భౌతిక శాస్త్రంలో వచ్చిన పెనుమార్పులు - 3

రెండవ ప్రయోగం

సనాతన భౌతిక శాస్త్రంలో వచ్చిన పెను మళుపుల గురించి ఈ ప్రస్తావన జరుగుతోంది కదా! ఆ పెద్ద పెద్ద మళుపులకి కారణభూతమైన ప్రయోగాలలో ఒక ప్రయోగం గురించి గత బ్లాగులో కొంత విచారించేము కూడ. ఇప్పుడు రెండవ ప్రయోగం గురించి తెలుసుకుందాం. ఇక్కడ ఒక మాట. ఈ ప్రయోగాలన్నీ పందొమ్మిదవ శతాబ్దపు ఆరంభంలో జరిగాయని మరిచిపోవద్దు. ఇప్పటి విజ్ఞాన సంపదతో వెనక్కి తిరిగి చూస్తే ఈ విషయాలన్నీ ఇప్పుడు సుపరిచితాలలాగే కనిపించవచ్చు. భౌతిక శాస్త్రంలో ఒకొక్కరు, ఒకొక్క శాఖలో పరిశోధన చేస్తూ, పరస్పర అవగాహన లేక తిప్పలు పడ్డ రోజులు అవి అని మరచిపోకండి.


ఇప్పుడు ఈ రెండవ ప్రయోగం గురించి చెబుతాను. ఇది తాపగతిశాస్త్రం (thermodynamics) కి సంబంధించిన ప్రయోగం. గ్రీకు భాషలో therme అంటే వేడి, dynamis అంటే బలం. వేడికి, బలానికి ఉన్న సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేసే శాఖ ఇది. మరొక కోణం నుండి చూస్తే శక్తి తన నిజ రూపం నుండి వేడి రూపం లోకి మరేటప్పుడు జరిగే ప్రక్రియలని అర్ధం చేసుకోవటానికి ఇక్కడ ప్రయత్నం జరుగుతుంది. వేడి (heat), పని (work) అనేవి శక్తికి రూపాంతరాలే కనుక వేడిగా మరుగుతూన్న నీటి నుండి వచ్చే ఆవిరితో ఎలా పనిచేయించుకోవటమా అనే ప్రశ్న ఉదయించినప్పుడు ఈ శాఖలో పరిజ్ఞానం ఉపయోగపడుతుంది. అందుకనే కాబోలు ఆవిరి యంత్రాలు వాడుకలోకి వచ్చిన రోజులలోనే ఈ శాఖకి విత్తులు నాటబడ్డాయి.

ఉష్ణగతిశాస్త్రం కొంచెం క్లిష్టమయిన అధ్యయనాంశమే. ఈ శాస్త్రాన్ని ప్రయోగాత్మకంగా పరిశోధించాలంటే కాగులో నీళ్ళు పోసి, వేడి చేసి, ఆ ఆవిరితో పని చేయించి, ఆ వేడిని, ఆ చేసిన పనిని కొలిచి ప్రయోగాలు చెయ్యవచ్చు. కాని కాగులు, గంగాళాలు ఉపయోగించి ప్రయోగాలు చెయ్యటం కష్టం. అందుకని శాస్త్రవేత్తలు చిన్న చిన్న నమూనాలతో పనిచేస్తారు. ఉష్ణగతిశాస్త్రంలో ఈ రకం నమూనాలలో అగ్రగణ్యమైనది “కర్రికాయ” (black body). ఈ కర్రికాయని డొల్లగా ఉన్న పొడుం కాయలా ఊహించుకొండి. ఈ డొల్ల లోపలికి వెళ్ళిన కాంతి కిరణాలు కాని, వేడి కిరణాలు కాని (లేదా, విద్యుదయస్కాంత కిరణాలు), ఎన్నో సార్లు పరావర్తనం చెందగా, చెందగా, లోపలి గోడలే వాటిని పీల్చేసుకుంటాయి; అంటే లోపలికి వెళ్ళిన విద్యుదయస్కాంత కిరణాలు మరి బయటకి రావు. లోనికి వెళ్ళినది బయటకి రాదు కనుకనే దీనిని ఇంగ్లీషులో black body అన్నారు. (Black hole అన్న మాట రాటానికి కూడ ఇదే కారణం అని పాఠకులు గమనించగలరు. నిజానికి బ్రిటిష్ వాళ్ళ హయాంలో ఉన్నప్పటి కలకత్తా ఖైదులని కూడ black holes అనేవారు; ఎందుకంటే ఆ బొక్కలో పడ్డ ఖైదీలు మరి బయట వెలుగుని చూసేవారు కాదట.) కనుక “లోపలికి వెళితే మరి బయటకు రాని పరికరాన్ని మనం “కర్రికాయ” అందాం.

