ஒளி – அலையும் துகளும்

கரும்பொருள் கதிர்வீச்சு நிறப்பிரிகையை விளக்கும் வகையில் 1900ஆம் ஆண்டு Max Planck (1858-1947) வடிவமைத்த சமன்பாடு இயற்பியலின் அடித்தளத்தையே தகர்ப்பதாக இருந்தது. அதில்தான் அவர் இன்று புகழ்பெற்று விளங்கும் Planck’s constant ஆகிய ‘h’ என்பதை அறிமுகப்படுத்துகிறார். 1859ஆம் ஆண்டு, கிர்க்ஹாஃப் (1824-1887) துறை நிபுணர்களுக்கு மட்டுமே ஆர்வமிருக்கக்கூடிய ஒரு சோதனை முயற்சிக்கான பரிந்துரையாய் கரும்பொருள் கதிர்வீச்சு என்ற சிந்தனையை முன்வைத்தார். பூரண கரும்பொருள் ஒன்று இருப்பின், அது எந்த நிறத்தையும் பிரதிபலிக்காமல், அனைத்து நிறங்களையும் ஏற்றுக்கொள்ளும். அப்படிப்பட்ட ஒரு பூரண கரும்பொருளும்கூட குறிப்பிட்ட ஒரு வெப்ப நிலையில், குறிப்பிட்ட சில வண்ணங்கள் கொண்ட நிறப்பிரிகையை வெளிப்படுத்தும் வகையில் ஒளிரும் என்றார் கிர்க்ஹாஃப். மேலும், பூரண கரும்பொருள் எப்பொருளாலானது எனினும் அது வெளிப்படுத்தக்கூடிய நிறப்பிரிகையின் தன்மை மாறாது என்றார் அவர். பூரண கரும்பொருள் வெப்பம் மிகுந்திருந்தால், நட்சத்திரங்களைப் போல் நீல நிறம் மிகுந்து ஒளிரும் என்றும், வெப்பம் குறைவாக இருந்தால் செவ்வொளி பரப்பும் என்றும் கூறினார் அவர். உலகிலுள்ள அத்தனை பொருட்களுக்கும் பொருந்தும் பொது விதி இது என்றால், அது எத்தனை பெரிய விஷயம்!
இதன் பின் நிகழ்ந்த சோதனைகளில் வெவ்வேறு பொருட்களின் ஒளிர் நிறப்பிரிகை அளவிடப்பட்டது. கிர்க்ஹாஃப் கூறியதுபோல், பூரண கரும்பொருள் எப்பொருளால் செய்யப்பட்டிருப்பினும் குறிப்பிட்ட ஒரு வெப்ப நிலையில் அவற்றின் நிறப்பிரிகைகள் ஒன்றே போலிருக்கின்றன என்பதை இச்சோதனைகள் உணர்த்தின. இதில் ஒரே ஒரு சிக்கல்தான் எழுந்தது. பூரண கரும்பொருளில் வெளிப்படும் நிறப்பிரிகையின் வடிவத்துக்கு யாராலும் விளக்கம் தர இயலவில்லை. கதிர்வீச்சுக்கும் வண்ணத்துக்கும் உள்ள தொடர்போ, கதிர்வீச்சு ஏன் தோன்றுகிறது என்பதோ யாருக்கும் பிடிபடவில்லை. இந்த நிறப்பிரிகையை விளக்க ப்ளாங்க் அளித்த சமன்பாடு முழுமையான விடையளித்தாலும், அதை ஏற்றுக்கொள்ள அறிவியல் உலகம் தன் அத்தனை முடிபுகளையும் கைவிட வேண்டியிருந்தது.

