न्यूटनच्या गतीच्या नियमांनी भौतिकशास्त्रात क्रांती घडवली आणि त्याच्या गुरुत्वाकर्षणासंबंधीच्या नियमाने, गुरुत्वाकर्षणाला समजून घेण्याचे एक माध्यम दिले हे खरे असले; तरीही आईनस्टाईनने त्याचे सापेक्षतेचे सिद्धांत मांडण्यापूर्वीच, न्यूटनच्या नियमातील त्रुटी काही प्रमाणात उघड झाल्या होत्या. गुरुत्वाकर्षण म्हणजे काय, ते का असते, ह्याचे उत्तर न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणासंबंधीच्या नियमातून मिळत नव्हते, ना ह्यासंबंधी कोणताही ऊहापोह न्यूटनने त्याच्या ग्रंथात केला होता. न्यूटनसाठी गुरुत्वाकर्षण हे केवळ एक बल आहे. ते कोणत्याही माध्यमातून, कसा प्रवास करते (तरंग किंवा कण स्वरूपात) ह्यासंबंधी विचार तेंव्हा केला गेला नव्हता. अर्थातच अशा स्वरूपाच्या विचारसरणीमुळे, दीर्घ अंतरावरील वस्तूंमध्ये गुरुत्वाकर्षण कसे काम करते ह्या बाबतीत पुरेशी स्पष्टताही नव्हती.
चंद्रप्रकाश पृथ्वीवर येण्यासाठी १.३ सेकंद लागतात, ह्याचा अर्थ असा होतो की समजा चंद्र एकाएकी नष्ट झाला तरीही त्यानंतर १.३ सेकंद तो आपल्याला दिसत राहील. मात्र न्यूटनच्या नियमांच्या चौकटीत विचार केला असता, अशा प्रकारच्या घटनेनंतर, चंद्राच्या गुरुत्वाकर्षणाचा, पृथ्वीवर होणारा परिणाम तात्काळ थांबायला हवा. ह्यातून असा निष्कर्ष निघू शकतो की गुरुत्वाकर्षण बल, प्रकाशवेगापेक्षा अधिक वेगाने कार्य करते. अर्थातच हा निष्कर्ष चुकीचा आहे, ही आपली आजची धारणा अधिक योग्य आहे.
न्यूटनच्या नियमातील आणखी एक विसंगती, बुधाची कक्षा निश्चित करताना दृग्गोचर झाली होती. प्रत्येक ग्रहाची (आणि उपग्रहाची) कक्षा, त्या ग्रहाच्या (वा उपग्रहाच्या) प्रत्येक परिभ्रमणादरम्यान सूक्ष्मरित्या बदलते (त्याच्या कक्षेचे प्रतल बदलते). ह्या बदलास Apsidal precession (कक्षीय पूरस्सरण ?) असे म्हणतात. आपल्या सूर्यमालेतील, त्यावेळेस ज्ञात असलेल्या ग्रहांच्या कक्षा निश्चित करताना न्यूटनचे ह्या संदर्भातील प्रमेय उपयुक्त ठरत होते, अगदी त्या ग्रहांचे Apsidal Precession विचारात घेऊन सुद्धा. मात्र चंद्र व बुधाची कक्षा निश्चित करताना न्यूटनच्या नियमातील काही त्रुटी उघड होत होत्या. चंद्र हा उपग्रह असल्याने त्याची कक्षानिश्चिती Three-body Problem ह्या गटात (चंद्र, पृथ्वी, सूर्य) मोडत होती; मात्र बुधाचे तसे नव्हते. बुधाच्या कक्षेचे Apsidal precession अपेक्षित असलेल्या वेगापेक्षा अधिक वेगाने होत होते. वास्तविक न्यूटनचे नियम परिपूर्ण नसल्याचा हा एक पुरावा होता, पण न्यूटनच्या सिद्धांतांवर व नियमांच्या अचूकतेवर अतूट श्रद्धा असणार्या काही वैज्ञानिकांनी ह्या संदर्भात विविध तर्क लढविले. नियमाला असणार्या अपवादाला नियमात बसविण्यासाठी केले गेलेले हे तर्क आज अतिशय मनोरंजक वाटतात :
१) शुक्राचे वस्तुमान आपल्या अपेक्षेपेक्षा कदाचित खूप अधिक असावे व त्याच्या गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम बुधावर होत असावा,
२) सूर्याभोवती बुधापेक्षाही कमी अंतरावरून फिरणारा Vulcan नावाचा ग्रह असावा
३) बुधाजवळदेखील उपग्रहांचा एखादा पट्टा असावा
४) बुधाला एखादा उपग्रह असावा वगैरे
५) बुधाजवळ एखादा धुलीकणांचा मेघ असावा
वगैरे
मात्र ह्यातील एकही तर्क निरीक्षणांच्या माध्यमातून सत्य ठरू शकला नाही. बुधाच्या परिभ्रमणाचे आणि कक्षानिश्चितीचे कोडे उलगडले ते आईनस्टाईनने त्याचा सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडल्यावर. एखाद्या तार्याजवळचा प्रदेश त्याच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे कसा वक्र होतो, ताणला जातो, हे व्यापक सापेक्षता सिद्धांताच्या माध्यमातून मांडले गेल्यावर, सूर्याच्या सर्वात जवळ असणार्या बुधाच्या विचित्र कक्षेचे गणित स्पष्ट झाले.
