{இதன் முதல் பகுதி இங்கே}

மன்டல்

குவாண்டம் குழப்பம்

1956 ஆம் ஆண்டு ஹான்பரி ப்ரௌன் (Hanbury Brown) – ரிச்சர்ட் ட்விஸ் (Richard Twiss) என்ற இரண்டு விண்ணியலாளர்கள் தொலைவிலிருக்கும் ஒரு விண்மீனிலிருந்து வரும் ஒளியை இருவேறு ஒளிப்பெருக்கக் குழல் (photomultiplier tube) கொண்டு அளந்தார்கள். இரண்டு ஒளிவாங்கிகளும் சீரியஸ் என்ற ஒரே விண்மீனின் இருவேறு இடங்களைக் நோக்கி வைக்கப்பட்டு தொலைநோக்கியின் வழியே அவற்றில் சீரியஸின் ஒளி குவிக்கப்பட்டது. ஆச்சரியப்படத்தக்க வகையில் அந்தச் சோதனையில் அற்புத ஒப்புமைகள் (correlations) இருந்தன. இதைக் கொண்டு சீரியஸின் அளவைக் கணக்கிட்டார்கள். ஆனால் இந்தச் சோதனை முடிவுகள் குறித்து அறிவியலாளர்களுக்கு எப்பொழுதும் சந்தேகம் இருந்து கொண்டிருந்தது. சொல்லப்போனால் குவாண்டம் இயக்கியலின் ஆதார விதியான ஹைஸ்ன்பர்க் நிச்சயமின்மை விதியையே (Heisenberg Uncertainity Principle) இந்தச் சோதனை முடிவுகள் மீறுவதாகக் கேள்வி எழுந்தது. அப்படியென்றால் ஒன்று இந்தச் சோதனைகளின் முடிவுகள் தவறாக இருக்க வேண்டும் இல்லையென்றால் நிச்சயமின்மை விதி பொய்ப்பிக்கப்படுகிறது (அதாவது குவாண்டம் இயக்கியல் பொய்த்துப் போகிறது). (படத்தில் லெனார்ட் மன்டல்)

க்ளாபரின் தீர்வு

ஆனால் விரைவிலேயே குவாண்டம் இயக்கியல் விதிகளுக்கு உட்பட்டே இந்த ஹான்ஸ்பரி-ட்விஸ் விளைவை விளக்க முடியும் என்று இந்த வருடத்திய நோபல் பரிசு பெறும் ராய் க்ளாவ்பர் நிரூபித்தார். ஒளி குவாண்டம் துகள்களாகிய ஒளியன்களால் ஆனது என்று கொண்டால் இரண்டு கருவிகளைக் கொண்டு அளக்கும்பொழுது ஒவ்வொரு ஒளியனும் இரண்டில் ஒரு கருவியை நோக்கித்தான் சென்றாக வேண்டும். அதாவது ஒரு கருவி ஒற்றை ஒளியனை அளக்கும்பொழுது மற்றதில் ஒன்றும் அளக்கப்படாது. ஆனால் ஒளி குறித்த சோதனைகளில் இப்படியில்லாமல் எப்பொழுதும் இரண்டு கருவிகளிலும் ஒளி அளக்கப்படுகிறது. இதற்குக் காரணம் ஒளியன்கள் போஸ்-ஐன்ஸ்டைன் புள்ளியியல் (Bose-Einstein Statistics) என்ற விதிக்குக் கட்டுப்பட்டவை. (இப்படிக் கட்டுப்படும் துகள்களுக்கெல்லாம் போஸான்கள் (Bosons) என்று பெயர்). எந்தவிதமான மின்னோட்டமும் இல்லாத இவை எப்பொழுதும் இணைந்தே காணப்படும். இதற்கு எதிர்மாறாக எதிர்மின்னூட்டம் கொண்ட எலெக்ட்ரான்கள் மற்றும் நேர் மின்னூடம் கொண்ட புரோட்டான்கள் எப்பொழுதும் ஒத்த மின்னூட்டத்தின் காரணமாக தம்மைச் சேர்ந்தவற்றை விலக்கிக் கொள்கின்றன. இதற்குப் பவுலியின் விலக்கக் கொள்கை (Pauli’s Exclusion Principle) என்று பெயர். மின்னூட்டம் கொண்ட எலெக்ட்ரான், புரோட்டான் துகள்களை ஃபெர்மி-டிராக் புள்ளியியல்(Fermi-Dirac Statistics) கொண்டு விவரிக்கலாம். (எனவே இந்தத் துகள்களுக்கு ஃபெர்மியான்கள் (Fermions) என்று பெயர்).