ஒளி அதற்கு சாத்தியப்படும் அத்தனை ஆற்றல் நிலைகளிலும் இருக்க முடியாது என்று கணித்திருந்தார் ப்ளாங்க். ஒளிக்கற்றையொன்றின் ஆற்றலை மேலும் மேலும் சிறிய துண்டங்களாய் பகுக்க முயற்சி செய்யும்போது மிகச் சிறிய, இதற்கு மேலும் பகுப்பது சாத்தியமில்லை என்ற அளவுள்ள, ஆற்றல் துண்டத்தை அடைகிறோம். இந்தத் துண்டம், ஃபோட்டோன் என்று அழைக்கப்படுகிறது. அதன் ஆற்றலை அறிய உதவும் சமன்பாடு இது:
ஃபோட்டோனின் ஆற்றல் E = hc / λ                           (துகள் இயல்பு)                                   (1)
இங்கு λ என்ற குறி அலைநீளத்தைக் குறிக்கிறது (wavelength) – மின்காந்த அலை மீண்டும் தன் முந்தைய வடிவத்துக்குத் திரும்பும் வரையிலான தொலைவு அது. நியூட்டனின் ஒளித்துகள் கோட்பாடு ஒளியை நிறை கொண்ட சிறு பில்லியர்ட்ஸ் பந்துகளாகக் கருதுகிறது. ஆனால் இங்கு ஃபோட்டோன்கள் நிறையற்றவையாகவும் இன்ன அளவு என்று குறிப்பிட்டுச் சொல்ல முடியாதவையாகவும் கொள்ளப்படுகின்றன. மாறாய், ஃபோட்டோன்கள் ஆற்றல் துண்டங்களாகக் கருதப்படுகின்றன. இங்கு, ஒளியின் வண்ணத்தை அதன் அதிர்வெண் (frequency) தீர்மானிக்கிறது – ν=c/λ. அதாவது ஒரு நொடிக்கு எத்தனை அதிர்வுகள் என்ற காலக்கணக்கு. இதன் அலகு ஹெர்ட்ஸ் ஆகும். எனவே, ஒளியின் நிறத்தை நாம் அறிந்தோம் எனில், அதன் மிகச் சிறிய ஆற்றல் துண்டம், அதாவது, ஃபோட்டோனின் ஆற்றலை நம்மால் தீர்மானிக்க இயலும்.
இங்கு ப்ளாங்க் தன் சமன்பாட்டில் ‘h=6.63×10^-34 ஜூல்ஸ்-வினாடி’ என்ற புதிய மாறிலி ஒன்றை அறிமுகப்படுத்துகிறார். அடுத்து வரவிருக்கும் க்வாண்டம் விசையியலின் (Quantum Mechanics) முதல் நிழல் இது. இந்தச் சமன்பாட்டை முன்வைத்தபோது ப்ளாங்க் தன் மாறிலியின் இருப்பு நிலை குறித்து அதிகம் கவலைப்படவில்லை. அதை ஒரு கணித உத்தியாகவே கருதினார். பின்னர், இந்திய விஞ்ஞானியாகிய எஸ். என். போஸ்  (1894-1974), இன்று போஸான்கள் என்று அவரை கௌரவிக்கும் வகையில் அழைக்கப்படும் துகள்களின் புள்ளியிய விசையியலை (statistical mechanics) பயன்படுத்தி நேரடியாகவே இந்தச் சமன்பாட்டைத் தோற்றுவித்தார். இவ்வாற்றல் துண்டங்கள் ஃபோட்டோன்களாக இருக்கும்போதே, போஸ் – ஐன்ஷ்டைன் புள்ளியியல் விதிகளுக்கு உட்படும் போஸான்களாகவும் இருக்கின்றன. ஆற்றல் துண்டம் என்ற கருத்துருவை அதனளவில் உண்மையான ஒன்றாய்த் துணிந்து, வெகுகாலமாய் விடையற்ற புதிராய் இருந்த வேறொரு கேள்விக்கும் ஐன்ஷ்டைன் விளக்கம் கண்டார்: அதுதான் ஒளிமின் விளைவு (photoelectric effect). இந்தக் கண்டுபிடிப்பு மிலிகன் (1868-1953) மற்றும் ஐன்ஷ்டைன் இருவருக்குமே நோபல் பரிசு பெற்றுத் தந்தது.
