విశ్వస్వరూపం (గత సంచిక తరువాయి)
15. ప్రామాణిక నమూనా
వేమూరి వేంకటేశ్వరరావు
విశ్వస్వరూపాన్ని, విశ్వం యొక్క చరిత్రనీ అర్ధం చేసుకోవటానికి కావలసిన మూలాధారాలు ఎక్కడో నక్షత్రాలలోను, క్షీరసాగరాలలోను వెతకక్కరలేదు. ఆ రహశ్యాలు చాలమట్టుకు అణుగర్భంలోనే దాగి ఉన్నాయి. ఆ అణుగర్భాన్ని ఛేదించి చూడటానికి ఈ భూలోకం వదలి ఎక్కడికో వెళ్లనక్కరలేదు.
అణువులో ఒక కేంద్రకము (nucleus), దాని చుట్టూ తిరుగుతూ ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయని మనలో చాల మంది ఉన్నత పాఠశాలలోనే నేర్చుకున్నాం. సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరిగే మాదిరి కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రానులు తిగుతూన్నట్టు ఊహించుకోమని ఒక నమూనా చెబుతుంది. (ఇంతకంటె మంచి నమూనాలు మనకి ఉన్నాయి, కాని ప్రస్తుతం వాటి అవసరం ఇక్కడ లేదు.) ఈ అణుగర్భంలో ప్రోటానులు (protons), నూట్రానులు (neutrons) అనే రెండు రకాల రేణువులు (particles) ఉన్నాయని కూడ మనలో కొంతమందికి తెలుసు. ఎలక్ట్రానులకి రుణ విద్యుదావేశము (negative electrical charge), ప్రోటానులకి ధన విద్యుదావేశము (positive electrical charge) ఉన్నాయనిన్నీ కూడ మనకి తెలుసు. నూట్రానులకి ఏ విధమైన విద్యుదావేశమూ లేదని కూడ మనకి తెలుసు. ఇంతవరకు ఉన్నత పాఠశాలలో కాని, కనీసం కళాశాలలో మొదటి సంవత్సరం కాని చెబుతారు.
ప్రయోగశాలలో అణువుని “చితక్కొట్టి” చూస్తే అప్పుడప్పుడు ఈ మూడే కాకుండా ఇంకా అనేక రకాల రేణువులు – ఎప్పుడూ కాకపోయినా, అప్పుడప్పుడు - కనిపిస్తూ ఉంటాయి. వీటి జీవిత కాలం సర్వసాధారణంగా బుద్బుదప్రాయం. అంటే నీటి బుడగలా తక్కువ కాలం కనిపించి జీవితం చాలించే రకాలన్నమాట. ఈ రేణువులు జంతుప్రదర్శనశాలలో జంతువులులా చాల రకాలు ఉన్నాయి. వాటి లక్షణాలు వేర్వేరు. వాటి ఆయుర్దాయం విభిన్నం. వీటన్నిటినీ కూడగట్టి ప్రస్తుతానికి “ప్రాథమిక రేణువులు” (elementary particles) అని పిలుద్దాం. మొదట్లో ఎవ్వరికీ ఈ ప్రాథమిక రేణువుల వరస అర్ధం అయి చావ లేదు. పరిస్థితి 1970 దశకం వరకు చాల అస్తవ్యస్తంగానూ, గందరగోళంగానూ ఉండేది. ఎంతోమంది శాస్త్రవేత్తలు ప్రయత్నం చేసి 1970 దశకంలో “ప్రాథమిక రేణువుల ప్రామాణిక నమూనా” (The Standard Model of Particle Physics) అనే ఒక సిద్ధాంతాన్ని లేవదీశారు. దాని గురించి ఇక్కడ చెబుతాను. “ప్రాథమిక రేణువుల ప్రామాణిక నమూనా” అన్న పదబంధం మరీ పొడుగ్గా ఉంది కనుక దీనిని టూకీగా ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) అందాం.
ఈ సందర్భంలో భౌతిక శాస్త్రజ్ఞులు విరివిగా వాడే “ఇంటరేక్షన్” (interaction) అనే ఇంగ్లీషు మాట యొక్క అర్థాన్ని కొంచెం అర్థం చేసుకుందాం. ఈ మాటని మనం తెలుగులో “సంకర్షణ” అందాం. ఈ మాటని చాల విశాల భావంతో వాడదాం. ఈ సందర్భంలో సంకర్షణ అంటే ప్రాథమిక రేణువులు చేసే ఏ పని అయినా, అవి పాల్గొనే ఏ కార్యం అయినా సంకర్షణే. ఉదాహరణకి, అల్పాయుర్దాయం ఉన్న ఒక రేణువు విచ్ఛిన్నం అయిపోయి రెండు, మూడు చిన్న చిన్న రేణువులుగా మారిపోవచ్చు. లేకపోతే, రెండు రేణువులు గుద్దుకొని, తదుపరి చెదిరిపోయి వేర్వేరు దారులలో పోవచ్చు. అలా కాకపోతే గుద్దుకోవటమనే సంకర్షణ ఫలితంగా కొత్త రేణువు పుట్టొచ్చు. లేదా, ఒక పదార్ధపు రేణువు (matter particle), ప్రతిపదార్ధపు రేణువు (antimatter particle) ఢీకొన్నప్పుడు ఆ రెండు రేణువులలో ఉన్న గరిమ (mass) ఏష్యం అయిపోయి ఆ స్థానంలో శక్తి పుట్టొచ్చు (ప్రత్యేక సాపేక్ష సిద్ధాంతంలోని E = mc^2 ప్రకారం). ఈ రకం ప్రక్రియలన్నిటినీ లుమ్మజుట్టి “సంకర్షణ” అనే పదం వాడతారు.