க்ளாபரின் குவாண்டம் ஒளியியல் கொள்கை (Quantum theory of light) இயற்கையான வெப்ப ஒளி மூலங்களிலிருந்து வரும் கதிர்களின் ஒளியன்கள் ஒன்றுக்கொன்று ஒப்புமை கொண்டவை என்று வரையறுத்தது. எனவே ப்ரௌன் – ட்விஸ் சோதனையில் இரண்டு வேறு கருவிகள் விண்மீனிலிருந்து ஒப்புமை கொண்ட அளவீடுகளை நிகழ்த்துவது எந்த விதத்திலும் குவாண்டம் இயக்கியல் விதிகளைப் பொய்ப்பிக்கவில்லை என்பது உறுதியானது. மாறாக, குவாண்டம் இயக்கியலின் நீட்டிப்பாகவே இதைத் துல்லியமாக விளக்க முடியும் என்பதை க்ளாவ்பர் நிரூபித்தார். க்ளாவ்பரின் சமன்பாடுகள் லேசர் போன்ற செயற்கையாக உருவாக்கப்படும் அதியற்புத ஒருக்கம் கொண்ட கதிர்க்ளில் இதுபோன்ற ஒப்புமை சாத்தியமில்லை என்பதையும் விளக்கியது. இது குவாண்டம் ஒளியியல் என்ற முற்றிலும் புதிய துறையை உருவாக்கியது.

புதிரின் இன்னும் ஒரு துண்டு மிச்சமிருந்தது. கூட்டாளியுடன் இணைந்தே வரும் போஸான்களான ஒளியன்களை அளக்கும்பொழுது ஒப்புமை (correlations) இருந்தால் மறுபுறத்தில் இதேபோன்ற சோதனைகளில் எலெக்ட்ரான்களைப் பயன்படுத்தினால் எதிரொப்புமை (anti-correlations) இருக்க வேண்டும். அதாவது ஒரு கருவி எலெக்ட்ரானை அளக்கும்பொழுது மறு கருவி அளக்கக் கூடாது. ரோச்சஸ்டர் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த லெனார்ட் மன்டல் (Leonard Mandel) என்பவரின் அற்புத சோதனைகள் ஆய்வகத்தில் இந்தப் புதிருக்கான கடைசி துண்டை உருவாக்கின. ஒரு லேசரிலிருந்து தனித்துப் பிரிக்கப்பட்ட ஒற்றை போட்டானைக் கொண்டு அவர் நிகழ்த்திய சோதனைகளில் போட்டான்களின் கூட்டு சேரும் குணம் நிச்சயமாகியது. ஆனால் அதே சோதனையில் எலெக்ட்ரான்களைப் பயன்படுத்தும்பொழுது இதற்கு எதிரிடையான விடைகள்தான் கிடைத்தன. மிகவும் புத்திசாலித்தனமாக வடிவமைக்கப்பட்ட இந்தச் சோதனைகள் அதுநாள்வரை கருத்தியல் கொள்கைகாளக இருந்த போஸான்கள் – ஃபெர்மியான்கள் குணத்தை அற்புதமாக ஆய்வகத்தில் நிரூபித்தன. க்ளாபரின் சமன்பாடுகள் திரமாக ஆய்வகத்தில் நிரூபிக்கப்பட்ட கோட்பாடுகளாயின. பின்னாட்களில் ராய் க்ளாவ்பர் தொடர்ச்சியாக குவாண்டம் ஒளியியலில் பல ஆதாரக் கோட்பாடுகளை வளர்த்தெடுத்தார். மறுபுறத்தில் லேசர்களில் ஏற்பட்ட அதியற்புத முன்னேற்த்தின் காரணமாக இந்தத் துறை அபரிமிதமான வளர்ச்சியைப் பெற்றது. இந்தப் பங்களிப்புக்காக ராய் க்ளாவ்பர் 2005 ஆம் ஆண்டுக்கான நொபெல் பரிசின் ஒரு பாதியைப் பெறுகிறார். (படம் – 3)

