ചാപ്റ്റര്‍ 6 – കോസ്മിക് മൈക്രോവേവ് ബാക്ക്ഗ്രൌണ്ട്
1964ല്‍, ന്യു ജേര്‍സിയിലെ പ്രശസ്തമായ ബെല്‍ ലാബ്സില്‍ ചില പരീക്ഷണങ്ങള്‍ നടത്തുകയായിരുന്നു ഫിസിസിസ്റ്റുകളായ ആര്‍നൊ പെന്‍സിയാസ്, റോബര്‍ട്ട്‌ വില്‍സണ്‍ എന്നിവര്‍.
ബല്ലൂണ്‍ സാറ്റലൈറ്റ്കള്‍ എന്നറിയപ്പെടുന്ന ചെറിയ ഉപഗ്രഹങ്ങളില്‍ നിന്നും റിഫ്ലക്റ്റ് ചെയ്തു വരുന്ന റേഡിയോ സിഗ്നലുകള്‍, ബെല്‍ ലാബ്സിന്‍റെ ഉടമസ്ഥതയിലുള്ള ഹോണ്‍ ആന്‍റെന ഉപയോഗിച്ച് പിടിച്ചെടുത്തു പഠിക്കുക എന്നതാണ് പരീക്ഷണങ്ങള്‍.
വളരെ സെന്‍സിറ്റിവ് ആയ ഈ തരംഗങ്ങള്‍ പിടിച്ചെടുക്കുന്നതിനായി മറ്റുള്ള ഇന്‍റര്‍ഫിയറെന്‍സുകള്‍ പരമാവധി കുറക്കേണ്ടതുണ്ട്. പലതരത്തിലും ട്യൂണ്‍ ചെയ്തും, ഫില്‍ട്ടറുകള്‍ സ്ഥാപിച്ചും ഒരുവിധം നോയിസുകളെല്ലാം ഒഴിവാക്കി. പക്ഷെ ഒരു പ്രത്യേക തരം മൈക്രോവേവ് സിഗ്നല്‍ എത്ര ശ്രമിച്ചിട്ടും ഒഴിവായില്ല.
ഈ സിഗ്നല്‍ ഒഴിവാകാന്‍ ഇവര്‍ നടത്തിയ ശ്രമങ്ങള്‍ രസകരമാണ്. ആന്‍റെനയില്‍ പ്രാവുകള്‍ കാഷ്ടിച്ചത്തിന്‍റെ ഫലമാണ് ഈ നോയിസ് എന്ന് പറഞ്ഞ് ആന്‍റെന മുഴുവന്‍ കഴുകി വൃത്തിയാക്കുകയും ഒക്കെ ചെയ്യുകയുണ്ടായെങ്കിലും ഫലമുണ്ടായില്ല.
ആകാശത്തില്‍ ഏത് ആങ്കിളില്‍ ആന്‍റെന തിരിച്ചുവെച്ചാലും ഈ നോയിസ് ഔട്പുട്ടില്‍ ദൃശ്യമായി.
ഏകദേശം 7 cm തരംഗ ദൈര്‍ഘ്യം ഉള്ള ഈ സിഗ്നലുകള്‍ സൂര്യനില്‍ നിന്നോ, ഗാലക്സികളില്‍ നിന്നോ അല്ല എന്ന് ഇവര്‍ മനസ്സിലാക്കി.
ഇതേ സമയം തന്നെ, പ്രിന്‍സ്റ്റണ്‍ സര്‍വകലാശാലയില്‍, മറ്റൊരു ടീം ഇത്തരം ഒരു റേഡിയേഷന്‍ തപ്പുന്നുണ്ടായിരുന്നു എന്ന വിവരം പെന്‍സിയാസിനും വില്‍സണിനും അറിയില്ലായിരുന്നു. ഇതിനെക്കുറിച്ച്‌ പിന്നീട് ഇവര്‍ മനസ്സിലാകുകയും ഈ കണ്ടെത്തല്‍ ഒരു കൊസ്മോളോജിക്കല്‍ സ്കെയിലില്‍ ഉള്ള കണ്ടെത്തല്‍ ആണെന്ന് തിരിച്ചറിയും ചെയ്തു. ഇവര്‍ എല്ലാം കൂടി ജോയിന്‍റ് ആയി ഈ കണ്ടെത്തല്‍ പബ്ലിഷ് ചെയ്തു.
ഈ കണ്ടെത്തലിന് 1978ല്‍ പെന്‍സിയാസിനും വില്‍സണും നോബല്‍ പുരസ്കാരം ലഭിച്ചു.
ഇതാണ് ഇവര്‍ കണ്ടെത്തിയ സിഗ്നലിന്‍റെ സിഗ്നെച്ചര്‍:
ഫിസിക്സില്‍ ബാക്ക്ഗ്രൌണ്ട് ഉള്ള എല്ലാവര്‍ക്കും പെട്ടന്ന് മനസ്സിലാകും ഇത് എന്താണെന്ന് – പ്രശസ്തമായ ബ്ലാക്ക് ബോഡി കര്‍വ്.
