ஒளியின் வேகத்தை கண்டுபிடித்தல்

ஹேமபிரபா
Sat Jan 09 2016 05:57:38 GMT+0300 (EAT)

நான் படித்துக்கொண்டிருக்கும் அறிவியல் கழகத்தில் பெரும்பாலான மாணவர்களும், சில பேராசிரியர்களும் மிதிவண்டி வைத்திருப்பார்கள். நானும்தான். அடிக்கடி மிதிவண்டியைப் பயன்படுத்தினாலே நண்பர்களுக்குள் யார் வேகமாக செல்வது என்ற போட்டி எழும்தானே?

எனக்கு ஒரு சந்தேகம். போட்டிக்காக வேகமாகப் போகிறேன். ஆனால், என் மிதிவண்டி உண்மையில் எந்த வேகத்தில் போய்க்கொண்டிருக்கிறது என்று. என்னுடைய நண்பர் ஒருவர் மோட்டார்பைக் வைத்திருக்கிறார். ஒருமுறை அவரை என்னுடைய சைக்கிள் வேகத்திற்கு கூடவே அவரையும் ஒட்டிவரச் சொல்லி அதிலிருக்கும் வேகமானியில் (speedometer) காட்டிய வேகத்தைவைத்து, நான் மிதிவண்டியில் செல்லும் வேகத்தைத் தோராயமாகக் கணக்கிட்டுக்கொண்டேன். கிட்டத்தட்ட ஓட்டப்பந்தய பயிற்சி நிலையங்களில் ஆசிரியர் மாணவன் கூடவே ஓடி, வேகத்தை கண்டுபிடிப்பாரே அதுபோல. பின்பு எப்போதும்போல ஆய்வறைக்குச் சென்றுவிட்டேன். சிறிது நேரத்தில் மழை பெய்ய ஆரம்பித்தது.

இப்போது இன்னொரு சந்தேகம். நமக்குத் தெரியும் “இடி வரும் பின்னே மின்னல் வரும் முன்னே” என்று. காரணம் ஒலியின் வேகத்தைவிட ஒளியின் வேகம் (2,99,792.458 மீ/செ) அதிகமென்பதால் என்று.

ஒலியின் வேகம் எவ்வளவு தெரியுமா? 20 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில், கடல் மட்டத்தில், காற்றில் விநாடிக்கு 343 மீட்டர் அளவு பயணம் செய்யும்.

இதுவே ஒளியின் வேகம் மிக மிக அதிகம். ஒரு விநாடிக்கு 2,99,792.458 மீட்டர் பயணம் செய்யவல்லது. அதாவது ஒளியை விட வேகமாகச் செல்லக்கூடிய ஒன்றை மனிதயினம் இன்னும் கண்டுபிடிக்கவே இல்லை.

இவ்வளவு வேகமாகச் செல்லக்கூடிய ஒளியின் வேகத்தை, அதன்கூடவே ஓடியா கண்டுபிடிக்க முடியும்? பின்பு எப்படித்தான் இந்த விஞ்ஞானிகள் கண்டுபிடித்தார்கள் என்று. இதே ஆவலில், நான் படித்தறிந்து கொண்டதை இங்கே பகிர்கிறேன்.

ஒளியின் வேகத்தை முதலில் கண்டுபிடிக்க முயற்சி எடுத்தவர் கலீலியோதான். 1630வாக்கில் இதற்கான சோதனைகளைச் செய்திருக்கிறார். உதவியாளரைக் கூட்டிக்கொண்டு, கையில் லாந்தர் விளக்கை எடுத்துக்கொண்டு ஒரு மலைக்குன்றிற்கு போயிருக்கிறார். தன் உதவியாளர் கையில் ஒரு விளக்கைக் கொடுத்து, எதிர் உச்சியில் போய் நிற்கச்சொல்லி இருக்கிறார்.

இப்போது உதவியாளர் விளக்கின் ஒளியைத் தூண்டிவிட வேண்டும். அந்த ஒளியைப் பார்த்தவுடனே கலீலியோ தன் விளக்கைத் தூண்டிவிடுவார். இந்த இரு செயல்களுக்கான இடைவெளியைக் குறித்துக்கொண்டார். இதேபோல் பலமுறை செய்துபார்த்தார். பின்பு, கொஞ்சம் தொலைவில் இருக்கும் மலையுச்சிக்கு சென்று, இதே சோதனையைச் செய்தார். இருந்தாலும், கால இடைவெளியில் பெரிதான மாற்றமில்லை. மேலும், அந்தக்காலத்தில் துல்லியமான கடிகாரங்களும் இல்லை. எனவே, இதனை சோதனைகளுக்குப் பின்னும் கலிலியோவால் சொல்ல முடிந்தது – “ஒளி மிக மிக மிக அதிக வேகத்தில் பயணிக்கும்” என்பதே.

