Friday, January 02, 2015

INTERSTELLAR समजुन घेतांना - भाग-२

विश्वाच्या उत्पती संदर्भाशी निगडीत असलेल्या गोष्टींचा धावता आढावा आपण मागील भागात (INTERSTELLAR समजुन घेतांना - भाग-१) घेतला. न्यटनचे एक फारच महत्त्वपुर्ण वाकय इथे नमुद करावेसे वाटते. तो म्हणतो 'आपण आपल्या पुर्वजांच्या खांद्यावर बसून हे जग पाहत असतो' ('we stood on the shoulders of genious'). त्याच्या अगोदर कोपरनिकस, गॅलिलीओ अशा मातब्बरांचे ॠण तो येथे मान्य करतो.

न्युटनने गुरुत्वाकर्षणाचा (Gravity) शोध लावला आणि त्याचे गतिविषयक नियम (Laws of motion) हे भौतिकशास्त्रातील मैलाचा दगड (Mile Stone) बनले. पुढील जवळपास २०० वर्षे न्युटनच्या या नियमांनी भौतिकशास्त्रात अधिराज्य गाजवले. पण न्युटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या मताच्या मर्यादा उघड करत त्या गुरुत्वाकर्षण शक्तीला वैश्विक रुप दिले ते द्रुष्टा शास्त्रज्ञ 'अल्बर्ट आइन्स्टाइन' याने आणि ते ही आपल्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताद्वारे (Theory of Relativity).






                                    

यापुढील गोष्टींचा विस्तार करण्याअगोदर काही वैज्ञानिक बाबी आपण आधार म्हणून घेणार आहोत.

१) मॅक्स्वेल या शास्त्रज्ञाने प्रकाश हा निर्वात पोकळीत (Vacuum) c = ३x१०^८  या वेगाने प्रवास करतो असे सिद्ध केले. समजा प्रकाशाचा वेग एखाद्या मानसाने एका जागी स्थीर राहून मोजला आणि तोच वेग एखाद्या वेगवान रेल्वेगाडीत मोजला तर काय होइल ? शास्त्रज्ञांना असे आढळून आले कि, दोन्हीही वेळा किंवा अशा दोन वेगळ्या संदर्भ चौकटीत (Frame of Reference) प्रकाशाचा वेग सारखाच येतो तसेच भौतिकशास्त्राचे नियम कुठल्याही संदर्भ चौकटीत सारखेच लागू होतात. यालाच आइन्स्टाइनचा 'विशेष सापेक्षतावादाचा सिद्धांत' (Special theory of Relativity) असे म्हणतात.

२) आपण वावरत असलेल्या त्रिमित जगात (Three Dimensional world of Length, Width and Height ) प्रकाशाच्या वेगापेक्षा जास्त वेगाने कुठलीच वस्तू जाउ शकत नाही (कदाचीत इतर प्रगत जमातींच्या विश्वात किंवा अनेक मितींची जाणिव असणाऱ्यांच्या जगात (In the world of Multi-Dimension) प्रकाशापेक्षा जास्त वेगाने जाणाऱ्या गोष्टी असुही शकतील पण मनुष्याच्या त्रिमित जगात प्रकाशाचा वेग हा सर्वोत्तम ठरतो.).

३) आपल्या शक्तीदात्या सूर्यापासून प्रकाशाला आपल्या प्रुथ्वीपर्यंत येण्यासाठी साधारणतः ८-मिनिटांचा कालावधी लागतो.


आइन्स्टाइनचा व्यापक सापेक्षतावादाचा सिद्धांत (General Theory of Relativity)

गुरुत्वाकर्षणाविषयी न्युटनने असे म्हटले आहे कि, या विश्वातील प्रत्येक वस्तू इतर वस्तुला एका बलाद्वारे आकर्षित करत असते. त्या बलाचे मुल्य हे त्या दोन वस्तुंच्या वस्तुमानाच्या समप्रमाणात तर त्यांच्या मधील अंतराच्या व्यस्त प्रमाणात असते. त्या बलाचे मुल्य खालील सुत्राने दाखवतात.