കോസ്മിക് മൈക്രോവേവ് ബാക്ക്ഗ്രൗണ്ട് എന്ന് ഇന്ന് നാം വിളിക്കുന്ന ഈ റേഡിയേഷന്‍ എവിടെ നിന്നാണ് ഉത്ഭവിച്ചത്‌, എന്തുകൊണ്ട് ഇതിനു ബ്ലാക്ക് ബോഡി സ്പെക്ട്രം ഷെയ്പ് വന്നു എന്നെല്ലാം നോക്കാം.
എല്ലാ ബാരിയോണിക് മാറ്ററും (അതായത് സാധാരണമായ മാറ്റര്‍) റേഡിയേറ്റ് ചെയ്യും.
എന്താണ് റേഡിയേഷന്‍?
റേഡിയേഷന്‍ എന്ന് വെച്ചാല്‍ സ്പേസിലൂടെ എനര്‍ജിയുടെ ട്രാന്‍സ്ഫര്‍.
ഒരു മെഴുകുതിരി കത്തിച്ചു എന്ന് വെക്കുക. ഈ മെഴുകുതിരി വെളിച്ചം പരത്തുന്നു.
.jpg){kind=link}
ഈ വെളിച്ചം എവിടെ നിന്ന് വന്നു?
വെളിച്ചം എന്നത് ഒരുതരം റേഡിയേഷന്‍ ആണ് – ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് റേഡിയേഷന്‍, അഥവാ ഫോട്ടോണുകള്‍.
ഈ മെഴുകുതിരി വെളിച്ചത്തിന്‍റെ നിറം ശ്രദ്ധിച്ചിട്ടുണ്ടോ? ഇതിനു മഞ്ഞ നിറമായിരിക്കും.
എന്നാല്‍ ഒരു ഗ്യാസ് സ്റ്റൌ കത്തിച്ചാല്‍ അത് പരത്തുന്ന വെളിച്ചത്തിന് നീല നിറമായിരിക്കും.
എന്താണ് ഇതിനു കാരണം?
അത് മനസ്സിലാകാന്‍ ഈ റേഡിയേഷന്‍ എങ്ങനെ ഉണ്ടാകുന്നു എന്ന് നോക്കണം.
ഏറ്റവും അടിസ്ഥാനപരമായ ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ് തിയറിയില്‍ നിന്നും തുടങ്ങാം.
പ്രപഞ്ചത്തില്‍ പലതരം ഫീല്‍ഡുകള്‍ ഉണ്ട്.
എന്താണ് ഫീല്‍ഡുകള്‍?
ഫീല്‍ഡ് എന്നാല്‍ ഒരു തരം മാത്തമാറ്റിക്കല്‍ കണ്‍സ്ട്രക്റ്റ് ആണ്.
ഇവ സ്പേസിലെ (ടൈമിലെയും) ഓരോ പോയിന്‍റുകളിലും ഒരു വാല്യൂ അസൈന്‍ ചെയ്യുന്നു.
അതായത് സ്പേസിലെ (ടൈമിലെയും) എല്ലാ പോയിന്‍റുകളിലും ഉള്ള വാല്യൂകളിലേക്ക് മാപ് ചെയ്തിരിക്കുന്ന ഒരു ഫങ്ങ്ഷന്‍ ആണ് ഒരു ഫീല്‍ഡ്.
ഇങ്ങനെ മാപ് ചെയ്തിരിക്കുന്ന വല്യൂകള്‍ സ്കെയിലാര്‍ ആകാം (സ്കെയിലാര്‍ ഫീല്‍ഡ്), വെക്ടറുകള്‍ ആകാം (വെക്ടര്‍ ഫീല്‍ഡ്), ടെന്‍സറുകള്‍ ആകാം (ടെന്‍സര്‍ ഫീല്‍ഡ്), അങ്ങനെ ഏതു മാത്തമാറ്റിക്കല്‍ ഒബ്ജെച്റ്റുകളും ആകാം.
ഇങ്ങനെ ഒരു കോണ്‍സപ്റ്റിന്‍റെ ഉപയോഗം എന്താണ്?
ഫീല്‍ഡ് എന്ന കോണ്‍സപ്റ്റ് ഉപയോഗിച്ച് പലതരം പ്രതിഭാസങ്ങളേയും പറ്റി വിവരിക്കാനും പഠികാനും സാധിക്കും.
ഉദാഹരണതിന് ഒരു റൂമിലെ ടെമ്പറെച്ചര്‍ വിവരിക്കണം എന്ന് വെക്കുക.
ആ റൂമില്‍ ഒരു മൂലയില്‍ ഒരു ഹീറ്റര്‍ ഉണ്ട്. ഹീറ്ററിന് അടുത്ത് നല്ല ചൂടായിരിക്കും, അകന്നകന്നു പോകുന്തോറും ചൂട് കുറഞ്ഞുകുറഞ്ഞു വരും. അതായത് ഈ റൂമിലെ ടെമ്പറെച്ചര്‍ ഒരു ഗ്രേഡിയന്‍റ് ആണ്. ഇതിനെ ഒരു ഫീല്‍ഡ് കൊണ്ട് വിവരിക്കാം. അപ്പോള്‍ ഈ റൂമിലെ സ്പേസിലെ എല്ലാ പോയിന്‍റുകളിലും ടെമ്പറെച്ചറിന് വാല്ല്യൂ ഉണ്ടാകും.