ఈ కర్రికాయ సున్న డిగ్రీల ఉష్ణోగ్రత (కెల్విన్ కొలమానంలో) దగ్గర నల్లగా ఉంటుంది. కాయ ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ దీని రంగు మారుతుంది. గది ఉష్ణోగ్రత దగ్గర (300 డిగ్రీలు కెల్విన్ దగ్గర) పరారుణ (infrared) రంగుతో ప్రకాశిస్తుంది. కొన్ని వందల డిగ్రీల వేడి చేరుకునేసరికి కర్రికాయ కంటికి కనిపించే (visible light) కాంతితో – అంటే ముందు ఎరుపు, ఆ తరువాత నారింజ, పసుపు, తెలుపు, నీలం రంగులతో ప్రకాశిస్తుంది. తెలుపు రంగు చేరుకునే వేళకి కర్రికాయ వెలిగక్కే వెలుగులో చాలమట్టుకి అత్యూద (ultraviolet) కిరణాలు కూడ ఉంటాయి. (వేడితో తన రంగుని మార్చుకునే ఈ కర్రికాయని black body అనటం ఏమి సమంజసంగా ఉందో పాఠకులే నిర్ణయించగలరు; దీన్ని ఏ “నల్ల ఊసరవిల్లి” అనో అనుండవలసిందేమో!)


ఇప్పుదు ఒక చిన్న ఉపాఖ్యానం.

వీణ వాయించి సప్తస్వరాలు పుట్టించినప్పుడు ప్రతి స్వరానికి వీణ తీగ కంపించే జోరుకీ సంబంధం ఉంటుందని మనందరికీ తెలుసు. తీగ కంపించినప్పుడు పుట్టే శబ్దానికి రెండు లక్షణాలు ఉంటాయి. ఒకటి, జోరు (frequency); ఇదే స్వరాన్ని నిర్ణయిస్తుంది. రెండవది బిగ్గతనం (loudness). తీగని ఎక్కువగా పైకి లాగితే దాని డొలన పరిమితి (amplitude) పెరుగుతుంది; మనకి శబ్దం బిగ్గరగా వినిపిస్తుంది. తీగ పొడవు తీగ ప్రకంపించే జోరుని (అంటే స్వరాన్ని) నిర్ణయిస్తుంది.

శబ్ద తరంగాలకీ, విద్యుదయస్కాంత తరంగాలకీ మౌలికమైన తేడాలు ఉన్నప్పటికీ, అన్ని తరంగాలకీ డోలన పరిమితి (amplitude), జోరు, లేదా, తరచుదనం (frequency) అనే రెండు లక్షణాలు ఉంటాయి. తరంగాలని వర్ణించేటప్పుడు మరొక భావం వాడతారు; తరంగ దైర్ఘ్యం (wavelength). ఒక అల శిఖ (crest) నుండి పక్కనున్న శిఖకి కాని, గర్త (trough) నుండి పక్కనున్న గర్తకి కాని ఉన్న దూరమే తరంగ దైర్ఘ్యం.

ఇంతటితో ఉపాఖ్యానం సమాప్తం.

