ஒளி – ஒரு குறுஞ்சரித்திரம்

இளவேனிற்பருவம். பகற்பொழுதுகள் நீண்டு விரிகின்றன. வாசலில் டூலிப்களும் டான்டலியன்களும் மொட்டவிழ்ந்து முழுமுகம் காட்டி மலர்ந்திருக்கின்றன. அறை ஜன்னலின் முன்னுள்ள மேபிள் மரம் மிக வேகமாகத் துளிர் விட்டுத் தன்னை மரூன் வண்ண இலைகளால் போர்த்துக் கொண்டிருக்கிறது. என் பல்கலை மாணவர்கள் தம் குளிர்கால கம்பளியாடைகளை உரித்தெறிந்து, வளாகமெங்கும் மிதமான வேகத்தில் ஓடுகிறார்கள், வகுப்பறைக்கு ஸ்லிப்பர்களில் வருகிறார்கள்.
இப்போது, என் வீட்டுக்கு வெளியே, பெஞ்சில் உட்கார்ந்திருக்கும் நான் என் நான்கு வயது மகள் தாராவின் கேள்விக்கு பதில் சொல்ல முயற்சி செய்து கொண்டிருக்கிறேன்.
“மற்ற பூக்கள் மாதிரி இல்லாமல் இந்த சூரியகாந்திப் பூக்கள் ஏன் தலையைத் திருப்பி சூரியனையே பார்த்துக் கொண்டிருக்கின்றன ?”, என்று கேட்கிறாள் அவள்.
“செடிகளுக்கு அவசியமான நான்கு விஷயங்கள் என்ன?” என்று கேட்கிறேன்.
“மண், தண்ணீர், காற்று, அப்புறம்… சூரிய வெளிச்சம்,” என்று தீர்மானமாய்ச் சொல்கிறாள் தாரா.
“அதுதான் காரணம்,” என்று சொல்கிறேன். “கிழக்கில் உதித்து மேற்கில் மறையும் சூரியனின் பாதையை அவை தொடர்கின்றன”.
தேஜா, என் பத்து வயது மகள், வீட்டை விட்டு வெளியே வருகிறாள். அவள் கையில் ஒரு ஐபேட் இருக்கிறது.
“தேஜ், யூட்யூப் பார்த்தது போதும், இதோ பார் எவ்வளவு வெளிச்சம், இதையெல்லாம் பார்க்கக் கொடுத்து வைத்திருக்க வேண்டும்,” என்று அவளிடம் விளையாட்டாய்ச் சொல்கிறேன்.
 

இக்கணம் என்னை ஆச்சரியத்தில் ஆழ்த்துகிறது.  நாம் வாழும் வாழ்வு, நாம் காணும் யதார்த்தம், நம்மைச் சுற்றியுள்ள உலகு குறித்த நம் புலனனுபவம்- இத்தனையும் முழுக்க முழுக்க ஒளியால் நிறைக்கப்பட்டிருக்கின்றன. இயற்கையின் நான்கு அடிப்படை விசைகள்- மின்காந்த விசை, புவி ஈர்ப்பு விசை,  வன் அணுக்கரு விசை, மென் அணுக்கரு விசை (electromagnetism, gravity, strong and weak nuclear force) – இவற்றில் மின்காந்த விசைதான் எத்தனை அப்பட்டமாய் தாக்கம் செலுத்தி தனித்து நிற்கிறது!  சூரியன் நம் உயிரை, உடலியக்கத்தை, புறத்தே நிகழும் அன்றாட வாழ்வை மட்டுமல்ல, ஒரு அடிப்படை அலகாய் காலத்தின் கதியைத் தீர்மானிக்கிறது- ஆம், மின்காந்த விசையின் கதிர்வீச்சாகிய ஒளியின் வேகத்தை நெருங்குகையில் காலம் தளர்ந்து தாமதிக்கிறது.
தேஜா பார்த்துக் கொண்டிருந்த அந்த யூட்யூப் வீடியோவும் ஒளியின் சாகசம்தான்- இப்போது விரிசல் விட்டிருக்கும் அவளது ஐபேடின் காட்சித் தகட்டில் லட்சக்கணக்கான ஒளியுமிழ் டையோடுகள் ஒளிர்ந்து கொண்டிருக்கின்றன.  அவள் கையில் வைத்திருக்கும் ஐபேட்  என் வீட்டிலுள்ள கம்பியில்லா ரௌடருடன் மின்காந்த அலைகள் பரிமாறிப் பேசிக் கொள்கிறது. வீடியோவை அவளது ஐபேடிற்கு கொண்டு வந்து கொடுக்கும் இணையம் ஒளியின் நெடுஞ்சாலை: கண்ணாடியால் செய்யப்பட்ட ஒளியிழைகளின் பின்னல் (a network of optical fibers made of glass). அதன் பரப்பெங்கும் ஒளியின் கண்சிமிட்டல்கள். பின்னிப் படரும் அதன் பாதைகளில் ‘உண்டு’, ‘இல்லை’ என்ற இரண்டே கூறுகள் கொண்ட தகவல் பரிமாற்றம் நொடிக்கு பில்லியன் பிட்டுகள் என்ற வேகத்தில் விரைகின்றது- ஒளிக்கு மட்டுமேயுரிய சங்கேத மொழியில் சுழியத்தை “அவி” என்ற ஆணையாகவும், ஒருமையை “பொருத்து” என்ற ஆணையாகவும் மாற்றிக்கொண்டு ஒளியிழைகளை அவிந்தும் பொருத்தியும் விரையும் சுடர் வரிசையில் விரைவது ஒளியன்றி வேறல்ல.