ഫിസിക്സില്‍ ക്ലാസിക്കല്‍ ഫീല്‍ഡുകളും ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡുകളും ഉണ്ട്. ക്ലാസിക്കല്‍ ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡ്, ന്യൂട്ടോണിയന്‍ ഗ്രാവിറ്റെഷണല്‍ ഫീല്‍ഡ് എന്നിവ ക്ലാസിക്കല്‍ ഫീല്‍ഡുകള്‍ക്ക് ഉദാഹരണം. ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ്, ആപേക്ഷികത എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് ജനറലൈസ് ചെയ്തിട്ടുള്ള ഫീല്‍ഡുകള്‍ ആണ് ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡുകള്‍.
ക്ലാസിക്കല്‍ ഫീല്‍ഡുകളും ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡുകളും തമ്മില്‍ ഉള്ള ഒരു വലിയ വ്യത്യാസം എന്തെന്നാല്‍, ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ് തിയറിയില്‍ ഉള്ള ഫീല്‍ഡുകള്‍ നോണ്‍ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് (non commutative) ആണ് എന്നതാണ്.
കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവിറ്റി (Commutativity) എന്നത് ഒരു മാത്തമാറ്റിക്കല്‍ പ്രോപര്‍റ്റി ആണ്. ഇത് ഇങ്ങനെ:
\(A\), \(B\) എന്നിവ രണ്ടു സെറ്റുകള്‍ ആണെന്ന് വെക്കുക.
ഈ സെറ്റുകളില്‍ ഡിഫൈന്‍ ചെയ്തിട്ടുള്ള ഒരു ഓപറേഷന്‍ ആണ് \(X\).
\(A \; X \; B = B \; X \; A\) എങ്കില്‍, \(A\)യും \(B\)യും \(X\) എന്ന ഓപറേഷനില്‍ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് ആണ് എന്ന് പറയാം.
ഒരു ഉദാഹരണം: \(2\) ഗുണം \(3\) = \(3\) ഗുണം \(2\) = \(6\)
ഇത് ഇങ്ങനെ അല്ലാ എങ്കില്‍ അത് നോണ്‍ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് ആണ് എന്നര്‍ത്ഥം.
ഉദാഹരണം: \(2-5 \neq 5-2\)
മറ്റൊരു ഉദാഹരണം: മാട്ട്രിക്സ്‌ മള്‍ട്ടിപ്ലിക്കേഷന്‍ നോണ്‍ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് ആണ്.
ക്ലാസിക്കല്‍ ഫിസിക്സില്‍ പൊസിഷന്‍, മൊമെന്‍റം എന്നിവ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് ആണ്. എന്നാല്‍ ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സില്‍ ഇവ നോണ്‍ കമ്മ്യുട്ടേറ്റിവ് ആണ്.
അതായത്, ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ് തിയറിയില്‍ പൊസിഷന്‍, മൊമെന്‍റം എന്നിവ ഒരു ഫോറിയര്‍ ട്രാന്‍സ്ഫോം പെയര്‍ (Fourier Transform Pairs) ആണ്.
ഇതിന്‍റെ ഒരു ഭവിഷ്യത്ത് ആണ് പ്രശസ്തമായ ഹൈസന്‍ബെര്‍ഗ് അണ്‍സെര്‍ട്ടെന്‍റ്റി പ്രിന്‍സിപ്പ്ള്‍ (Heisenberg’s uncertainty principle).
ഈ ഫീല്‍ഡ്കളുടെ വാല്യൂകള്‍ ഹാര്‍മോണിക് ഓസ്സിലെറ്ററുകള്‍ കൊണ്ടാണ് മോഡല്‍ ചെയ്തിരിക്കുന്നത്. ഹാര്‍മോണിക് ഓസ്സിലെറ്ററുകള്‍ എന്ന് വെച്ചാല്‍, ഉദാഹരണത്തിന്, അറ്റത്ത് ഒരു മാസ് ഘടിപിച്ച ഒരു സ്പ്രിങ്ങ്.
ഇവയെ വലിച്ചു നീട്ടിയിട്ട്‌ വിടുകയാണെങ്കില്‍, ഇവ ഒരു പ്രതേക പാറ്റെണില്‍ (ഡാംപിംഗ് സൈന്‍ വേവ്) ചലിച്ചിട്ടു കാലക്രമേണ നിശ്ചലമാകും. അതായത് ഈ സിസ്റ്റത്തിന് ഒരു റീസ്റ്റോറിങ്ങ് ഫോര്‍സ് ഉണ്ട്.
സ്പേസ് മുഴുവന്‍, ഒരോ പോയിന്‍റ്കളിലും ഇതുപോലെ ഇന്‍ഫിനിറ്റ് എണ്ണം ഹാര്‍മോണിക് ഓസ്സിലെറ്ററുകള്‍ ഉണ്ടെന്നു വെക്കുക. ഈ ഓരോ ഹാര്‍മോണിക് ഓസ്സിലെറ്ററുകളും ഓരോ ഫീല്‍ഡിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. കൂടാതെ. ഇവ തമ്മില്‍ പരസ്പരം ഇന്‍ററാക്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
അതായത് ഇതില്‍ ഒരു ഹാര്‍മോണിക് ഓസ്സിലെറ്ററിനെ നാം ചലിപ്പിച്ചാല്‍, അതുമായി ബന്ധപ്പെട്ടുകിടക്കുന്ന എല്ലാ ഓസ്സിലെറ്ററുകളും ചലിക്കും. ഒരു ഓളം പോലെ. ഈ ‘ഓളം’ ആണ് ഓരോ പാര്‍ട്ടിക്ക്ള്കള്‍.
