Home »Editorial »Columns» Dr. Rajesh Ghaskadvi Writes About Gravitational Wave

सापेक्षतावाद सिद्धांतावर शिक्कामोर्तब

राजेश घासकडवी | Oct 07, 2017, 03:00 AM IST

  • सापेक्षतावाद सिद्धांतावर शिक्कामोर्तब
सत्य हे कल्पनेपेक्षाही अद्भुत असते, असे आपण म्हणतो. कधीकधी इतके की, ते डोळ्यासमोर आणण्यासाठी आपल्या कल्पनाशक्तीला ताण द्यावा लागतो, तरीही ते आपल्या आवाक्यात येत नाही. विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला लागलेल्या पुंजभौतिकी आणि आइन्स्टाइनच्या सापेक्षतावादाच्या शोधांनी सत्य आपल्या रोजच्या सामान्य जाणिवांपेक्षा किती वेगळे आहे हे दाखवून दिले.

सत्य हे कल्पनेपेक्षाही अद्भुत असते, असे आपण म्हणतो. कधी कधी इतके की, ते डोळ्यासमोर आणण्यासाठी आपल्या कल्पनाशक्तीला ताण द्यावा लागतो, तरीही ते आपल्या आवाक्यात येत नाही. विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला लागलेल्या पुंजभौतिकी आणि आइन्स्टाइनच्या सापेक्षतावादाच्या शोधांनी सत्य आपल्या रोजच्या सामान्य जाणिवांपेक्षा किती वेगळे आहे हे दाखवून दिले. पैकी सापेक्षतावादानुसार आपल्याला माहीत असलेल्या गोष्टी - काळ, अवकाश व वस्तुमान - या निरीक्षकावर अवलंबून असतात. सापेक्षतावादाच्या व्यापक मांडणीत वस्तुमानामुळे अवकाश वाकते हे सांगितले आहे. हे सगळे वाचून आपले डोके चक्रावून जाते. खरेच असे आहे का? याला नक्की पुरावा काय?

आइन्स्टाइनने केलेल्या मांडणीनुसार अवकाश नुसते वाकतेच असे नाही, तर जर दोन प्रचंड वस्तुमानाच्या गोष्टी गुरुत्वाकर्षणाने वेगाने एकमेकांभोवती फिरल्या तर ते वाकलेपण एकमेकांभोवती घुसळले जाऊन त्याच्या लाटा - गुरुत्वीय लहरी - पसरतात. इतके दिवस या गुरुत्वीय लहरी मोजणे शक्य नव्हते. दीड अब्ज प्रकाशवर्षे दूर असलेली दोन कृष्णविवरे भिरभिरत एकमेकांवर आदळली, त्यांमधून आपल्यापर्यंत पोहोचलेल्या गुरुत्वीय लहरी मोजण्यात लिगो (LIGO) प्रकल्पाच्या शास्त्रज्ञांना गेल्या वर्षी यश आले. २०१७ सालचा पदार्थविज्ञानाचा (भौतिकी) नोबेल पुरस्कार याच शोधाबद्दल त्यांना मिळाला. ते संशोधन या लेखात आपण समजावून घेऊ.

अवकाशाचा ताण म्हणजे काय? एखादा जड गोळा ताणलेल्या रबराच्या पृष्ठभागावर ठेवला तर त्या भागातला रबराचा पृष्ठभाग ताणला जातो. जर त्या पृष्ठभागावर सेंटिमीटरच्या रेषा असतील तर गोळ्याजवळ त्या रेषांमधली अंतरे वाढलेली दिसतील. त्यासारखेच खुद्द अवकाशच वस्तुमानामुळे ताणले जाते. हा ताण किती आहे यानुसार आपले अंतराचे मोजमाप बदलते.

