2

2011 –ஆம் ஆண்டு வெளிவந்த ‘எந்திரன்’ என்ற அமரர் சுஜாதாவின் கதை திரைப்படமாக வெளிவந்தபோது, அதில் வைரமுத்துவின் பாடல் ஒன்று மிகவும் பிரபலமடைந்தது:

காதல் அணுக்கள்
உடம்பில் எத்தனை?
நியூட்ரான் எலெக்ட்ரான் – உன்
நீலக்கண்ணில் எத்தனை?

வைரமுத்துவின் பெளதிகம் ஒரு 60 வருட பழசு! அவருடைய பார்வையில், அணுக்கள் என்பது மிகச் சிறிய விஷயம். மனித உடலில் ஏராளமான அணுக்கள் இருக்கும் என்பதெல்லாம் சரிதான். ஆனால், அடுத்த கட்டமாக, அணுவினுள் நியூட்ரான் மற்றும் எலெக்ட்ரான் போன்ற நுண் துகள்கள் உள்ளன என்று எழுதியுள்ளார். சினிமா பாடல் மெட்டுக்கு சரிவராது என்று ப்ரோட்டானை விட்டிருக்கலாம். இந்தப் பாடலின்படி, அணு என்ற விஷயத்தில், நியூட்ரான் மற்றும் எலெக்ட்ரான் என்ற நுண்துகள்கள் அடங்கும் என்பது போல எழுதப்பட்டுள்ளது. இதில் பாதி உண்மை. அதாவது, எலெக்ட்ரான் என்பது பிரிக்க இயலாத நுண்துகள். ஆனால். நியூட்ரான் அடிப்படை நுண்துகளல்ல என்று 1960 –களிலேயே ஒப்புக் கொள்ளப்பட்ட ஒன்று. கவிதைக்கு பொய்யழகு என்று விட்டுவிட்டு உண்மையைத் தேடுவோம்.

ஆரம்பத்தில், வைரமுத்துவின் கவிதைபோல எல்லாமே சிம்பிளாகத்தான் தோன்றியது. முதலில், இயற்கையில் பிளக்க முடியாத விஷயத்தை அணு என்று சொல்லி வந்தோம். பிறகு, 20-ஆம் நூற்றாண்டின் ஆரம்பத்தில் அணுவினுள் பல துகள்கள் (sub atomic particles) உள்ளன என்று தெரிய வந்தது. இயற்கையின் ரகசியங்கள் அவ்வளவு எளிதாக விஞ்ஞானத்தில் பிடிபடுவதில்லை. ஒவ்வொரு முன்னேற்றமும் பல வருட கடின ஆராய்ச்சிக்குப் பிறகுதான் தெளிவாகிறது. பாடப் புத்தகத்தில் படிப்பது போல உடனே விஞ்ஞான உலகில் எதுவும் நடப்பதில்லை.

ஆரம்பத்தில், இப்படித்தான் எலெக்ட்ரான்கள் ஒரு அணுக்கருவை (nucleus) சுற்றி வருவதாக விஞ்ஞானி ரூதர்ஃபோர்ட் உலகிற்கு பறை சாற்றினார். இன்றும் பல அணு சம்மந்தப்பட்ட அமைப்புகள், ஏன் அன்றாட வேதியல் விஷயங்களுக்கு இந்த அமைப்பு உபயோகிக்கப்பட்டு வருகிறது. இது போன்ற கண்டுபிடிப்புகளுக்கு, சோதனை அமைப்புகள் (experimental apparatus) மற்றும் எந்திரங்கள் இப்படிப்பட்ட கணிப்புகளுக்கு உதவியது. ஓரளவிற்கு, அந்த கால கட்டங்களில், சோதனை அமைப்புகள் அணு ஆராய்ச்சியின் எல்லைகளை முடிவு செய்தன. அணுக்கருவிற்குள் முதலில் ப்ரோட்டான் என்ற துகள் மட்டும் இருப்பதாக நம்பப்பட்டது. அணுக்கருவை சுற்றி வரும் எலெக்ட்ரான் என்பது, எதிர் மின்னூட்டச் சக்தியைத் (negative charge) தாங்கியது. ப்ரோட்டான் என்பது நேர் மின்னூட்டச் (positive charge) சக்தியைத் தாங்கியது. சுற்றி வரும் எலெக்ட்ரான் ஏன் அணுக்கருவை நோக்கி சுழன்று ப்ரோட்டானுடன் இணைந்து எரிந்து (annihilate) விடுவதில்லை? எலெக்ட்ரான் எங்கிருந்து வந்தது?

