गुरुत्वाकर्षण - लेखांक ४ / ९

.... मागील लेखांकावरून पुढे ....

Gravitons चा शोध लागलेला नसतानाही गुरुत्वाकर्षणाचे कणस्वरूप आहे असे मानून त्याचा शोध घेण्याचा आवश्यकता का वाटावी ?  किंबहुना गुरुत्वाकर्षण हे प्रचंड वस्तुमानामुळे निर्माण झालेल्या वक्र अवकाशाचा परिणाम किंवा क्षेत्र आहे असे मानल्यावर गुरुत्वाकर्षणाचे कणस्वरूप कल्पिण्याची गरज का भासावी ? 

ह्याचे मूळ,  चार मूलभूत बलांच्या एकत्रीकरणासाठी केल्या जाणार्‍या प्रयत्नात आहे. 

अणुकेंद्रीय तीव्र बल (Strong Interaction), विद्युतचुंबकीय बल (Electromagnetic force) आणि अशक्त बल (Weak Interaction) ह्या तीन मूलभूत बलांचे वहन करणारे म्हणून अनुक्रमे  ग्लुऑन, फोटॉन आणि W व Z बोसॉन  हे मूलकण  मानले जातात. ह्या चारही बलांचे एकत्रीकरण करण्याचे जे काही प्रयत्न झाले आहेत, त्या ठिकाणी, गुरुत्वाकर्षणाचे वहन करणार्‍या एखाद्या मूलकणाचे अस्तित्व असणे आवश्यक ठरते.  Graviton च्या अस्तित्वाचे गृहीतक आणि शोधाची निकड ह्या आवश्यकतेशी प्रथमत: निगडीत आहे.

--

वक्र अवकाशात सरळ रेषादेखील वक्र का असते ह्याविषयी कालप्रवासाविषयीच्या लेखमालेत लिहिले होते.  वक्र अवकाशातील (अथवा वक्र पृष्ठभागावरील),

 दोन बिंदूंमधील सर्वात कमी अंतर दाखविणार्‍या ह्या सरळ रेषांना वैज्ञानिक/गणिती भाषेत Geodesic असे म्हणतात. गुरुत्वाकर्षण बल हा वक्र अवकाशाचा परिणाम आहे ही आईनस्टाईनची मांडणी स्वीकारल्यानंतर, एखादी अवकाशीय वस्तू, दुसर्‍या प्रचंड मोठ्या अवकाशीय वस्तूकडे 'आकर्षित' होत नसून, ती केवळ तिला लाभलेल्या वेगामुळे Geodesic वरून प्रवास करते आणि Geodesic अंतिमत: त्या वस्तूच्या दिशेने जात असल्यामुळे, ती अवकाशीय वस्तू अंतिमत: दुसर्‍या मोठ्या अवकाशीय वस्तूच्या दिशेने जाते असे म्हणणे भाग आहे. हे झाडावरून पडणार्‍या सफरचंदालाही लागू आहे, सफरचंद झाडावरून पडते, तेंव्हा ते ज्या Geodesic वरुन प्रवास करते, ती आपल्या डोळ्यांसाठी (आपल्या संदर्भचौकटीसाठी) सरळसोट असते.

त्यामुळे दुसर्‍या शब्दात सांगायचे झाले तर, 'गुरुत्वाकर्षण हे लौकिकार्थाने आकर्षून घेणार्‍या अवकाशीय वस्तूचे बल नव्हे !' असे म्हणायला हवे. पण आपले गणित, गणिती सूत्रे आणि भौतिकी संकल्पना, ह्या गुरुत्वाकर्षण हे बल असल्याची पुष्टी करतात. त्या बलाचे मान (सापेक्ष का होईना) आपल्याला करता येते. मग जर गुरुत्वाकर्षण बल असेल, तर केवळ स्थूल स्तरावरच नव्हे तर सूक्ष्म स्तरावर देखील त्याचा अनुभव यायला हवा, तसे प्रयोगाने सिद्ध करता यायला हवे. मात्र तसे सिद्ध करणे आपल्याला शक्य झालेले नाही. ह्याचाच दुसरा अर्थ असा असू शकतो का सूक्ष्म स्तरावर असलेल्या मूलभूत बलांपैकी, कोणते तरी एक बल स्थूल स्तरावर गुरुत्वाकर्षण म्हणून प्रकट होते का ?

