், அதுவே விஞ்ஞானமாகிவிடாது. அணு கடிகாரங்களை உருவாக்கும் முயற்சியில், சில மேல்வாரியான பெளதிகமும், மிகவும் ஆழமான பெளதிகமும் அடக்கம். முதலில் சற்று மேல்வாரியான விஞ்ஞானத்தை அலசுவோம்.

நியூட்டன், தன்னுடைய ஆராய்ச்சியில் நேரம் என்றால் என்ன என்பதை உலகிற்கு புரிய வைத்தவர். இவரது இயக்க விதிகளில், நேரம் என்பது ஒரு முக்கியமான ஒரு பரிமாணம். நேரம் என்பது முன்னே செல்லுமே தவிர, பின்னே செல்வதில்லை (தமிழ் சினிமா ஃப்ளாஷ்பேக்கிற்கு தாவாதீர்கள் – அந்த ஃப்ளாஷ்பேக்கை, நீங்கள் பார்க்கும் மணித்துளிகளிலும், நேரம் முன்னேதான் செல்லுகிறது!). நியூட்டனின் இயக்க விதிகளில், நேரம் என்பது ஒரு மாறாத விஷயம். இயக்கம் என்பது மாறும் விஷயம். வேகம் என்பது இயக்கத்திற்கும், நேரத்திற்கும் சம்மந்தப்பட்டது. வேகம் அதிகரிக்கிறது, என்றால், இயக்கம் ஒரு மணித்துளி அளவில் அதிகரிக்கிறது என்று பொருள். இதில் முக்கியமாக நாம் யோசிக்க வேண்டிய விஷயம், நேரம் வேகமாவதில்லை – இயக்கம் வேகமாகிறது.

இப்படியிருந்த நியூட்டோனிய சிந்தனையை, ஐன்ஸ்டீன் 20 –ஆம் நூற்றாண்டின் ஆரம்பத்தில் தன்னுடைய கோட்பாட்டினால் மாற்றி அமைத்தார். இவருடைய ”பொது ஒப்புமைக் கொள்கை”, (general theory of relativity) நியூட்டனின் விதிகள், எப்படி மிக அதிக வேகத்தில் பயணிக்கும் பொருட்களில் வேலை செய்யாது என்பதை விளக்கும் மிக புரட்சிகரமான கொள்கை. ஐன்ஸ்டீனை பலரும் புரிந்து கொள்ளவில்லை. அத்துடன் இவரது கோட்பாடுகளை சரி பார்க்க, அந்நாட்களில் சரியான சோதனை முறைகள் மற்றும் வசதிகள் இல்லை. ஐன்ஸ்டீனுக்கு, ஒரு பெருமை உண்டு; இவரது கோட்பாடுகளை சோதனை மூலம் நிரூபிக்க 50 முதல் 100 ஆண்டுகள் வரை ஆகியுள்ளன. நல்ல வேளை, இவரது முதல் பெரிய கோட்பாடான, “சக்தி வாய்ந்த ஈர்ப்பு மண்டலத்தில், ஒளி வளைவது” என்பதை எடிங்க்டன் 4 வருடத்தில் உலகிற்கு சோதனை மூலம் நிரூபித்தார். இல்லையேல், இவ்வளவு பெரிய அறிவு ஜீவியை உலகம் அறிந்திருக்கவே முடியாது.

பொது ஒப்புமைக் கொள்கையில், ஐன்ஸ்டீன் சொன்ன பல விஷயங்கள், 1950 –களில் நிரூபிக்கப்பட்டன. ஆனால், ஒரு விஷயம், சரியாக நிரூபிக்க முடியவில்லை. அதாவது, மிக அதிக வேகமாக பயணிக்கும் ஒரு கடிகாரம், தரையில் இருக்கும் கடிகாரத்தை விட மெதுவாக ஓடும் என்பதே ஐன்ஸ்டீனின் கொள்கை. இதோ, ஒரு விமானம் மூலம், ஏராளமான தூரம் பயணித்து இந்தச் சோதனையைச் செய்யும் விடியோ:

இதே போல, இங்கிலாந்திலிருந்து, நியூஜிலாந்துவரை பயணம் மேற்கொண்டு, வேகமாக பயணிக்கும் விமானத்தில், எப்படி ஒரு அணு கடிகாரம் மெதுவாகிறது என்ற சோதனை…