(என்னுடைய கணிப்பின்படி குவாண்டம் ஒளியியலின் ஆதாரக் கூறுகளை சோதனைகள் மூலம் நிரூபித்த லெனார்ட் மென்டல் உயிருடன் இருந்திருந்தால் இந்த நோபெல் அவரும் இந்தப் பரிசைப் பகிர்ந்துகொண்டிருந்திருப்பார். உண்மையில் மென்டலின் சோதனைகள் மெய்சிலிர்க்க வைக்ககூடிய அளவுக்குப் புத்திசாலித்தனமானவை ).

* * *

நேரத்தின் அளவீடு

க்ளாபரின் குவாண்டம் ஒளியியலில் எழுந்த புரிதல்களைக் கொண்டு ஒளியைப் பயன்படுத்தி நேரத்தைத் துல்லியமாக அளவிடும் சோதனைகளை வடிவமைத்தற்காக மறுபாதி நோபெல் பரிசு ஜான் ஹால்-க்கும் தியோடர் ஹான்ஸ்ச்க்கும் வழங்கப்படுகிறது. குவாண்டம் நிச்சயமின்மையின் விளைவுகளை நாம் புழங்கும் கருவிகளில் ஒருபொழுதும் உணர முடியாது. இதற்குக் காரணம் அதிதுல்லியமான நிலைகளில்தான் இந்த குவாண்டம் விளைவுகள் தலையெடுக்கின்றன. ஏன் ஆய்வங்களில் நிகழ்த்தப்படும் பெரும்பாலான சோதனைகளில் கூட இந்த நிச்சியமின்மை விளைவுகளைக் காணமுடியாது. சில சமயங்களில் இந்தக் குவாண்டம் விளைவுகள் துல்லியமான சோதனைகளில் ஆங்காங்கே தலையெடுத்த தனிநிகழ்வான பிழைகளை (random errors) உருவாக்குகின்றன. இதற்கு அறிவிய்லில் ‘குவாண்டம் இரைச்சல்’ (Quantum Noise) என்று பெயர். இது சோதனைகளில் அளவீட்டின் துல்லியத்தைப் பல சமயங்களில் பாதிக்கிறது. மறுபுறத்தில் இத்தகைய குவாண்டம் விளைவுகளை அறிவியலாளர்கள் பயன்படுத்தி அடிப்படை அலகுகளைத் துல்லியமாக அளக்கத் தொடங்கியிருக்கிறார்கள். ஹான்ஸ்ச் – ஹாலில் நேர அளவீடுகளில் இதுதான் பயன்படுகிறது.