அட, பெளதிக விஷயத்தில் ஆரம்பித்து, என்ன இப்படி ஒரு தத்துவப் பாதைக்குக் கட்டுரை தடம் புரண்டு விட்டதே என்று கவலைப் பட வேண்டாம். பல கேள்விகள் அன்றும், இன்றும் மிஞ்சி நிற்பதாலேயே அணுத்துகள் ஆராய்ச்சித் துறை வேகமாக வளர்ந்து வருகிறது; மேலும், இது போன்ற கேள்விகள் பல வளர்ச்சிப் கட்டங்களில் விஸ்வரூபம் எடுத்து, பதில் தேட ராட்சச எந்திரங்கள் தேவைப்படக் காரணமாகின. அத்துடன் இத்துறையில் இன்னொரு முக்கியமான தலைகீழ் விஷயமும் முன்னேற்றத்திற்கு வழி வகுத்தது. பொதுவாக, பல விஞ்ஞான துறைகளில், இயற்கையின் இயங்குதலைக் கண்டறிதல், அல்லது கவனிப்பு (observation) ஆரம்ப கட்ட முயற்சி. அடுத்த கட்டமாக பல்வேறு பரிசோதனைகள் (experiment) கவனிப்பை சரியானதா என்று தீர்மானிக்கும் உத்தி. அடுத்த கட்டமாக, ஒரு புதிய கோட்பாடு (theory) பரிசோதனை மற்றும் கவனிப்பை உறுதி செய்ய உருவாகும். கடைசிக் கட்டமாக கோட்பாடு பல வகை பயன்பாட்டிற்கும் (applications) உபயோகப்படுத்தப்படும். சில பயன்பாடுகளில் கோட்பாட்டின் சில குறைகள் தெரியவரும். இதுவே ஒரு புதிய கவனிப்பாகி மேலும் பரிசோதனைகளால் புதிய தேடல் ஆரம்பமாகும். இப்படித்தான் நம்முடைய விஞ்ஞான அறிவு பல நூறு ஆண்டுகளாக வளர்ந்து வந்துள்ளது.

ஆனால், அணுத்துகள் ஆராய்ச்சித் துறையில், விஷயம் சற்று தலைகீழாக நிகழ்ந்து விட்டது. அதாவது, கோட்பாடுகள் பல விஷயங்களை கணித முறைப்படி தெளிவாக விளக்கி விட்டன. ஆனால், இவை பரிசோதனை மூலம் உறுதி செய்யப்பட வேண்டும். குவாண்டம் இயக்கவியல், மற்றும் குவாண்டம் மின் இயக்கவியல் (quantum mechanics, quantum electrodynamics) துறைகளின் அதிவிரைவு வளர்ச்சி இப்படிப்பட்ட ஒரு இடைவெளியை உருவாக்கிவிட்டது. மேலும், இந்த இடைவெளியைச் சரிகட்ட ஏராளமான பொருட்செலவில் ராட்சச எந்திரங்கள் தேவை என்பதும் காரணம்.

ரூதர்ஃபோர்டு காலங்களில் (20-ஆம் நூற்றாண்டின் தொடக்கம்), அணு ஆராய்ச்சிக்கு மேக அறை (cloud chamber) ஒன்று, மின்னேற்றம் பெற்ற அயனிகள் (ions) விட்டுச் சென்ற பாதைகளை ஆராய்ந்து, அதை ஒரு புகைப்படம் மூலம் பதிவு செய்து, பல ஆரம்ப முடிவுகளுக்கு வந்தனர். (http://www.hep.phy.cam.ac.uk/outreach/cloud.php) வானத்தில் போர் விமானம் சென்ற பாதையை அதன் புகைக் கோடு காட்டுவதைப் போன்ற ஒரு உத்தி இது. இப்படி ஆரம்ப காலங்களில் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட துகள் எலெக்ட்ரான். இன்றுவரை இது ஒரு அடிப்படை துகளாகவே கருதப்படுகிறது.