1913ஆம் ஆண்டில் ஹைட்ரஜன் அணு குறித்த கோட்பாட்டை முன்வைத்த நில்ஸ் போர் (1885-1962) இக்கருத்துகளை இன்னும் சற்று முன்னெடுத்துச் சென்றார். லூயி த-போயி (Louis De-Broglie:1892-1987) 1924ஆம் ஆண்டு தன் முனைவர் பட்ட ஆய்வில் பருப்பொருட்கள் அனைத்தும் அலைத்தன்மையும் கொண்டுள்ளன என்று குறிப்பிட்டார். ஒவ்வொரு துகளும், அது எலக்டிரானாக இருந்தாலும் சரி, ப்ரோடான், நியூட்ரான், கிரிக்கெட் பந்து, கிரிக்கெட் வீரர், கோள் அல்லது நட்சத்திரம் என்று எதுவாகினும், துகள்தன்மை மற்றும் அலைத்தன்மை என்ற ஈரியல்பு கொண்டுள்ளது என்றார் அவர். ஒரு துகளின் இயங்குவிசை (momentum) ‘p’ என்று கொள்வோமானால் த போயி அலைநீளம் (De-Broglie wavelength) என்று அழைக்கப்படும் அதன் அலைநீளம்
     λ = h/p                                         (அலைத்தன்மை) (2)
ஒரு துகளின் நிறை ‘m’ என்றும் அதன் வேகம் ‘v’ என்றும் கொள்வோமானால், அதன் இயங்குவிசை p=mv என்று இருக்கும். ஆனால், இதே துகள் ஒரு ஃபோட்டோன் என்று வைத்துக் கொள்வோம். அப்போது அது E என்ற ஆற்றல் கொண்ட “ஒளித்துண்டம்” என்றும் அதற்கு நிறை இல்லை என்றும் பொருளாகிறது. இந்நிலையில், மேற்கண்ட இரு சமன்பாடுகளும்  p=E/c என்ற முடிவு தருகின்றன. ஒரு துகள் ஃபோட்டோன்களை உள்வாங்கிக் கொண்டாலோ அல்லது உமிழ்ந்தாலோ, அத்துகளின் இயங்குவிசை மாற்றத்துக்கு உட்படும். நியூட்டனின் இரண்டாம் விதியின்படி, இயங்குவிசையில் ஏற்படும் மாற்றம் என்பது உந்துவிசை (force) என்று வரையறை செய்யப்படுவதால், இந்த ஆற்றல் பிற துகள்கள் மீது உந்துவிசை செலுத்தி அவற்றை நகர்த்தும் என்றும் முடிவாகிறது. இன்று அணுக்கள் மற்றும் பிற துகள்களைக் கைப்பற்றி ஓரிடத்தில் இருத்தி வைக்க நாம் பயன்படுத்தும் ஒளிச்சுழல் இடுக்கிகளின் (optical tweezers) அடிப்படை தொழில்நுட்பம் இதுதான். இவற்றை வடிவமைத்த காரணத்துக்காக Steven Chuவுக்கு (1948-   ) நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

தொடர்புவழி யுகம்:

மின்காந்தவியலின் இயல்பு குறித்த அடிப்படை புரிதல் முழுமையடைந்ததும் இருபதாம் நூற்றாண்டு சிந்தனைகளிலும் தொழில்நுட்பங்களிலும் கண்ட மாற்றங்கள் நம் அன்றாட வாழ்க்கையை முன் எப்போதும் இல்லாத வகையில் மாற்றியிருக்கின்றன.  ரேடியோ, நுண்ணலை, புலப்படும் ஒளி, அகச்சிவப்பு, எக்ஸ் ரே, மின்காந்த அலைகள் சர்வசாதாரணமாக பயன்படுத்தப்படுகின்றன. உணரிழை (antenna) குறித்த சிந்தனை நிறைவு பெற்றதும் கம்பியில்லா தொடர்பு கொள்ள குயால்மோ மார்க்கோனியால் (Guglielmo Marconi (1874-1937)) ரேடியோ அலைகள் 1894ஆம் ஆண்டு பயன்படுத்தப்பட்டன. இன்றுவரை அது நீடிக்கிறது. இன்றைய கைபேசிகள் மிகச் சிறிய வடிவில் இயங்கும் ரேடியோ அலைபரப்பிகள் (radio transmitters) மற்றும் ஏற்பிகள் (receivers) என்று கூறலாம்.
1917ஆம் ஆண்டு கதிர்வீச்சு குறித்த குவாண்டம் கோட்பாடு பற்றி ஐன்ஷ்டைன் அளித்த ஓர் ஆய்வறிக்கையில் ‘தூண்டுமிழ்வு’ (stimulated emission) என்ற ஒரு அணுநிலை இயக்கத்தின் சாத்தியத்தை கணித்தார். ‘தூண்டுதல்’ அல்லது ‘கிளர்வூட்டுதல்’ மூலம் ஓர் அணுவை ‘உணர்வெழுச்சி’ நிலை அடையச் செய்து (excited state), அதாவது உணர்வெழுச்சி ஆற்றல் நிலை அடைந்த எலக்ட்ரான் ஒன்றைக் கொண்ட அணுவின் உதவியால், ஃபோட்டோன் தன்னைப் பிரதியெடுத்துக் கொள்ள இயலும் என்பதை அவரது ஆய்வு விவரித்தது. இந்த எலெக்ட்ரானை ஃபோட்டோன் கிளர்வூட்டும்போது அது தாழ்தள ஆற்றல் நிலைக்குச் செல்கிறது. அப்போது, அந்த அணுவைக் கிளர்வூட்டிய ஃபோடானின் துல்லியமான பிரதியை அந்த எலக்ட்ரான் உமிழ்கிறது. ஐன்ஷ்டைனின் இந்தக் கண்டுபிடிப்பு லேசர்கள் உருவாக அடித்தளமிட்டது. இன்று லேசர்கள் தொலைதொடர்பு தொழில்நுட்பம், உயிரிமருத்துவ கருவிகள், உற்பத்திச் சாதனைகள், காண்திரை (display), தரவுச் சேமிப்பகம் (data storage) என்று பல துறைகளிலும் புரட்சிகரமான மாற்றத்தை உருவாக்கியிருக்கின்றன.