या प्रकारच्या ताणाचे मोजमाप करणे कठीण असते. पण आइन्स्टाइन हयात असतानाच त्याच्या या सिद्धांताला पाठबळ मिळाले, ते बुध ग्रहाच्या परिभ्रमणामुळे. न्यूटनच्या नियमानुसार जी बुधाची कक्षा असायला हवी, त्यापेक्षा निरीक्षणे काहीशी वेगळी येत होती. दोनशे वर्षे हा प्रश्न शास्त्रज्ञांना सतावत होता. ही त्रुटी का येते हे समजावून सांगण्यासाठी ‘कदाचित दुसरा ग्रह आसपास असेल’, ‘कदाचित बुधाभोवती धुळीचा पट्टा असेल’, असे तर्क लढवले गेले होते. पण सापेक्षतावादातून आलेली अवकाशताणाची संकल्पना वापरून ही त्रुटी अचूकपणे दूर झाली. अवकाशच ‘वाकल्या’मुळे त्यातून प्रवास करणारे प्रकाशकिरणही वाकतात. भिंगामुळे जसा प्रकाश वाकून पलीकडच्या प्रतिमा बदलताना दिसतात, त्याचप्रमाणे काही महाकाय दीर्घिकांपलीकडून येणारे प्रकाशकिरणही वाकताना दिसलेले आहेत. त्याला गुरुत्वीय भिंग म्हणतात. इतरही अनेक वेगवेगळ्या निरीक्षणांतून वस्तुमानामुळे अवकाश वाकते हे सिद्ध झालेले आहे.

मग गुरुत्वीय लहरी शोधणे महत्त्वाचे का? सोप्या शब्दांत समजण्यासाठी आपण वस्तुमान आणि अवकाशाऐवजी दगड आणि पाण्याचे उदाहरण घेऊ. दगड पाण्यात ठेवला तर तो आपल्या आकारमानाइतके पाणी बाजूला सारतो. ही झाली स्थितिज ऊर्जा. मात्र, दगड पाण्यात धपकन् टाकला तर तो पाण्याच्या पृष्ठभागावर लहरी निर्माण करतो, ही झाली गतिज ऊर्जा. दगड आणि पाणी एकमेकांच्या सान्निध्यात आल्यावर काय परिणाम होतात हे सांगणारा सिद्धांत या दोन्हींचे वर्णन करू शकला पाहिजे. सापेक्षतावादाचा वस्तुमान आणि त्यातून निर्माण होणारे काल-अवकाशातले बदल सांगणारा सिद्धांत केवळ स्थितिज स्वरूपात सिद्ध झालेला होता. गुरुत्वीय लहरी प्रत्यक्ष मोजल्यामुळे तो आणखीनच बळकट झाला. आणि म्हणूनच लायगो (LIGO) प्रकल्पाचे शास्त्रज्ञ नोबेल पारितोषिकासाठी निवडले गेले.

ही मोजमापे कशी केली गेली? हे समजण्यासाठी प्रथम नक्की काय मोजले गेले हे समजून घ्यायला हवे. जेव्हा पृथ्वीसारखा लहान ग्रह सूर्याभोवती फिरतो, तेव्हा सूर्याचे वस्तुमान प्रचंड असल्यामुळे तो फारसा हलत नाही. मात्र, दोन सूर्य जवळ आले तर कोण कोणाभोवती फिरेल? दोन्ही एकमेकांभोवती फिरतील आणि जवळ येत येत अधिकाधिक वेगाने फिरत एकमेकांवर आपटतील. दोन सूर्यांऐवजी जर त्यांच्या अनेकपट वस्तुमान असलेली कृष्णविवरे जर अशी गरगर फिरत आपटली तर? दोन्ही वस्तुमानांनी केलेली अवकाशाची आकुंचने गोल फिरत एकमेकांजवळ येत गेल्यामुळे संपूर्ण अवकाश ढवळून निघेल. आणि त्यातून अवकाशाच्या आकुंचन-प्रसरणाच्या लाटा निर्माण होतील. रवीने ताक घुसळल्यावर ताकात जशा लाटा तयार होतात तशा.

दूरवर निर्माण झालेल्या या लाटांचा परिणाम कसा मोजायचा? आपण जर एक मीटरपट्टी घेतली तर तिची लांबी आपल्याला आकुंचन-प्रसरण-आकुंचन-प्रसरण होताना, ती लाट विरेपर्यंत दिसायला हवी. पण हे मोजणार कसे? कारण ती मोजण्यासाठी तिच्याशेजारी ठेवलेली पट्टीही तितकीच बदलणार. यासाठी उपाय असा की एकमेकींना लंब अशा दोन पट्ट्या ठेवायच्या आणि त्यांच्या लांब्यांची तुलना करायची.