எலெக்ட்ரான் மிகவும் சன்னமான துகள். எவ்வளவு சன்னம் என்று விளக்க, ஒரு கிலோ எடையுள்ள சர்க்கரைப் பை ஒன்றை எண்ணிப் பாருங்கள். ஒன்றரைக் கோடி பூமிகளுடைய எடையுடன் ஒப்பிட்டால், சர்க்கரைப் பை எவ்வளவு சன்னமானது என்று எண்ணிப் பாருங்கள். அதே அளவு சன்னமானது, அந்த ஒரு கிலோ சர்க்கரைப் பையுடன் எலெக்ட்ரானை ஒப்பிட்டால்! இதைச் சரியாகப் புரிந்து கொண்டு, சில பல கோடி எலெக்ட்ரான்களை வேண்டியபடிக் நாம் கட்டுப்படுத்தத் தெரிந்து கொண்டதன் விளைவு, நீங்கள் இக்கட்டுரையைப் படித்துக் கொண்டிருக்கிறீர்கள்!

குறிப்பிட்ட பாதைகளில் அணுக்கருவைச் சுற்றி வருகின்றன எலெக்ட்ரான்கள். அதுவும் தாமே சுழன்றுகொண்டே வலம் வருகின்றன. எல்லா அணுக்களிலும் ஒரே அளவு எலெக்ட்ரான்கள் இருப்பதில்லை. தனிமத்திற்கு (element) தக்கவாறு, சுற்றி வரும் எலெக்ட்ரான்கள் வேறுபடுகின்றன. சுற்றி வரும் எலெக்ட்ரான்கள் நின்று யாரும் பார்த்ததில்லை. இதை நிற்காமல் சுழலும் மின்விசிறியைப் போல நினைத்துப் பாருங்கள். அதில் எத்தனை அலகுகள் உள்ளன என்று எப்படி உங்களால் கணிக்க முடியும்? அப்படியே கணித்தாலும் அவை எங்கிருக்கின்றன என்று எப்படிச் சொல்ல முடியும்? ஒரு இடத்தில் ஓர் அலகு இருக்க இத்தனை சாத்தியம் உண்டு என்று வேண்டுமானால் அனுமானிக்க முடியும். இதையே குவாண்டம் இயக்கவியல் சொல்கிறது. எப்படி எலெக்ட்ரான்கள் உருவாயின? இந்தக் கேள்விக்கு ஒரு அனுமான பதிலைத்தான் இன்றைய விஞ்ஞானிகள் சொல்லி வருகிறார்கள். அதாவது, பிரபஞ்ச ஆரம்பத்தில், படு பயங்கர வெப்பத்திலிருந்து சட்டென்று குளிரத் தொடங்கிய தருணத்தில், நேர் மின்னூட்ட (positive charge) சக்தியைக் கொண்ட எலெக்ட்ரான்களுடன், (இவை இன்று பாஸிட்ரான் என்று அழைக்கப் படுகின்றன) எதிர் மின்னூட்ட எலெக்ட்ரான்களும் உருவாக்கப்பட்டனவாம். அப்படியெனில், எங்கே போயின் அந்த பாஸிட்ரான்கள்?