సంకర్షణలు నాలుగు రకాలు. అన్నిటికంటె బలహీనమైనది గురుత్వాకర్షక సంకర్షణ. అంతకంటె మరికొంచెం బలమైనది నిస్త్రాణిక సంకర్షణ. అంతకంటె బలవంతమైనది విద్యుదయస్కాంత సంకర్షణ. అన్నిటి కంటె బలమైనది త్రాణిక సంకర్షణ. ఈ సంకర్షణలని గురించి గత అధ్యాయాలలో ఒకసారి చదువుకున్నాం; అక్కడ ప్రాథమిక బలాలు అన్నాం, ఇక్కడ సంకర్షణ అనే కొత్త పదం వాడేం. సంకర్షణ అనేది రేణువుల మధ్య జరిగే ప్రక్రియ కదా ఇక్కడ బలాలని ఉద్దేశించి ఎందుకు వాడుతున్నామా మీలో సూక్ష్మగ్రాహులకి అనుమానం రావచ్చు. నిజమే ఇక్కడ కూడ ఈ బలాలని ప్రసారం చెయ్యటానికి “కల్ల రేణువులు” (virtual particles) అనే ఒక రకం రేణువుల అవసరం వస్తుంది. వాటి గురించి తరువాత చెబుతాను, ప్రస్తుతానికి ముందుకి కదులుదాం.
సా. శ. 1970 కి పూర్వం ఈ నాలుగు సంకర్షక బలాలలో మనకి పరిపూర్ణంగా అర్ధం అయినది విద్యుదయస్కాంత సంకర్షక బలం ఒక్కటే. సా. శ. 1864 లో మేక్స్వెల్, సంప్రదాయిక భౌతిక శాస్త్రపు (classical physics) పరిధిలో ఈ విద్యుదయస్కాంత సంకర్షక బలం యొక్క తత్వాన్ని పరిపూర్ణంగా గణిత సమీకరణాల ద్వారా వర్ణించి చెప్పేడు. మేక్స్వెల్ సాధించిన ఘనకార్యం ఏమిటంటే విద్యుత్ తత్వమూ, అయస్కాంత తత్వమూ వేర్వేరు కాదు, రెండూ ఒకటే అంటూ వాటిని సంధానపరచేడు. సంధానపరచటం అంటే ఈ రెండు ప్రక్రియలని ఒకే సిద్ధాంతంలో ఇమిడ్చి వర్ణించటం. మేక్స్వెల్ రోజులనాటికి అయిన్స్టయిన్ 1905 లో ప్రతిపాదించిన సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతం తెలియదు. అయినప్పటికీ మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు నూటికి నూరు శాతం అయిన్స్టయిన్ సిద్ధాంతానికి బద్ధమై ఉండటం గమనించదగ్గ విషయం. ఆ మాటకొస్తే మేక్స్వెల్ సమీకరణాలే సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతానికి ప్రేరణ కారణాలన్నా అది అతిశయోక్తి కానేరదు.
ఇది ఇలా ఉండగా ఇరవయ్యవ శతాబ్దపు రెండవ దశకంలో పుట్టుకొచ్చిన గుళిక సిద్ధాంతం (Quantum theory) ప్రభంజనంలా చెలరేగటంతో భౌతిక శాస్త్రాన్ని కూకటి వేళ్లతో సవరించవలసి వచ్చింది. ఈ సవరణకి మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు కూడ తలవొగ్గ వలసి వచ్చింది. ఈ సవరణకి కూడా ఆద్యుడు ఒక విధంగా అయిన్స్టయినే!. కాంతిని మనం తరంగాలులా ఊహించుకున్నా కాంతి లోని శక్తి చిన్న మాత్రల (గుళికల) రూపంలో మనకి చేరుతున్నాదని ఆయన 1904 లో అన్నారు. కాంతి అయిన్స్టయిన్ చెప్పినట్లు గుళికలలా ఉంటుందా లేక మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు చెప్పినట్లు తరంగాల మాదిరి ఉంటుందా అనే మీమాంశ ఒక దశాబ్దం పాటు అల్లరి పెట్టింది. అప్పుడు 1920 లలో డిబ్రోగ్లీ (de Broglie), ష్రోడింగర్ (Schrodinger), హైజెన్బర్గ్ (Heisenberg) ప్రభృతులు గుళిక సిద్ధాంత సౌధాన్ని సర్వాంగ సుందరంగా లేవనెత్తేరు. ఈ సిద్ధాంతం చెప్పే మౌలికాంశం లోని కీలకం చెప్పటం తేలికే. దాని పర్యవసానాలు అర్ధం అవటానికి పరిశ్రమ చెయ్యాలి.
1. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని గుళిక సిద్ధాంతంతో సంధానపరచటం
గుళిక సిద్ధాంతం ప్రకారం ఏ ప్రయోగమైనా చేసినప్పుడు దాని ఫలితం ఇదమిత్థంగా తేల్చి చెప్పలేము. ఒక ప్రయోగానికి ఎన్నో ప్రత్యామ్నాయ ఫలితాలు ఉండొచ్చు. కొన్ని ప్రత్యామ్నాయాలకి సావకాశం ఎక్కువ, కొన్నిటికికి తక్కువ. పరిభాషలో చెప్పాలంటే, “ఒక ప్రయోగ ఫలితం సంభావ్యత (probability) రూపంలో చెప్పగలం కాని ఇదమిత్థంగా చెప్పలేము.” మరొక విధంగా చెప్పాలంటే, “ఏకాకిగా ఉన్న ఒకేఒక ఎలక్ట్రాను ప్రవర్తన ఇదమిత్థంగా వర్ణించి చెప్పలేము, కాని ఎన్నో ఎలక్ట్రానుల సగటు ప్రవర్తన చెప్పగలం.” కనుక “మేక్స్వెల్ వర్ణించిన సమీకరణాలు ఒక ఫోటాను (photon) ప్రవర్తనని చెప్పటం లేదు; ఎన్నో కోట్ల ఫోటానుల ఉమ్మడి ప్రవర్తన తరంగాల రూపంలో మనకి కనిపిస్తున్నాది” అని మనం భాష్యం చెప్పుకోవాలని గుళిక సిద్ధాంతం ఆదేశిస్తోంది. ఇలా గుళిక సిద్ధాంతానికి, మేక్స్వెల్ సమీకరణాలకీ మధ్య - ఒక రకంగా చెప్పుకోవాలంటే – సంయోగం జరిగిపోయింది. దీన్ని మనం “గుళికీకరించబడ్డ విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతం” (quantization of electromagnetic theory) అందాం.
