ஈர்ப்பலைகள் – இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு 2017

ஈர்ப்பலைகள் – இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு 2017

கீற்று
எழுத்தாளர்: பா.மொர்தெகாய்தாய்ப்
வெளியிடப்பட்டது: 16 அக்டோபர் 2017

இரு கருந்துளைகள் ஒன்றாகின்றன, பிரபஞ்சமெங்கும் மகிழ்ச்சிச் சலனம், கருவிக்குள் சிக்குகின்றன ஈர்ப்பலைகள், கிடைத்தது நோபல் பரிசு – 2017!
ஐன்ஸ்டைன் மறுபடியும் புகழப்படுகிறார்.

“அறிவியல் என்றால் என்ன?” என்ற கேள்விக்கு, சர். கார்ல் பாப்பர் கொடுக்கக்கூடிய விளக்கம் என்ன என்றால் “எதற்கெல்லாம் பொய்யாக்கப்படும் தன்மை இருக்கிறதோ (Falsifiability) அவைதான் அறிவியலே தவிர, மற்ற எல்லாமே பொய்யான அறிவியலே! (pseudo-science)” என்கிறார். குறிப்பாக கடவுள் சம்பந்தமான எதையும் நீங்கள் பொய்யாக்க முடியாது, ஆகவே அது அறிவியலே கிடையாது என்கிறார். மேலும் அவர் கூற வருவது, ஒருவர் ஒரு அறிவியல் கொள்கையை முன்வைக்கிறார் என்றால், அவர் எந்தச் சூழ்நிலைகளில் அவரின் கொள்கை பொய்யாக்கப்படும் என்ற ஒரு சூழலையும் கொடுக்கவேண்டும். அதாவது இந்தச் சூழலில் குறிப்பிட்ட சில நிகழ்வுகள் கண்டறியப்பட்டால் என் அறிவியல் கொள்கை பொய்யாக்கப்படும் என்பதைத் தெரிவிக்கவேண்டிய கட்டாயம் எந்தவொரு அறிவியலாளனுக்கும் உள்ளது என்பதே பாப்பரின் கருத்து. அந்த வகையில் ஈர்ப்பலைகளின் கண்டுபிடிப்பு திடமான அறிவியல் என்ற அடைமொழியை அடையும்.

1915-ல் பொதுவான சார்பியல் கொள்கையை ஐன்ஸ்டைன் வகுக்கிறார். இதில் சில எதிர்பார்ப்புகளை உருவாக்குகிறார். அதாவது, இந்தக் கொள்கை உண்மையானால், இவையெல்லாம் நடக்கும் என்று சில முன்னறிவிப்புகளை முன்வைக்கிறார். அதில் ஒன்றுதான் இந்த ஈர்ப்பலை (Gravitational Waves) பற்றியது. ஏற்கெனவே முன்னறிவிக்கப்பட்ட ஒன்றான ஒளியின் வளைவு (bending of light) 1919-ல் எடிங்கடன் என்பவரால் கண்டறியப்பட்டது. அது ஒரு முக்கியமான நிகழ்வு. ஏனெனில் அதுவே ஐன்ஸ்டைனின் கொள்கையை உறுதிப்படுத்தியது. 1916-ல் ஈர்ப்பலை இருக்கவேண்டும் என்று ஐன்ஸ்டைன் அறிவித்த நாளிலிருந்து அதைக் கண்டறியவும் முயற்சிகள் முடுக்கிவிடப்பட்டன.

ஈர்ப்பலை என்பது என்ன?

