ஒளி – இப்போதும் இனியும்

Science_Theory_Space_big_bang

குறைகடத்திகளின் இயற்பியல் வளர்ச்சி (semiconductor physics) இருபதாம் நூற்றாண்டில் முழு வடிவம் அடைந்தது. குறைகடத்திச் சந்தி (Semiconductor junction) கண்டுபிடிக்கப்பட்டபின் அது நவீன மின்னணுவியல் மற்றும் பிற கருவிகள் உருவாகக் காரணமாயிற்று. அதுவே லேசர்கள், போக்குவரத்து விளக்குகள் முதல் இன்று பொதுப் புழக்கத்தில் உள்ள ஐபேட், ஸ்மார்ட்போன்கள், கணினி திரைகள் என்று பல்வகை காட்சித்திரை தொழில்நுட்பங்கள் மற்றும் ஒளியுமிழ் டயோடுகள் (light emitting diodes, LED) உருவாகவும் வழி செய்தது. லேசர்கள் ‘ராணுவம் போல்’ அணிதிரளும் போட்டோன்களைத் திரட்டுகின்றன என்றால் ஒளியுமிழ் டயோடுகள் ‘பொதுமக்கள் போல்’ அல்லாடும் போட்டோன்களை உருவாக்குகின்றன. சிவப்பு, பச்சை, நீல வண்ண ஒளியுமிழ் டயோடுகளை ஒருங்கிணைத்து பிற வண்ணங்களை இக்காட்சித்திரை தொழில்நுட்பங்கள் தோற்றுவிக்கின்றன. இதே குறைகடத்திச் சந்திக்கருவிகள் கதிரொளி மின்கல தொழில்நுட்பங்கள் (solar cell technologies) பரிணமிக்கவும் காரணமாகியிருக்கின்றன. இவை கதிரொளியை மின்சாரமாய் மாற்றுகின்றன. எதிர்காலத்தில் நம் ஆற்றல் தேவைகளை நிறைவு செய்ய இவை முக்கியமாய் இருக்கக்கூடும்.
மின்னணு சுற்றமைப்புகளில் (Electronic circuit) எலக்ட்ரான்களை ஓடச் செய்து,  முன்னரே வடிவமைக்கப்பட்ட செயல்திட்டங்களை மின்னணுவியல் தொழில்நுட்பம் நிறைவேற்றித் தருகிறது. மின்னணுச் சுற்றமைப்புகள் இருக்குமிடத்தில் ஒளியியல் சுற்றமைப்புகள் இருக்கும் காலம் வரப்போகிறது. ஆம், ஒளியியலுக்குரிய தொழில்நுட்பங்கள் (optical technologies) போலவே கணினித்துறையின் எதிர்காலமும் ஒளியுடன் பிணைக்கப்பட்டிருக்கிறது. கணினிகளில் ஃபோட்டோன்கள் அவற்றுக்காக வடிவமைக்கப்பட்ட சுற்றமைப்புகளில் (photonic circuits) சுற்றி வரப் போகின்றன. நாம் முன்னர் பேசிய அலைக்கற்றைகளை முழுமையாகப் பயன்படுத்திக் கொள்வதில் அதிவிரைவு செயலூக்கத்தை இவற்றால் வெளிப்படுத்த முடியும். இக்கருவிகள் வடிவமைக்கப்பட, முதலாவதாக ஒளிசார்ந்த இலக்கமுறை கணினி (optical digital computer) உருவாக்கப்பட வேண்டும். அது, விளக்கு ‘அவிந்திருக்கும்’ நிலையை சூனியம் என்றும் ‘ஒளிர்ந்திருக்கும்’ நிலையை ஒன்று என்றும் எடுத்துக் கொண்டு, இன்றுள்ள கணினிகள் போலவே இலக்கமுறை கணக்குகளை செய்து முடிக்கக்கூடியவையாக அவை இருக்கும்.