ഇലക്ട്രോണ്‍ ഫീല്‍ഡില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ‘ഓളം’ ആണ് ഒരു ഇലക്ട്രോണ്‍.
ഫോട്ടോണ്‍ ഫീല്‍ഡില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ‘ഓളം’ ആണ് ഒരു ഫോട്ടോണ്‍.
ഹിഗ്ഗ്സ് ഫീല്‍ഡില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ‘ഓളം’ ആണ് ഒരു ഹിഗ്ഗ്സ് ബോസോണ്‍.
അങ്ങനെ അങ്ങനെ, ഈ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ കാണപ്പെടുന്ന എല്ലാ പാര്‍ട്ടിക്ക്ള്കള്‍ക്കും അനുശ്രുതമായി ഫീല്‍ഡുകള്‍ ഉണ്ട്.
‘ഓളം’ എന്നതുകൊണ്ട്‌ ഇവിടെ ഉദ്ദേശിക്കുന്നത് ഈ ഫീല്‍ഡുകളിലെ വല്യൂകളില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വ്യത്യാസത്തെ ആണ്. അത് ഒരു ‘ഓളം’ (വേവ്) പോലെ ചലിക്കുന്നു. ജലം പോലെ എന്തെങ്കിലും വസ്തുവില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ഓളം ആണ് എന്ന് തെറ്റിദ്ധരിക്കരുത്.
ഇങ്ങനെ ഫീല്‍ഡിലെ വല്യൂകളുടെ ട്രാന്‍സ്ഫര്‍ ആണ് റേഡിയേഷന്‍.
ഉദാഹരണത്തിന് പ്രകാശം എടുക്കാം. പ്രകാശം എന്നത് ഒരു തരം ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് റേഡിയേഷന്‍ ആണ് എന്ന് മുമ്പ് പറഞ്ഞു.
ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്ക്സിന്‍റെ കാഴ്ചപ്പാടില്‍ ഇവ ഇലക്ട്രിക്, മാഗ്നട്ടിക് ഫീല്‍ഡുകളില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വാല്യൂ മാറ്റങ്ങളുടെ ക്വാണ്ടൈസേഷന്‍ ആണ്. ഇവയെ ഫോട്ടോണുകള്‍ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഇവ ഇങ്ങനെ:
ഇതില്‍ \(\vec{E}\) എന്നത് ഇലക്ട്രിക് ഫീല്‍ഡ് വെക്ടര്‍, \(\vec{B}\) എന്നത് മാഗ്നട്ടിക് ഫീല്‍ഡ് വെക്ടര്‍.
ഒരു ഫോട്ടോണ്‍ ആണ് ഇവിടെ കാണുന്നത്. മാക്സ്വെല്‍ ഇക്വേഷന്‍സ് (Maxwell equations) പറയുന്നത് പോലെ, ഒരു ഇലക്ട്രിക് ഫീല്‍ഡില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങള്‍ അതിനു ലംബമായ (90 ഡിഗ്രീ) മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡില്‍ മാറ്റങ്ങള്‍ക്കു കാരണമാകും. ഇങ്ങനെ മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങള്‍ വീണ്ടും അതിനു ലംബമായ (90 ഡിഗ്രീ) ഇലക്ട്രിക് ഫീല്‍ഡില്‍ മാറ്റങ്ങള്‍ക്കു കാരണമാകും. ഇങ്ങനെ ആണ് പ്രകാശം അഥവാ ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് റേഡിയേഷന്‍ പ്രോപഗേറ്റ് ചെയ്യുന്നത്.
ഫീല്‍ഡുകളില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വാല്യൂകളുടെ മാറ്റങ്ങള്‍ ഒരു പ്രത്യേക വേഗതയില്‍ ആണ് പ്രോപഗേറ്റ് ചെയ്യുന്നത്. നാം ഇതിനെ പ്രകാശവേഗം \(c\) എന്ന് വിളിക്കുന്നു.
ഇനി, ഫീല്‍ഡുകള്‍ തമ്മില്‍ ഉള്ള ഇന്‍ററാക്ഷനിലേക്ക് വരാം.
പ്രപഞ്ചത്തില്‍ 4 തരത്തില്‍ ഉള്ള അടിസ്ഥാനപരമായ ഇന്‍ററാക്ഷനുകളാണ് ഉള്ളത്:
• ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഇന്‍ററാക്ഷന്‍
• ഗ്രാവിറ്റെഷണല്‍ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍
• സ്ട്രോങ്ങ്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍
• വീക്ക്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍
ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഇന്‍ററാക്ഷന്‍ എന്നതാണ് മാറ്ററും പ്രകാശവും (അഥവാ ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് റേഡിയേഷനും) തമ്മില്‍ ഉള്ളത്.