ஈர்ப்பலை என்பது ஒரு அலை. அலை என்றால் என்ன? அது மேலேறி கீழிறங்கி கால ஓட்டத்தில் ஓடும் தன்மையுடையது. அமைதியான ஒரு குளத்தில் நடுவில் ஒரு கல்லைப் போட்டால், கல் விழுந்த இடத்திலிருந்து கரையை நோக்கி செல்லும் நீரலைகள் போன்றதுதான் ஈர்ப்பலைகள். சரி! கல் விழுந்ததால் நீரலைகள் உண்டானதே, ஈர்ப்பலைகள் உண்டாக என்ன நடக்கவேண்டும்? அதற்கு ஐன்ஸ்டைனின் பொதுவான சார்பியல் கொள்கையை லேசாக உற்றுப்பார்ப்போம். 300 வருடங்களாக அசைக்கமுடியாத இடத்தில் இருந்த நியூட்டனின் கொள்கைகளை அசைத்தது ஐன்ஸ்டைனின் கொள்கைகள். நியூட்டனின் கொள்கைப்படி, வெளி (Space) என்பதும் காலம் (Time) என்பதும் தனித்தனியானது. வெளியை நாம் 3 பரிமாணங்களில் கற்பனை செய்து பார்க்கமுடியும். அதாவது நீங்கள் இந்தக் கட்டுரையை வாசித்துக்கொண்டிருக்கும் போது உங்கள் வெளி (2, 1, 0.6)-யாயும் காலம் வாசிக்கத் தொடங்கும்போது காலை 8.30-ம் வாசித்து முடிக்கும்போது காலை 8.50-ஆகவும் இருக்கிறது என்று வைத்துக்கொள்ளுங்கள். அதாவது நீங்கள் உங்கள் அறையில் 2-வது மீட்டர் நீளத்திலும், 1-வது மீட்டர் அகலத்திலும் 60-வது செ.மீ உயரத்திலும் இருக்கிறீர்கள். வாசிக்கத்தொடங்கும் போதும் வாசித்துமுடிக்கும்போதும் உங்கள் வெளி மாறவில்லை, ஆனால் காலம் மாறியிருக்கிறது. ஆக, காலமும் வெளியும் ஒன்றுக்கொன்று தொடர்பில்லாதது. ஆனால் ஐன்ஸ்டைனின் கொள்கைபடி, வெளியும் காலமும் பின்னிப்பிணைந்தது. அதாவது நீங்கள் வாசிக்க ஆரம்பித்த காலத்திலிருந்து முடிக்கும் காலம் வரைக்கும் பல நிகழ்வுகள் நடந்திருக்கும். அந்த நிகழ்வுகள் ஒவ்வொன்றும் மறுபடியும் நிகழா தனித்தன்மை வாய்ந்தது, இதை நான்கு பரிமாணங்களில் பார்க்கவேண்டும். அந்த நிகழ்வுகளை (2, 1, 0.6, Ti) என்று நான்கு பரிமாணங்களில் குறிக்கலாம். இங்கு காலம் (T) 4-வது பரிமாணமாக வெளியோடு பிணைக்கப்பட்டுவிட்டது, மேலும் காலம் அதிகரித்துக்கொண்டே செல்லும் (Ti). இதேபோல், இன்னொருவரும் இக்கட்டுரையை வேறு இடத்திலிருந்து வாசித்துக்கொண்டிருப்பார் அல்லவா, அவருக்கான வெளி வேறு. ஆக வெளி பல்வேறு மதிப்புகளைக் கொண்டிருக்கும், கால மதிப்பும் மாறிக்கொண்டே செல்லும்.

இந்த வெளி-கால பின்னலை (Space-Time Fabric) புரிந்துகொள்ள ஒரு கற்பனை நிகழ்வை எடுத்துக்காட்டுகிறேன். தற்கொலை செய்ய முடிவெடுத்து ஒரு நபர் உயரமான கட்டடத்தில் நிற்கிறார். அவரைத் தடுத்து காப்பாற்ற முயற்சிகள் நடைபெறுகிறது. அதில் ஒன்று அவருக்குக் கீழே ஒரு வலைப்பின்னலை இறுக்கிக் கட்டியிருக்கிறார்கள். இந்த இறுக்கிக் கட்டிய வலைப்பின்னல் தொய்வின்றி இருக்கும், அந்த நபர் அந்த வலைப்பின்னலில் குதித்துவிட்டால் தொய்வோடு இருக்கும். இந்தத் தொய்வு ஏற்பட்டது அந்த மனிதரின் எடையினால் உண்டானது. அந்த வலைப்பின்னலில் அவர் விழுந்தவுடன் ஒரு சலனம் உண்டாயிருந்திருக்கும். சற்று நேரச் சலனத்திற்குப் பின் அது அடங்கியிருந்திருக்கும். இந்த வலைப்பின்னல்தான் வெளி-கால பின்னல். இந்த வெளி-கால பின்னல் ஒரு பருப்பொருள் இருக்கும் இடத்தில் தொய்வோடு இருக்கும். உதாரணத்திற்கு இந்த பிரபஞ்ச வெளி-கால பின்னலில், பூமியிருக்கும் இடத்தின் தொய்வு சிறியதாயும், சூரியன் இருக்கும் இடத்தின் தொய்வு சற்று பெரியதாயும், கருந்துளை இருக்கும் இடத்தின் தொய்வு அதிகமானதாயும் இருக்கும். அப்படி இருக்கும் கருந்துளையோடு இன்னொரு பருப்பொருள் மோதினால் வெளி-கால பின்னலில் ஒரு பெரிய சலனம் ஏற்படும், இந்தச் சலனமே ஈர்ப்பலையாக பிரபஞ்சம் முழுவதும் பரவும். பெரிய சலனமாயிருந்தால் வெகுதூரத்திலிருக்கும் வெளி-கால பின்னலிலும் உணரப்படும். சிறிய சலனமாயிருந்தால் சிறுதூரத்திற்கே அது பரவும். குறிப்பாக, பூமி அதிர்ச்சிகள் ஏற்படுத்தும் அதிர்வுகள் பெரிய பிரபஞ்சத்துக்குள் ஏற்படுத்தும் விளைவு மிக மிக மிகச் சிறியவை.