విద్యుదయస్కాంత కిరణాలని కాని, కాంతి కిరణాలని కాని తరంగాలుగా ఊహించుకుంటే ఆ తరంగాలకి ఉన్న జోరు ఆ కిరణాల రంగుని నిశ్చయిస్తుంది. కనుక ఒక కిరణం యొక్క తరంగ దైర్ఘ్యం చెప్పినా, జోరు (లేదా తరచుదనం) చెప్పినా, దాని రంగు చెప్పినా ఒక్కటే. కనుక కర్రికాయ రంగు నల్లగా ఉందంటే కాయ నుండి బయటకి ఏ కిరణాలూ ప్రసారం కావటం లేదన్నమాట. కర్రికాయ రంగు ఎర్రగా ఉందంటే దాని నుండి వెలువడే కాంతి తరంగాల దైర్ఘ్యం సుమారుగా 700 నేనోమీటర్లు ఉందని అర్ధం. కర్రికాయ రంగు నీలంగా ఉందంటే దాని నుండి వెలువడే కాంతి తరంగాల దైర్ఘ్యం సుమారుగా 500 నేనోమీటర్లు ఉందని అర్ధం.




ఇప్పుడు బొమ్మని ఒక సారి చూడండి. ఒక కర్రికాయని 5000 డిగ్రీల వరకు వేడి చేసి అది ఏయే రంగు కిరణాలని (అంటే ఏయే తరంగ దైర్ఘ్యాలు ఉన్న కిరణాలని) విరజిమ్ముతున్నాదో ప్రయోగాత్మకంగా కొలిచి చూస్తే నీలి రంగు గీత వచ్చింది. కాని సనాతన సిద్ధాంతం నల్లగా ఉన్న గీత వస్తుందని చెప్పింది. అంటే ఏమిటన్న మాట? సిద్ధాంతానికీ, ప్రాయోగికంగా చూసిన గమనికకీ పొంతన కుదరలేదు. పోనీ సిద్ధాంతమే ఒప్పు, ప్రయోగమే తప్పు అని సరిపెట్టుకుందామా అంటే అదీ వీలు పడలేదు. చూడండి. నల్ల గీత అత్యూద ప్రాంతంలోకి వచ్చేసరికి అనంతంగా పెరిగిపోతోంది. దీన్నే “అత్యూద వినిపాతం” (ultraviolet catastrophe) అంటారు. భౌతికంగా ఏదీ ఇలా అపరిమితంగా పెరిగిపోకూడదు; పెరిగేది ప్రతీదీ ఎక్కడో ఒక చోట విరగాలి.


ఈ క్లిష్ట సమశ్యకి సనాతన భౌతికశాస్త్రం పరిష్కారం చూపించలేకపోయింది.

భౌతిక శాస్త్రంలో వచ్చిన పెను మార్పులు - 2

సనాతన భౌతిక శాస్త్రంలో వచ్చిన పెను మళుపుల గురించి చెయ్యబోయే ప్రస్తావనకి గత బ్లాగులో నాందీవాక్యం పలికేం కదా. ఇప్పుడు ఆ పెద్ద పెద్ద మళుపులకి కారణభూతమైన ప్రయోగాల గురించి కొంచెం విచారిద్దాం. ఈ ప్రయోగాలే సిద్ధాంత సౌధాలకి పునాదులు కనుక వీటి గురించి అవగాహన అత్యవసరం.


మొదటి ప్రయోగాంశం. మనలో చాలామంది ఆకాశంలో ఇంద్రధనుస్సు (rainbow) చూసే ఉంటారు. వాతావరణంలోని నీటి తుంపరల మీద సూర్యరశ్మి పడ్డప్పుడు, ఆ నీటి తుంపరలు స్పటికం (prism) వలె ప్రవర్తించి సూర్యకిరణాలలోని రంగులని విడగొట్టగా మనకి సప్తవర్ణాలతో ఇంద్రధనుస్సు కనబడుతుంది. ఈ ఇంద్రధనుస్సునే భౌతిక శాస్త్రజ్ఞులు వర్ణమాల (spectrum) అని పిలుస్తారు. ఈ వర్ణమాలలో కంటికి కనిపించే రంగులన్నీ, అవిచ్చిన్నంగా, ఒక రంగునుండి మరొక రంగులోకి మారుతూ కనిపిస్తాయి కనుక దీనిని “అవిచ్చిన్న వర్ణమాల (continuous spectrum) అంటారు. ఇటువంటి అవిచ్చిన్న వర్ణమాల ఎలా ఉంటుందో చూడాలనిపిస్తే ఒకసారి ఆకాశంలో ఇంద్రధనుస్సు కనిపించినప్పుడు చూడండి. లేకపోతే ఈ దిగువ బొమ్మ చూడండి.





