இதன் {முதல் பகுதி} {இரண்டாம் பகுதி}

ஃபெம்டோநொடி துடிப்புகள்
லேசர் கடிகாரம்

இதைத் தவிர்க்க லேசர்களால் ஆன கால அளவீட்டை நிர்ணயிக்கத் தொடங்கினார்கள். இதற்கு உறுதுணையாக இருந்தது அதிகுறை அதிர்வு லேசர்கள், இவற்றில் வெளியாகும் லேசர் அதிர்வுகள் ஃபெம்டோ நொடி (Femtosecond) அளவிலானவை (ஒரு நொடியின் மில்லியனில் ஒரு பங்கு மைக்ரோ (micro), இது 10-6, ஆயிரம் மில்லியனில் ஒரு பங்கு நானோ (nano), 10-9, தொடர்ந்து 10-12 என்பதை பிக்கோ (pico) என்றும் 10-15 என்பதை ஃபெம்டோ நொடி என்றும் சொல்வார்கள்). ஆமாம், இன்றைய லேசர் அறிவியல் இந்த அளவிற்குத் துல்லியமானது. ஆய்வகங்களில் ஃபெம்டோ நொடி லேசர்கள் சர்வசாதாரணமாகப் புழங்குகின்றன. இந்த லேசர்களிலிருந்து சிறுசிறு பொட்டலங்களாக ஒளி அதிர்வுகள் தொடர்ச்சியாக வெளியேறிக்கொண்டே இருக்கும். இந்தப் பொட்டலங்களை உற்று நோக்கினால் இவற்றுக்குள்ளே நுண்ணிய அதிர்வுகள் காணப்படும் இந்த அதிர்வுகள்தாம் ஃபெம்டோ நொடி அளவில் இருக்கும். (படம் -4)

நேரிலி ஒளியியல்

சாதாரணமாக ஒரு ஊடகத்தின் வழியே செல்லும் ஒளிவிலகலுக்கு (refraction) உள்ளாகும், அல்லது எதிரொளிக்கும் (reflection), அல்லது ஒளியின் திறன் உள்வாங்கப்பட்டு (absorption) குறையும். பொதுவில் ஊடகத்தில் பாயும் ஒளிக்குத்தான் மாற்றங்கள் நிகழ்கின்றன. ஆனால் ஊடகத்தில் எந்தவிதமான மாற்றமும் நிகழ்வதில்லை. இதற்குக் காரணம் சாதாரண ஒளிக்கதிர்களின் மின்காந்தப் புலம் அணுக்களைப் பிணைக்கும் அணுப்புலத்தின் ஒப்பிட மிக மிகக் குறைந்தது. இந்த ஒளிக்கதிர்களின் ஊடாட்டத்தால் அணுக்களில் தோன்றும் எலெக்ட்ரான்களின் அதிர்வுகள் மிகச் சிறிய அளவிலேயே இருக்கின்றன. இவை ஊடகத்தின் தன்மையை எந்த விதத்திலும் பாதிப்பதில்லை. ஒளி விலகல், எதிரொளிப்பு போன்ற விளைவுகளை நேர் ஒளி விளைவுகள் (linear optical effects) என்று சொல்லலாம்.

மாறாக வாய்ந்த லேசர் கதிர்கள் ஒரு ஊடகத்தில் பாயும் பொழுது அவற்றின் அதிசக்தி மின்காந்தப் புலங்கள் ஊடகத்தின் எலெக்ட்ரான்களில் பேரதிர்வுகளை உருவாக்குகின்றன. இந்த எலெக்ட்ரான்களின் அதிர்வுகள் அளவுக்கதிகமாக இருப்பதால் குளத்தில் வீசியெறியப்பட்ட இரு கற்களால் உண்டாகும் அலைகளைப் போல ஒன்றுடன் ஒன்று மோதிக்கொள்கின்றன. இந்த நிலையில் ஊடகத்தின் பண்புகளில் சற்று மாற்றம் ஏற்படுகிறது. மாற்றமடையும் ஊடகத்தில் செல்லும் ஒளியலைகளும் சாதாரணமாகச் செல்ல முடிவதில்லை. அவை விசேட மாற்றங்களுக்கு உள்ளாகின்றன. இதனால் ஏற்படும் விளைவுகளை நேரிலி ஒளியியல் (Nonlinear Optics) என்று சொல்வார்கள்.