मात्र, हजारो प्रकाशवर्षे दूर असलेल्या घटनांची नोंद घ्यायला एक मीटरची पट्टी पुरेशी नाही. पाण्यात दगड टाकल्यावर निर्माण होणारे तरंग जसजसे लांब जावे तसतसे क्षीण होत जातात. त्यामुळे होणारा फरक मोजण्यासाठी अधिक संवेदनाशील उपरणांचा वापर आवश्यक ठरतो. त्यासाठी लायगोच्या उपकरणात सुमारे चार किलोमीटर लांबीच्या मोजपट्ट्या वापरल्या गेल्या. एकच प्रकाशकिरण दोन्ही बाजूंना विभागून कुठच्या बाजूचा किरण आधी परत येतो हे मोजले तर कुठची बाजू लांबीने जास्त आहे याची चार किलोमीटरमध्ये एका प्रोटॉनच्या व्यासाहून अधिक अचूकपणे मोजमाप करता येते. म्हणजे अख्ख्या जगाची संपत्ती अगदी एक पैसा अचूक मोजण्याइतके कठीण. (आकृती क्रमांक १ पाहा ) हा अंतरातला फरक मोजण्यासाठी इंटरफेरोमीटर नावाचे उपकरण वापरतात. लायगोच्या इंटरफेरोमीटरमध्ये ‘L’आकारात दोन लांबलचक बोगदे आहेत - प्रत्येकी चार किलोमीटर लांबीचे. या ‘L’ च्या टोकापासून एकच लेझर किरण द्विभाजन करून दोन्ही दिशांना पाठवला जातो आणि टोकांवर असलेल्या आरशांवरून परावर्तित होऊन परत मूळ ठिकाणी येतो. या परत आलेल्या दोन किरणांची बेरीज केली जाते. जर या प्रकाशलहरींचे उंचवटे आणि खळगे एकमेकांबरोबर असतील तर बेरीज दुप्पट होते व डिटेक्टरला मोठा सिग्नल मिळतो. (आकृतीतला भाग १) जर हे एकमेकांविरुद्ध असतील बेरीज शून्य होते व डिटेक्टरला शून्य सिग्नल मिळतो. (आकृतीतला भाग २) ‘L’ची एक बाजू किंचित वाढली तर तिथल्या बाजूने येणारा किरण उशिरा पोहोचतो आणि याचा परिणाम म्हणून डिटेक्टरवर शून्यापासून मोजण्याइतका वेगळा सिग्नल मिळतो.
‘लायगो’ला मिळालेले सिग्नल (आकृती क्र. २ ) : लायगोला सिग्नल एकदाच नाही, तर दोनदा मिळाला. कारण एकाच प्रकारची यंत्रणा अमेरिकेतच्या दोन टोकांना बांधलेली आहे. (भारतातही एक लायगो स्थापन करण्याचे घाटते आहे.) त्यांचे सिग्नल तंतोतंत जुळतात. त्यामुळे आइन्स्टाइनच्या गुरुत्वीय लहरी या सैद्धांतिक नसून प्रत्यक्षात दिसू शकल्या.

कल्पनेपेक्षा विचित्र सत्याची मांडणी करणाऱ्या आइन्स्टाइनला आणि त्या सत्याचे पुरावे शोधण्यासाठी जगड्व्याळ उपकरणे बांधून त्यातून अवकाशाच्या सूक्ष्म थरथरीची अचूक निरीक्षणे मिळवणाऱ्या लायगोच्या चमूला मानाचा मुजरा!
( भौतिकीमधील डॉक्टरेट व पोस्टडॉक्टरेट प्राप्त लेखक. यांनी सेमीकंडक्टर क्षेत्रात अभियंता म्हणून काम केलेले आहे.)
- डॉ. राजेश घासकडवी, ghaski@gmail.com

Next Article

Recommended