బొమ్మ 1. ఆవిచ్చిన్న వర్ణమాలకి ఉదాహరణ.

ఒక్క సూర్యరస్మినే కాదు, ఏ రకమైన కాంతినైనా ఒక పట్టకం ద్వారా పంపితే ఆ కాంతిలోని రంగులన్నీ విడిపోయి మనకి వర్ణమాలలా కనిపిస్తాయి. ఉదాహరణకి ఒక ఇనప కడ్డీని కొలిమిలో పెట్టి వేడి చేస్తే అది మొదట్లో ఎర్రగాను, తరువాత తెల్లగానూ ప్రకాశిస్తుంది కదా. అలా వెలుగుతూన్న కడ్డీ నుండి వచ్చే వెలుతురుని ఒక వర్ణదర్శిని (spectroscope) ద్వారా పంపించి చూస్తే మనకి కనిపించే వర్ణమాల అవిచ్చిన్నంగా కాక మధ్య మధ్య రంగు రంగుల గీతలతో కనిపిస్తుంది. ఉదాహరణకి ఎర్రగా కాలిన ఇనప కడ్డినుండి వెలువడే వెలుగు యొక్క వర్ణమాల ఈ దిగువ చూపిన విధంగా ఉంటుంది.





బొమ్మ 2. ఇనుము యొక్క వర్ణమాలలో కనిపించే గీతలు


వేడి చేసిన ఇనప కడ్డీ ఎందుకు వెలుగుని విరజిమ్ముతుందో సంప్రదాయిక భౌతికశాస్త్రం ఉపయోగించి ఈ విధంగా వివరించవచ్చు: కడ్డీని వేడి చేసినప్పుడు ఆ కడ్డీ లోని ఎలక్‌ట్రానులు నిలకడగా ఉండకుండా జోరుగా ప్రయాణం చెయ్యటం మొదలుపెడతాయి. జోరుగా ప్రయాణం చేసే ఎలక్‌ట్రానులు విద్యుదయస్కాంత వికిరణాన్ని (electromagnetic radiation) విడుదల చేస్తాయి. కాంతి కూడ ఒక రకం వికిరణమే కనుక మనకి ఆ వికిరణమే వెలుగులా కనిపిస్తుంది.

ఇంతవరకు బాగానే ఉంది. కాని శాస్త్రవేత్తలని ఇక్కడ తికమక పెట్టిన విషయాలు రెండు. ఒకటి, ఆ వెలుగు వల్ల పుట్టిన వర్ణమాలలో రంగురంగుల గీతలు ఎందుకు వచ్చాయి? రెండు, ఆ రంగు గీతల అర్ధం ఏమిటి? ఈ విషయాలు రెండూ అప్పట్లో ఎవ్వరికీ బోధపడలేదు.

ఇటువంటి సందర్భాలలో అన్నిటికంటె సులభంగా అర్ధం అయే ఉదజని అణువు ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో పరిశీలించడం రివాజు. అందుకని ఉదజని (Hydrogen) సంగతి చూద్దాం. ఉదజని వాయువుని వేడి చేసి, అది ఉద్గారించే వర్ణమాల (emission spectrum) ని చూస్తే అది ఈ దిగువ చూపిన విధంగా కనిపిస్తుంది.




బొమ్మ 3. ఉదజని యొక్క వర్ణమాలలో కనిపించే గీతలు (click on the figure for a better enlarged view)


ఈ వర్ణమాలలో కనిపించే గీతలని “బామర్ శ్రేణి గీతలు” (Balmer series) అంటారు. ఈ గీతలు ఒకొక్కటి ఒకొక్క రంగులో ఉన్నాయి కదా. కాంతిని కెరటాల మాదిరి ఊహించుకుంటే ఒకొక్క రంగు ఒకొక్క తరంగ దైర్ఘ్యాన్ని (wavelength) సూచిస్తుంది. ఏ తరంగాల విషయంలోనైనా సరే తరంగ దైర్ఘ్యం ఎక్కువయికొద్దీ వాటి తరచుదనం (frequency) తరుగుతుంది. అంటే తరంగపు పొడుగుకీ, తరచుదనానికీ మధ్య విలోమ సంబంధం ఉందన్నమాట. ఇప్పుడు ఈ బామర్ గీతలు తెచ్చిపెట్టిన చిక్కు సమశ్యని చెబుతాను.