அடுத்தபடியான விஷயம் அணுக்கரு (nucleus) . இயற்கையின் ரகசியங்களில் இது மிக முக்கியமானது. இன்றுவரை, நாம் முழுவதும் புரிந்து கொள்ளாத விஷயம் இது. ஒரு அணுவின் கொள்ளலவில் (volume) பத்து கோடி கோடியில் (a thousand million millionth) ஒரு பங்கே அடங்கிய, ஆனால், 99.9% திணிவு (mass) கொண்ட அமைப்பு, அணுக்கரு. இப்படிப்பட்டத் திணிவு,இவ்வளவு சிறிய கொள்ள்ளவில் எப்படிச் சாத்தியம்? இதன் துகள்களை அவ்வளவு இறுகப் பிணைக்கும் சக்தி எது? இப்படிப்பட்ட அணுத் துகள்களை எப்படி பிரித்து அதனை ஆராய்வது? இவற்றை பிரிக்க ஏராளமான சக்தி தேவை. அந்தச் சக்தியைப் பயன்படுத்தி, அணுத்துகள்களை உடைத்துப் பார்க்கும் ராட்சஸ பெரும் ஹெட்ரான் மோதி நொறுக்கும் எந்திரத்தைக் கட்டும் நிலைக்குப் படிப்படியாக எப்படி வந்தோம் என்று இக்கட்டுரைத் தொடரில் விளக்க முயற்சிப்போம். ஆனால், இதெல்லாம் எப்படிப்பட்ட கேள்விகள் தவிர, என்ன மாதிரி சக்தியைப் பற்றிய தேடல் என்று சற்று இப்போது புரிந்திருக்கலாம்.

அணுக்கருவுக்குள் நேர் மின்னூட்ட (positive charge) சக்தியை கொண்ட ப்ரோட்டான்கள் உள்ளன என்று அடுத்தபடியாக கண்டறியப்பட்டது. (இன்று, ப்ரோட்டான் என்பது ஒரு அடிப்படை அணுத்துகள் அல்ல என்று நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது). அணுக்கருவிற்குள் ஒன்றுக்கும் அதிகமான ப்ரோட்டான்கள் இருக்கின்றன என்றும் அறியப்பட்டது. தனிமத்திற்கு ஏற்றவாறு ப்ரோட்டான்களின் எண்ணிக்கை வேறுபட்டன. எலெக்ட்ரான்களைப் போல அல்லாமல், இவை ஒன்றுக்கொன்று நெருங்கி இருந்தன. இது எப்படி சாத்தியம்? நேர் மின்னூட்டச் (positive charge) சக்தியைக் கொண்ட ப்ரோட்டான்கள், எப்படித் தள்ளிக்கொண்டு விலகாமல் சேர்ந்து இருக்கின்றன? அணுக்கருக்குள் மின்காந்த சக்தியைவிட (electromagnetic force) 100 மடங்கு அதிக பலமான அணுசக்தி (strong nuclear force) ப்ரோட்டான்களைச் சேர்ந்திருக்கச் செய்கிறது. இன்னொரு விஷயம் என்னவென்றால், பல ஸ்திரமற்ற நிலைகளில், பல்வேறு அடிப்படை அணு துகள்கள் இருந்தாலும், அவை முடிவில் தேய்ந்து (particle decay) ப்ரோட்டான் என்ற நிலையை அடைவது இயற்கையின் இன்னொரு அதிசயம். உதாரணத்திற்கு, முந்திரி கொட்டை என்பதை நாம் பல மாதங்கள், ஏன் சில வருடங்கள் கூட சேமித்து உணவுப் பொருளாக உபயோகிக்கிறோம். முந்திரிப் பழம் என்ற ஒன்றை நாம் கண்டதே இல்லை என்று வைத்துக் கொள்ளுங்கள். முந்திரிக் கொட்டையை வைத்துக் கொண்டு முந்திரிப் பழத்தின் தன்மையை ஆராயும் முயற்சியைப் போன்றது இவ்வகை ஆராய்ச்சி. கொட்டையின் சற்று முந்தைய தோற்றம், மிகவும் இளசான, காய வைக்கப்படாத நிலை. அதற்கு முந்தைய தோற்றம், பழத்தினுள் உள்ள நிலை. இப்படி, ப்ரோட்டான், மூன்று வகை குவார்க்குகள் – பேரியான் (baryons) என்ற அடிப்படை அணுத்துகள்களால் உருவானது என்று சில ராட்சச எந்திரங்கள் மூலம் இன்று விஞ்ஞானிகளால் கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ளது. இந்த எந்திரங்களைப் பற்றி விவரமாக அடுத்த பகுதிகளில் அலசுவோம்.