இன்றுள்ள ஒளிமின்னணுவியல் தொழில்நுட்பங்களில் (optoelectronic technologies) ஒளியும் மின்னணுவியலும் எந்த அளவுக்கு ஒருங்கிணைக்கப்பட்டிருக்கின்றன என்பதற்கு ஒளிசார்ந்த தொடர்பு வட்டங்களே (optical communications network) மிகச் சிறந்த உதாரணம். உங்கள் நண்பர் ஒருவருக்கு மின்அஞ்சல் அனுப்பும் எண்ணத்தில் நீங்கள் உங்கள் கணினியில் தட்டச்சு செய்யும்போது, தகவல்கள் எலக்ட்ரான் வடிவத்தில் சேமித்து வைக்கப்படுகின்றன. இத்தகவல்கள் உங்கள் கணினியிலிருந்து ஒளியிழைப் பாதையில் (optical fiber network) செல்லும்போது, நொடிக்கு பல பில்லியன் முறை என்ற வேகத்தில் சிமிட்டும் ஒளிக்கற்றைகளாக அது மாற்றப்படுகிறது. இந்த ஒளிவடிவ தகவல் போய்ச் சேர வேண்டிய இடத்தைச் சென்று சேர்ந்ததும் அது மீண்டும் மின்னணுவியலுக்குரிய வடிவிலான தகவல்களாக மாற்றிப் படிக்கப்பட வேண்டும். எலக்ட்ரான்கள் போட்டோன்களாகவும் போட்டோன்கள் எலக்ட்ரான்களாகவும் மீண்டும் மீண்டும் மாற்றப்படும்போது இணையத்தின் வேகம் குறைகிறது.
இது போன்ற மாற்றங்களைக் குறைக்கும் வகையில் எலக்ட்ரான்களுக்கு பதில் ஒளியைப் பயன்படுத்தியே கணிதச் செயலிகளை இயக்கினால் என்ன என்ற ஒரு கருத்தாக்கம் இருக்கிறது. இதைச் செய்ய மின்னணு சுற்றமைப்புகளுடன் ஒளிச் சுற்றமைப்புகளை ஒருங்கிணைத்தாக வேண்டும். ஒரு தர்க்கச் செயலை எலக்ட்ரான்கள் கொண்டு நிகழ்த்துவதற்கு பதில் ஒளி கொண்டு செய்வதானால், எலக்ட்ரானிக் ட்ரான்சிஸ்டர் இருக்கும் இடத்தில் நாம் ஆப்டிகல் ட்ரான்சிஸ்டர் ஒன்றைப் பயன்படுத்த வேண்டியதாகிறது. நேரிலா படிகங்கள் (nonlinear crystals) என்று அழைக்கப்படும் ஒருவகை படிகங்கள் இதற்கு பயன்படுகின்றன. ஆனால் அவற்றை இன்று இயக்க மிக உக்கிரமான ஒளி (high light intensity) தேவைப்படுகிறது. எதிர்காலத்தில் வடிவமைக்கப்படும் ஒளிக்கணினிகள் இவற்றைவிடச் சிறந்த படிகங்களால் இயங்கும். அவை ஒளியடர்த்தியின் தாழ்நிலையில் (low light intensity) ஒளிசார்ந்து தர்க்கப் பணிகளை நடைமுறைப்படுத்தும்.
ஆனால் நாம் உண்மையாகவே புரட்சிகரமான மாற்றத்தைக் கணிப்பதானால் எதிர்கால கணினிகள் ஈரிணை ஒளிக்கணினிகள் (binary optical computer) என்று சொல்லப்பட மாட்டாது. அவை க்வாண்டம் கணினிகளாகவே (Quantum computers) செயலாற்றும். தகவல்களைக் குறித்து வைத்துக்கொள்ள நாம் சூனியம் மற்றும் ஒன்று ஆகிய இரு எண்களை மட்டும் பயன்படுத்துவது என்ற தொழில்நுட்பத்துக்கு மாற்றாய் இவற்றுக்கு இடைப்பட்ட பருமைகளில் (magnitude) பல்வேறு கலவை எண்களை (complex numbers) பயன்படுத்தும் தொழில்நுட்பம் சாத்தியம்தான். அப்படிப்பட்ட கணினி ஆற்றல் வாய்ந்ததாய் இருக்கும். ஒளியைப் பயன்படுத்தி, ஒற்றை அணுவைச் சுற்றிச் சூழ்ந்திருக்கும் மண்டலத்தில் அது தகவல்களைச் சேமித்து