బామర్ గీతల రంగులని బట్టి ఆ రంగు కాంతికిరణాల తరచుదనాన్ని లెక్కకట్టడం సులభం. ఇలా లెక్క కట్టగా తెలిసిన విషయం ఏమిటంటే ఏ గీత నిర్ణయించే తరచుదనమైనా సరే అదే వర్ణమాలలో ఉన్న మరో రెండు గీతల తరచుదనాల మొత్తంగా కాని, వ్యత్యాసంగా కాని చూప వచ్చు. ఈ లక్షణం కేవలం కాకతాళీయం అవటానికి వీలు లేదు. ఎందుకంటే ఇదే లక్షణం ఇనుము వంటి ఇతర మూలకాల వర్ణమాలలో కూడ కనిపించింది.

ఈ బామర్ గీతలు ఏమిటి? వాటి వెనక ఉన్న కథ ఏమిటి? వీటికి ఈ లక్షణం ఎందుకు వచ్చింది? ఈ ప్రశ్నలకి సనాతన, సంప్రదాయిక భౌతిక సిద్ధాంలో సమాధానాలు దొరకలేదు.

ఇలాంటి చిక్కు ప్రశ్నలని తెచ్చిపెట్టిన మరికొన్ని ప్రయోగాలని తరువాయి బ్లాగులలో సమీక్షిద్దాం.

భౌతిక శాస్త్రంలో వచ్చిన పెను మార్పులు

భౌతిక శాస్త్రం అనేది పదార్ధం (matter), శక్తి (energy) అనే రెండింటి మధ్య ఉండే సంబంధ బాంధవ్యాలని అధ్యయనం చేసే శాస్త్రం అని ఇప్పుడు చాల మంది నిర్వచిస్తున్నారు.

శక్తి యొక్క నిజ స్వరూపాన్ని అర్ధం చేసుకోవటమే భౌతిక శాస్త్రపు లక్ష్యం అన్నా తప్పు కాదెమో.

ఈ శక్తి అనేక రూపాల్లో అభివ్యక్తమవుతూ ఉంటుంది. ఇది చలన (motion) రూపంలోనూ, కాంతి (light) రూపంలోనూ, విద్యుత్ (electricity) రూపంలోనూ, వికిరణ (radiation) రూపం లోనూ, గురుత్వాకర్షణ (gravitation) రూపంలోనూ, … ఇలా ఒకటేమిటి, అనేకమైన రూపాల్లో మనకి తారసపడుతూ ఉంటుంది.

పదార్ధం తన అత్యధిక ప్రమాణ స్థాయిలో క్షీరసాగరాలు (galaxies) గానూ, అత్యల్ప ప్రమాణ స్థాయిలో పరమాణు రేణువులు (subatomic particles) గానూ మనకి తారసపడుతూ ఉంటుంది.

భౌతిక శాస్త్రం ప్రకృతి శాస్త్రాలన్నిటిలోకి మౌలికమైన శాస్త్రం. మచ్చుకి, రసాయన శాస్త్రంలో రసాయనాలలో ఉన్న పదార్ధానికి, శక్తికి మధ్య ఉండే సంబంధ బాంధవ్యాలని అధ్యయనం చేస్తాం. జీవశాస్త్రంలో జీవన ప్రక్రియలలో జరిగే రసాయన సంయోగ వియోగాలని పరిశీలిస్తాము కనుకనున్నూ, ఈ రసాయన ప్రక్రియలకి పదార్ధము-శక్తి మూలం కనుకనున్నూ, జీవశాస్త్రానికి కూడ భౌతికశాస్త్రం మూలాధారమే.