गुरुत्वाकर्षण म्हणजे अवकाशकालाच्या वक्रतेचा परिणाम असेल, तर गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरी म्हणजे त्या वक्रतेत निर्माण होणारे तरंग आहेत. सतरंजी आणि लोखंडी गोळ्याचे उदाहरणच जर पुढे न्यायचे म्हटले, तर असे म्हणता येईल की समजा त्या लोखंडी गोळ्याचा कुठल्याशा आघातांने एकाएकी स्फोट झाला, तर सतरंजीवर, त्या स्फोटाची जी कंपने पसरतील, ती कंपने म्हणजे गुरुत्वाकर्षण लहरी. LIGO (आणि VIRGO) प्रकल्पातील निरीक्षणांनंतर, गुरुत्वाकर्षण लहरींचे अस्तित्व आपण (सप्रयोग) मान्य केले आहे. अतिप्रचंड वस्तुमान असलेल्या आणि अतिदूर अंतरावर असलेल्या अवकाशीय वस्तूंची टक्कर झाली असता, निघणार्‍या गुरुत्वाकर्षण लहरींचे मापन, आपल्या इथे पृथ्वीवर करणे शक्य होत आहे, त्या लहरी किती दूरवरून आल्या आहेत (किंवा  किती वर्षांपूर्वी झालेल्या स्फोटातून निर्माण झाल्या आहेत) ह्याचे निदान करणे आज मानवाला शक्य झाले आहे.  ह्या प्रयोगांच्या शोधाची दिशा भविष्यात, आपल्याला Graviton च्या शोधाकडे देखील कदाचित नेईल.  Graviton च्या स्वरूपाविषयी वैज्ञानिकांचे काही आडाखे आहेत. तरीही ह्या आडाख्यांचा उपयोग करून, Graviton चा शोध लावणारे Detectors इथे पृथ्वीवर निर्माण करता येतील का ह्याविषयी अनेक वैज्ञानिक साशंक आहेत. सूर्य आणि पृथ्वी ह्यांच्यामध्ये चंद्र आला (खग्रास सूर्यग्रहण) तरीही सूर्याचे गुरुत्वाकर्षण, पृथ्वीवर अबाधित रहात असेल, तर त्याचा स्वाभाविक अर्थ हा होतो का, की गुरुत्वाकर्षणाचे  वाहक कण (असलेच तर ते)  चंद्राच्या आरपार जातात ?   जे 'वाहक कण' चंद्राच्या (वा इतर अवकाशीय वस्तूंच्या) आरपार जातात त्यांचा शोध पृथ्वीवरच्या एखाद्या प्रयोगादरम्यान लागण्याची शक्यता कितपत आहे हा देखील ह्या कारणास्तव चर्चिला गेलेला एक प्रश्न आहे.

थोडक्यात Graviton अस्तित्वात असलेच तर ते Neutrino प्रमाणेच कोणत्याही घन वस्तूमधूनही आरपार जाऊ शकतात. Neutrino ना शोधण्याच्या / निरीक्षण करण्याच्या पद्धती (Neutrino Detector) अस्तित्वात आहेत, पण सद्यस्थितीत केवळ अधिक उर्जाभार असणारे Neutrino शोधण्यासाठी त्या उपयुक्त आहेत असे लक्षात आले आहे.  आपल्या देशातही अशाच प्रकारचा एक प्रकल्प मदुराईजवळ, भूगर्भात ४,३०० फूट खोल, निकटच्या काळात अस्तित्वात येईल.  पण Graviton ना शोधण्यासाठी, अशाच प्रकारच्या  पद्धती उपयुक्त ठरतील असे वैज्ञानिकांना वाटत नाही.

Graviton साठीची शोध मोहीम पृथ्वीवर राबविता येणे शक्य नसल्यास ती अंतराळात राबवावी, ही साहजिकपणे मनात येणारी कल्पना प्रत्यक्षात आणण्यासाठी आवश्यक असलेले ज्ञान आणि तंत्रज्ञान ह्या दोन्हीबाबत, आपण सध्या तरी अनभिज्ञ आहोत. त्यामुळे एखाद्या मानवनिर्मित रचनेतून केलेल्या प्रयोगापेक्षा, विश्वात ज्या गोष्टी नैसर्गिकरीत्या उपलब्ध आहेत आणि ज्यांचे अचूक मापन आपण भविष्यकाळात करू शकू अशा दृष्टिकोनातून, काही वैज्ञानिकांच्या एका गटाने सुचविलेला उपाय, काहीसा  'Out of the box' प्रकारचा आहे. अर्थात हा उपाय योजण्यासाठी आवश्यक तंत्रज्ञान सध्या आपल्याकडे नाही. मात्र तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीचा वेग लक्षात घेता, येत्या दहावीस वर्षात असे तंत्रज्ञान, निदान त्या दृष्टीने शोधाची सुस्पष्ट दिशातरी, नक्की सापडेल असे अनुमान आहे. हा उपाय म्हणजे एक प्रकारची अप्रत्यक्ष सिद्धता आहे. ह्यात Gravitons ना शोधण्याचा प्रयत्न न करता, त्यांचे परिणाम शोधण्याचा प्रयत्न करणे अपेक्षित आहे. तसेच ते परिणाम Gravitons मुळेच झाले आहेत हे सिद्ध करावे लागणार आहे. Gravitons ना आपण मूलकण मानले आहे, त्यामुळे त्याचे परिणाम हे  कणभौतिकी (पुंजभौतिकी) स्तरावर दृश्यमान झाले पाहिजेत. अर्थात आपल्या विश्वातील, ह्या परिणामांचे निरीक्षण करण्यासाठी आपल्याला, विश्वाच्या त्या स्थितीचे निरीक्षण केले पाहिजे, ज्या स्थितीत हे परिणाम सर्वाधिक मापनयोग्य असतील.