அதன்பின்பு, வெகுகாலத்துக்கு ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிய முடியவில்லை. ஆனால், அறிவியலும் ஆராய்ச்சியும் வேறொரு துறைக்கு முக்கியத்துவம் கொடுக்கத் தொடங்கி இருந்தது – பிரபஞ்சம், இந்த அண்டவெளியின் இரகசியங்கள். கலீலியோ கண்டுபிடித்து இருந்த தொலைநோக்கிதான் இந்த ஆராய்ச்சிக்கு கைகொடுத்தது. ஹைஜனும், கலீலியோவின் ஊசல் (pendulum) கொண்டிருக்கும் பண்புகளின் அடிப்படையில், ஓரளவு துல்லியமான கடிகாரத்தை வடிவமைத்து இருந்தார்.

இதுவரை, மலையுச்சியில் நின்றுகொண்டு விளக்கை வைத்து விளையாண்டு கொண்டிருந்ததில் ஒரு பெரிய பிரச்சனை இருந்தது. எவ்வளவு தொலைவான மலைகளில் நின்றுகொண்டு ஒளியின் வேகத்தை அளந்தாலும் பெரிய வித்தியாசம் இருக்கவில்லை. அதைக்காட்டிலும், இரண்டு கிரகங்களுக்கு இடையில் இருக்கும் தொலைவு அதிகம் – எனவே, கிரகங்களுக்கு இடையில் நடக்கும் ஒளிப்பயணத்தை கணக்கில் எடுத்துக்கொண்டால் என்ன?

வியாழனின் (Jupiter) நான்கு துணைக்கோள்கள் உண்டாக்கும் கிரகணத்தை கண்டுபிடித்து இருந்த சமயம் அது. கோள்கள் வட்டப்பாதையை எடுக்காமல், நீள்வட்டப்பாதையை எடுத்துக்கொள்ளும் என்பது தெரியும். அப்படியிருக்கும்போது, வியாழனில் கிரகணம் எப்போதும்போல நடந்தாலும், பூமியின் அருகில் இருக்கும்போது, நாம் அதை உடனே பார்க்க முடியும். அதுவே தொலைவில் இருக்கும்போது, அங்கிருந்து ஒளி நம்மை வந்தடையும் நேரம் அதிகம். இதை வைத்து ரோமர் என்னும் விஞ்ஞானி, ஒளியின் வேகத்தை கண்டுபிடித்தார் – நொடிக்கு 50,000 மைல்கள் செல்லுமென்று. பூமியின் வட்டப்பாதையின் அளவு அப்போது துளியமாக தெரியாததால், ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறியும் கணக்கில் தவறு நடந்திருந்தது.

தவறெனினும் இது ஒரு மைல்கல்லாக இருந்தது. ஆனால், அப்போதைய ஆராய்ச்சியாளர்கள் அதன் முக்கியத்துவத்தை உணரவில்லை. சினிமாவில் இருக்குமே, திடீரென்று ஒரு நாயகன் உதயமாவான் – பின்பு கொஞ்ச காலத்தில் எல்லாரும் அவனையே துதி பாடுவார்கள் – அந்த கட்டத்தில், மற்றவரின் அருமையை மறந்துபோவார்கள். அதுபோலத்தான் ஆராய்ச்சியிலும் கூட. திடீரென்று ஒன்றிற்கு கிராக்கி அதிகமாகிவிடும் – ஒளியின் பண்புகளைக் கண்டறிவதன் முக்கியத்துவத்தை ஒத்திவைத்து, விண்மீன்களின் தொலைவைக் கண்டுபிடிக்க அரும்பாடுபட்டுக் கொண்டிருந்தனர்.