ஈர்ப்பலையை கண்டறிவது எப்படி?

ஈர்ப்பலை என்ன விளைவுகளை உண்டாக்குகிறது என்பதைத் தெரிந்துகொண்டால், கொள்கையளவில் அவற்றை நாம் எவ்வாறு கண்டறியமுடியும் என்பதையும் நாம் தெரிந்துகொள்ளலாம். ஈர்ப்பலைகளை ஏற்கெனவே நாம் பார்த்த நீரலைகளோடு ஒப்பிட்டுப் பார்க்கலாம். தண்ணீர் மட்டத்திற்கு சிறிது உயரத்தில் ஒரு முனையையும் தண்ணீரில் மிதப்பதுபோல் ஒரு முனையையும் வைத்திருப்பதை நினைத்துக் கொள்ளுங்கள். அலைவரும்போது தண்ணீரின் உயரம் அதிகரித்து இருமுனைகளும் தொட்டுக்கொள்ளும்போது மின்சாரம் கடத்தப்பட்டு விளக்கு எரிவதுபோல வைத்துக்கொண்டால், விளக்கு எரியும் போது அலை வந்திருக்கிறதென்று பொருளல்லவா? இதே மாதிரிதான் ஈர்ப்பலையை கண்டறியவும் பயன்படுத்தியிருக்கிறார்கள்.

இவர்கள் வடிவமைத்திருந்தது லேசர் குறுக்கீட்டுவிளைவு ஈர்ப்பலை கண்டறிகருவி (LIGO – Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory). இது ஒளியின் குறுக்கீட்டுவிளைவை (Interference) பயன்படுத்திக்கொள்ளுகிறது. குறுக்கீட்டுவிளைவென்றால் என்ன? இரு ஒளிக்கற்றைகள் இணையும் போது ஆக்கவிளைவும் அழிவுவிளைவும் ஏற்படும். இரு ஒளிக்கற்றைகளும் ஒரே கட்டத்தில் (Phase) இருக்கும்போது ஆக்கவிளைவும் நேரெதிர் கட்டத்தில் இருக்கும் போது அழிவுவிளைவும் ஏற்படும். உதாரணத்திற்கு இந்த ஒளிக்கற்றைகள் வெள்ளை ஒளியாயிருந்தால், ஆக்கவிளைவு வெள்ளை நிற வட்டங்களையும் அழிவுவிளைவு கருப்பு வட்டங்களையும் திரையில் உருவாக்கும். இந்த ஈர்ப்பலை கண்டறிகருவியில் லேசர் என்ற ஓர்மித்த அலைநீளம் கொண்ட ஒற்றை நிற ஒளி பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளது.