இன்று நீங்கள் கண்ணாடி மாற்றிக் கொள்ளவோ கான்டாக்ட் லென்ஸ் பொருத்திக் கொள்ளவோ கண் மருத்துவரை நாடுகிறீர்கள். அல்லது வெவ்வேறு இயந்திரங்களின் அலைவரிசைகள் உங்கள் உடலை ஊடுருவி கண்ணுக்குத் தெரியாத உறுப்புகளை, அவற்றின் இயக்கங்களை, ஒளி கொண்டு வரைந்து கொடுக்கின்றன- எலும்பு முறிவின் எக்ஸ் ரே, எண்டோஸ்கோப்புகள் என்று அழைக்கப்படும் நெளியிழை கம்பிகள் (flexible fiber optic cables) கீழ்ச்சிவப்பு மற்றும் காணக்கூடிய ஒளி கொண்டு (infrared and visible light ) நம் உள்ளுறுப்புகளைப் படம் பிடிக்கின்றன, கண்ணுக்குப் புலப்படும் பச்சை நிற ஒளியுமிழும் மூலக்கூறுகளை (fluorescent molecules ) நம் உயிரணுக்களில் அசைந்தாடும் மூலக்கூறுகளுடன் பிணைத்து அவற்றின் இயக்கங்களை அவதானிக்க உதவுவதும் ஒளியே. ஏன், இன்று கண்ணில் லேசர் சர்ஜரி செய்யும்போது முன்போல் கத்தி வைப்பதில்லை, மாறாய், கண்பாவையில் கீழ்ச்சிவப்பு லேசர் ஒளியைப் பாய்ச்சி, வெட்டிக் கோர்க்கிறோம் – அங்கும் ஒளிதான்.
ஒளி என்றால் என்ன என்று யாரிடமாவது கேட்டால், அவர்கள் “அது ஒரு சக்தி”, “அது ஒரு வெப்பம்”, “அது நாம் பார்க்க உதவுகிறது” என்றெல்லாம் சொல்லக்கூடும். ஒளி என்றால் என்ன என்பதை யோசித்துப் பார்க்காமலேயே பதில் சொல்லக்கூடிய வகையில் அறிந்திருக்கிறோம், ஆனால் ஒளி குறித்துச் சிந்திக்கத் துவங்கி பல்லாயிரக்கணக்கான ஆண்டுகளானபின், இருபதாம் நூற்றாண்டின் துவக்கங்களில்தான் அதன் அடிப்படைத் தன்மை என்ன என்பதை நம்மால் புரிந்து கொள்ள முடிந்தது-  மின் மற்றும் காந்த மண்டலங்களின் மிக நுட்பமான பின்னல் அது (an intricate tangle of electric and magnetic fields), தன் இயல்பில் அலை போலவும் துகள் போலவும் பரவக்கூடிய தன்மை கொண்டது. இது குறித்த தேடலின் சாதனைகள் மற்றும் தேடல் நாயகர்களை அறிந்து கொள்ள இந்தக் கட்டுரையில் ஒரு சிறு பயணம் மேற்கொள்ளப் போகிறோம்.