ഗ്രാവിറ്റെഷണല്‍ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍ ആണ് ഗ്രാവിറ്റി എന്ന പ്രതിഭാസത്തിനു കാരണം.
ആറ്റങ്ങള്‍ക്ക് (atoms) ഉള്ളിലെ ന്യൂക്ലിയസ് കൂട്ടി ചേര്‍ത്ത് നിര്‍ത്തുന്നത് സ്ട്രോങ്ങ്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍ ആണ്.
റേഡിയോആക്ടിവിറ്റി (radioactivity) എന്ന പ്രതിഭാസത്തിനു കാരണം ആയ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍ ആണ് വീക്ക്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍.
ഈ ഇന്‍ററാക്ഷനുകള്‍ക്ക് മദ്ധ്യസ്ഥത വഹിക്കുന്നത് ഇവയുടെ ‘ഫോര്‍സ് ക്യാരിയേസ്’ (force carriers) എന്ന് അറിയപ്പെടുന്ന പാര്‍ടിക്ക്ള്കള്‍ ആണ്.
ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഇന്‍ററാക്ഷന്‍റെ ഫോര്‍സ് ക്യാരിയര്‍ ആണ് ഫോട്ടോണുകള്‍ (Photons).
ഗ്രാവിറ്റെഷണല്‍ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍റെ ഫോര്‍സ് ക്യാരിയര്‍ ആണ് ഗ്രാവിറ്റോണുകള്‍ (Gravitons).
സ്ട്രോങ്ങ്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍റെ ഫോര്‍സ് ക്യാരിയര്‍ ഗ്ലുവോണുകള്‍ (Gluons) എന്ന് അറിയപ്പെടുന്നു.
വീക്ക്‌ ഇന്‍ററാക്ഷന്‍റെ ഫോര്‍സ് ക്യാരിയറുകള്‍ ഡബ്ല്യു ബോസോണുകളും സീ ബോസോണുകളും (w-bosons and z-bosons).
എല്ലാ ഫോര്‍സ് ക്യാരിയറുകളും ബോസോണുകള്‍ (Bosons) ആണ്. അതായത് ഇവ പൌളി എക്സ്ക്ലൂഷന്‍ പ്രിന്‍സിപ്പ്ള്‍ (Pauli exclusion principle) അനുസരിക്കുന്നില്ല.
ഈ ഇന്‍ററാക്ഷനുകളില്‍ ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഇന്‍ററാക്ഷന്‍ ആണ് നമ്മുടെ വിഷയം. അതിനെ കുറിച്ച് കൂടുതല്‍ നോക്കാം.
ഇലക്ട്രിക്, മാഗ്നട്ടിക് ഫീല്‍ഡുകളില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വാല്യൂ മാറ്റങ്ങളാണ് പ്രകാശം എന്ന് പറഞ്ഞല്ലോ. എങ്ങനെ ഈ വാല്യൂ മാറ്റങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുന്നു?
ചാര്‍ജ് എന്ന ഒരു പ്രോപര്‍ട്ടി ആണ് ഇതിനു കാരണം. കൃത്യമായി പറഞ്ഞാല്‍, ചാര്‍ജ്ജുകളുടെ ആക്സലറേഷന്‍.
ഒരു ഇലക്ട്രോണ്‍ എടുക്കാം. ഇലക്ട്രോണിനു ഇലക്ട്രിക് ചാര്‍ജ് ഉണ്ട്. ഇലക്ട്രോണിന് ഉള്ള ഇലക്ട്രിക് ചാര്‍ജ് നെഗറ്റിവ് എന്ന് നാം വിളിക്കുന്നു.
ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ ആക്സലറേറ്റ് ചെയ്‌താല്‍, അവ ഇലക്ട്രിക് ഫീല്‍ഡില്‍ ഒരു ‘ഓളം’ സൃഷ്ടിക്കും. നേരത്തെ പറഞ്ഞപോലെ, മാക്സ് വെല്‍ സമവാക്യങ്ങള്‍ക്ക് അനുസരിച്ച് ഇവ മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡില്‍ മറ്റൊരു ‘ഓളം’ സൃഷ്ടിക്കും. അങ്ങനെ അങ്ങനെ ഇവ പ്രോപഗേറ്റ് ചെയ്യുന്നു.
ഇലക്ട്രോണിന്‍റെ ഫോട്ടോണ്‍ എമിഷന്‍ (Photon emission) ആണ് മുകളില്‍ വിവരിച്ചത്.
ചാര്‍ജ് ഉള്ള പാര്‍ടിക്ക്ള്കള്‍ ഫോട്ടോണ്‍ അബ്സോര്‍ബ്ഷനും (Photon absorption) നടത്തും.
അതായത്, ഒരു ഫോട്ടോണിന്‍റെ (എന്നുവെച്ചാല്‍ ഒരു ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് വേവിന്‍റെ) പാതയില്‍ ഒരു ഇലക്ട്രോണ്‍ ഉണ്ടെന്നു വെക്കുക.
ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡില്‍ ഉള്ള മാറ്റങ്ങള്‍, ഈ ഇലക്ട്രോണിനെ ആക്സലറേറ്റ് ചെയ്യിക്കും. അതായത്, ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഫീല്‍ഡിലെ എനര്‍ജി, ഈ ഇലക്ട്രോണ്‍ അബ്സോര്‍ബ് ചെയ്ത് എടുക്കും.