పునరుక్తి దోషం అనుకోకుండా గుళిక సిద్ధాంతంలోని మరొక మౌలికాంశాన్ని చెబుతాను. కాంతి ని తరంగాలుగా కాని రేణువులుగా కాని ఊహించుకున్నట్లే, పదార్ధాన్ని రేణువులుగా కాని, తరంగాలుగా కాని సమయానుకూలంగా ఊహించుకోవచ్చు.
2. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని సాపేక్ష సిద్ధాంతంతో సంధానపరచటం
ఎలక్ట్రానులు, ఫోటానులు వగైరా రేణువులు చాల సందర్భాలలో దరిదాపు కాంతి వేగంతో ప్రయాణం చేస్తూ ఉంటాయి. కాంతి వేగం మన సమీకరణాలలో జొప్పించాలంటే సాపేక్ష సిద్ధాంతం తప్పని సరి. కనుక గుళికీకరించబడ్డ విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతానికి సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని కూడ జోడించవలసి వచ్చింది. ఇలా జోడించగా 1930 లో వచ్చిన సిద్ధాంతం పేరు గుళికీకరించబడ్డ విద్యుత్ గమన శాస్త్రం లేదా క్వాంటం ఎలక్ట్రో డైనమిక్స్ (Quantum Electrodynamics) లేదా, ముద్దుగా క్యు. ఇ. డి (QED). దీనినే సాపేక్ష్వ గుళిక క్షేత్ర సిద్ధాంతం (relativistic quantum field theory) అని కూడ అంటారు.
ఈ కొత్త సిద్ధాంతం మొదట్లో గణిత సంబంధమైన బాలారిష్టాలు చాలా ఎదుర్కోవలసి వచ్చింది. ఈ బాలారిష్టాలు ఏమిటో అర్ధం కాకపోయినా పరవా లేదు కాని ఈ ఇబ్బందులన్నిటిని ఎదుర్కొని ఒక గట్టు ఎక్కేసరికి 1940 వచ్చేసింది. “ప్రతిప్రమాణాంకితం”(renormalization) అనే పద్ధతితో గుళికీకరించబడ్డ విద్యుత్ గమనశాస్త్రానికి (Quantum Electrodynamics) గట్టి పునాదులు వేసిన ఘటికులలో రిచ్చర్డ్ ఫైన్మన్ (Richard Feynman) ఒకడు. అంటే గుళిక విద్యుత్ గమన శాస్త్రం (Quantum Electrodynamics) అనేది విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని సాపేక్ష సిద్దాంతంతోటీ, గుళిక సిద్ధాంతోటీ సమన్వయ పరచటం. ఇప్పటికీ ఈ సిద్ధాంతం నిరాపేక్షణీయంగా, సర్వాంగసుందరంగా వెలుగుతోంది.
ఈ హడావిడి అంతా ఒక్క విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని ఆధునికీకరించటానికి మాత్రమే పరిమితం. ఇటువంటి ప్రయత్నమే మిగిలిన మూడు సంకర్షణలతో – అంటే, త్రాణిక, నిస్త్రాణిక, గురుత్వ సంకర్షణలతో - కూడ చెయ్య గలిగితే సమస్త సిద్ధాంతం దొరికినట్లే! కాని క్యు. ఇ. డి. ( QED) ఎడల రామబాణంలా పనిచేసిన ప్రతిప్రమాణాంకితం (renormalization) అనే పద్ధతి క్యు. ఇ. డి. లో గురుత్వాకర్షణని ఇరికించటానికి ప్రయత్నం చేసినప్పుడు పని చెయ్యలేదు; మళ్లా పీడ కలలా వైపరీత్యాలు ప్రభవించటం మొదలెట్టేయి. ఇప్పటికీ గురుత్వాకర్షణని క్యు. ఇ. డి. లో ఇమడ్చలేకపోయారు.
3. నిస్త్రాణిక సంకర్షణ పరిస్థితి
ఇది ఇలా ఉండగా నిస్త్రాణిక సంకర్షణ పరిస్థితి ఎలా ఉందో చూద్దాం. దీని మీద లేవదీసిన సిద్ధాంతాల కథ కూడ QED కథతో సమాంతరంగా నడుస్తుంది. ప్రయోగాలు చెప్పేది ఒకటి, వాటిని గణిత బద్ధం చేసినప్పుడు వైపరీత్యాలని ఎదుర్కోవటం మరొకటి. మొత్తం మీద 1960 దశకంలో ఇదే పద్ధతి ఉపయోగించి విద్యుదయస్కాంత బలం, లఘు సంకర్షక బలం నిజానికి ఒకటే అని స్టీవెన్ వైన్బర్గ్, అబ్దుస్ సలాం విడివిడిగా రుజువు చేసేరు. విద్యుత్ బలం, అయస్కాంత బలం కలిసి విద్యుదయస్కాంత బలం అయినట్లే, విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ, లఘు సంకర్షక బలాన్నీ అనుసంధించగా వచ్చిన దానిని విద్యుత్ లఘు బలం (elctroweak force) అన్నారు వారు.