எப்படியென்பதை அறியும்முன்பு ஒரு சின்ன பயிற்சி – உங்களின் கட்டைவிரலை மட்டும் உயர்த்திப்பிடித்தபடி இடக்கையை முன் நீட்டிக்கொள்ளுங்கள். இடக்கண்ணை மூடிக்கொண்டு வலது கண்ணால் கட்டைவிரலைப் பாருங்கள் – அதேபோல், வலது கண்ணை மூடிக்கொண்டு இடதுகண்ணால் பாருங்கள். இப்போது கட்டைவிரல் இடம்மாறியிருப்பதுபோல் தோன்றும் – இதற்குப்பெயர்தான் “பாரலாக்ஸ் (parallax)”. கட்டைவிரல் எந்த அளவு இடம்மாறித் தெரிகிறது – என்பது நம் கையின் நீளத்தைப் பொறுத்து அமையும். இதைவைத்து, கண்ணுக்கும், கட்டைவிரலுக்கும் இருக்கும் தூரத்தை கணக்கிடலாம்.

இந்த உத்தியைத்தான், நட்சத்திரங்களின் தொலைவைக் கண்டுபிடிக்க அறிவியலாளர்கள் பயன்படுத்தினர். பூமி சூரியனைச் சுற்றிவர நட்சத்திரம் இருக்கும் இடம் மாறிக்கொண்டே இருக்கும். ஆனால், இதை அணுகுவதிலும் ஒரு நுணுக்கம் இருக்கிறது. ஜேம்ஸ் பிராட்லி (1693 – 1792) என்னும் ஆராய்ச்சியாளர் இதை அறிந்துரைக்கிறார் – பூமி வலப்பக்கம் நகரும்போது, விண்மீன் இடப்பக்கம்தானே நகர வேண்டும்? ஆனால், இது நடக்கவில்லை. ஏன்?

மழை பெய்துகொண்டிருக்கிறது. குடை பிடித்து நடந்துபோய்க்கொண்டிருக்கிறீர்கள். தலைக்கு நேரே உயர்த்திப்பிடிக்காமல் கொஞ்சம் முன்னே சாய்த்துத்தானே பிடிப்போம். வேகமாக நடந்துகொண்டிருந்தால் அதிகம் சாய்த்தும், சாவகாசமாக நடந்துகொண்டிருந்தால் லேசாக சாய்த்தும் பிடிப்போம். மழை மெதுவாகப் பெய்தால்தான் நடையிலும் சாவகாசம் வரும். மழை பெய்யும் வேகத்தைப் பொறுத்தும், நாம் நடக்கும் வேகத்தைப் பொறுத்தும் குடையை எந்த கோணத்தில் சாய்த்துப்பிடிக்க வேண்டும் என்பதைக் கண்டறியலாம்.

நட்சத்திரமும் தன் ஒளியை மழைபோலத்தான் கொட்டிக்கொண்டிருக்கிறது. பூமி நம்மைப்போலநாமா - ஓரிடத்தில் நிற்காமல் நகர்ந்துகொண்டே இருக்கிறது. தொலைநோக்கி குடை போல – நாம் ஒரு குறிப்பிட்ட கோணத்தில் பிடித்துக்கொள்ள வேண்டிய பொருள். இதனடிப்படையில், பிராட்லி ஒளியின் வேகத்தை முடிந்த அளவு துல்லியமாகத் தெரிவித்து இருந்தார் – நொடிக்கு 1,76,000 மைல்கள் என்று.

அட, தீக்குச்சி கொடுக்கும் ஒளி, அதன் வேகத்தைக் கண்டுபிடிக்க இத்தனை கஷ்டங்களா? வானம் தாண்டி விண்வெளிவரைப் பறந்துகொண்டிருந்த ஆராய்ச்சியைத் திரும்பவும் பூமிக்குக் கொண்டுவந்தவர் – ஃபியாசு. ஒரு சின்ன பற்சக்கரம், ஒரு விளக்கு, ஒரு கண்ணாடி இவை போதும்.

ஒரு மலையில் நின்றிருந்தார். விளக்கு ஒளிவிட்டுக்கொண்டிருக்க, அதன் முன்னே பற்சக்கரத்தைச் சுழற்றிவிட்டார். ஐந்து மைல்களுக்கு அப்பாலிருந்த மலையில் இவர் அனுப்பும் ஒளியை எதிரொலிக்க ஒரு கண்ணாடியை வைத்திருந்தார். சக்கரம் சுழல்கிறது; சக்கரத்தில் இருக்கும் பற்களுக்கு இடையில் ஒளி அனுப்பப்படும்; இப்போது அந்த ஒளி திரும்பவரும்போது, பற்களின் இடைவெளியில் வந்தால் இவரால் பார்க்கமுடியும். இதுவே, பல்லின் மேலேயே பட்டால் இவரால் பார்க்க முடியாது.