வைக்கும். ஒளியைக் கொண்டே தகவல்களை மீண்டும் படித்தும் காட்டும். நான்கு க்வாண்டம் பிட்டுகள் அல்லது க்யூபிட்டுகள் கொண்ட க்வாண்டம் கணினி ஒன்றை ஐபிஎம் அண்மையில் வெற்றிகரமாக வடிவமைத்து இயக்கியுள்ளது; இது இப்போது ஒளியைப் பயன்படுத்துவதில்லை, அதற்கு மாறாய் மிகுகடத்திகள் (superconductors) பயன்படுத்துகிறது. இவை மிகக் குறைந்த, மில்லிகெல்வின்களில் அளவிடக்கூடிய வெப்பத்தில் இயங்குகின்றன.
இன்று ஆய்வுகள் நிகழ்த்தப்படும் மிக முக்கியமான துறைகளில் ஒன்று மீபொருள் ஒளியியல் (optical metamaterials) என்று அழைக்கப்படுவது. மீ- என்ற முன்னொட்டு, ‘அப்பால்’ அல்லது, ‘உயர்நிலை கருத்துப்பொருள்’ (higher order abstraction) என்று பொருட்படும். நாம் பயன்படுத்த விரும்பும் பொருட்களை ஒளியின் அலைநீளத்தின் நீளவாக்கில் ஒருங்கிணைத்து, இயற்கையில் காணப்படும் பொருட்களில் இல்லாத, அசாதாரணமான ஒளியியல்புகள் கொண்ட பொருட்களை நாம் உருவாக்க முடியும். உதாரணமாக, நேர்மறை, எதிர்மறை மற்றும் சூனிய ஒளித்திரிபு எண் (refractive index) கொண்ட பொருட்களை நாம் உருவாக்க முடியும். ஒளித்திரிபு எண் என்பது, வெற்றிடத்தில் ஒளி பரவும் வேகத்தோடு ஒப்பிடுகையில் குறிப்பிட்ட பொருளில் ஒளி பரவும் வேகம் நிதானிப்பதன் அளவீடு. ஒளித்திரிபு எண் சூனியமெனில், பொருளினுள் ஒளி எண்ணிக்கையிலடங்கா வேகத்துடன் விரைகிறது என்று பொருட்படும். இது ஐன்ஷ்டைனின் சார்பியல் கொள்கைக்கு முரண்பாடானது என்று பயப்பட வேண்டாம். ஒளியின் விரைவுவேகம் (velocity) என்பதை வெவ்வேறு வகைகளில் நாம் வரையறை செய்ய இயலும். ஒளியின் வேகத்தைத் தாண்ட முடியாத ஒரே வேகம், ஆற்றல் விரைவுவேகம்தான் (energy velocity). பிறவகைப்பட்ட விரைவுவேகங்களை நாம் இங்கு பேசப்போவதில்லை, ஆனால் அவை ஒளியைவிட விரைவான வேகத்தில் செல்லக்கூடியவை.
ஒளியின் வேகம் என்று பேசுவதானால் லீனு வெஸ்டர்ஹார்ட் ஹாவ் (Lene Vestergaard Hau, 1959- ) ஹார்வர்ட் பல்கலை ஆய்வு ஒன்றில் மிகக் குளிர்ந்த தட்பவெட்ப நிலையில் உள்ள அணுக்கூட்டம் ஒன்றினுள் செலுத்தப்படும் ஒளியின் வேகத்தை மிதிவண்டியில் போகும் ஒருவன் வேகத்துக்குக் குறைக்க முடியும் என்றும், அதை அப்படியே உறைந்து நிற்கச் செய்ய முடியும் என்றும் காட்டினார் . ஒளி உறைகிறது என்றால் அதன் ஆற்றல் விசைவேகம் சூனியம் என்றாகிறது. இதன்பின் அணுக்கூட்டத்தைச் சிதறச் செய்து ஒளியை மீண்டும் அதன் வேகத்தில் செல்ல நாம் அனுமதிக்க முடியும். எதிர்காலத்தில் குவாண்டம் கணினிகள் வடிவமைக்கும்போது ஒளியை இந்த அளவுக்குக் கட்டுப்படுத்துவது அவசியப்படும்.