ப்ரோட்டான்களை சற்று வித்தியாசமாக அலச வேண்டிய கட்டாயத்தை முதலில் புரிந்து கொள்ள வேண்டும். எலெக்ட்ரான்கள் மின் சக்தியால் கட்டுப்படுத்தக்கூடியத் துகள்கள். மிகவும் சன்னமானவை. ஆனால், ப்ரோட்டான்கள் நேர் மின்னூட்டச் (positive charge) சக்தியை கொண்டிருந்தாலும், அவற்றை, மிக பலமான அணு சக்தியையும் (strong nuclear force), மின் சக்தியையும் சமாளிக்கும் துகள்களாகப் பார்க்க வேண்டும். அத்துடன் ப்ரோட்டான்கள் எலெக்ட்ரான்களைவிட 1800 மடங்கு பெரிதானவை. ப்ரோட்டான்கள், எலெக்ட்ரான்களை விட ஏறக்குறைய. ஒரு 2,000 மடங்கு அதிக திணிவும் (mass) கொண்டவை.

ப்ரோட்டான் கண்ணுக்கு தென்ப்படும் ஒளிக்கீற்றுக்களை மேக அறையில் (cloud chamber) விட்டுச் செல்லும். ஏனெனில், இவை நேர் மின்னூட்ட (positive charge) சக்தியை கொண்டவை. இவ்வாறு, பல சோதனைகள் செய்து வந்த விஞ்ஞானிகளுக்கு சில கணக்குகள் உதைக்க ஆரம்பித்தன. ஏதோ ஒரு சக்தி சில ப்ரோட்டான்களின் பாதையை மாற்றுவதை உணர்ந்தார்கள். இத்தனை திணிவுள்ள ப்ரோட்டானை யார் திசைத்திருப்புவது? இப்படிப்பட்ட கேள்விகளுக்கு பதில்தான் நியூட்ரான் என்ற அணுத்துகள். எந்தவித மின்னூட்டமும் (neutral charge) இல்லாத்தால், இவ்வாறு பெயர் சூட்டப்பட்டது. ஏறக்குறைய, ப்ரோட்டானின் திணிவு கொண்டது நியூட்ரான். நியூட்ரானை மறைமுகமாகத்தான் கண்டறிய முடியும். ஏனெனில், அணுத்துகள்களை ஆராயும் வழிகள் யாவும் மின்னியல் முறைகள். மின்னூட்டம் இல்லாத ஒரு துகளை இப்படிக் கண்டுபிடிப்பதைத் தவிர வேறு வழியில்லை. பல உத்திகளுடன் இன்று ஒரு நியூட்ரானை தனியாக பிரித்தால், வெறும் பதினைந்து நிமிடத்தில், ஒரு எலெக்ட்ரானாகவும், ஒரு ப்ரோட்டானாகவும் தேய்ந்து விடுகிறது. மின்னூட்டம் இல்லாத நியூட்ரான்கள் ஒரு வகையில் உபயோகமான துகள்களாக இருக்கிறது, சில மெதுவாக செலுத்தப்படும் நியூட்ரான்கள் (slow neutrons) , செலுத்தப்படும் அணுகருவை சற்று மாற்றி, உபயோகமான ஓரிடமூலகங்கள் (isotopes) உருவாக உபயோகப்படுகின்றது. இப்படிப்பட்ட ஓரிடமூலகங்கள், மருத்துவம், விவசாயம் மற்றும் பல பயன்பாட்டு விஷயங்களுக்கு உபயோகப்படுகின்றது.

இதெல்லாம் 1930 –வாக்கில் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட விஷயங்கள். முன்னே நாம் சொன்னது போல, நியூட்ரான் ஒரு அடிப்படை அணுத்துகள் அல்ல என்று பிறகு கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. இதற்கு மிக முக்கிய காரணங்கள் இரண்டு. முதலாவதாக, இதற்கான உந்துதல் வந்தது, அணு சம்பந்தப்பட்ட ஆராய்ச்சியிலிருந்து அல்ல; வானவியல் ஆராய்ச்சியிலிருந்து. மற்றொரு காரணம், ராட்சச எந்திரங்கள். இவ்வகை எந்திரங்கள் 1930 –லிருந்து படிப்படியாக முன்னேறிய விஷயம்.