आईनस्टाईनच्या व्यापक सापेक्षता सिद्धांताने गुरुत्वाकर्षणाला (बलापलीकडेही) वेगळे अस्तित्व दिले. इथे गुरुत्वाकर्षण SpaceTime च्या वक्रतेचा परिणाम आहे. आईनस्टाईनच्या सिद्धांतात व्यक्त झालेले SpaceTime म्हणजे काय, ह्याविषयी कालप्रवासाविषयी लिहीलेल्या लेखमालेत स्पष्टीकरण दिले होते (कालप्रवास - लेखांक ५ / ७), तरीही विषयाला अनुसरून थोडक्यात सांगायचे म्हणजे, न्यूटनच्या नियमचौकटीत Space (म्हणजे कोणताही त्रिमित अवकाश : लांबी, रुंदी आणि उंची {किंवा खोली} ) आणि Time (काळ) ह्या दोघांचे स्वतंत्र अस्तित्व आहे. आईनस्टाईनने ह्या दोघांनाही एकत्र करुन SpaceTime (अवकाशकाळ) नावाची एक नवीन entity त्याच्या सिद्धांतात वापरली. (त्रिमित) अवकाश व काळ ह्यांच्या एकत्रीकरणामुळे, त्रिमित 'अवकाशकाळास' वेगळ्या चौथ्या अक्षाची गरज राहिली नाही. कोणत्याही वस्तूचे अवकाशातील स्थान, ह्या अवकाशकाळाच्या संदर्भ चौकटीत व्यक्त करणे शक्य झाले. अवकाशकाळाला वस्तुमानामुळे वक्रता येते (सतरंजी आणि लोखंडी गोळ्याचे उदाहरण => कालप्रवास - लेखांक ५ / ७). जितके वस्तुमान अधिक, तितकी अवकाशकाळाची वक्रता देखील अधिक. अवकाशकाळाच्या ह्या वक्रतेमुळे, त्या वक्रतेच्या परिसरात आलेल्या कोणत्याही वस्तूला , वक्रतेला कारणीभूत होणार्या मोठ्या वस्तूकडे 'घरंगळणे' क्रमप्राप्त ठरते. ही घरंगळण्याची क्रिया, वास्तविक त्या वक्रतेचा अटळ परिणाम आहे. हा परिणाम म्हणजेच गुरुत्वाकर्षण, असा आईनस्टाईनने काढलेला निष्कर्ष आज बहुतांश वैज्ञानिकांना मान्य आहे.
सतरंजी आणि लोखंडी गोळ्याचे उदाहरण, अवकाशकाळाच्या वक्रतेला समजून घेण्यासाठी ठीक आहे, पण ते समर्पक उदाहरण नाही. ताणलेल्या सतरंजीला मधोमध ठेवलेल्या लोखंडी गोळ्यामुळे येणारी वक्रता, ही (काटेकोर विचार केल्यास) द्विमित पृष्ठभागाला येणारी वक्रता आहे. कोणत्याही मोठ्या वस्तुमानामुळे अवकाशात अवकाशकाळाला येणारी वक्रता ही त्रिमित आहे. ह्या फरकास दुर्लक्षित केले तरीही वक्रतेच्या ह्या संकल्पनेतून स्वाभाविकपणे उत्पन्न होणारा प्रश्न हा आहे की, कोणतेही वस्तुमान अवकाशकाळाला वक्रता का आणते ? सतरंजीला लोखंडी गोळ्यामुळे वक्रता येते, कारण सतरंजी चारही बाजूने ताणलेली आहे आणि लोखंडी गोळा स्वत:च्या वजनामुळे (गुरुत्वाकर्षणामुळे) सतरंजीवर अधोगामी बल वापरतो. लोखंडी गोळ्यामुळे सतरंजीवर निर्माण होणारा खळगा, पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे निर्माण होतो. गुरुत्वाकर्षणरहित अवस्थेत (उदाहरणार्थ स्पेस स्टेशन मध्ये) अशी सतरंजी ताणून धरली आणि तिच्या मधोमध लोखंडी गोळा ठेवला तर तो त्या 'सतरंजीला' वक्र करेल का ? शून्य गुरुत्वाकर्षणात जिथे पाणीसुद्धा विपरीत वागते, तिथे लोखंडी गोळ्याचे काय वेगळे होणार ?