முதலில் சக்கரம் மெதுவாக சுழல்கிறது. எனவே, போன ஒளி, திரும்ப இடைவெளி இருக்கும்போதே வந்துவிடுகிறது. வேகம் அதிகரிக்க அதிகரிக்க, போன ஒளி, இடைவெளியில் வராமல் பல்லின் மேலேயே பட்டு, இவர் கண்களுக்குப் புலப்படாமல் போகிறது.

ஃபியாசோவுக்கு சக்கரம் சுழலும் வேகம் தெரியும்; ஒளி போய்வந்த பாதை பத்து மைல்கள் என்றும் தெரியும். இவற்றைவைத்து ஒளியின் வேகத்தைக் கணக்கிட்டுச் சொல்கிறார் – நொடிக்கு 1,96,000 மைல்கள் என்று. (உண்மையில் ஒளியின் வேகம் இதைவிட 10,000 மைல்கள்/நொடி குறைவு)

இவர் காலத்துக்குப் பிறகு, இவரிடம் உதவியாளராக இருந்த ஃபோகால்ட் இந்த ஆராய்ச்சியை இன்னும் முன்னெடுத்துச் சென்றார். ஃபியாசு போல் பற்சக்கரத்தை எடுத்துக்கொள்ளாமல், ஒரு கண்ணாடியை எடுத்துக்கொண்டு அதைச் சுழலவிட்டார். அதன் சுழல்வேகத்தைப் பொறுத்து ஒளி எதிரொலிக்கும், இல்லாமலும் போகும். இதைவைத்து ஒளியின் வேகத்தைக் கண்டறிந்தார் – நொடிக்கு 1,86,000 மைல்கள் என்று. இது உண்மை மதிப்பைவிட 1000 மைல்கள்தான் குறைவு. எனினும், மலைவரை சென்று செய்யப்பட்ட ஆராய்சிகள், ஒரு அறைக்குள் அடங்க இவர் காரணமாய் இருந்தது குறிப்பிடத்தக்கது.

இதன்பின்பு ஆல்பர்ட் மைகேல்சென் இந்த ஆராய்ச்சியில் ஆர்வம் கொள்கிறார். ஃபோகால்ட்டின் முறையை இன்னும் மெருகூட்டி, துல்லியமான மதிப்பைப் பெறுகிறார் – நொடிக்கு 1, 86, 355 மைல்கள். இது 73 மைல்கள்தான் அதிகம். இந்த அறிவிப்பு நடந்தது 1879ல். ஒளியில் இவர் மேற்கொண்ட ஆய்வுகளுக்காக நோபல் பரிசும் கிடைத்திருக்கிறது.

இருந்தாலும் இவருக்கு தன்னுடைய மதிப்பில் திருப்தி ஏற்படவில்லை. நாம் ஒளியை காற்று இருக்கும் இடத்தில்தானே செலுத்துகிறோம்! அதுவும் ஒளி செல்வதற்கு சிறிதளவு தடை ஏற்படுத்துமே என்று யோசிக்கிறார். ஒரு பெரிய குழாயை எடுத்துக்கொண்டு, அதிலிருக்கும் காற்றை வெளியிழுத்து உள்ளே வெற்றிடத்தை உருவாக்குகிறார். அதற்குள்ளே விளக்கு, சுழல்கண்ணாடிகளை வைத்து மீண்டும் ஆய்வு செய்கிறார் – 1933வரை இவர் மேற்கொண்ட ஆய்வின் பிறகு இவர்சொன்ன மதிப்பு, உண்மை மதிப்பைவிட நொடிக்கு 11 மைல்கள் மட்டுமே அதிகமாய் இருந்தது.

இதன்பின்பு இன்னும் மேம்பட்ட தொழில்நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்பட்டு பல்வேறு இடங்களில் ஆய்வுகள் நடந்து. 1973ல் ஈவன்சன் அவர்கள் சாதாரண விளக்கொளிக்கு பதிலாக, லேசர் ஒளியைப் பயன்படுத்தி கண்டுகொண்ட மதிப்பு மிக மிக துல்லியமாக இருந்தது.

இறுதியாக 1983ல் எல்லோராலும் ஏற்றுக்கொண்ட மதிப்புதான் இன்று நாம் சர்வசாதாரணமாக எல்லா அறிவியல் கணக்குகளிலும் பயன்படுத்தப்படும் மதிப்பு – நொடிக்கு 2,99,792.458 மீட்டர்.