இப்படி, வேகமாக நகரும் எந்த ஒரு பொருளிலும், நேரம் மெதுவாக நகரும் என்பதை, பெளதிகத்தில், Time dilation என்று அழைக்கிறார்கள். வேகமாக என்றால், ஒளியில் வேகத்திற்கு அருகே என்று பொருள் – அதாவது நொடிக்கு 300,000 கி.மீ. வேகம். இதைப் பற்றிய ஒரு அழகான விடியோ இங்கே:

2011 –ஆம் ஆண்டில், (ஐன்ஸ்டீன் பொது ஒப்புமைக் கொள்கையை 1915 –ல் உருவாக்கினார்), அதாவது கிடத்தட்ட 100 ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு, ஐன்ஸ்டீனின் ஒவ்வொரு கணக்கீடும் துல்லியமானது என்று நிரூபிக்கப்பட்டது. இதில் முக்கியமானது, பூமியைச் சுற்றி வரும் ஜி.பி.எஸ் என்ற பல்செயற்கைகோள் அமைப்பு. இவை ஒவ்வொன்றும், தலா ஒரு அணு கடிகாரத்தை ஏந்தி பூமியை வலம் வருகிறது. இந்த அணு கடிகாரங்கள், பூமியில் உள்ள கடிகாரங்களை விட ஐன்ஸ்டீன் சொன்னது போல, நேரமிழந்து வந்தன. (பூமி என்பது அதி வேகமாக தன்னைச் சுற்றியும், சூரியனைச் சுற்றியும் வரும் ஒரு கோளம் என்பதையும் இங்கு நாம் மறந்துவிடக்கூடாது). அணு கடிகாரங்களின் துல்லியம், ஐன்ஸ்டீனின் கணக்கீட்டுடன் ஒத்துப் போனது அவரது அறிவாற்றலை நிரூபிக்கவும் உதவியது. ஐன்ஸ்டீன் ”நேரம் என்பது பூமியின் சுழற்சியின் ஒரு அளவீடு – அவவளவுதான்!”, என்று சொன்னவுடன், பலருக்கும் ஆரம்பத்தில் புடியவில்லை. உண்மை என்னவோ அதுதான். ஒரு நாள் என்பது என்ன? 24 மணி நேரம் என்று மட்டும் பதில் சொல்லாதீர்கள்! பூமி தன்னைச் சுற்றி வருகையில் ஒரு மணி நேரத்தில் 1.000 மைல்களைக் கடக்கிறது. ஒரு நொடிக்கு சூரியனைச் சுற்றி 20 மைல்களைக் கடக்கிறது. இப்படி பூமி தன்னைத்தானே சுற்றி வரும் தூரத்தில் ஒரு 15 டிகிரி சுழற்சிக்கு என்ன பெயர் ? ஒரு மணி நேரம் – அவ்வளவுதான்! அதாவது நேரம் என்பது வேறு ஒன்றும் அல்ல – இடமாற்றத்தின் அளவு, அவ்வளவுதான்!

நூறு வருடம் முன்பு ஐன்ஸ்டீன் சொன்னதை நிரூபிக்கத்தான் அணு கடிகாரங்களா? அணு கடிகாரத் துல்லியம் என்பது ஒரு தூய்மையான விஞ்ஞானப் பயணமாக மாறியுள்ளது, பல விஞ்ஞானிகளையும் இத்துறைக்கு வசீகரிக்க உதவியுள்ளது. சாதாரண வாழ்க்கைக்கு தேவையான நேரத்துல்லியம் கு.படிக கடிகாரங்களில், நமக்கு கிடைத்து விடுகிறது. ஆனால், மனிதத், துல்லியத் தேடல், மேலும் மேலும், அத்துல்லியத்தை, புதிய முறைகளில் தேட வைக்கிறது, இந்தத் தேடல், அணு விஞ்ஞான ஆராய்ச்சியின் எல்லைகளை மாற்றி அமைக்கவும் உதவியுள்ளது. துல்லியத்திற்கு தேவை என்னவோ, சற்றும் குறையற்ற இயற்கையான ஒரு ஊசல் முறை (extremely precise oscillator). அவ்வகை ஊசல்களை, இயற்கை அவ்வளவு எளிதில் நமக்கு அளிப்பதில்லை. இதற்காக, இயற்கையை அதன் சாதாரண நிலையில், மிக உயர்ந்த உஷ்ண நிலையில், மற்றும் ஏராளமாக குளிர்ந்த நிலைகளில் ஆராயத் தேவை உருவாகிறது. அத்துடன், புதிய தனிமங்களையும், அதன் இயல்புகளையும் புதிய கோணத்தில் ஆராய்ச்சி செய்ய வேண்டியுள்ளது. விஞ்ஞான வளர்ச்சிக்கு, இந்தத் துல்லியத் தேடல் எப்படி உதவுகிறது என்று புரிந்திருக்கலாம். புதிய அணு கடிகார அமைப்புகள் அனைத்தும், அணு அளவில் இருப்பதால், அணு அளவு பெளதிகம் (அதாவது குவாண்டம் பெளதிகம்) இங்கு பெரும் பங்காற்றுகிறது.