ഇലക്ട്രോണിനു കിട്ടിയ ഈ എക്സ്ട്രാ എനര്‍ജി കൊണ്ട് എന്ത് ചെയ്യും?
ഈ ഇലക്ട്രോണ്‍ ഒരു ആറ്റത്തിന്‍റെ ന്യൂക്ലിയസ്സിനു ചുറ്റും ഉള്ള ഓര്‍ബിറ്റലില്‍ ആണ് എങ്കില്‍, കിട്ടിയ ഈ എക്സ്ട്രാ എനര്‍ജിയുടെ അളവ് അനുസരിച്ച് ഈ ഇലക്ട്രോണ്‍ ഉയര്‍ന്ന ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് ചാടും.
പക്ഷെ അത് ഈ ഉയര്‍ന്ന ഓര്‍ബിറ്റലില്‍ സ്ഥിരമായി തുടരില്ല. ക്രമേണ തിരിച്ചു പൂര്‍വ ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് വീഴും. അങ്ങനെ ചെയ്യണമെങ്കില്‍, ഇലക്ട്രോണിന്‍റെ കൈവശം ഉള്ള എക്സ്ട്രാ എനര്‍ജി പുറത്തു വിടണം. ഫോട്ടോണ്‍ രൂപത്തില്‍ ആണ് എനര്‍ജി പുറത്തു വിടുന്നത്. മുമ്പ് അബ്സോര്‍ബ് ചെയ്ത എനര്‍ജിയേക്കാള്‍ കുറഞ്ഞ എനര്‍ജി ഉള്ള ഫോട്ടോണ്‍ ആകും ഇങ്ങനെ പുറത്തു വിടുക (കാരണം കുറച്ചു എനര്‍ജി ഓര്‍ബിറ്റ് ഷിഫ്റ്റ്‌ ചെയ്യാന്‍ ഉപയോഗിക്കപ്പെട്ടു).
ഇത് സ്ഥിരമായി എപ്പോഴും പ്രകൃതിയില്‍ സംഭവിക്കുന്ന പ്രക്രിയ ആണ്.
ഒരു ഉദാഹരണം നോക്കാം: ട്യൂബ് ലൈറ്റ് (Fluorescent tube lights)
ട്യൂബ് ലൈറ്റില്‍ എങ്ങനെ ആണ് പ്രകാശം ഉല്‍പ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നത്?
ട്യൂബ് ലൈറ്റിന്‍റെ ഘടന ഇങ്ങനെ:
ഇരു വശവും ഓരോ ഫിലമെന്‍റുകള്‍ ഉണ്ട്. ഇതില്‍ ഒന്നില്‍ പോസിറ്റിവ് പൊട്ടന്‍ഷ്യലും മറ്റൊന്നില്‍ നെഗറ്റിവ് പൊട്ടന്‍ഷ്യലും നല്‍ക്കുന്നു.
നെഗറ്റിവ് പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ ഉള്ള വശത്തില്‍ നിന്ന് ഇലക്ട്രോണുകള്‍ പോസിറ്റീവ് പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ ഉള്ള വശത്തേക്ക് പ്രവഹിക്കുന്നു.
ട്യൂബില്‍ നിറയെ മേര്‍ക്കുറി വേപ്പര്‍ (Mercury vapour) നിറച്ചിട്ടുണ്ട്. എന്തിന്?
കാരണം, ഈ പ്രവഹിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകള്‍ മേര്‍ക്കുറി ആറ്റങ്ങളില്‍ ഇടിക്കുകയും, അവയില്‍ ഉള്ള ഇലക്ട്രോണുകളെ എക്സൈറ്റ് ചെയ്യിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അതായത് മെര്‍ക്കുറി ആറ്റങ്ങളിലെ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ക്ക് ഇപ്പോള്‍ കൂടുതല്‍ എനര്‍ജി ലഭിച്ചു.
മുമ്പേ പറഞ്ഞപോലെ അവ ഉയര്‍ന്ന ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് ചാടും.
പിന്നെ വീണ്ടും തിരിച്ചു പൂര്‍വ ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് വീഴും.
അപ്പോള്‍ ഫോട്ടോണ്‍ എമിറ്റ് ചെയ്യപ്പെടും. പക്ഷെ ഇങ്ങനെ മെര്‍ക്കുറി ആറ്റങ്ങള്‍ എമിറ്റ് ചെയ്യുന്ന ഫോട്ടോണുകള്‍ വിസിബിള്‍ സ്പെക്ട്രത്തില്‍ ഉള്ളവ അല്ല. മറിച്ച് ഇവ അള്‍ട്രാവയലറ്റ് റേഞ്ചില്‍ ഉള്ളവയാണ്. എന്നുവെച്ചാല്‍ മനുഷ്യ നേത്രങ്ങല്‍ക്ക് ഇവ ദൃശ്യമല്ല.
ഇവയെ ദൃശ്യമാകാന്‍, ഇവയുടെ എനര്‍ജി കുറക്കേണ്ടതുണ്ട്. അതിനാലാണ് ‘ഫ്ലൂറസെന്‍സ്’ (fluorescence) എന്നൊരു പ്രതിഭാസം ഇതിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്.