உதாரணமாக, செல்லும் ஒளியின் அதிர்வெண்கள் இரட்டிக்கப்படுகின்றன. அதாவது நேரிலி ஊடகத்தின் வழியே செல்லும் அகச்சிவப்புக் கதிர் (உதாரணமாக அலைநீளம் 1064 நானோமீட்டர் என்று கொள்வேம்) பச்சையாக (அலைநீளம் சரிபாதியாக 532 நானோமீட்டரில்) மாறுகிறது. இதற்கு அதிர்வெண் இரட்டிப்பு (Frequency Doubling or Second Harmonic Generation) என்று பெயர். அல்லது சிவப்புக் கதிரும் பச்சைக் கதிரும் ஒன்றிணைந்து ஊதாக்கதிர்கள் உருவாதலும் சாத்தியமே. இதற்கு அதிர்வெண் சேர்க்கை (Sum Frequency Generation) என்று பெயர். இப்படியான பல புதிய நேரிலி ஒளி விளைவுகள் லேசரின் வருகையால் சாத்தியமாகின்றன.

ஒரு குளத்தில் கல்லெறிந்தால் அது வட்ட வடிவிலான சலன அலைகளை உருவாக்குவதைப் பார்த்திருப்பீர்கள். இப்படி இரண்டு கற்களை ஒரே சமயத்தில் அருகருகே ஏறிந்தால் உருவாகும் வட்ட அலைகள் ஒன்றுடன் ஒன்று மோதி அதிக உயரம் கொண்ட அலைகளை உருவாக்குவதையும் பார்க்க முடியும். இரண்டு வெவ்வேறு அலை நீளங்களைக் கொண்ட அதிர்வுகளை ஒன்றுடன் ஒன்று மோதவிட்டால் உருவாகும் அலைகளைக் கொண்டு சலனங்களின் அல நீளங்களைத் துல்லியமாக அளக்க முடியும் என்று அறிந்து வைத்திருந்தார்கள். ஆனால் பிரச்சனை என்னவென்றால் அப்படி மோதும் அதிர்வலைகள் ஒன்றுக்கொன்று ஒருக்கம் (coherence) கொண்டவையாக இருக்க வேண்டும். (இந்தக் கட்டுரையின் ஆரம்பத்தில் சாதாரண அலைகளுக்கும் லேசர் அலைகளுக்கும் உள்ள வித்தியாசத்தை விளக்கும்பொழுது லேசர்களின் ஒருக்கம் பற்றிச் சொல்லியிருந்தோம்). ஆனால் வெவ்வேறு ஒளிக்கருவிகளில் தோன்றும் மாறுபட்ட அலைநீளங்களுக்கு இடையில் ஒருக்கம் என்பது சாத்தியமில்லை.

காலத்தின் துல்லியம் – அன்றாட பயன்கள்

அதிதுல்லிய கால அளவீடுகள் வரையறைகள் என்பவற்றினால் என்ன பயன் என்று பலரும் கேட்கக் கூடும். இன்னும் சிலர் குறிப்பிட்ட சில அறிவியலாளர்களின் கிறுக்குத்தனமான ஆர்வத்திற்குத் தீனிபோடுவதைத் தவிர இவற்றினால் வேறென்ன பயன் என்று கேட்கலாம். ஆனால் இந்த நோபெல் பரிசு, அடிப்படை அறிவியல் நம் வாழ்முறையை எப்படி மாற்றியமைக்கிறது என்று மிக எளிதாக விளக்குகிறது. கூடவே இந்த வருடத்திய நோபெல் பரிசு அறிவியல் செயல்படும் முறையையும் விளக்குகிறது. ப்ரௌன் – ட்விஸ் சோதனையில் இருந்த குழப்பம் க்ளாவ்பரின் குவாண்டம் ஒளியியல் கோட்பாடுகளுக்கு வித்திட்டது. ஒரு சிறிய சோதனையின் முடிவைப் புரிந்துகொள்வதற்காகச் செய்யப்பட்ட கருத்தியல் முயற்சியில் முற்றிலும் புதிய அறிவியல் துறை கிளைத்தெழுந்தது. திரமான கணித ரீதியான கோட்பாட்டுச் சட்டகமான குவாண்டம் ஒளியியல் பல வருடங்களுக்கு ஒரு கருத்தியல் ஆர்வமாகவே இருந்து வந்தது. மறுபுறத்தில் காலம் காலமாக சோதனைகளில் ஏற்படும் சிறு சிறு துல்லியக் குறைபாடுகளுக்குக் காரணாமாக “குவாண்டம் இரைச்சல்” ஒத்துக் கொள்ளப்பட்டது. குவாண்டம் இரைச்சலை அளவீடுகளில் தவிர்க்க முடியாது ஆனால் அதன் பங்கை வரையறுக்க முடியும் என்ற நிலை இருந்து வந்தது.