மேலே உள்ள படத்தில் 3 உட்படங்கள் உள்ளன. முதலாவது (அ) Fabry-Perot என்ற லேசர் ஒளிக்குறுக்கீட்டு விளைவு கருவியும், இரண்டாவது (ஆ) அமெரிக்க ஐக்கிய நாடுகளில் பொருத்தப்பட்டுள்ள இரு கருவிகளும், மூன்றாவது (இ) ஈர்ப்பலையின் கண்டறிதலைப் பற்றியதான படமும் உள்ளன. படம் அ-வில், லேசர் கதிர்கள் (1064 நேனோ மீட்டர்) புறப்பட்டு பாதி பிரதிபலிக்கும் கண்ணாடியில் (பா. பி.) பட்டு பாதி எதிரொளிக்கும், மீதி ஊடுருவும். ஊடுருவிய ஒளி X-திசையில் பயணப்பட்டு X1 & X2 என்ற ஒரு கண்ணாடிகளுக்குள்ளும் முன்னும் பின்னும் எதிரொளிக்கப்பட்டு மீண்டும் பா. பி.-யை நோக்கி வரும். இன்னொரு கதிரான எதிரொளிக்கப்பட்ட ஒளியானது Y-திசையில் பயணப்பட்டு Y1 & Y2 என்ற கண்ணாடிகளால் எதிரொளிக்கப்பட்டு பா. பி-யை நோக்கி வரும். பின்னர் இந்த இரு கதிர்களும் ஒளியை அளக்கும் கருவியால் (Photo Diode) அளக்கப்படும். எதிரொளித்தக் கதிரும் ஊடுருவிய கதிரும் ஒரே கட்டத்தில் இருந்தால் ஆக்கவிளைவும் (அதாவது சிவப்பு வரியும்), இரு கதிர்களும் 90 டிகிரி கட்ட வேறுபாட்டில் இருந்தால் அழிவுவிளைவும் (கருப்பு வரி) ஏற்படும். எடுத்துக்காட்டாக, ஒளி அளக்கும் கருவியில் சிவப்ப வரி ஏற்பட்டிருக்கிறதென்று வைத்துக்கொள்வோம். இந்நிலையில் Y1-யோ அல்லது X1-யோ சற்று நகர்த்தினால் சிவப்பு வரி மங்கி கருப்பு வரியாக மாறும். முதலில் கருப்பு வரியாக இருந்திருந்தால் இந்த மாற்றத்தினால் சிவப்பு வரியாக மாறும்.

ஈர்ப்பலை பிரபஞ்சமெங்கும் பரவும் போது படம் அ-வில் அந்த வட்டம் சுருங்கி விரியும். ஆக, எதிரொளிக்கப்பட்ட கதிரும் ஊடுருவிய கதிரும் வேறு கட்டத்தில் ஒளி அளக்கும் கருவிக்குள் பதியப்படும், அதுவே ஈர்ப்பலை வந்திருப்பதற்கான ஆதாரம். இந்த இரு கதிர்களுக்கும் இடைய கட்ட மாறுபாடு பெரிய அளிவிலான பூகம்பம் வந்தாலும் ஏற்படும். ஆனால் இந்தச் சிறிய அளவிலான அதிர்வுகளால் கட்ட மாறுபாடு ஏற்படாவண்ணம் கண்ணாடிகள் அமைக்கப்பட்டிருக்கின்றன. மேலும் அந்த படத்தில் (அ), X1-க்கும் X2 இடையே உள்ள தூரம் 4 கிலோ மீட்டர். இதே தூரம்தான் Y1-க்கும் Y2-க்கும் இடையேயும். மேலும் இந்தக் கருவிகள் வாசிங்க்டனில் உள்ள ஹான்ஃபோர்டிலும் (H1) லூசியானாவிலுள்ள லிவிங்ஸ்டனிலும் (L1) பொருத்தப்பட்டு செயல்பட்டுவருகிறது. இரு இடங்களுக்கும் இடையிலான தூரம் 3002 கிலோ மீட்டர். L1-லிருந்து ஒளி புறப்பட்டால் H1-ஐ அடைய 10 மில்லி செகன்ட் ஆகும் (1 விநாடியைவிட 1000 மடங்குக் குறைவு).

நடந்தது என்ன?