இப்பயணக் குறிப்புகள் சிறிது நீண்டதாக இருக்கக்கூடும், ஆனால் பயணத்தின் கதை பின்வரும் வகையில் சுருக்கமாகச் சொல்லப்படக்கூடியதுதான்: விண்ணில் பொதிந்திருக்கும் ரகசியங்களைக் கண்டறியும் தொலைநோக்கியையும் கண்ணுக்குத் தெரியாத நுண்ணுயிரிகள் நிறைந்த உலகை வெளிப்படுத்திய நுண்ணோக்கியையும் வடிவமைக்கும் உத்தியை எவ்வாறு கண்டறிந்தோம் என்ற இடத்தில் நம் கதை துவங்குகிறது. ஒளியைப் பயன்படுத்திக் கொள்வது என்பது இயல்பான செயலாய் இருக்கிறது, ஆனால் ஒளி எதனாலானது என்பதை அறிந்து கொள்வது என்பது மிகப்பெரும் சவாலாக அமைந்தது. அது துகள்தன்மை கொண்டதா அல்லது ஒரு திரவம் போன்றதா? ஒளிக்கு மின்சாரத்துடனும் காந்தத்துடனும் உள்ள தொடர்பு என்ன? ஒளி எவ்வாறு வெற்றுவெளியில் பயணிக்கிறது, அந்த வெளியும் உண்மையாகவே ஏதுமற்றதா அல்லது கண்ணுக்குத் தெரியாத ஊடகத்தால் நிறைந்திருக்கிறதா? ஒளி எவ்வளவு தூரம் பயணிக்கிறது? ஒளியைக் காட்டிலும் வேகமாக பயணிக்கக்கூடிய எதுவும் உண்டா? இல்லை என்றால், ஒரு பொருள் வேகம் கூடி ஒளியின் வேகத்தைத் தொடும்போது காலமும் வெளியும் என்னவாகிறது?
இந்த அடிப்படை கேள்விகளுக்கான விடைகள் தொலைதொடர்புத் துறையில் ஒரு புதிய சகாப்தத்தை உருவாக்கியிருக்கின்றன. தொலைதூரத்தில் உள்ள ஒரு வேற்றுக் கிரகஆய்வுக்கலம் ஒன்றை பூமியிலிருந்தபடி இயக்குவது என்பது இன்று நமக்கு அதிர்ச்சியாகவோ ஆச்சரியமாகவோ இல்லை. வீட்டில் ரிமோட் கண்ட்ரோல் வைத்துக் கொண்டு விளையாடும் குழந்தை, அது எப்படி வேலை செய்கிறது என்பதைத் தெரிந்து கொள்ளாமலேயே விளையாடுவது போல் நாமும் இதை ஏற்றுக் கொள்கிறோம். இணையம், செயற்கைக்கோள் வழி தொடர்பாடல், எங்கும் நிறைந்திருக்கும் கைபேசிகள் என்று எல்லாமும் சேர்ந்து இவ்வுலகைச் சிறிதாக்கி விட்டன. மின்காந்த ஆற்றலைப் புரிந்து கொண்டு, அதன் திறனைப் பயன்படுத்தக் கற்று நாம் மருத்துவம், நுகர்வோருக்கான மின்னணுக்கருவிகள், போக்குவரத்து, பாதுகாப்பு, வளிமண்டலவியல் (meteorology), வானவியல் (astronomy) என்று பல துறைகளில் அசாத்திய வளர்ச்சி கண்டிருக்கிறோம். நம்ப முடியாத இந்த நிகழ்காலத்தை நாம் எப்படி வந்து சேர்ந்தோம் என்ற வரலாற்றைச் சற்று தெரிந்து கொள்வோம். ’ஒளிமயமான’ எதிர்காலத்தை நோக்கி நாம் சென்று கொண்டிருப்பதைப் புரிந்து கொள்ள அது உதவலாம்.