லேசர்கள் ஒரே ஃபோட்டோனின் பல பிரதிகளை ஆற்றொழுக்காய் உமிழ்கின்றன, செலுத்தப்பட்ட திசையில் ஃபோட்டோன்கள் ஒரு ராணுவ அமைப்புக்குரிய ஒத்திசைவுடன் விரைகின்றன. நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் மின்சார விளக்கின் ஃபோட்டோன்களோ சாமானியர்கள் போல் பல்வேறு திசைகளில், அவரவர் போக்கில் பிரிந்து செல்லக்கூடியவை. தூண்டுமிழ்வின் மூலம் ஒரு ஃபோட்டோன் தன்னையே நகலெடுத்துக் கொள்ள முடியும் என்பதால் மிக உக்கிரமான ஒளி சிந்தும் ஃபோட்டோன்களின் பெரும் படையே லேசர் தொழில்நுட்பத்தால் உருவாகிறது. 1953ஆம் ஆண்டு சார்ல்ஸ் டௌன்ஸ் [Charles Townes (1915-2015)] மற்றும் அவரது சகாக்கள் முதல்முறையாக மேசர்களை தோற்றுவித்தார்கள்- இது லேசரின் நுண்ணலை வடிவம் (microwave version). அதன்பின் மீண்டும் 1958ஆம் ஆண்டு Charles Townes மற்றும் ஆர்தர் ஷால்லோ(வ்) [Arthur Schawlow (1921-1999)] இருவரும் நாம் காணக்கூடிய ஒளி அளவையில் இயங்கக்கூடிய லேசர்களை உருவாக்குவதற்கான வகைமாதிரி ஒன்றை முன்வைத்தனர். அதையொட்டி, அடுத்த இரண்டாண்டுகளில் ஒரு மாணிக்கப் படிகத்தைக் கொண்டு முதல் லேசரை தியோடோர் எச். மெய்மன் [Theodore H. Maiman (1927-2007)] உருவாக்கினார். இன்று லேசர்கள் லேசர் அறுவை சிகிச்சை, டிவிடி, இயந்திரப் பகுதிகள், இணையம் என்று எங்கும் இருக்கின்றன.

(இச்சுட்டியில் உள்ள ஓவியம் இங்கு சற்றே வேறு வடிவில் அளிக்கப்பட்டிருக்கிறது –  http://www.thefoa.org/foanl-05-13.html )
தொலைதொடர்பு கருவிகள் ஏன் ஒளியைப் பயன்படுத்துகின்றன? மின்காந்த கதிர்வீச்சைப் பொறுத்தவரை தொலைதொடர்புத் துறை மேலும் மேலும் உயர்நிலை தாங்கு அலைவரிசைகளை (carrier frequencies) நோக்கியே செல்கின்றன. 1837ஆம் ஆண்டு முதன்முதலில் சாம்யுவெல் மோர்ஸ் [Samuel Morse (1791-1872)] நொடிக்கு வெகுச்சில தரவுகள் என்ற விகிதத்தில் (ஒரு சில ஹெர்ட்ஸ்கள்) தந்திகளை அனுப்பினார். துவக்ககால ரேடியோக்களின் மின்காந்த தாங்கு அலைவரிசை  ~2 மில்லியன் ஹெர்ட்ஸ் என்ற அளவில் இருந்தது (ரேடியோ அலைகள் நொடிக்கு இரண்டு மில்லியன் சுழற்சிகள் என்ற அளவில் அலைதலுக்குட்படுகின்றன). எப்எம்100 (FM 100)  என்ற வானொலி அலைவரிசையை எடுத்துக் கொண்டால், அது தன் ஒலிபரப்புகளுக்கு 100MHz என்ற அலைவரிசை கொண்ட ரேடியோ அலையைப் பயன்படுத்துகிறது. அருகருகே உள்ள இரு ரேடியோ சானல்களுக்கு இடையிலான அலைவரிசை இடைவெளி, ஒலிக்கற்றை என்று அழைக்கப்படுகிறது. அது ஏறக்குறைய ~200KHz என்ற அளவில் இருக்கும். எனவே குறிப்பிட்ட ஒரு அலைவரிசைத் தொடரில் எத்தனை ரேடியோ சானல்கள் இருக்க முடியும் என்பதை இதுவே தீர்மானிக்கிறது. எடுத்துக்காட்டுக்கு, உங்கள் எப்எம் சானல் 90-110 MHz என்ற கற்றையில் இயங்குகிறது என்றால், 20 MHz/200 KHz = 100 என்ற கணக்கின்படி நூறு சானல்களை அந்த ஒலிக்கற்றையினுள் ஒலிபரப்ப இயலும்.