అనుసంధానం అంటే ఏమిటి? కొన్ని పరిస్థితులలో విద్యుదయస్కాంత బలానికీ నిస్త్రాణిక బలానికి మధయ తేడా లేకపోవటం. పదార్ధాల ఉష్ణోగ్రత 10E15 దాటితే ఈ రెండు బలాల మధ్య తేడా కనిపించదు. ఇంత ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత మహా విస్పోటనం జరిగిన కొత్తలో ఉండేది. కనుక సృష్ట్యాదిలో విద్యుదయస్కాంత బలం, నిస్త్రాణిక బలం ఒకేలా ఉండేవి. ఆది అనుసంధానం అంటే. దీనికి మరి కొంచెం వివరణ తరువాయి అధ్యాయంలో చెబుతాను.
4. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని బృహత్బలంతో సంధానపరచటం
ఇదే పద్ధతిలో విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ బృహత్ బలంతో అనుసంధించగా వచ్చిన బలానికి, న్యాయంగా విద్యుత్ బృహత్ బలం (elctrostrong force) అని పేరు పెట్టాలి; కాని అలా జరగ లేదు – దానికి అర్ధం పర్ధం లేకుండా క్వాంటం క్రోమో డైనమిక్స్ (Quantum Chromo Dynamics or QCD) అని పేరు పెట్టేరు. ఈ దిశలో ఆఖరి అంచెగా విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ, లఘు బలాన్నీ, బృహత్ బలాన్ని అనుసంధించి దానికి ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) అని పేరుపెట్టేరు. ఈ ప్రామాణిక నమూనా లో చిన్న చిన్న లొసుగులు ఉన్నా చాల ఆదరణ పొందింది. ఈ నమూనాలో ఎలక్ట్రానులు, మ్యువానులు (వీటినే పూర్వం మ్యు-మీసానులు అనేవారు), నూట్రినోలు, క్వార్కులు, మొదలైనవి పదార్ధం (matter) కి ముడి సరుకులు. ఈ పదార్ధ రేణువుల మధ్య జరిగే సంకర్షణలు విద్యుదయస్కాంత, లఘు, బృహత్ బలాల మధ్యవర్తిత్వంలో జరుగుతాయి. ఇక్కడ ముఖ్యంగా గుర్తు పెట్టుకోవలసిన విషయం ఏమిటంటే ఈ ప్రామాణిక నమూనా లో గురుత్వాకర్షణ కి పాత్ర లేదు.
5. ప్రామాణిక నమూనాలో ప్రధానాంశాలు
ప్రామాణిక నమూనాలో ఉన్న ప్రధానాంశాలు ఏమిటో ముందు చెబుతాను. ప్రామాణిక నమూనా ప్రకారం ప్రకృతిలో ఉన్న ప్రతి వస్తువు కొన్ని ప్రాథమికమైన “కట్టడపు ఇటుకలు” (building blocks) తో నిర్మించబడింది. ఈ కట్టడపు ఇటుకల పేర్లు: క్వార్కులు (quarks), లెప్టానులు (leptons), బల వాహకాలు (force carriers). క్వార్కులు మూడు “వర్ణాలు” (colors) తో ఉంటాయి. ఈ మూడు వర్ణాలకి up, charm, down అని పేర్లు పెట్టేరు. ఇక్కడ ప్రస్తావిస్తూన్న పేర్లకి వేటికీ భౌతికమైన అర్ధాలు లేవు. ఏ పేరు పెట్టాలో తెలియక వారికి అప్పటికి తోచిన పేర్లు పెట్టేరు. ఇదే విధంగా లెప్టానులు మూడు “జాతులు” . ఈ మూడు జాతులకి electron, muon, tau అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ ఎలక్ట్రాను మనకి చిరపరిచితమయిన ఎలక్ట్రానే. ఇంతవరకు చెప్పిన క్వార్కులు, లెప్టానులు సాధారణ పదార్ధపు రేణువులు (ordinary matter particles). అన్నిటికన్నా చిన్నవి అని మనం ఇన్నాళ్లూ అనుకుంటూన్న అణువులు కూడ ఇంకా చిన్నవయిన ఈ ప్రాథమిక రేణువులతో చెయ్యబడ్డాయని ఈ కొత్త సిద్ధాంతం చెబుతోంది.
ఈ సాధారణ పదార్ధపు రేణువులతో సరితూగుతూ ప్రతిపదార్ధపు రేణువులు (antimatter particles or antiparticles) కూడ ఉన్నాయి, మన ప్రామాణిక నమూనాలో. వాటి పేర్లు కూడా చెప్పెస్తాను. ప్రతిక్వార్కులు (antiquarks) కూడ మూడు “వర్ణాలు” (colors) తో ఉంటాయి. ఈ మూడు వర్ణాలకి down, strange, bottom అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ పేర్లకి కూడ అర్ధాలు ఏమీ లేవు. ఇదే విధంగా ప్రతిపదార్ధపు లెప్టానులు మూడు “జాతులు” . ఈ మూడు జాతులకి electron-neutrino, muon-neutrino, tau-neutrino అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ పేరాలో చెప్పినవి అన్నీ ప్రతిపదార్ధపు రేణువులు (anti particles).
ఇంక చెప్పుకోవలసినవి బల వాహకాలు (force carriers). నిస్త్రాణిక సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకాలు మూడు. వాటి పేర్లు: W+, W-, Z0. వీటికి ఈ పేర్లే ఎందుకు పెట్టేరో తెలుసుకోటానికి ప్రయత్నించటం వ్యర్ధం. విద్యుదయస్కాంత సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకం ఒక్కటే. దాని పేరు: ఫోటాను (photon). త్రాణిక సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకాలు ఎనిమిది. వాటన్నిటిని కలగలిపి గ్లువానులు (gluons) అంటారు.
ఇంకా వివరాలు చెప్పి విసిగించటం ఇష్టం లేదు కాని పైన చెప్పిన వివరణలో చిన్న చిన్న మినహాయింపులు ఉన్నాయి. భౌతిక శాస్త్రంలో ప్రావీణ్యత ఉన్నవారు క్షమించగలరు.