உதாரணத்திற்கு, 2012 –ல் நோபல் பரிசு பெற்ற டேவிட் வைன்லேண்ட், தன்னுடைய நோபல் உரையில், பேசியது அனைத்தும், மிகவும் குளிர்விக்கப்பட்ட அணுக்களின் இயக்கம் பற்றியது:

அணு கடிகாரங்கள் பற்றிய பேச்சல்ல இது. மிகவும் குளிர்விக்கப்பட்ட அணுக்கள் அன்று இங்கு பல முறை சொல்லியாகிவிட்டது. எதற்காக அணுக்கள் குளிர்விக்கப்பட வேண்டும்? எப்படி அவை குளிர்விக்கப் படுகின்றன? இது போன்ற கேள்விகள் உங்கள் மனதில் தோன்றியிருக்கலாம். சற்று விரிவாகப் பார்போம்.

‘விஞ்ஞான முட்டி மோதல்’ என்ற கட்டுரைத் தொடரில், எப்படி பிரபஞ்சத்தின் மிகக் குளிரான இடங்கள் ஜெனிவாவில் உள்ள LHC –ல் தாற்காலிகமாக உருவாக்கப் படுகிறது என்று பார்த்தோம். அத்துடன், அதற்கு எத்தனை செலவாகிறது என்றும் பார்த்தோம். உலகின் மிகச் சில ஆராய்ச்சி தளங்களில் மட்டுமே உள்ள ஒரு ஆராய்ச்சி வசதி இது. அணு கடிகாரங்களைப் பற்றி விவரிக்கையில், எப்படி சில தனிமங்கள், ஒரு நுணலையின் தூண்டுதலுக்கு பல கோடி முறைகள், ஒரு நொடிக்கு சக்தி நிலையில் கட்சி மாறுகிறது என்று பார்த்தோம். (நல்ல வேளை, நம்மூர் அரசியல்வாதிகள் யாரும் ’சொல்வனம்’ படிப்பதில்லை – இல்லையேல், “நானென்ன நொடிக்கு நூறு கோடி முறை கட்சி தாவும் சீசியப் பதறா?”).

அணு கடிகாரங்களின் முன்னேற்றம் பற்றிய பகுதிகளில், யெட்ட்ர்பியம் என்ற தனிமத்தை எப்படி குளிர்விக்கிறார்கள் என்று பார்த்தோம். இதில் மிக முக்கியமானது, ஆரம்பத்தில், எந்த ஒரு தனிமத்தையும் அதன் வாயு வடிவத்தில் உபயோகப்படுத்துதல். வாயு வடிவத்தில், சிறு குழாய்கள் வழியே குளிர்விக்கப் பட்ட தனிமத்தை (அல்லது சூடேற்றப்பட்ட) மின்காந்த மண்டலத்தினால், வேண்டிய அணுக்களை தனிப்படுத்துகிறார்கள். இதன் பின், அங்கு நடக்கும் விஷயம் மிகவும் சுவாரசியமானது. இத்ற்கு மேலும் அணுக்களை குளிர்விக்க என்ன வழி? மேலும் குளிர்விக்கப் பட்ட அணுக்கள், சமர்த்தாக, துல்லிய ஊசலாகும் வாய்ப்புள்ளது என்பதை குவாண்டம் பெளதிகம் சொல்கிறது. இங்கு ஒரு முக்கியமான புரிதல் தேவை – அணுக்களின் இயக்கம் குறைந்தால், அவை குளிர்கின்றன என்று பொருள். இந்த இயக்கக் குறைப்பை எப்படிச் செய்வது? லேசர் கதிகள் மூலம் செய்கிறார்கள். லேசர் பற்றி, சொல்வனத்தில், ‘அரை செஞ்சுரி துல்லியம்’ என்ற கட்டுரையில் பார்த்தோம். லேசர் என்றவுடனே Star Wars –ல் வரும் உஷ்ண பிழம்பு உங்களுக்கு நினைவுக்கு வந்தால், அதில் தவறு ஒன்றும் இல்லை. ஆனால், இங்கு உஷ்ணத்தை கூட்டவல்ல, குறைப்பதற்காக லேசர் கதிர்களை உபயோகிக்கிறார்கள்.