மீபொருட்களில் வேறொரு சுவாரசியமான துறை, ஒளிப் போர்வைகள் (optical cloaks). ஹாரி பாட்டர் தன்னை மறைத்துக் கொள்ள போர்த்துக் கொள்ளும் போர்வை நினைவுக்கு வரலாம். ஒரு பொருளின் மீது விழும் ஒளி சிதறும்போதுதான் நாம் அப்பொருளைப் பார்க்க முடிகிறது. எனவே, ஒளியைச் சிதறச் செய்யாத பொருளைச் செய்யலாம். அல்லது, கண்ணுக்குத் தெரியாத வகையில் ஒளியைச் சிதறச் செய்யும் பொருட்களை வடிவமைக்கலாம். தன் சூழலுக்கு இணையான ஒளித்திரிபு எண் கொண்ட பொருள் செய்தால், அதில் விழும் ஒளி சிதறாமல் தடுக்கப்படும். ஆனால் ஒரு சூழலில் எப்படிப்பட்ட பொருளும், எப்படிப்பட்ட வண்ணமும் இருக்கக்கூடும் என்பதால் இதைச் செய்வது எளிதல்ல. இதன் பயன்பாடு ஒரு குறுகிய சூழலில்தான் இருக்க முடியும். கடலில் உள்ள மீன்கள் சில, கடல் நீருக்கு இணையான ஒளித்திரிபு எண் கொண்டிருப்பதால் பார்வைக்குப் புலப்படாமல் நீந்துகின்றன. ஒரு பொருளின் மீது விழும் ஒளி அதிலிருந்து பிரதிபலிக்கப்பட்டு வெளியேறும்போது அதன் இயல்பு முற்றிலும் மாற்றியமைக்கப்படும் வகையில் ஒளிப்போர்வை அமைப்பது இரண்டாம் வழி. ஒரு பொருளின் மீது விழும் ஒளியிலும் அதிலிருந்து பிரதிபலிக்கப்படும் ஒளியிலும் எந்த மாற்றமும் இருக்காது என்பதால் ஒளிப்போர்வையால் அந்தப் பொருள் இருக்கும் இடம் முற்றிலும் மறைக்கப்படும்.  குறுகிய வண்ண வெளியில் இதன் சாத்தியம் நிறுவப்பட்டுள்ளது. எதிர்காலத்தில் இன்னும் பல வண்ணங்களில் இந்த ஒளிப்போர்வை வெற்றிகரமாகச் செயல்படும் வகையில் தொழில்நுட்பம் வளரக்கூடும்.