15. ప్రామాణిక నమూనా
వేమూరి వేంకటేశ్వరరావు
విశ్వస్వరూపాన్ని, విశ్వం యొక్క చరిత్రనీ అర్ధం చేసుకోవటానికి కావలసిన మూలాధారాలు ఎక్కడో నక్షత్రాలలోను, క్షీరసాగరాలలోను వెతకక్కరలేదు. ఆ రహశ్యాలు చాలమట్టుకు అణుగర్భంలోనే దాగి ఉన్నాయి. ఆ అణుగర్భాన్ని ఛేదించి చూడటానికి ఈ భూలోకం వదలి ఎక్కడికో వెళ్లనక్కరలేదు.
అణువులో ఒక కేంద్రకము (nucleus), దాని చుట్టూ తిరుగుతూ ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయని మనలో చాల మంది ఉన్నత పాఠశాలలోనే నేర్చుకున్నాం. సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరిగే మాదిరి కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రానులు తిగుతూన్నట్టు ఊహించుకోమని ఒక నమూనా చెబుతుంది. (ఇంతకంటె మంచి నమూనాలు మనకి ఉన్నాయి, కాని ప్రస్తుతం వాటి అవసరం ఇక్కడ లేదు.) ఈ అణుగర్భంలో ప్రోటానులు (protons), నూట్రానులు (neutrons) అనే రెండు రకాల రేణువులు (particles) ఉన్నాయని కూడ మనలో కొంతమందికి తెలుసు. ఎలక్ట్రానులకి రుణ విద్యుదావేశము (negative electrical charge), ప్రోటానులకి ధన విద్యుదావేశము (positive electrical charge) ఉన్నాయనిన్నీ కూడ మనకి తెలుసు. నూట్రానులకి ఏ విధమైన విద్యుదావేశమూ లేదని కూడ మనకి తెలుసు. ఇంతవరకు ఉన్నత పాఠశాలలో కాని, కనీసం కళాశాలలో మొదటి సంవత్సరం కాని చెబుతారు.
ప్రయోగశాలలో అణువుని “చితక్కొట్టి” చూస్తే అప్పుడప్పుడు ఈ మూడే కాకుండా ఇంకా అనేక రకాల రేణువులు – ఎప్పుడూ కాకపోయినా, అప్పుడప్పుడు - కనిపిస్తూ ఉంటాయి. వీటి జీవిత కాలం సర్వసాధారణంగా బుద్బుదప్రాయం. అంటే నీటి బుడగలా తక్కువ కాలం కనిపించి జీవితం చాలించే రకాలన్నమాట. ఈ రేణువులు జంతుప్రదర్శనశాలలో జంతువులులా చాల రకాలు ఉన్నాయి. వాటి లక్షణాలు వేర్వేరు. వాటి ఆయుర్దాయం విభిన్నం. వీటన్నిటినీ కూడగట్టి ప్రస్తుతానికి “ప్రాథమిక రేణువులు” (elementary particles) అని పిలుద్దాం. మొదట్లో ఎవ్వరికీ ఈ ప్రాథమిక రేణువుల వరస అర్ధం అయి చావ లేదు. పరిస్థితి 1970 దశకం వరకు చాల అస్తవ్యస్తంగానూ, గందరగోళంగానూ ఉండేది. ఎంతోమంది శాస్త్రవేత్తలు ప్రయత్నం చేసి 1970 దశకంలో “ప్రాథమిక రేణువుల ప్రామాణిక నమూనా” (The Standard Model of Particle Physics) అనే ఒక సిద్ధాంతాన్ని లేవదీశారు. దాని గురించి ఇక్కడ చెబుతాను. “ప్రాథమిక రేణువుల ప్రామాణిక నమూనా” అన్న పదబంధం మరీ పొడుగ్గా ఉంది కనుక దీనిని టూకీగా ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) అందాం.
ఈ సందర్భంలో భౌతిక శాస్త్రజ్ఞులు విరివిగా వాడే “ఇంటరేక్షన్” (interaction) అనే ఇంగ్లీషు మాట యొక్క అర్థాన్ని కొంచెం అర్థం చేసుకుందాం. ఈ మాటని మనం తెలుగులో “సంకర్షణ” అందాం. ఈ మాటని చాల విశాల భావంతో వాడదాం. ఈ సందర్భంలో సంకర్షణ అంటే ప్రాథమిక రేణువులు చేసే ఏ పని అయినా, అవి పాల్గొనే ఏ కార్యం అయినా సంకర్షణే. ఉదాహరణకి, అల్పాయుర్దాయం ఉన్న ఒక రేణువు విచ్ఛిన్నం అయిపోయి రెండు, మూడు చిన్న చిన్న రేణువులుగా మారిపోవచ్చు. లేకపోతే, రెండు రేణువులు గుద్దుకొని, తదుపరి చెదిరిపోయి వేర్వేరు దారులలో పోవచ్చు. అలా కాకపోతే గుద్దుకోవటమనే సంకర్షణ ఫలితంగా కొత్త రేణువు పుట్టొచ్చు. లేదా, ఒక పదార్ధపు రేణువు (matter particle), ప్రతిపదార్ధపు రేణువు (antimatter particle) ఢీకొన్నప్పుడు ఆ రెండు రేణువులలో ఉన్న గరిమ (mass) ఏష్యం అయిపోయి ఆ స్థానంలో శక్తి పుట్టొచ్చు (ప్రత్యేక సాపేక్ష సిద్ధాంతంలోని E = mc^2 ప్రకారం). ఈ రకం ప్రక్రియలన్నిటినీ లుమ్మజుట్టి “సంకర్షణ” అనే పదం వాడతారు.