2015, செப்டம்பர் மாதம் 14-ம் தேதி அவர்களுடைய நேரத்திற்கு 9.50-க்கு ஈர்ப்பலை கண்டறியப்பட்டதற்கான சமிக்ஞை கிடைக்கிறது. L1-ல் முதலில் கிடைக்கிறது (படம். இ), 10 மில்லி செகன்டுக்குப் பிறகு H1-ல் கிடைக்கிறது. இந்த ஈர்ப்பலையானது சூரியனைவிட 36 மடங்கு அதிகமான பொருண்மை (mass) கொண்ட ஒரு கருந்துளையும் இன்னொரு கருந்துளையும் (29 மடங்கு அதிகமான பொருண்மை, சூரியனைவிட) 410 மில்லியன் Pc (1 Pc = 3.1 x 10¹³ கிலோ மீட்டர்) தூரத்தில் ஒன்றோடொன்று மோதி ஒன்றுக்குள் ஒன்று இணைந்துகொண்டன. அவ்வாறு இணைந்துகொண்டபின்னான கருந்துளையின் பொருண்மை சூரிய பொருண்மையைவிட 62 மடங்கு அதிகம். மீதியான பொருண்மை (சூரிய பொருண்மையைவிட 3 மடங்கு அதிகமான பொருண்மை) ஐன்ஸ்டைனின் பிரபலமான விதியின் (E = mc²) அடிப்படையில் ஈர்ப்பலைகளாக பிரபஞ்சம் முழுமைக்கும் பரவியிருக்கிறது. அப்படிப் பரவிய ஈர்ப்பலைகள்தான் இந்தக் கருவி மூலம் கண்டறியப்பட்டுள்ளது. இந்தக் கருந்துளைகளின் மோதல் நடந்தது 130 கோடி ஆண்டுகளுக்கு முன்னர். அப்போது ஏற்பட்ட ஈர்ப்பலைகளைத்தான் கடந்த வருடம் செப்டம்பரில் கண்டறிந்தோம். இந்தக் கண்டுபிடிப்பிற்குக் காரணமாயிருந்த ரய்னர் வீய்ஸ், பாரி பாரிஷ், கிப் தோர்ன் என்ற மூவருக்கும் இந்த வருடத்திற்கான (2017) இயற்பியல் நோபல் பரிசு அறிவிக்கப்பட்டிருக்கிறது.

ஈர்ப்பலையால் என்ன பயன்?

ஈர்ப்பலை என்பது ஒரு ஒளி மாதிரி. தூரத்தில் இருந்து வரும் ஒளியின் மூலம் அவைகள் எங்கிருந்து வருகின்றன என்றும், எதனூடாக வருகின்றன என்றும் நாம் தெரிந்துகொள்ள இயலும். குறிப்பாக இவைகளை வைத்துத்தான் நம் பிரபஞ்சத்தின் அளவு, பிரபஞ்சத்தின் உள்ளடக்கம், அவை பிரபஞ்சத்திற்குள் எப்படிப் பரவியிருக்கின்றன என்பனவற்றை தெரிந்துகொள்ளுகிறோம். இதை வைத்துத்தான் பிரபஞ்சத்தின் வயது 137 கோடி ஆண்டுகள் என்றும், பிரபஞ்சத்தில் பெரும்பாண்மையான இடங்கள் வெற்றிடமாகத்தான் இருக்கின்றன என்றும் தெரிந்துகொள்ளுகிறோம். மேலும் 137 கோடி ஆண்டுகளுக்கு முன்னர் பிரபஞ்சத்தின் தன்மை என்ன என்பதை ஒளியால் கண்டறிய முடியாது, ஏனெனில் ஒளியும் முற்றாக எதிரொளிக்கப்பட்டு அழிந்து போகக்கூடிய வாய்ப்பு இருக்கிறது. ஆகவேதான், எளிதில் எதோடும் ஒட்டி உறவாடாத நியூட்ரினோ மூலமாகவோ ஈர்ப்பலை மூலமாகவோதான் ஒளிக்கெட்டா தூரத்தில் இருப்பனவற்றை பற்றி தெரிந்துகொள்ள இயலும் என்ற எண்ணம் இருந்தது. அது இப்போது நிறைவேறியிருக்கிறது. இன்னும் வருங்காலங்களில் ஈர்ப்பலைகளைப் பற்றிய ஆராய்ச்சிகள் கூர்மைப் படுத்தப்பட்டு, தூரங்கள் ஒழித்துவைத்திருக்கும் உண்மைகள் புலப்படும். முக்கியமானதாக, முன்னர் கேட்பதற்கு அஞ்சிய கேள்விகளை இனி துணிவுடன் கேட்கலாம்!

“எளிதாக உன்னால் சொல்லமுடியவில்லை என்றால், நீ போதுமான அளவுக்குப் புரிந்துகொள்ளவில்லை என்று அர்த்தம்” என்ற இந்த ஐன்ஸ்டைனின் வார்த்தைகள், இக்கட்டுரை முழுவதும், கவனமாக உட்கொள்ளப்பட்டிருக்கின்றன.

- பா.மொர்தெகாய்