லேசர் கதிர்களின் அதிர்வெண்ணை மாற்றக் கூடிய வசதிகள் பல இன்று உண்டு (frequency tuning of lasers). தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட தனிமம் ஒரு அதிர்வெண்ணிற்கு செவி சாய்க்கும். அந்த அதிர்வெண்ணிற்கு சற்று குறைவான அதிர்வெண்ணில் லேசர் கதிர் ஒன்றை அணுக்கலவைக்குள் பாய்ச்சுகிறார்கள். பொதுவாக, லேசர்கள் ஃபோட்டான் என்ற அணுத்துகள்களைக் கொண்டவை. தகுந்த அதிர்வெண்ணில், ஃபோட்டான், ஒரு அணுத்துகளைத் தாக்கினால், ஃபோட்டானின் சக்தியை அணு உள்வாங்கி அதிக சக்தி பெரும் – இதத்தான் நாம் உஷ்ணமாகிறது என்கிறோம். ஆனால், சற்று குறைந்த அதிர்வெண்ணில் லேசர் கதிர் தாக்கினால், Doppler Shift என்ற விளைவுபடி, மெதுவாகிறது. இப்படி, அணுக்கலவைகளை இன்று லேசர் மூலம் குளிர்விக்கிறார்கள். இதில் உள்ள வசதி என்னவென்றால், குவாண்டம் பெளதிக முறைபடி, சரியாக எத்தனை டிகிரிகள் குளிர்விக்கலாம் என்று துல்லியமாக விஞ்ஞானிகள் கணக்கிட முடிகிறது. இவ்வாறு குளிர்விக்கப்பட்ட அணுக்கள், மிக அருமையான ஊசல்கள். இன்றைய புதிய அணு கடிகாரங்களின் அடிப்படை லேசர் குளிர் முறைகள் என்றால் மிகையாகாது. அணு லேசர் குளிர் முறைகளில் நிபுணரும், நிஸ்டின் இன்னொரு நோபல் பரிசு பெற்ற பில் ஃபிலிப்ஸின் (Bill Philips) அருமையான விடியோ இங்கே:

இன்று மிகவும் குளிர்விக்கப்பட்ட அணுபெளதிகம் (Ultra cold atom physics) ஒரு வேகமாக வளர்ந்து வரும் துறையாக மாறியுள்ளது. மீண்டும் ஐன்ஸ்டீனுக்கு வருவோம். இந்திய விஞ்ஞானி, சத்யன் போஸ், ஐன்ஸ்டீனுக்கு ஒரு ஆராய்ச்சி கட்டுரையை எழுதி அனுப்பினார். ஐன்ஸ்டீன், இதை மேலும் மெருகேற்றி, மிகவும் குளிர்ந்த நிலையில், ஒரு புதிய நிலையில் தனிமங்கள் உருவாகும் வாய்ப்பு உண்டு என்று முடிவெடுத்து உலகிற்கு அறிவித்தார். இதற்கு Bose Einstein condensate (BEC) என்ற பெயரிட்டனர். பொதுவாக, இயற்கையில் தனிமங்கள் வாயுவாய், திரவமாய் அல்லது திடமான நிலயில் காணப்படுகிறது. இந்த மூன்று நிலயுமல்லாது, நான்காவது நிலையாய் BEC அறிவிக்கப்பட்டது. இந்த கோட்பாடில் யாருக்கும் சந்தேகமில்லைதான்; ஆனால், இத்தனை குளிர்விக்கும் (அதாவது முன்னே சொன்ன மைக்ரோ கெல்வின் குளிர்) முறைகள் வளர, BEC அறிவித்து நூறு ஆண்டுகள் ஆயின. மேலே சொன்ன லேசர் குளிர்விக்கும் முறைகள் மற்றும் வடிகட்டும் முறைகளில் இன்று வெற்றிகரமாக BEC நிலையை சில தனிமங்களில் விஞ்ஞானிகள் உருவாக்கி விட்டார்கள்.