invisible cloak

(இங்குள்ள ஓவியத்தின் சற்றே திருத்தப்பட்ட வடிவம் இது)
இறுதியாக, விண்வெளிப் பயணம் எப்போதும் மானுட கனவாகவே இருந்து வந்திருக்கிறது. மின்காந்த நிறமாலையில் (spectrum) உள்ள வெவ்வேறு வண்ணங்களைப் பயன்படுத்தி நம்மைச் சூழ்ந்திருக்கும் வானின் வரைபடத்தை நாம் உருவாக்கிக் கொண்டிருக்கிறோம். நுண்ணலைகள், கீழ்ச்சிவப்பு, உயர்ஊதா, புலப்படும் ஒளிக்கதிர்கள், எக்ஸ்ரேக்கள், காமா கதிர்கள் என்று வெவ்வேறு வண்ண ஒளிகளைக் கொண்டு சந்திரா, ஹப்பிள் முதலான நம் செயற்கைக் கோள்கள் வானைத் துழாவிக் கொண்டிருக்கின்றன, நம் உலகம் பிறந்த கதை குறித்த பல ஆழ்ந்த தரிசனங்களையும் நமக்கு அளிக்கின்றன. ஒளி மிக வேகமாக பயணிக்கக்கூடியது என்பதால் அறிவியலாளர்கள் ஒரு நூதனமான கருவி ஒன்றை வடிவமைக்க அண்மையில் முயற்சி செய்திருக்கின்றனர். மிகச் சிறிய, மிகக் குறைவான எடைகொண்ட, பட்டாம்பூச்சி அளவிலான எந்திரன்கள், ஆற்றல் மிகுந்த லேசர் ஒளிக்கற்றையின் உந்துவிசையால் நம் பேரண்டத்தின் அதி தொலைவிலுள்ள மூலைகளுக்கும் செலுத்தப்படலாம். அவை பல ஒளி ஆண்டுகளுக்கு அப்பால், மனிதன் அடைய முடியாத தொலைவில் உள்ளன.
இப்படியொரு எதிர்காலத்தை நினைத்துப் பாருங்கள்.
நம் கருவிகளிலிருந்து முப்பரிமாண படிமங்கள் தோன்றி நம்முன் உள்ள வெளியை முப்பரிமாண பிம்பங்களால் நிறைக்கின்றன. க்வாண்டம் கணினிகள் இதுவரை நம்மால் விடை காண முடியாத கேள்விகளுக்கு முடிவு காண்கின்றன. இன்றுள்ள கணினிகள் அனைத்துக்கும் உள்ள ஆற்றலைக் காட்டிலும் ஒளியால் செலுத்தப்படும் ஒற்றை அணுவால் இயங்கும் கணினி ஒன்று ஆற்றல் வாய்ந்ததாய் இருக்கிறது. ஒளி வில்லைகள் (lens) தட்டையாக இருக்கின்றன, அவை இழைக்கப்பட வேண்டியதில்லை. நம் கண்ணுக்கெட்டும் நிறமாலைக்கு அப்பாற்பட்ட வண்ணங்கள் கொண்ட ஒரு உலகை நாம் காண்கிறோம். மூலக்கூறு நிலையில் (molecular) ஏற்படும் உடலியக்க மாற்றங்களை அவை நிகழும்போதே படம் பிடிக்கும் நுண்ணோக்கிகள் நம் அறிவைப் பெருக்குகின்றன. பல ஒளி ஆண்டுகளுக்கு அப்பால் உள்ள தொலைதூர பேரண்டங்களுக்கு நாம் ஆய்வுக் கோள்கள் அனுப்புகிறோம்.
இனி நாம் காணப்போவது ஓர் ஒளிமயமான எதிர்காலம்தான், இதில் சந்தேகமென்ன!
துணைநூல்: ஒளியின் வேகத்தை அளவிட மானுடம் மேற்கொண்ட முயற்சிகள் குறித்து ஐசாக் அசிமோவ் அளிக்கும் ஒரு சுருக்கக் கட்டுரை இங்குள்ளது: Google Doc 

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

[இங்கிலிஷ் மூலக் கட்டுரையின் தமிழாக்கம்: நட.பாஸ்கர்]

One Reply to “ஒளி – இப்போதும் இனியும்”

  1. மிகவும் பயனுள்ள தகவல்கள்
    எதிர்கால மாற்றங்களை புரிந்துகொள்ள உதவும்
    நன்றி
    இலங்கை பௌதிகவியல் பாட நூல்களில் பின்வரும் ஆங்கில கலைச் சொற்கள் பின்வருமாறு மொழி பெயர்க்கப்பட்டிருக்கும்.
    light emitting diodes, LED – ஒளி காலும் இருவாயிகள்
    solar cell technologies – சூரிய மின்கல தொழிநுட்பம் .
    optical communications network – ஒளியியல் பரிவர்த்தனை வலையமைப்பு
    optical fiber network – ஒளியியல் நார் வலையமைப்பு
    high light intensity – உயர் ஒளிச் செறிவு
    superconductors – மீகடத்திகள்
    refractive index – முறிவுச் சுட்டி

Comments are closed.