F = g(m1*m2/d*d)

m1= एका वस्तुचे वस्तुमान
m2= दुसऱ्या वस्तुचे वस्तुमान
g= गुरुत्वाकर्षणाचा स्थिरांक
d= दोन वस्तुंमधील अंतर

आइन्स्टाइनने असे म्हटले की, पृथ्वी व सूर्य हे गुरुत्वाकर्षण बलामुळे एकमेकांना धरून आहेत. (त्या बलाचे मुल्य वरिल सुत्रानुसार काढता येइल). पण समजा उद्या अचानक सुर्य त्याच्या स्थानापासून गायब झाला तर वरिल सुत्रात m1 ची किंमत शुन्य होउन न्युटनच्या मतानुसार सुर्याच्या गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम लगेचच पृथ्वीवर जानवून पृथ्वी अवकाशात कुठेतरी भरकटत जाइल.  पण वरिल बाबींत सिद्ध केल्यानुसार आपल्या त्रिमित जगात हा परिणाम जानवायला किमान ८-मिनिटांचा कालावधी तरी लागायला हवा कारण गुरुत्वाकर्षणाला वाहून नेणाऱ्या लहरी (Gravitational Waves) जरी प्रकाशाच्या वेगाने आपल्या पर्यंत पोहोचतील असे मानले तरी त्यांना किमान ८-मिनिटे लागतील कारण आपल्या जगात प्रकाशाचा वेग सर्वोत्तम आहे.

झालेतर इथेच आइन्स्टाइनने न्युटन पासून वेगळेपण घेतले.

आइन्स्टाइन असे म्हणणे मांडले कि, प्रचंड वस्तुमानाच्या (Mass) वस्तुमुळे त्या सभोवताली असलेल्या अवकाशाला (Space) एक प्रकारची वक्रता (Curve) येते. याचे सोपे उदाहरण म्हणजे एखाद्या मउ गादीवर जड लोखंडाचा एखादा गोळा ठेवल्यास तो त्या गादीचा काही पृष्ठभाग वक्र बनवेल. या वक्र भागाच्या किनाऱ्यावर जर एखादी गोटी ठेवली तर ती त्या वक्रमार्गावर चक्राकार घरंगळत जाईल. हेच उदाहरण आपल्या सूर्य आणि पृथ्वीबाबत लावता येइल. सूर्याच्या प्रचंड वस्तुमानामुळे त्यासभोवताली जे अवकाश आहे ते वक्र बनले आहे आणि त्या वक्र अवकाशात पृथ्वी सापडली आहे. जरी पृथ्वी आपल्या मार्गात सरळ जात असली तरीही अवकाशच वक्र असल्यामुळे ती सूर्याभोवती फिरतांना दिसते. मग पृथ्वी सुर्यावर जाउन का आदळत नाही ? तर त्याचे कारण म्हणजे पृथ्वीचे स्वतःचे असलेले वस्तुमान आणि अवकाशात असलेला वक्रपणा !!!



कंकणाकृती सूर्यग्रहण (Solar Eclipse) आणि आइन्स्टाइनच्या सिद्धांताचा पडताळा
आइन्स्टाइनने त्याचा व्यापक सापेक्षतावादाचा सिद्धांत १९१५ साली मांडला पण त्याचा प्रत्यक्ष पडताळा घ्यायला १९१९ साल उजाडावे लागले. शास्त्रज्ञांचे असे म्हणणे होते कि आइन्स्टाइनने सांगितल्या प्रमाणे जर प्रचंड वस्तुमानामुळे त्याच्या सभोवतालचे अवकाश वक्र बनत असेल तर सूर्याचे वस्तुमान प्रचंड आहे मग त्यासभोवतालचे अवकाशही वक्र झालेले असले पाहिजे. त्यामुळे एखाद्या दुरच्या ताऱ्यापासून निघालेले प्रकाशकिरण सूर्याजवळून जातांना वाकून गेले पाहिजेत. पण मग हे सगळे पडताळायचे कसे कारण सूर्याच्या प्रखर प्रकाशात आपणास दुरच्या ताऱ्याचा प्रकाश कसा दिसणार ? यासाठी १९१९ सालचे कंकणाकृती सूर्यग्रहणाचा वापर करायचे ठरले. जर दुरच्या ताऱ्यापासुनचा प्रकाश वाकून पृथ्वीवर येणार असेल तर त्या ताऱ्याचे स्थान पृथ्वीवरील निरिक्षकाला विस्थापित (Displaced) झालेले दिसेल पण हे त्याचे 'आभासी स्थान' (Virtual) असेल कारण प्रकाश सरळ त्या निरिक्षकाच्या डोळ्यात जाणार असेल तर त्याला तो तारा सरळ रेषेतच दीसेल.



झालेही अगदी तसेच दुरच्या ताऱ्यापासून आलेली किरणे सूर्याजवळून जातांना वाकून गेली आणि आइन्स्टाइनचे मत 'गुरुत्वाकर्षण म्हणजे वस्तुमानामुळे त्या सभोवतालच्या अवकाशाला आलेली वक्रता आहे' हे सिद्ध झाले.