இதைப் பற்றிய சற்று வேடிக்கையான விடியோ இங்கே…

சரி, அணு கடிகாரங்கள் தவிர, இவ்வகை BEC –யினால் என்ன பயன்? நிறைய இருக்கிறது என்கிறார்கள் விஞ்ஞானிகள். BEC என்ற நிலையில் அணுக்கள் தங்களுடைய ஸ்திர நிலையை – அதாவது அலையா, அல்லது துகளா என்ற நிலை மாறி ஒரு கலவையாய் மாறுகின்றன. இதில் இன்னொரு முக்கிய விஷயமும் உள்ளது. அதாவது, ஒரே தருணத்தில் பல்வேறு நிலைகளில் ஒரு அணு இருக்கும் சாத்தியங்களும் உள்ளது. இது குவாண்டம் கணினியியல் வளர முக்கியமான காரணமாக இருக்கும் என்று விஞ்ஞானிகள் உழைத்து வருகிறார்கள். எதிர்கால கணினிகள் இம்முறையில் செயல்பட பல வாய்ப்புகள் உள்ளது; ஏராளமான வேகத்தில் (அதாவது, இன்றைய கணினிகளை விட ராட்சச வேகத்தில்) பல விடியோக்கள், மற்றும் படங்களை செயல்படுத்தும் சாத்தியம் உள்ளது.

அடிப்படை அணு ஆராய்ச்சியிலும் இத்துறை பல முன்னேறி வருகிறது. உதாரணத்திற்கு, அணுவிற்குள் உள்ள ப்ரோட்டான் என்பது எலெக்ட்ரான்களை விட 1,800 மடங்கு பெரிதானவை என்று ‘விஞ்ஞான முட்டி மோதல்’ என்ற கட்டுரையில் பார்த்தோம். இன்று, எலெக்டான்கள் மற்றும் ப்ரோட்டான்களின் சரியான வடிவம் என்ன என்று அறிய இந்த குளிர்விக்கப்பட்ட நிலையில் வாய்ப்பு உண்டு என்று பல விஞ்ஞானிகள் நம்புகிறார்கள். இதுபோன்ற, பல விஷயங்களைத் தேடி நம் இயற்கை அறிவை வளர்க்கவும் இத்துறை முன்னேறி வருகிறது.
துல்லியம் என்பதுதான் இத்துறையின் குறி. ஆனால், துல்லியத்திற்கான பாதையில் ஏராளமான பெளதிகம் வளர வாய்ப்புள்ளதே இத்துறையின் வசீகரம். 21 –ஆம் நூற்றாண்டில் குவாண்டம் பெளதிக வளர்ச்சியில் மிகவும் முக்கியமான பங்கு இந்து அதிகுளிர் அணு ஆராய்ச்சித் துறைக்கு உண்டு என்று தாராளமாகச் சொல்லலாம்.

தமிழ்ச் சொற்கள் எல்லோருக்கும் புரிய வேண்டும் என்று சில ஆங்கிலச் சொற்களை கட்டுரையில் பயன்படுத்தியுள்ளேன். இச்சொற்களுக்கு நிகரான சில தமிழ்ச் சொற்களை இங்கு பரிசீலனைக்கென முன்வைக்கிறேன்.

# ஆங்கிலச் சொல் தமிழ் பரிந்துரை
1. Quartz கடிகார படிகம் அல்லது கு. படிகம்
2. GPS receiver உலக நிலை காட்டும் கருவி
3. precision metal machining துல்லிய உலோக பொறியீடு
4. time zone நேர பகுதி
5. stable energy transitions ஸ்திரமான சக்தி தாவல்கள்
6. Atomic beam அணுக்கற்றை
7. Ultra Cold Atom Physics உச்சக் குளிர் அணு பெளதிகம்

 

மேற்கோள்கள்

நேர அளவீடு சரித்திரம்

எந்திர கடிகாரங்கள்

படிக கடிகாரங்கள்

அணு கடிகாரங்கள்

அணு பெளதிகமும் அணு கடிகாரங்களும்

oOo