லென்ஸ்கள், தொலைநோக்கிகள், ஸ்நெல்ஸ் விதி

நூற்றாண்டுகளைக் கடந்து 1500ஆம் ஆண்டிலிருந்து நம் பயணத்தைத் தொடங்கலாம். இரு வேறு ஊடகங்கள் சந்திக்குமிடத்தில் நிகழும் ஒளித்திரிபு விதியைக் கண்டுபிடித்த (The law of refraction of light ) வில்லபிரார்ட் ஸ்நெலியஷ் (Willebrord Snellius)   வடிவ ஒளியியலின் (geometric optics) முதல் அறிவியல் அடிப்படைகளை வகுத்தார். உதாரணத்துக்கு, ஒளி காற்றிலிருந்து தண்ணீர்ப் பரப்பில் விழுகிறது என்றால் காற்றுக்கும் நீருக்கும் பொதுவான இடைமுகத்தில் அது விழும் கோணத்தையும் அதன்பின் நீரினுள் அடையும் திரிபின் கோணத்தையும் ஸ்நெல் விதி தொடர்புறுத்துகிறது.

 
இதை மிக முக்கியமான ஒரு திறப்பு என்று சொல்லலாம்- ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் உரிய ஒளிமுறிவு எண் ஒன்றுண்டு (refractive index) என்ற கருத்துருவாக்கத்தை ஸ்நெல்ஸ் விதி நிறுவியது. உதாரணத்துக்கு, தண்ணீரின் ஒளிமுறிவு எண் 1.33- இதன் பொருள், வெற்றிடம் அல்லது ஏதுமற்ற வெளியில் விரைவதைக் காட்டிலும் 1.33 மடங்கு மெதுவாக தண்ணீரில் ஒளி பரவுகிறது என்பதே. குறிப்பிட்ட  ஒரு ஊடகத்திலிருந்து வேறொரு ஊடகத்தினுள் பாயும் ஒளி எவ்வகையில் திசை மாறும் என்பதை கணிக்கக் கற்றுக் கொண்டுவிட்ட காரணத்தால், கண்ணாடி இழைத்து ஒளி வில்லையை உருவாக்குவது (lens) சாத்தியமாயிற்று.
இன்று பலரும் கண் பார்வைக்கு உதவ அணிந்து கொள்ளும் கண்ணாடிச் சில்லுகளின் (spectacles) முதல் வடிவங்கள், பதினான்காம் நூற்றாண்டில் வடிவமைக்கப்பட்டன.  வில்லைகளின் ஒளியியல் (lens optics) அதன்பின் வந்த நூற்றாண்டுகளில் பலரால் நுண்மையாக்கப்பட்டது- கலிலெயோ கலிலெய் (Galileo Galilei) (1564-1642), யொஹானெஸ் கெப்ளர் (Johannes Kepler) (1571-1630), சஹாரியாஸ் யான்சன் (Zacharias Janssen) (1585-1632) இவர்களில் சில முக்கியமான முன்னோடிகள். தன் தொலைநோக்கிகளைக் கொண்டு கலிலெயோ சூரியனில் தோன்றும் இருள் பிரதேசங்களையும் சனிக்கிரகத்தைச் சுற்றியுள்ள வளையங்களையும் வியாழனின் நிலவுகளையும் கண்டார். கோள்களின் இயக்கம் குறித்த விதிகளை கெப்லர் வடிவமைத்தார். இந்தக் கண்டுபிடிப்புகள் காரணமாக, இவ்வுலகின் மையம் பூமியே என்ற நம்பிக்கை இருந்த நிலை மாறி, பூமியே சூரியனைச் சுற்றி வருகிறது என்ற உண்மை உறுதிப்பட்டது.
1590ஆம் ஆண்டில் உலகின் முதல் நுண்நோக்கியை யான்சன் வடிவமைத்தார். ராபர்ட் ஹுக் (Robert Hooke) (1635-1703) 1665ஆம் ஆண்டு ‘மைக்ரோகிராஃபியா’ (Micrographia) என்ற ஆய்வுநூல் எழுதினார்- இதில்தான் முதல் முறையாக உயிரணு (செல்) என்ற சொல் பயன்படுத்தப்படுகிறது. உயிர்க்கூட்டின் அடிப்படைக் கட்டுமானக் கூறுகள் என்று செல்களை விவரிக்கிறார் ஹூக். நுண்ணோக்கியைக் கொண்டு  ஆண்டொன் வான் லேவன்ஹுக் (Anton van Leeuwenhoek) (1632-1723) பாக்டீரியாக்களைக் கண்டறிந்தார். இத்தனை கண்டுபிடிப்புகள் இருந்தாலும் ஓர் அடிப்படை கேள்விக்கு விடை காணப்படவில்லை- ஒளியின் பொருண்ம இயல்பு (actual physical nature) உண்மையில் எத்தன்மை கொண்டது?