----


आपल्या विश्वाची निर्मिती परमस्फोटातून (Big Bang) झाली ह्या विचारधारेच्या मान्यतेनुसार (आणि अत्यंत गुंतागुंतीच्या गणितानुसार ) :

दहाचा उणे त्रेचाळीसावा घात (१०^-४३ : ह्याला Planck Epoch असे म्हणतात), इतक्या अतिसूक्ष्म कालावधीत विश्वप्रसरणाची प्रक्रिया आरंभ झाली आणि त्यानंतर 'काळ' अस्तित्वात आला ! ह्या काळात लेखांक-१ मध्ये नमूद केलेली  चार मूलभूत बले एकत्र अवस्थेत होती. 

नंतरचा टप्पा हा Planck Epoch चा शेवट (१०^-४३) ते  शून्यावस्थेपासून दहाचा उणे छत्तीसावा घात (१०^-३६) इतका अत्यल्प काळ. ह्या कालावधीस Grand unification epoch अशी संज्ञा आहे.  ह्या अत्यल्प काळाच्या सुरुवातीस (किंवा Planck Epoch च्या अंती) गुरुत्वाकर्षण इतर मूलभूत बलांपासून वेगळे होण्याची प्रक्रिया घडली.

Grand unification epoch चा शेवट आणि शून्यावस्ठेपासून दहाचा उणे बत्तिसावा घात (१०^-३२) ह्या सूक्ष्मकाळात विश्वाचे प्रसरण प्रकाशापेक्षाही कितीतरी अधिक पटीने झाले आणि अतिसूक्ष्म आकारापासून ते काही प्रकाशवर्षे इतक्या अंतरापर्यंत विश्व प्रसरण पावले.

----

ज्या काळात गुरुत्वाकर्षण इतर मूलभूत बलांपासून वेगळे होण्याची प्रक्रिया घडली, त्या काळात गुरुत्वाकर्षणाचे कणस्वरूप, अर्थातच Gravitons प्रचंड घनतेने अस्तित्वात असायला हवे आणि नंतरच्या काळात जसजसे विश्वाचे प्रसरण होत गेले, तसतसे विश्वाच्या आकाराच्या तुलनेत Gravitons चे प्रमाण विरळ होत गेले असले पाहिजे. ह्यातून निघणारा स्वाभाविक अर्थ हा की Gravitons ची घनता विरळ होण्याच्या काळात, Quntum Functuations अर्थात पुंजभौतिकी स्तरावरील उर्जेत होणारे चढउतार हे प्रचंड प्रमाणात असले पाहिजेत.  हे उर्जेतील चढउतार आपल्याला मोजता आले किंवा त्या चढउताराचे जे परिणाम आपल्यासाठी आजही दृश्य असू शकतात, त्या परिणामांचे  मापन, आपण करू शकलो, तर अप्रत्यक्षपणे Gravitons चे अस्तित्व सिद्ध झाले असे म्हणता येईल. हे परिणाम दिसू शकतात Cosmic Microwave Background मध्ये.  (पहा विश्वाचे वय - लेखांक १) . अर्थात इतक्या सूक्ष्म  स्तरावर आणि परमस्फोटानंतरच्या अत्यल्पकाळात, Cosmic Microwave Background मध्ये घडलेल्या बदलांचे मापन करण्याजोगी क्षमता आपण अद्याप प्राप्त केलेली नाही. अचूक कालमापनाच्या संदर्भाने विचार करता, लेसर किरणांच्या माध्यमातून, दहाचा उणे अठरावा घात (१०^-१८) सेकंद इतक्या सूक्ष्म स्तरावर, स्पंदने निर्माण करण्याची क्षमता आपण प्राप्त केली आहे, मात्र ह्या स्पंदनाला, एखाद्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणाच्या सहाय्याने अचूकपणे मोजणे ही गोष्ट वेगळी आहे. तिथे आपली उडी, दहाचा उणे अकरावा घात (१०^-११) सेकंद, इथपर्यंतच पोहोचू शकली आहे. अर्थात अतिसूक्ष्म काळाला मोजण्याची क्षमता प्राप्त करणे ही भविष्यात निश्चितपणे साध्य होईल अशी गोष्ट आहे (It is just a matter of time :-)).

=========
थोडेसे अवांतर
=========
Graviton अस्तित्वात असले पाहिजेत असे मानणारे वैज्ञानिक आहेत, तसेच ते अस्तित्वात नसावेत असे मानणारा वर्ग देखील आहे. कृष्णविवरांचे गुरुत्वाकर्षण अतिप्रचंड असते हे आपण जाणतो. ज्या कृष्णविवरातून प्रकाशदेखील (अर्थात फोटॉन) निसटू शकत नाही, त्या कृष्णविवरातून गुरुत्वाकर्षणाचे वहन करणारे Graviton कसे निसटू शकतील हा प्रश्न दखल घेण्याजोगा आहे.  पर्यायाने हा प्रश्न 'Graviton' निर्माण कसे होत असावेत ह्या मुद्द्यालाच थेट स्पर्श करतो.
====

----
क्रमश :
----
===