गुरुत्वाकर्षणाबाबत पुरेसे ज्ञान मिळवण्यासाठी ह्या प्रश्नाचे उत्तर शोधणे क्रमप्राप्त ठरावे की चतुर्मित अवकाशाला त्रिमित वक्रता का येते ? चतुर्मित अवकाश कशामुळे (, कुणी आणि) कुठे ताणले आहे !? किंवा लोखंडी गोळा आणि सतरंजीच्या उदाहरणाच्या अनुषंगाने विचार केला तर कुठल्याही अवजड (अवकाशीय) वस्तूमुळे (वस्तुमानामुळे) सर्व दिशांना ताण पडण्याचे निश्चित कारण कोणते ?
एखादी गोष्ट वक्र आहे असे म्हटले की आपल्या डोळ्यासमोर अशी काहीतरी वस्तू येते, जिच्यात काही कारणामुळे दृश्य असणारी वक्रता आहे. सतरंजीला येणारी वक्रता आपल्यासाठी दृश्य आहे कारण सतरंजी ही एक वस्तू आहे (किंवा पदार्थ आहे) . अवकाशकाळाला वक्रता येते, म्हणजे नक्की कशाला वक्रता येते हा स्वाभाविकपणे मनात येणार प्रश्न. मग संदर्भचौकटच वक्र आहे म्हणजे काय ? आपण X, Y, Z ह्या तीन अक्षांनी बनलेला 'भवताल' वक्र आहे हे आपल्या डोळ्यासमोर आणू शकतो का ? बहुदा नाही. ह्या भवतालात असलेली एखादी वस्तू वक्र आहे अशी कल्पना आपण करू शकतो. X, Y, Z ह्या तीन अक्षांनी बनलेली संदर्भचौकट आपल्या जगात आपल्याला वक्र झालेली दिसते का ? ह्याचे उत्तरही आपण बहुदा 'नाही' असेच देऊ.
अवकाशकाळ वक्र होतो म्हटल्यावर अवकाशकाळाचा वस्त्र (Fabric) म्हणून विचार करणे किंवा अवकाशकाळ कशापासून बनलेला आहे किंवा कशाने भरलेला आहे ह्याविषयी चिंतन करणे, हा कदाचित मानवी मेंदूच्या मूलभूत विचारप्रक्रियेचा एक भाग आहे. प्रत्येक गोष्ट ही, काहीतरी 'पदार्थ' (matter) किंवा ऊर्जा (energy) वापरुन बनलेली आहे, हे स्वीकारल्याशिवाय, आपला मेंदू अनेकदा त्या गोष्टीसंबंधी, अधिक खोलवर विचार करू शकत नाही. कशानेही अवगुंठित नसलेली पोकळी वक्र आहे, हे डोळ्यासमोर आणणे खरंच अवघड आहे. कदाचित ह्यामुळेच अंतराळ (खरंतर अंतराळातील पोकळी) 'ईथर' ने भरलेले आहे असा अपसमज पूर्वी रूढ होता.
(त्या 'ईथर' ची जागा आज एका वेगळ्या प्रकाराने, गणिताने दाखविल्या गेलेल्या, Dark Matter आणि Dark Energy ने घेतली आहे का ? :-) ) .
आईनस्टाईनच्या मर्यादित सापेक्षता सिद्धांतात (Special Relativity - 1905) गुरुत्वाकर्षणाचा विशेष विचार नव्हता. तदनंतरच्या सात वर्षात आईनस्टाईनने, गुरुत्वाकर्षणाबाबत अधिक सखोल चिंतन केले आणि त्यासंबंधीचे निष्कर्ष व्यापक सापेक्षता सिद्धांताच्या (General Relativity -1915) माध्यमातून जगासमोर मांडले. मात्र त्यातही अवकाशकाळ म्हणजे नक्की काय आहे (किंवा कशाने 'बनलेले' आहे) ह्यावर विस्तृत स्पष्टीकरण नाही. कदाचित त्यामुळेच अवकाशकाळ वक्र होतो, म्हणजे नक्की काय वक्र होते ह्यासंबंधी अनेक तर्क आजपर्यंत मांडले गेले आहेत.