స్థూలంగా విచారిస్తే భౌతికశాస్త్రాన్ని రెండు భాగాలుగా విభజించవచ్చు: సనాతన భౌతికశాస్త్రం (classical physics), అధునాతన భౌతికశాస్త్రం (modern physics). ఈ సనాతన అధునాతనాల మధ్య ఉన్న సరిహద్దు ఏది అని పీకులాట పెట్టుకుంటే మనం ముందుకి కదలలేము. కాని 17, 18, 19 శతాబ్దాలలో పరిపక్వం చెందిన భౌతికశాస్త్రం సనాతనమనిన్నీ, సా. శ. 1900 తరవాయి మన అవగాహనలోకి వచ్చిన విషయాలన్నీ అధునాతనమనిన్నీ విడదీయటంలో అంత ప్రమాదం లేదు. దీనికి కారణం చదువరులకి త్వరలోనే అర్ధం అవుతుంది.

సా. శ. 1871 లో కేంబ్రిడ్జి విశ్వవిద్యాలయంలో ఉపన్యాసం ఇస్తూ, ఆనాటి నుండి నేటి వరకూ అజరామరంగా నిలచిపోయిన జేంస్ క్లర్క్ మేక్స్‌వెల్ ఇలా అంటారు:

“మరికొద్ది సంవత్సరాలలో భౌతికశాస్త్రపు అవధులని చేరుకుంటాం. భౌతిక స్థిరాంకాల (physical constants) విలువలన్నిటిని లెక్కగట్టెస్తాము. ఇహ భావి తరాలు చెయ్యగలిగిందల్లా ఈ స్థిరాంకాల విలువల ఖచ్చితత్వాన్ని (precision) మరొక దశాంశ స్థానానికి పెంచటమే….”

భౌతిక శాస్త్రంలో పరిశోధన ఒక దరికి చేరుకుని అంతం అయిపోబోతున్నాదనే కదా ఈ గమనిక లోని తాత్పర్యం!

మేక్స్‌వెల్ ఉపన్యాసం ముగించి, వేదిక దిగి కిందకి వచ్చి పట్టుమని పాతిక సంవత్సరాలు అయిందో లేదో, 1900 లో మేక్స్ ప్లేంక్ (Max Plank) క్వాంటం సిద్ధాంతానికి (Quantum theory) విత్తులు నాటితే, అయిన్‌స్టయిన్ 1905 లో ప్రత్యేక సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని (Special Relativity) ప్రవచించేరు. ఈ రెండు ఊహలూ భౌతిక శాస్త్రాన్ని కూకటి వేళ్ళతో కుదిపేశాయి. ప్రపంచం అంతా కరతలామలకంలా అవగాహన అయిపోయిందనుకున్న మన అహంకారానికి శృంగభంగం అయింది. అధునాతన భౌతికశాస్త్రానికి సా. శ. 1900 మొదలు అనటానికి ఇదే కారణం.


అయిన్‌స్టయిన్ ప్రత్యేక సాపేక్ష సిద్ధాంతం, సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతం (General Relativity) 1900 తరువాతనే ప్రచురణ పొందినప్పటికీ, ఈ రెండూ సనాతన భౌతిక శాస్త్రపు పరిధిలోకే వస్తాయి. ఏదిఏమైనప్పటికీ 1900 లో శ్రీకారం చుట్టబడ్డ క్వాంటం సిద్ధాంతం అధునాతన భౌతిక సిద్ధాంతానికి ఆది పర్వం.


యూకిలిడ్, నూటన్, మేక్స్‌వెల్ ప్రభృతులు నిర్మించిన సనాతన సిద్ధాంత సౌధం యొక్క గోడలు బీటలు దేరినా అది పరిపూర్ణంగా కూలిపోలేదు; పాత సిద్ధాంతాల శిధిలాలమీదనే కొత్త సిద్ధాంత సౌధాలు నిర్మించబడ్డాయి. రాబోయే బ్లాగులో పాత సిద్ధాంతానికి బీటలు ఎలా వేసేయో టూకీగా సమీక్షిస్తాను.