ஒளி அலையா துகளா?

ஒளி அலை போன்றது என்ற கோட்பாட்டை முன்வைத்திருந்தார் ராபர்ட் ஹூக், உயர் அலைவரிசைகளில் அது ஊசலாடுகிறது என்றார் அவர் (oscillates at high frequencies). ஆனால் ஐசக் நியூடன் (Isaac Newton) (1642-1727) ஒளி துகள்தன்மை (corpuscular ) கொண்டது என்று கருதினார்- விண்வெளியெங்கும் நிறைந்திருக்கும் ஈத்தரில் (Ether) அது அதிர்வுகளைத் தோற்றுவிக்கிறது- ஒவ்வொரு வண்ணத்துக்கும் அதற்கேயுரிய  அதிர்வொன்று உண்டு (ஈதர் என்று எதுவும் இல்லை என்பதை இப்போது நாம் அறிந்திருக்கிறோம்). ஒளி ஒரு பொருளின் மீது விழும்போது உருவாகும் கூர்மையான நிழல்களை வேறு எப்படி விளக்க முடியும், என்று வாதிட்டார் அவர். ஒளி அலைத்தன்மை கொண்டது எனில், அது ஒலியலைகளைப் போல் மூலை திரும்பி பயணிக்க வேண்டும் என்பது அவர் வாதம்.
ஆனால் கிரிஸ்டியான் ஹோகன்ஸ் (Christian Huygens) (1629-95),  ஒளி அலைதான் என்பதைத் தன் சோதனைக்கூட ஆய்வுகள் மூலம் தீர்மானமாக நிரூபித்தார். நியூட்டனின் ஒளித்துகள் கோட்பாடு கூறுவதற்கு மாறாக, அடர்த்தியான ஊடகத்தில் நுழையும்போது ஒளியின் வேகம்  குறைவதை ஹோகன்ஸின் ஒளியலைக் கோட்பாடு வெற்றிகரமாக விளக்கியது. மேலும் எதிரொளிப்பு (reflection), ஒளித்திரிபு (refraction) விதிகள் மற்றும் முனைவாக்கத்தின் (polarisation) இயல்பை அறிவியல்பூர்வமாக நிறுவுவதில் அவர் வெற்றி கண்டார். இருந்தாலும் நியூட்டனின் கருத்துகளே மேலாதிக்கம் செலுத்தியது என்பதால், ஒளி அலைக் கோட்பாட்டை வலியுறுத்தியவர்கள் குரல் அவ்வளவாக எடுபடவில்லை.
ஒளியலைக் கோட்பாட்டை உயிர்ப்பித்தவர் டாக்டர் தாமஸ் யங் (Dr. Thomas Young) (1773-1829)- பல்வேறு துறைகளில் அவர் ஆளுமை கொண்டிருந்தார் என்பதால், “அனைத்தும் அறிந்த கடைசி மனிதர்” என்ற அடைமொழி அவருக்கே அளிக்கப்பட்டிருக்கிறது.  மருத்துவக் கல்வி பயின்ற அவர் தனது இருபத்து ஆறாம் வயதில் லண்டனில் மருத்துவராக தொழில் புரியத் துவங்கினார். தனது மருத்துவமனையின் உள்ளறையில் இயற்பியல் பரிசோதனைகள் மேற்கொள்வதை அவர் பொழுதுபோக்காய் வைத்திருந்தார். மருத்துவர் என்ற புகழுக்கு பங்கம் ஏற்பட்டுவிடுவதைத் தவிர்க்க அவர் தன் ஆய்வு முடிவுகளை பெயரிலியாய் வெளியிட்டார். இன்றும் நம் உயர்நிலைப் பள்ளி இயற்பியல் புகுமுக வகுப்புகளில் கற்றுத் தரப்படும் அவரது புகழ்பெற்ற இருதுளை சோதனை இதோ:

யங்கின் சோதனையில், ஜன்னலின் வழியாக உள்ளே நுழையும் சூரிய ஒளி ஊசி முனையளவு குறுகிய ஒரு துளையில் புகுந்து இரண்டாம் திரையில் விழுகிறது. அதில் சில மில்லிமீட்டர்கள் இடைவெளியில் இரு சிறு துளைகள் கீறப்பட்டிருக்கின்றன. இந்தத் திரையைக் கடந்து அதற்கு அப்பாலுள்ள திரையில் விழும் ஒளி அடுத்தடுத்து பிரகாசமாகவும் இருளாகவும் உள்ள குறுக்கீட்டு உருவமைவைத் (interference pattern) தோற்றுவிக்கிறது. பார்ப்பதற்கு இது நீர்ப்பரப்பின் சிற்றலைகள் (ripples) போலில்லை? ஒளியலைக் கோட்பாட்டைக் கொண்டு அவர் இந்த அலையமைவில் ஒளியின் அடர்த்தி எங்கு அதிகமாவும் எங்கு குறைவாகவும் இருக்கும் என்பதைத் துல்லியமாய் கணித்தார் (maximum and minimum intensities of light in the ripple pattern). மேலும் நேரடியான, எளிய முறையில் அவர் ஒளியின் அலைவரிசையைக் கணிக்கும் வழியையும் கண்டறிந்தார்.
விண்வெளியில் ஒளியின் அலைநீளத்தை (wavelength of light) இந்த அலைவரிசை விவரிக்கிறது. நாம் காணும் ஒளியின் நீளம் 400-750 என்ற அளவில் உள்ளது (ஒரு நானோமீட்டர் என்பது ஒரு மீட்டரில் பில்லியனின் ஒரு பகுதி – 1/1,00,00,00,000) கதிர்வீச்சின் அலைவரிசை 1 ஆங்க்ஸ்ட்ரோம் (1/10,00,00,00,000 மீட்டர்) என்ற அளவில் இருக்கலாம், இதற்கு மாறாய் மைக்ரோவேவ் அடுப்பில் உள்ள வெப்பத்தின் அலைவரிசையை சென்டிமீட்டர் கணக்கில் நாம் தீர்மானிக்க முடியும். ரேடியோ அலைவரிசை மீட்டர்களில் கணக்கிடப்படுகிறது. யங் தன் ஆய்வு முடிவுகளை 1804ஆம் ஆண்டு பதிப்பித்தார்.
ஆனால் நியூட்டன் ஒளித்துகள் கோட்பாட்டின் ஆதரவாளர்கள் அவரைக் கடுமையாய் கண்டித்தனர். இதனால் மனமொடிந்த யங் தன் ஒளியியல் ஆய்வுகளைக் கைவிட்டு, விடையறிய முடியாத ஒன்று என்று புகழ்பெற்ற புதிராய் விளங்கிய ரோசெட்டா ஸ்டோனின் எகிப்திய ஹைரோகிளிப்களை ஆய்வு செய்து அந்த மொழியைப் புரிந்து கொள்ள வழி செய்தார். ஆனால் காலமும் கடலலையும் தடுத்து நிறுத்தப்பட முடியாதவை- ஒளியலைக் கோட்பாடு காலப்போக்கில் தன்னை நிறுவிக் கொண்டது, இனி அதில் பிழை காண வாய்ப்பில்லை.

(தொடரும்)

 (இக்கட்டுரையை மேம்படுத்த உதவிய முனைவர் நாகபூஷண சிந்துசயன (Dr. Nagabhushana Sindhushayana) அவர்களுக்கு உளமார்ந்த நன்றிகள்)