பொதுவாக மின்காந்த அலையின் தாங்கு அலைவரிசை எவ்வளவுக்கு எவ்வளவு அதிகமாக இருக்கிறதோ, அந்த அளவுக்கு அதன் தகவல் தாங்கு கற்றையும் பெரிதாக இருக்கும், அதனுள் பயன்படுத்தத்தக்க சானல்களின் எண்ணிக்கையும் அதிகமாக இருக்கும். தொலைகாட்சிகள் இந்த தாங்கு அலைவரிசைகளை அளவில் சில நூறு மெகாஹெர்ட்ஸ்கள் என்ற விகிதத்தில் அதிகரித்தன. அதன்பின் 1940களில் நுண்ணலைக் கருவிகள் வந்தன (microwaves)- இவை செயற்கைக்கோள் மற்றும் நிலவழி தொடர்புக் கருவிகளில் பயன்படுத்தப்பட்டன. இதே போக்கு தொடர்ந்த காரணத்தால் 5×10¹⁴ Hz என்ற அலைவரிசையைக் கொண்ட ஒளி தொலைத்தொடர்புக் கருவிகளில் பயன்படுத்தும் காலம் வெகு சீக்கிரமே வந்தது. குறிப்பாக, 1960களில் லேசர்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டபின் இவற்றின் பயன்பாடு அவசியமானது. இந்த அலைவரிசைக்குரிய ஒலிக்கற்றையின் நூற்றில் ஒரு பங்கை நாம் பயன்படுத்தினாலும்கூட 25 மில்லியன் ரேடியோ சானல்களுக்கு இடமிருக்கும், இத்தகைய அபரித ஆற்றல் காரணமாக, ஒரு ரோமத்தின் அளவே சன்னமுள்ள ஒளியிழை (optical fibre) அரை மில்லியன் அடர் டிஜிடல் டிவி சானல்கள் அல்லது இருபத்து ஐந்து மில்லியன் தொலைபேசி அழைப்புகளைத் தாங்கிச் செல்ல இயலும்.
ஒளியிழை என்பது அடிப்படையில் ஒரு கண்ணாடிக் குடுவை. அது தாமிரக் கம்பிகள் மின்சாரம் கடத்துவது போல், ஒளியை ஒரு இடத்திலிருந்து வேறொரு இடத்துக்குக் கொண்டு செல்கிறது. ஒளியிழையினுள் நொடிக்கு ~200 மில்லியன் மீட்டர்கள் என்ற வேகத்தில் ஒளி பரவுவதால், தகவல்கள் மிக விரைவாக கொண்டு செல்லப்படுகின்றன. இன்று பயன்பாட்டில் உள்ள நவீன ஒளியிழைகளை வடிவமைக்கத் தேவையான அடிப்படை அறிவியல் பங்களிப்பிற்காக சார்ல்ஸ் கே. காவ் [Charles K. Kao (1933- )] 2009 ஆம் ஆண்டு நோபல் பரிசு பெற்றார். இன்று கடலுக்கடியில் உள்ள ஒளியிழைகளின் நீளம் பூமியைச் சுற்றி பத்து முறை வந்து செல்லக் கூடியது. இணையம் குறைகடத்தி லேசர்கள் (semiconductor lasers) பயன்படுத்துகிறது. இவை ~1.55 மைக்ரோமீட்டர்கள் என்ற அலைநீளம் கொண்ட அகச்சிவப்பு ஒளி உமிழ்கின்றன. கண்ணாடி இழைகள் மிகக் குறைந்த ஒளியையே உள்வாங்கிக் கொள்கின்றன. எனவே, தகவல்களைக் கொண்டு செல்லும் ஒளித் துணுக்குகள் (optical pulses) பயணப்பாதையில் அதிகம் விரியாமல் நேர்த்திசையில் விரைகின்றன.

(தொடரும்)

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