பின்னர் ஹான்ஸ்ச்-ம் ஹாலும் குவாண்டம் இரைச்சலின் ஆதிகாரணங்களைப் பற்றிய புரிதலையும், க்ளாவ்பரின் குவாண்டம் ஒளியியல் குறித்த புரிதலையும் அடிப்படையாகக் கொண்டு காலத்தை அதி துல்லியமாக அளவிடும் முறையை உருவாக்கினார்கள். அதாவது முற்றிலும் கணித ரீதியாக அமைந்த குவாண்டம் ஒளியியல் கோட்பாடு ஆய்வத்தில் அளவீடுகளின் துல்லியத்தை அதிகரிக்கப் பயன்படுகிறது.

மறுபுறத்தில் இப்பொழுது பலர் கார்களில் உலகளாவிய இடங்காட்டியைப் (Global Positioning Systems, GPS) பயன்படுத்துகிறோம். சில செல் பேசிகளைப் போன்ற கையடக்க வடிவில் இருக்கின்றன. கார் ஓட்டும் பொழுது செல்லும் திசையையும் தூரத்தையும் வழியையும் துல்லியமாக காட்டிக் கொடுக்க இந்தக் கருவிகள் பயன்படுகிறன. சாலைகள் இல்லாத கடல்களில் செல்லும்கப்பல்களுக்கும் வானத்தில் செல்லும் விமானங்களுக்கும் வழியையும் இருப்பிடத்தையும் அறிய இந்தக் கருவிகள் இன்றைக்கு மிகவும் இன்றியமையாதவை. இந்தக் கருவிகளில் வானத்தில் மிதக்கும் மூன்று (அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட) செயற்கைக் கொள்களுக்கு ஒரு சமிக்ஞையை அனுப்பி அது திரும்ப ஆகும் காலத்தை அளந்து, ஒளியின் மாறாத திசைவேகத்தின் உதவியுடன் தொலைவு கணிக்கப்படுகிறது. வானத்தில் இருக்கும் மூன்று செயற்கைக்கோள்களிலிருந்தும் இருக்கும் தூரத்தைக் கொண்டு தரையில் செல்லும் கார் அல்லது நடுக்கடலில் இருக்கும் கப்பலின் இடம் துல்லியமாகக் காணப்படுகிறது. இந்தக் கருவியின் ஆதாரமே செலுத்தப்படும் சமிக்ஞை செயற்கைக் கோளுக்கும் தரைக்கும் இடையில் செல்ல எடுத்துக் கொள்ளும் காலத்தை அளப்பதே. அதி துல்லியமான கால அளவீடுகள் இந்தக் கருவி தரையில் தானிருக்கும் இடத்தைத் துல்லியமாகக் காட்ட மிகவும் முக்கியமானது. இப்பொழுது தயாராகும் பெரும்பாலான கார்களில் இடங்காட்டிக் கருவிகள் பொருத்தப்படுகின்றன.
சோதனை முடிவின் மீதான ஆர்வம் – கணித ரீதியான குவாண்டம் ஒளியியல் சட்டகம் – ஆய்வகத்தில் லேசர்களைப் பயன்படுத்தி அளக்கப்படும் நேரம் – கார்களில் பொருத்தப்படும் இடங்காட்டி கருவிகளின் துல்லியம் என்று அடிப்படை அறிவியல் சராசரி பயனரின் உபயோகத்திற்கு இறங்கி வரும் அற்புதத்தை இங்கே பார்க்க முடிகிறது.