वेळेची सापेक्ष संकल्पना (Relative Nature of Time)
या वक्र अवकाशाचा परिणाम कालावर कसा होतो हे जरा क्लिष्ट प्रकरण आहे.आइन्स्टाइनच्या अगोदरपासून काल ही संकल्पना निरपेक्ष (absolute) मानली गेली. न्युटन त्याच्या 'The Mathematical Principles of Natural Philosophy' मध्ये म्हणतो कि, 'निरपेक्ष काल हा या विश्वात सगळीकडे सारखाच आहे. तो कुठेही सारख्याच गतीने जात असतो' (The 'absolute time' flows at the same rate throughout the Universe, independently of any influences).

वेळेची संकल्पना समजून घेण्यासाठी कल्पना करा कि दोन संदर्भचौकटी (Frame of Reference) आहेत एक कमी गुरुत्वाकर्षणाची आणि दुसरी जास्त गुरुत्वाकर्षणाची. दोन्ही संदर्भचौकटीत एक-एक निरिक्षक आहे.

कल्पना करा कि एक निरिक्षक जो अतीशय कमी गुरुत्वाकर्षण असलेल्या संदर्भ चौकटीत बसला आहे त्याच्याकडे त्या संदर्भचौकटीत चालणारे घड्याळ आहे. त्याने प्रकाशकिरण 'a' स्थानापासून'b' स्थानाकडे पाठवला तर त्याला प्रकाशाने ३x१०^८ वेगाने ते अंतर किती वेळेत कापले हे त्याचे घड्याळ अचुक दाखवेल.



आता कल्पना करा कि दुसरा एक नीरिक्षक अतीशय जास्त गुरुत्वाकर्षण असलेल्या संदर्भ चौकटीत बसला आहे. a-b एवढेच अंतर असलेल्या c आणि d या दोन बिंदुंमध्ये त्याने प्रकाश पाठवला तर प्रकाशाने ३x१०^८ वेगाने ते अंतर किती वेळात कापले हे त्याचे घड्याळ अचुक दाखवेल.


वेग = अंतर /वेळ. (Velocity = Distance / Time )

दोन्हीही संदर्भ चौकटीत प्रकाशाचा वेग सारखाच येइल (मॅक्स्वेल ने हे दाखवून दिलेले आहे) तसेच दोन्हीही घड्याळ प्रकाशाला सारखाच वेळ लागला हे दाखवेल. पण आपण वरील परिच्छेदात पाहिले कि, गुरुत्वाकर्षणामुळे अवकाशाला वक्रता येते त्यामुळे c-d हे अंतर जरी a-b एवढे असले तरीही प्रकाशकिरणाने वक्र-मार्ग अवलंबल्यामुळे प्रकाशकिरणाने दुसऱ्या दाखल्यात जास्त अंतर कापलेले असेल पण तरीही तिथले घड्याळ पहिल्या दाखल्याइतकीच वेळ दाखवत असेल तर निश्चितच जास्त गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली असलेले घड्याळ हे कमी गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली असलेल्या घड्याळाच्या तुलनेत हळू धावत असले पाहिजे.

कमी गुरुत्वाकर्षण असलेल्या संदर्भ चौकटीतील निरिक्षकाला जास्त गुरुत्वाकर्षण असलेल्या संदर्भ चौकटीतील निरिक्षकाचे घड्याळ हे हळू धावतांना दिसेल. म्हणजेच वेळ हि संदर्भ चौकटीशी निगडीत बाब झाली. दोन्हीही निरिक्षकांना आपण सारखाच वेळ घालवल्याचा भास होइल पण जर त्यांची तुलना करायला गेलात तर त्यांच्यामध्ये तफावत जाणवेल. म्हणजेच वेळ हि निरपेक्ष (Absolute) नसून ती मोजनारा कुठल्या संदर्भ कक्षेतून हे मोजमाप करत आहे त्यावर अवलंबून असते. म्हणजेच वेळ हि सापेक्ष (Relative) कल्पना झाली.

अशा प्रकारे वेळेला सापेक्ष बनवून (Time is relative) आइन्स्टाइनने भौतिकशास्त्रात प्रचंड उलथापालथ घालवून दिली. त्यांचा वेध आपण पुढील प्रकरणात घेउयात.

(वाचकांना विनंती :- आपल्या प्रतिक्रिया नोंदवायला विसरू नका.)

6 comments:

  1. NOW I AM ON TRACK AND GETTING MEANING. GOOD AND SIMPLE TO UNDERSTAND IF YOU ARE INTERESTED. THANKS. WAITING FOR NEXT.

    ReplyDelete
  2. congratulations !! nice one

    ReplyDelete
  3. Anonymous10:42 PM

    Nice - Shrikant N

    ReplyDelete
  4. very good easy to understand.

    ReplyDelete
  5. अतुल, विद्या, श्रीकांत आणि प्रमोद, आपल्या प्रतिक्रियांदद्द्ल मनापासुन आभार !!!

    ReplyDelete
  6. फारच छान

    ReplyDelete

Please enter your comment below. Your comment will be published shortly !!!