సంకర్షణలు నాలుగు రకాలు. అన్నిటికంటె బలహీనమైనది గురుత్వాకర్షక సంకర్షణ. అంతకంటె మరికొంచెం బలమైనది నిస్త్రాణిక సంకర్షణ. అంతకంటె బలవంతమైనది విద్యుదయస్కాంత సంకర్షణ. అన్నిటి కంటె బలమైనది త్రాణిక సంకర్షణ. ఈ సంకర్షణలని గురించి గత అధ్యాయాలలో ఒకసారి చదువుకున్నాం; అక్కడ ప్రాథమిక బలాలు అన్నాం, ఇక్కడ సంకర్షణ అనే కొత్త పదం వాడేం. సంకర్షణ అనేది రేణువుల మధ్య జరిగే ప్రక్రియ కదా ఇక్కడ బలాలని ఉద్దేశించి ఎందుకు వాడుతున్నామా మీలో సూక్ష్మగ్రాహులకి అనుమానం రావచ్చు. నిజమే ఇక్కడ కూడ ఈ బలాలని ప్రసారం చెయ్యటానికి “కల్ల రేణువులు” (virtual particles) అనే ఒక రకం రేణువుల అవసరం వస్తుంది. వాటి గురించి తరువాత చెబుతాను, ప్రస్తుతానికి ముందుకి కదులుదాం.
సా. శ. 1970 కి పూర్వం ఈ నాలుగు సంకర్షక బలాలలో మనకి పరిపూర్ణంగా అర్ధం అయినది విద్యుదయస్కాంత సంకర్షక బలం ఒక్కటే. సా. శ. 1864 లో మేక్స్వెల్, సంప్రదాయిక భౌతిక శాస్త్రపు (classical physics) పరిధిలో ఈ విద్యుదయస్కాంత సంకర్షక బలం యొక్క తత్వాన్ని పరిపూర్ణంగా గణిత సమీకరణాల ద్వారా వర్ణించి చెప్పేడు. మేక్స్వెల్ సాధించిన ఘనకార్యం ఏమిటంటే విద్యుత్ తత్వమూ, అయస్కాంత తత్వమూ వేర్వేరు కాదు, రెండూ ఒకటే అంటూ వాటిని సంధానపరచేడు. సంధానపరచటం అంటే ఈ రెండు ప్రక్రియలని ఒకే సిద్ధాంతంలో ఇమిడ్చి వర్ణించటం. మేక్స్వెల్ రోజులనాటికి అయిన్స్టయిన్ 1905 లో ప్రతిపాదించిన సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతం తెలియదు. అయినప్పటికీ మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు నూటికి నూరు శాతం అయిన్స్టయిన్ సిద్ధాంతానికి బద్ధమై ఉండటం గమనించదగ్గ విషయం. ఆ మాటకొస్తే మేక్స్వెల్ సమీకరణాలే సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతానికి ప్రేరణ కారణాలన్నా అది అతిశయోక్తి కానేరదు.
ఇది ఇలా ఉండగా ఇరవయ్యవ శతాబ్దపు రెండవ దశకంలో పుట్టుకొచ్చిన గుళిక సిద్ధాంతం (Quantum theory) ప్రభంజనంలా చెలరేగటంతో భౌతిక శాస్త్రాన్ని కూకటి వేళ్లతో సవరించవలసి వచ్చింది. ఈ సవరణకి మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు కూడ తలవొగ్గ వలసి వచ్చింది. ఈ సవరణకి కూడా ఆద్యుడు ఒక విధంగా అయిన్స్టయినే!. కాంతిని మనం తరంగాలులా ఊహించుకున్నా కాంతి లోని శక్తి చిన్న మాత్రల (గుళికల) రూపంలో మనకి చేరుతున్నాదని ఆయన 1904 లో అన్నారు. కాంతి అయిన్స్టయిన్ చెప్పినట్లు గుళికలలా ఉంటుందా లేక మేక్స్వెల్ సమీకరణాలు చెప్పినట్లు తరంగాల మాదిరి ఉంటుందా అనే మీమాంశ ఒక దశాబ్దం పాటు అల్లరి పెట్టింది. అప్పుడు 1920 లలో డిబ్రోగ్లీ (de Broglie), ష్రోడింగర్ (Schrodinger), హైజెన్బర్గ్ (Heisenberg) ప్రభృతులు గుళిక సిద్ధాంత సౌధాన్ని సర్వాంగ సుందరంగా లేవనెత్తేరు. ఈ సిద్ధాంతం చెప్పే మౌలికాంశం లోని కీలకం చెప్పటం తేలికే. దాని పర్యవసానాలు అర్ధం అవటానికి పరిశ్రమ చెయ్యాలి.
1. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని గుళిక సిద్ధాంతంతో సంధానపరచటం
గుళిక సిద్ధాంతం ప్రకారం ఏ ప్రయోగమైనా చేసినప్పుడు దాని ఫలితం ఇదమిత్థంగా తేల్చి చెప్పలేము. ఒక ప్రయోగానికి ఎన్నో ప్రత్యామ్నాయ ఫలితాలు ఉండొచ్చు. కొన్ని ప్రత్యామ్నాయాలకి సావకాశం ఎక్కువ, కొన్నిటికికి తక్కువ. పరిభాషలో చెప్పాలంటే, “ఒక ప్రయోగ ఫలితం సంభావ్యత (probability) రూపంలో చెప్పగలం కాని ఇదమిత్థంగా చెప్పలేము.” మరొక విధంగా చెప్పాలంటే, “ఏకాకిగా ఉన్న ఒకేఒక ఎలక్ట్రాను ప్రవర్తన ఇదమిత్థంగా వర్ణించి చెప్పలేము, కాని ఎన్నో ఎలక్ట్రానుల సగటు ప్రవర్తన చెప్పగలం.” కనుక “మేక్స్వెల్ వర్ణించిన సమీకరణాలు ఒక ఫోటాను (photon) ప్రవర్తనని చెప్పటం లేదు; ఎన్నో కోట్ల ఫోటానుల ఉమ్మడి ప్రవర్తన తరంగాల రూపంలో మనకి కనిపిస్తున్నాది” అని మనం భాష్యం చెప్పుకోవాలని గుళిక సిద్ధాంతం ఆదేశిస్తోంది. ఇలా గుళిక సిద్ధాంతానికి, మేక్స్వెల్ సమీకరణాలకీ మధ్య - ఒక రకంగా చెప్పుకోవాలంటే – సంయోగం జరిగిపోయింది. దీన్ని మనం “గుళికీకరించబడ్డ విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతం” (quantization of electromagnetic theory) అందాం.