ട്യൂബിന്‍റെ ഉള്ളില്‍ വശങ്ങളില്‍ ഫോസ്ഫര്‍ എന്നറിയപ്പെടുന്ന വസ്തുക്കള്‍ കൊണ്ട് പൂശിയിരിക്കുന്നു (ഫോസ്ഫറസ് ഇങ്ങനെ ഉള്ള ഒരു എലമെന്‍റ് ആണ്).
ഫോസ്ഫറിന് ഫ്ലൂറസെന്‍സ് എന്ന പ്രത്യേകത ഉണ്ട്.
അതായത്, ഫോസ്ഫര്‍ ആറ്റങ്ങളിലെ ഇലക്ട്രോണുകള്‍, മുന്‍പ് പറഞ്ഞപോലെ, ഫോട്ടോണുകളെ അബ്സോര്‍ബ് ചെയ്ത് ഉയര്‍ന്ന ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് ചാടുകയും, തിരിച്ച് കുറഞ്ഞ എനര്‍ജി ഉള്ള ഫോട്ടോണുകളെ പുറത്തു വിട്ട് പൂര്‍വ ഓര്‍ബിറ്റലിലേക്ക് വീഴുകയും ചെയ്യുന്നു.
അങ്ങനെ മെര്‍ക്കുറി ആറ്റങ്ങള്‍ പുറത്തു വിടുന്ന അള്‍ട്രാവയലറ്റ് ഫോട്ടോണുകളെ എനര്‍ജി കുറഞ്ഞ വിസിബിള്‍ റേഞ്ചില്‍ ഉള്ള ഫോട്ടോണുകള്‍ ആക്കി പുറത്തു വിടുന്നു. ഇവയാണ് നമുക്ക് ദൃശ്യമായ വെളിച്ചം.
ഈ റേഡിയേഷനും ടെമ്പറെച്ചര്‍, പ്രഷര്‍ എന്നിവയും തമ്മില്‍ ബന്ധമുണ്ട്. എന്താണ് ടെമ്പറെച്ചര്‍?
ടെമ്പറെച്ചര്‍ എന്നത് ഒരു കൂട്ടം പാര്‍ടിക്ക്ള്കളുടെ ശരാശരി കിനട്ടിക് എനര്‍ജി ആണ്. അതായത് ആ പാര്‍ടിക്ക്ള്കളുടെ മോഷന്‍റെ ഒരു ശരാശരി ആണ് ടെമ്പറെച്ചര്‍.
അപ്പോള്‍, ആ പാര്‍ടിക്ക്ള്കള്‍ ചലിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് ആകുമല്ലോ അവയുടെ ഇലക്‌ട്രോണുകളില്‍ നിന്നും പുറത്തു വിടുന്ന റേഡിയേഷന്‍.
അതായത്, ഇലക്‌ട്രോണുകളില്‍ നിന്നും പുറത്തു വിടുന്ന റേഡിയേഷന്‍, ആ വസ്തുവിന്‍റെ ടെമ്പറെച്ചറിന് അനുസരിച്ച് ഇരിക്കും. ഈ റേഡിയേഷന്‍റെ വേവ് ലെങ്ങ്ത്, ഫ്രീക്വന്‍സി എന്നിവ ടെമ്പറെച്ചറുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. (ടെമ്പറെച്ചര്‍ മാത്രമല്ല ഇതിനെ സ്വാധീനിക്കുന്ന ഘടകം. വസ്തുവിന്‍റെ കെമിക്കല്‍ കൊമ്പസിഷന്‍, അവയുടെ ഇലക്ട്രോണ്‍ കോണ്‍ഫിഗറേഷന്‍ എന്നിവയും ഇവിടെ പ്രാധാന്യം.)
ഈ ചാപ്റ്ററിന്‍റെ തുടക്കത്തില്‍ ചോദിച്ച മെഴുകുതിരിയുടെയും ഗ്യാസ് സ്റ്റൌവിന്‍റെയും ചോദ്യത്തിനു ഉത്തരം ഇതില്‍ നിന്നും ഊഹിക്കാം. വ്യത്യസ്ഥ വേവ് ലെങ്ങ്ത്, ഫ്രീക്വന്‍സി എന്നിവയാണല്ലോ പ്രകാശത്തിന്‍റെ പല നിറങ്ങള്‍ ആയി നാം കാണുന്നത്.
ബ്ലാക്ക് ബോഡി റേഡിയേഷനും അതിന്‍റെ നിറവും, താപനിലയും (കെല്‍വിനില്‍) Credit: Wikipedia
ഇരുമ്പ് കമ്പി പോലുള്ള ലോഹങ്ങള്‍ ചൂടാക്കുമ്പോള്‍ പഴുത്ത് പ്രകാശം പുറത്തുവിടുന്നതും ഇത്കൊണ്ടാണ്. Credit: Wikipedia
ഈ റിലേഷന്‍ഷിപ്‌ കാണിക്കുന്ന കര്‍വ് ആണ് ബ്ലാക്ക് ബോഡി കര്‍വ്.