--
थोडक्यात जर त्रिमित अवकाशातील तीन अक्षांचा विचार केला तर आपण असे निश्चित म्हणू शकतो की SpaceTime Fabric ह्या शब्दामुळे ज्या प्रकारचा पदार्थ डोळ्यासमोर येतो, तसे काहीही अस्तित्वात नाही. मात्र तरीही वक्र होणे (Distort or Warp) ही क्रिया प्रत्यक्षात आणण्यासाठी अवकाशकाळ कशाने तरी बनलेला आहे किंवा संदर्भचौकट म्हणून विचार केल्यास, ती संदर्भचौकट कशाने तरी 'भरलेली' आहे असा विचार करणे स्वाभाविक आहे. ह्या विचाराच्या अनुषंगाने 'SpaceTime Fabric' ला मुख्यत्वेकरून ज्या तीन रुपात पाहिले गेले आहे, ती आहेत :
१) गुरुत्वाकर्षणाचे कणस्वरूप (Gravitons - ह्याचा शोध अजून लागलेला नाही.)
२) Cosmic Strings (String Theory नुसार)
३) Quantum Foam (SpaceTime चे स्वरुप सपाट नसून, एखाद्या अतिसूक्ष्म बुडबुड्यांनी तयार झालेल्या फेसाप्रमाणे अनियमित आणि निरंतर बदलणारे आहे. ही Quantum Mechanics आणि व्यापक सापेक्षता सिद्धांताच्या, एकीकरणाच्या प्रयत्नातून उद्भवलेली संकल्पना आहे. )
ह्यापेक्षा वेगळा एक चौथा विचारही मांडला गेला आहे. त्यानुसार SpaceTime हा उर्जेने व्यापलेला आहे. अवकाशात आढळणार्या विविध अवकाशीय वस्तू (आणि पदार्थ) म्हणजे ऊर्जेचेच प्रचंड प्रमाणावर होणारे केंद्रीकरण आहे. (e = mc^2 ==> m = e / (c^2) ! ). हे महामहाकेंद्रीकरण जिथे होते, तिथे पदार्थ (matter) निर्माण होतो आणि त्या अतिकेंद्रित ऊर्जेचे क्षेत्र (field) म्हणजे गुरुत्वाकर्षण ! ( :-) केवळ कल्पना म्हणून स्टारट्रेक मधील 'Beam me up' आठवायला हरकत नाही ! :-) )
==== थोडे अवांतर ====
अंतराळ काही एक पदार्थाने भरलेले आहे, हे शोधण्याची वा तत्संबंधी कल्पना करण्याची एकेकाळी गरज वाटली, ह्याचे मूळ कारण, एखाद्या गोष्टीच्या प्रवासास काही एक माध्यम असावेच लागते असा समज त्यावेळी प्रचंड मोठ्या प्रमाणात रूढ होता. ध्वनीलहरी निर्वात पोकळीतून प्रवास करू शकत नाहीत, कारण ध्वनीलहरींना प्रवास करताना माध्यमाची आवश्यकता असते हे लक्षात आले होते. एखादी ध्वनीलहर एखाद्या माध्यमातून प्रवास करताना, एका रेणुकडुन शेजारच्या दुसर्या रेणुकडे ध्वनीऊर्जेचे 'हस्तांतरण' करत असते. त्यामुळेच कदाचित दूरच्या अवकाशस्थ वस्तूकडून येणारा प्रकाश, निर्वात अंतराळातून आपल्यापर्यंत कसा पोहोचतो ह्याचे स्पष्टीकरण देताना निर्वात पोकळी 'ईथर' ने भरलेली असते हे गृहीत धरण्याची आवश्यकता वाटली असावी. मात्र प्रकाश हा फोटॉन कणांनी बनलेला असतो आणि तो कण व तरंग ह्या दोन्ही स्वरूपात व्यक्त होऊ शकतो हे लक्षात आल्यावर 'ईथर'ची आवश्यकता राहिली नाही. तेच चुंबकीय क्षेत्राच्या बाबतीतही सत्य आहे.
(Vacuum चा योग्य अर्थ कोणत्याही स्वरूपाचे पदार्थ नसलेली रिक्त पोकळी असा आहे. आपण सध्या वापरत असलेला 'निर्वात पोकळी' हा शब्द काही तितकासा चपखल नाही. ह्यासाठी मी 'शून्यस्थान' असा आणखी एक शब्द वाचला होता, तो 'निर्वात पोकळी' पेक्षा बरा आहे.)
====
----
क्रमश :
----
===
कोणत्याही टिप्पण्या नाहीत:
टिप्पणी पोस्ट करा