పునరుక్తి దోషం అనుకోకుండా గుళిక సిద్ధాంతంలోని మరొక మౌలికాంశాన్ని చెబుతాను. కాంతి ని తరంగాలుగా కాని రేణువులుగా కాని ఊహించుకున్నట్లే, పదార్ధాన్ని రేణువులుగా కాని, తరంగాలుగా కాని సమయానుకూలంగా ఊహించుకోవచ్చు.
2. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని సాపేక్ష సిద్ధాంతంతో సంధానపరచటం
ఎలక్ట్రానులు, ఫోటానులు వగైరా రేణువులు చాల సందర్భాలలో దరిదాపు కాంతి వేగంతో ప్రయాణం చేస్తూ ఉంటాయి. కాంతి వేగం మన సమీకరణాలలో జొప్పించాలంటే సాపేక్ష సిద్ధాంతం తప్పని సరి. కనుక గుళికీకరించబడ్డ విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతానికి సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని కూడ జోడించవలసి వచ్చింది. ఇలా జోడించగా 1930 లో వచ్చిన సిద్ధాంతం పేరు గుళికీకరించబడ్డ విద్యుత్ గమన శాస్త్రం లేదా క్వాంటం ఎలక్ట్రో డైనమిక్స్ (Quantum Electrodynamics) లేదా, ముద్దుగా క్యు. ఇ. డి (QED). దీనినే సాపేక్ష్వ గుళిక క్షేత్ర సిద్ధాంతం (relativistic quantum field theory) అని కూడ అంటారు.
ఈ కొత్త సిద్ధాంతం మొదట్లో గణిత సంబంధమైన బాలారిష్టాలు చాలా ఎదుర్కోవలసి వచ్చింది. ఈ బాలారిష్టాలు ఏమిటో అర్ధం కాకపోయినా పరవా లేదు కాని ఈ ఇబ్బందులన్నిటిని ఎదుర్కొని ఒక గట్టు ఎక్కేసరికి 1940 వచ్చేసింది. “ప్రతిప్రమాణాంకితం”(renormalization) అనే పద్ధతితో గుళికీకరించబడ్డ విద్యుత్ గమనశాస్త్రానికి (Quantum Electrodynamics) గట్టి పునాదులు వేసిన ఘటికులలో రిచ్చర్డ్ ఫైన్మన్ (Richard Feynman) ఒకడు. అంటే గుళిక విద్యుత్ గమన శాస్త్రం (Quantum Electrodynamics) అనేది విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని సాపేక్ష సిద్దాంతంతోటీ, గుళిక సిద్ధాంతోటీ సమన్వయ పరచటం. ఇప్పటికీ ఈ సిద్ధాంతం నిరాపేక్షణీయంగా, సర్వాంగసుందరంగా వెలుగుతోంది.
ఈ హడావిడి అంతా ఒక్క విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని ఆధునికీకరించటానికి మాత్రమే పరిమితం. ఇటువంటి ప్రయత్నమే మిగిలిన మూడు సంకర్షణలతో – అంటే, త్రాణిక, నిస్త్రాణిక, గురుత్వ సంకర్షణలతో - కూడ చెయ్య గలిగితే సమస్త సిద్ధాంతం దొరికినట్లే! కాని క్యు. ఇ. డి. ( QED) ఎడల రామబాణంలా పనిచేసిన ప్రతిప్రమాణాంకితం (renormalization) అనే పద్ధతి క్యు. ఇ. డి. లో గురుత్వాకర్షణని ఇరికించటానికి ప్రయత్నం చేసినప్పుడు పని చెయ్యలేదు; మళ్లా పీడ కలలా వైపరీత్యాలు ప్రభవించటం మొదలెట్టేయి. ఇప్పటికీ గురుత్వాకర్షణని క్యు. ఇ. డి. లో ఇమడ్చలేకపోయారు.
3. నిస్త్రాణిక సంకర్షణ పరిస్థితి
ఇది ఇలా ఉండగా నిస్త్రాణిక సంకర్షణ పరిస్థితి ఎలా ఉందో చూద్దాం. దీని మీద లేవదీసిన సిద్ధాంతాల కథ కూడ QED కథతో సమాంతరంగా నడుస్తుంది. ప్రయోగాలు చెప్పేది ఒకటి, వాటిని గణిత బద్ధం చేసినప్పుడు వైపరీత్యాలని ఎదుర్కోవటం మరొకటి. మొత్తం మీద 1960 దశకంలో ఇదే పద్ధతి ఉపయోగించి విద్యుదయస్కాంత బలం, లఘు సంకర్షక బలం నిజానికి ఒకటే అని స్టీవెన్ వైన్బర్గ్, అబ్దుస్ సలాం విడివిడిగా రుజువు చేసేరు. విద్యుత్ బలం, అయస్కాంత బలం కలిసి విద్యుదయస్కాంత బలం అయినట్లే, విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ, లఘు సంకర్షక బలాన్నీ అనుసంధించగా వచ్చిన దానిని విద్యుత్ లఘు బలం (elctroweak force) అన్నారు వారు.
అనుసంధానం అంటే ఏమిటి? కొన్ని పరిస్థితులలో విద్యుదయస్కాంత బలానికీ నిస్త్రాణిక బలానికి మధయ తేడా లేకపోవటం. పదార్ధాల ఉష్ణోగ్రత 10E15 దాటితే ఈ రెండు బలాల మధ్య తేడా కనిపించదు. ఇంత ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత మహా విస్పోటనం జరిగిన కొత్తలో ఉండేది. కనుక సృష్ట్యాదిలో విద్యుదయస్కాంత బలం, నిస్త్రాణిక బలం ఒకేలా ఉండేవి. ఆది అనుసంధానం అంటే. దీనికి మరి కొంచెం వివరణ తరువాయి అధ్యాయంలో చెబుతాను.