அறிவியலின் வரலாற்றில் சோதனைகளில் நிகழ்த்தப்படும் அளவீடுகளின் துல்லியம் அதிகரிக்க அதிகரிக்க புதிய விளைவுகள் கண்டுபிடிக்கப்படுகின்றன. உதாரணமாக, அணு நிறமாலையியல் (Atomic Spectroscopy) என்ற பிரிவில் நடந்த தொடர்ச்சியான முன்னேற்றங்கள் அணுக்களையும் அணுத்துகள்களையும் பற்றிய புதிய உண்மைகளை விளக்க, குவாண்டம் இயக்கியல் என்ற சென்ற நூற்றாண்டின் அதியற்புத சாதனை உருவானது. இன்றைக்கு நாம் துய்க்கும் கணினி, தொலைக்காட்சி, தகவல் தொடர்பு, இணையம், நவீன மருத்துவ சாதனங்கள் போன்றவை குவாண்டம் இயக்க்கியலின் விளைவாக உருவானவைதான். எனவே நேரம், நீளம், கனம் போன்றவற்றின் அளவுகளைத் துல்லியமாக வரையறுப்பதும் அளக்கும் வழிமுறைகளை உருவாக்குவதும் அடிப்படை அறிவியலில் மிகவும் முக்கியமான ஒரு விஷயம். உலகத்தின் பல முன்னணி ஆய்வகங்கள் ஒன்றிணைந்து இத்தகைய தரக் கட்டுப்பாடுகளை உருவாக்குகின்றன. உதாரணமாக ஒரு மீட்டர் என்று சொல்வதை உலகம் முழுவதும் ஒரே அளவாகச் சொல்ல வேண்டிய அவசியம் இருக்கிறதல்லவா? ஆரம்ப காலங்களில் பாரிஸில் உள்ள சர்வதேச நிறுவை மற்றும் அளவை கழகம் ஒரு உலோகத் தடியை ஒரு மீட்டர் என்று சொல்லி அது வெப்பத்தால் நீண்டுவிடாமல் இருக்க திருடப்படமால இருக்க பூட்டி வைத்தார்கள். ஆனால் இதுபோன்ற பலருக்கும் கிடைக்காத தரத்தினால் பயனேதுமில்லை என்று கண்டுகொண்ட அவர்கள் விரைவிலேயே துல்லியமாக வரையறுக்கப்பட்ட சோதனைகளை அளவீட்டின் தரமாகப் பரிந்துரைத்தார்கள். இந்தச் சோதனைகளை யார் வேண்டுமானாலும் பரிந்துரைக்கப்பட்ட வழிகளில் நிகழ்த்தின் அதைக் கொண்டு சர்வதேச நிர்ணய தரத்திற்கு நீளத்தையோ, காலத்தையோ அளக்க முடியும்.

இப்படி காலத்தை அளக்க சீஸியம் அணுக்களால் ஆன ஒரு அணுக்கடிகாரம் (சோதனை) உருவாக்கப்பட்டது. உலகம் முழுவதும் உள்ள பல தர நிர்ணய ஆய்வகங்கள் இதையே பயன்படுத்தத் தொடங்கின. (இந்தக் கட்டுரைக்குச் சம்மந்தமில்லாதது என்பதால் அணுக்கடிகாரங்களைப் பற்றி நாம் இங்கே விளக்கப் போவதில்லை). கடந்த முப்பதாண்டுகளில் லேசர்களில் அதிவேக வளர்ச்சி நிகழ்ந்துள்ளது. அதிகுறை அதிர்வுகளைக் (ultrashort pulses) கொண்ட லேசர்கள் மிகச் சர்வசாதாரணமகக் கிடைக்கின்றன. அதிதுல்லிய அதிர்வெண் கட்டுப்பாடுகளைக் கொண்ட லேசர்களால் நிகழ்த்தப்படும் சோதனைகளில் அளக்கப்படும் அதிர்வெண்கள் சீஸியம் அணுக்கடிகாரத்தின் அளவுகளைவிட 10,000 ம்டங்கு அதி துல்லியமானவை. இந்த நிலையில் சீஸியம் கடிகாரங்களில் குறை எளிதில் உணரப்பட்டது. (அதாவது ஒரு மீட்டர் நீளத்திற்குத் துணியைக் கிழிக்க வேண்டியிருக்கிறது. நம்மிடம் இருக்கும் கத்தரிக்கோல் மிகத் துல்லியமாக வெட்டக் கூடியது ஆனால் அளவுகோலில் இருக்கும் மீட்டரைக் குறிக்கும் கோடு வெட்டு முனையை விட பல மடங்கு தடியானது என்றால் கத்தரிக்கோலை வைத்து எங்கே வெட்டுவது – தடியான கோட்டின் ஆரம்பத்திலா, முடிவிலா அல்லது மையத்திலா என்ற பிரச்சனை எழுமல்லவா? இதைப் போன்ற சிக்கல்தான் லேசர் நிறமாலையியல் விஞ்ஞானிகளுக்கும் ஏற்பட்டது).