frequency comb

ஹாலும் ஹான்ஸ்ச்-ம் இந்த இடத்தில் லேசர்களை கொண்டு ஏற்கனவே கண்டுபிடிக்கப்பட்டிருந்த நேரிலி ஒளியியல் (Nonlinear Optics) விளைவைச் சாதுரியமாகப் பயன்படுத்தினார். (நேரிலி ஒளியியல் குறித்த சிறப்பு விளக்கத்தைப் பார்க்க). ஒற்றை ஃபெம்டோ நொடி லேசரின் அதிதுல்லிய அதிர்வுகளில் ஒன்றைப் பிரித்தெடுத்து [nfr+f0] அதை நேரிலி ஒளிக்குணம் கொண்ட ஒரு படிகத்தின் வழியே செலுத்தி அதன் அதிர்வெண்ணை இரட்டித்தார்கள் [ 2(nfr+f0) ]. பின்னர் இதை மூல அதிர்வுகளில் சற்றுத் தள்ளியிருக்கும் வேறொரு அதிர்வுடன் [(2nfr+f0)] .பிணைப்பதன் மூலம் உருவான அதிர்வைத் துல்லியமாக அளப்பதன் மூலம் மூல அதிர்வின் காலத்தை அதிதுல்லியமாக அளப்பது சாத்தியமானது [ 2(nfr+f0)-(2nfr+f0) = f0]. இந்தச் சோதனைகளை தியோடர் ஹான்ஸ்ச்-ம் ஜான் ஹாலும் ஒருவருக்கொருவர் கலந்தாலோசித்து உருவாக்கினார்கள். இப்பொழுது உலகம் முழுவதும் காலத்தை அதி துல்லியமாக அளக்க இந்தச் சோதனைதான் பயன்படுத்தப்படுகிறது. (படம் – 5)

இன்றைக்கு நாம் அறிந்த வகையில் உலகில் மிக வேகமாகப் பயணிக்கக் கூடியது ஒளிதான். எனவே ஒளியைப் பயன்படுத்தி அனுப்பப்படும் தகவல், ஒளியின் உதவி கொண்டு செய்யப்படும் கணக்கீடுகள் ( எலெக்ட்ரான்களுக்குப் பதிலாக ஒளி அடிப்படையிலான கணினி) என்று இனி வரும் காலம் ஒளியின் காலமாக இருக்கப் போகிறது என்று அறிவியலாளர்கள் பலரும் எதிர்பார்க்கிறார்கள். அந்த வகையில் இயற்பியல் ஆண்டான 2005ல் ஒரு ஒளியியல் துறையின் முக்கியத்துவம் கவனம் பெறும் வகையில் நோபெல் பரிசு ஒளியியலாளர்களுக்கு வழங்கப்பட்டிருக்கிறது.


கூடுதல் தகவல்களுக்கு

  1. Nobel Foundations official prize announcement,
  2. குவாண்டம் கணினி, வெங்கட்ரமணன் (2003, யுனைட்டெட் ரைட்டர்ஸ், சென்னை 86), குவாண்டம் இயற்பியலில் நிச்சயமின்மை உள்ளிட்ட சில அடிப்படை விளக்கங்களை இந்தப் புத்தகத்தில் இருக்கும் ‘குவாண்டம் கணினி’ கட்டுரையிலிருந்து அறியலாம்.
  3. காலம் – ஒரு அறிவியல் பார்வை, வெங்கட்ரமணன், காலம் இதழ்-25, அறிவியல் சிறப்பிதழ், அக்டோபர் 2005, வெளியிடுவோர் – வாழும் தமிழ், டொராண்டோ, கனடா.
  4. Optical Clocks, Physics World, May 2005,
    Institute of Physics, UK. Also available in web at http://physicsweb.org/articles/world/18/5/8