4. విద్యుదయస్కాంత తత్వాన్ని బృహత్బలంతో సంధానపరచటం
ఇదే పద్ధతిలో విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ బృహత్ బలంతో అనుసంధించగా వచ్చిన బలానికి, న్యాయంగా విద్యుత్ బృహత్ బలం (elctrostrong force) అని పేరు పెట్టాలి; కాని అలా జరగ లేదు – దానికి అర్ధం పర్ధం లేకుండా క్వాంటం క్రోమో డైనమిక్స్ (Quantum Chromo Dynamics or QCD) అని పేరు పెట్టేరు. ఈ దిశలో ఆఖరి అంచెగా విద్యుదయస్కాంత బలాన్నీ, లఘు బలాన్నీ, బృహత్ బలాన్ని అనుసంధించి దానికి ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) అని పేరుపెట్టేరు. ఈ ప్రామాణిక నమూనా లో చిన్న చిన్న లొసుగులు ఉన్నా చాల ఆదరణ పొందింది. ఈ నమూనాలో ఎలక్ట్రానులు, మ్యువానులు (వీటినే పూర్వం మ్యు-మీసానులు అనేవారు), నూట్రినోలు, క్వార్కులు, మొదలైనవి పదార్ధం (matter) కి ముడి సరుకులు. ఈ పదార్ధ రేణువుల మధ్య జరిగే సంకర్షణలు విద్యుదయస్కాంత, లఘు, బృహత్ బలాల మధ్యవర్తిత్వంలో జరుగుతాయి. ఇక్కడ ముఖ్యంగా గుర్తు పెట్టుకోవలసిన విషయం ఏమిటంటే ఈ ప్రామాణిక నమూనా లో గురుత్వాకర్షణ కి పాత్ర లేదు.
5. ప్రామాణిక నమూనాలో ప్రధానాంశాలు
ప్రామాణిక నమూనాలో ఉన్న ప్రధానాంశాలు ఏమిటో ముందు చెబుతాను. ప్రామాణిక నమూనా ప్రకారం ప్రకృతిలో ఉన్న ప్రతి వస్తువు కొన్ని ప్రాథమికమైన “కట్టడపు ఇటుకలు” (building blocks) తో నిర్మించబడింది. ఈ కట్టడపు ఇటుకల పేర్లు: క్వార్కులు (quarks), లెప్టానులు (leptons), బల వాహకాలు (force carriers). క్వార్కులు మూడు “వర్ణాలు” (colors) తో ఉంటాయి. ఈ మూడు వర్ణాలకి up, charm, down అని పేర్లు పెట్టేరు. ఇక్కడ ప్రస్తావిస్తూన్న పేర్లకి వేటికీ భౌతికమైన అర్ధాలు లేవు. ఏ పేరు పెట్టాలో తెలియక వారికి అప్పటికి తోచిన పేర్లు పెట్టేరు. ఇదే విధంగా లెప్టానులు మూడు “జాతులు” . ఈ మూడు జాతులకి electron, muon, tau అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ ఎలక్ట్రాను మనకి చిరపరిచితమయిన ఎలక్ట్రానే. ఇంతవరకు చెప్పిన క్వార్కులు, లెప్టానులు సాధారణ పదార్ధపు రేణువులు (ordinary matter particles). అన్నిటికన్నా చిన్నవి అని మనం ఇన్నాళ్లూ అనుకుంటూన్న అణువులు కూడ ఇంకా చిన్నవయిన ఈ ప్రాథమిక రేణువులతో చెయ్యబడ్డాయని ఈ కొత్త సిద్ధాంతం చెబుతోంది.
ఈ సాధారణ పదార్ధపు రేణువులతో సరితూగుతూ ప్రతిపదార్ధపు రేణువులు (antimatter particles or antiparticles) కూడ ఉన్నాయి, మన ప్రామాణిక నమూనాలో. వాటి పేర్లు కూడా చెప్పెస్తాను. ప్రతిక్వార్కులు (antiquarks) కూడ మూడు “వర్ణాలు” (colors) తో ఉంటాయి. ఈ మూడు వర్ణాలకి down, strange, bottom అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ పేర్లకి కూడ అర్ధాలు ఏమీ లేవు. ఇదే విధంగా ప్రతిపదార్ధపు లెప్టానులు మూడు “జాతులు” . ఈ మూడు జాతులకి electron-neutrino, muon-neutrino, tau-neutrino అని పేర్లు పెట్టేరు. ఈ పేరాలో చెప్పినవి అన్నీ ప్రతిపదార్ధపు రేణువులు (anti particles).
ఇంక చెప్పుకోవలసినవి బల వాహకాలు (force carriers). నిస్త్రాణిక సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకాలు మూడు. వాటి పేర్లు: W+, W-, Z0. వీటికి ఈ పేర్లే ఎందుకు పెట్టేరో తెలుసుకోటానికి ప్రయత్నించటం వ్యర్ధం. విద్యుదయస్కాంత సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకం ఒక్కటే. దాని పేరు: ఫోటాను (photon). త్రాణిక సంకర్షణకి కావలసిన బల వాహకాలు ఎనిమిది. వాటన్నిటిని కలగలిపి గ్లువానులు (gluons) అంటారు.
ఇంకా వివరాలు చెప్పి విసిగించటం ఇష్టం లేదు కాని పైన చెప్పిన వివరణలో చిన్న చిన్న మినహాయింపులు ఉన్నాయి. భౌతిక శాస్త్రంలో ప్రావీణ్యత ఉన్నవారు క్షమించగలరు.
Posts
mee krushi abhinandaneeyam
ReplyDeletenamasthe
?!