ഒരു തെര്‍മല്‍ ഇക്വിലിബ്രിയത്തില്‍ നിലനില്‍ക്കുന്ന ഒരു വസ്തുവില്‍ നിന്നും പുറത്തുവിടപ്പെടുന്ന റേഡിയേഷന്‍ ആണ് ബ്ലാക്ക് ബോഡി റേഡിയേഷന്‍.
ഫിസിക്സിലും ചരിത്രത്തിലും വളരെ പ്രാധാന്യമുള്ള ഒരു കര്‍വ് ആണ് ഇത്. ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്ക്സ് എന്ന വിശാലമായ ശാഖക്ക് തുടക്കം കുറിച്ച കണ്ടെത്തലുകള്‍ ഈ കര്‍വില്‍ നിന്നാണ് ആരംഭിക്കുന്നത്.
ക്ലാസിക്കല്‍ ഫിസിക്സിനെ 30 വര്‍ഷങ്ങക്ക് പിടിച്ചു കുലുക്കിയ ‘അള്‍ട്രാവയലറ്റ് കറ്റാസ്ട്രഫി’ (Ultraviolet catastrophy) എന്ന പ്രശ്നത്തിന്‍റെ കാതല്‍ ഈ കര്‍വ് ആയിരുന്നു.
ഇതെല്ലാം എന്തായിരുന്നു എന്നും എങ്ങനെ ഈ പ്രശ്നങ്ങള്‍ സോള്‍വ് ചെയ്തു എന്നുമെല്ലാം നോക്കാം.
താപനിലയും സ്കാറ്ററിങ്ങും
ഒരു തെര്‍മല്‍ ഇക്വിലിബ്രിയത്തില്‍ നിലനില്‍ക്കുന്ന ഒരു സിസ്റ്റത്തിന്‍റെ ഒരു സവിശേഷതയാണ് താപനില എന്ന് നേരത്തെ പറഞ്ഞു.
ഒരു പെട്ടി എടുക്കാം. ആ പെട്ടിയുടെ ഉള്‍ഭാഗം പ്രകാശം പ്രതിഫലിക്കുന്ന പ്രതലം കൊണ്ടാണ് ഉണ്ടാക്കിയിരിക്കുന്നത് എന്ന് വെയ്ക്കുക. അതായത് ഒരു ഫോട്ടോണിനെ പെട്ടിയുടെ ഉള്ളിലേക്ക് കടത്തിവിട്ടാല്‍ ആ ഫോട്ടോണ്‍ പെട്ടിയുടെ ഭിത്തികളില്‍ ഇടിച്ചു അങ്ങോട്ടുമിങ്ങോട്ടും പ്രതിഫലിച്ചുകൊണ്ടേ ഇരിക്കും. ഇങ്ങനെ ചെയ്യുമ്പോള്‍ ഇവക്കു എനര്‍ജി നഷ്ടമാകുന്നില്ല എന്നും സങ്കല്‍പ്പിക്കുക.
ഇങ്ങനെ ആണ് എങ്കില്‍, ആ പെട്ടി ഒരിക്കലും ഒരു തെര്‍മല്‍ ഇക്വിലിബ്രിയത്തില്‍ എത്തിച്ചേരില്ല. അതായത് താപനില എന്ന കോണ്‍സപ്റ്റ് ഇവിടെ ഈ പെട്ടിക്ക് നല്‍കാന്‍ ആകില്ല. കാരണം ആ ഫോട്ടോണില്‍ ഉള്ള എനര്‍ജി ഡിസ്ട്രിബ്യൂട്ട് ആകുന്നില്ല.
ഇനി, ഈ പെട്ടിയിലേക്ക് കുറച്ചു ന്യൂട്രല്‍ ആയ ആറ്റങ്ങള്‍ ഇട്ടു എന്ന് വെക്കുക. ന്യൂട്രല്‍ എന്ന് വെച്ചാല്‍ ഇലക്ട്രിക്കലി ന്യൂട്രല്‍. ഉദാഹരണം ഹൈഡ്രജന്‍ ആറ്റങ്ങള്‍. ഇലക്ട്രിക്കലി ന്യൂട്രല്‍ ആയതിനാല്‍ ഇവ ഇലക്ട്രോമാഗ്നറ്റിക് ഇന്‍ററാക്ഷനില്‍ ഏര്‍പെടില്ല. അതിനാല്‍ ഇവിടെയും പെട്ടി ഒരിക്കലും ഒരു തെര്‍മല്‍ ഇക്വിലിബ്രിയത്തില്‍ എത്തിച്ചേരില്ല.
എന്നാല്‍, പെട്ടിയില്‍ കുറച്ചു അയണൈസ്ഡ് പാര്‍ടിക്ക്ള്കള്‍ ഇടുകയാണെങ്കില്‍ ഫോട്ടോണുകള്‍ ഈ അയണൈസ്ഡ് പാര്‍ടിക്ക്ളുമായി ഇന്‍ററാക്റ്റ് ചെയ്യുകയും ഈ പെട്ടി വളരെ വേഗം ഒരു തെര്‍മല്‍ ഇക്വിലിബ്രിയത്തില്‍ എത്തിച്ചേരുകയും ചെയ്യും.
«This page is under construction»