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.