ദ്രവ്യത്തിന്റെ ഘടനയെക്കുറിച്ച് ആദ്യം ചിന്തിച്ചതായി നാം മനസ്സിലാക്കുന്ന ഡെമോക്രിറ്റസിന്റെയും കണാദന്റെയും സങ്കൽപങ്ങൾ മുതൽ കണങ്ങളെ തേടി മനുഷ്യൻ നടത്തിയ യാത്രയുടെ ചരിത്രവും പദാർഥ കണങ്ങളെ തേടിയുള്ള ആധുനികമായ അന്വേഷണം തുടങ്ങുന്ന 19-ാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ അവസാനകാലം മുതൽ കണികാ ഭൗതികത്തിനു തുടക്കം കുറിച്ച് 20-ാം നൂറ്റാണ്ടിലെ കണ്ടെത്തലുകളും സ്റ്റാന്റേർഡ് മോഡൽ സങ്കൽപ്പവും ചുരുക്കി വിവരിക്കുന്നു.
പ്രകൃതിയില് എണ്ണിയാലൊടുങ്ങാത്ത പദാര്ഥ വൈവിധ്യം ഉണ്ടെങ്കിലും അവയെല്ലാം ഏതാനും അടിസ്ഥാന (മൗലിക) കണങ്ങളുടെ വ്യത്യസ്ത ചേരുവകള് ആയിരിക്കാം എന്ന ആശയം മനുഷ്യരില് ആദ്യം ഉദിച്ചത് ആരിലായിരിക്കും എന്നറിയാന് ഒരു മാര്ഗവുമില്ല. പ്രാചീനകാലത്ത് അങ്ങനെ ചിന്തിച്ച രണ്ടു പേരെ നമുക്കറിയാം (അവരാണോ ആദ്യം ചിന്തിച്ചത് എന്നറിയില്ല). ഗ്രീക്ക് തത്ത്വചിന്തകരായ ഡെമോക്രിറ്റസും (BCE 460-370) ഭാരതീയ ചിന്തകനായ കണാദനും (BCE 4-2 നൂറ്റാണ്ടുകള്ക്കിടയില് എപ്പോഴോ). ഡെമോക്രിറ്റസ് പറഞ്ഞത് ഇതാണ്; പലതരം ആറ്റങ്ങളുണ്ട്. അവയെ വിഭജിക്കാനാവില്ല. കൊളുത്തുകളും സോക്കറ്റ് – ബോള് സംവിധാനങ്ങളും വഴി അവ അന്യോന്യം ബന്ധിക്കപ്പെടുമ്പോളാണ് പലതരം പദാര്ഥങ്ങളായി മാറുന്നത് (വിദ്യുത് കാന്തിക ബലത്തെക്കുറിച്ചൊന്നും അന്നറിയില്ലല്ലോ!).
ഡെമോക്രിറ്റസിന്റെ ആശയങ്ങള് യഥാര്ഥരൂപത്തില് ലഭ്യമാണെങ്കില് കണാദന്റേത് വിമര്ശകരുടെ വ്യാഖ്യാനങ്ങളായി മാത്രമേ കിട്ടാനുള്ളൂ. അദ്ദേഹത്തിന്റെ പേരുപോലും ശരിക്കുള്ളതാണെന്നു തോന്നുന്നില്ല. കണാദന് എന്നാല് കണം ഭക്ഷിക്കുന്നവനാണ്. അതൊരു പരിഹാസപ്പേരായിരിക്കാം. ഏകകണം, ദ്വികണം, ത്രികണം എന്നിങ്ങനെ അടിസ്ഥാന കണങ്ങളെ കണാദന് ചിട്ടപ്പെടുത്തിയിരുന്നതായി കാണുന്നു.
ഡെമോക്രിറ്റസിനെയും കണാദനെയും ചിലര് ആദ്യകാല ശാസ്ത്രജ്ഞരായി ചിത്രീകരിക്കാറുണ്ട്. ഇത് യുക്തിസഹമല്ല. അവരുടെ ആശയങ്ങള് തത്ത്വചിന്തയുടെ ഭാഗമായിരുന്നു; നിരീക്ഷണത്തെളിവുകളുടെ പിന്ബലം അവരുടെ നിഗമനങ്ങള്ക്കുണ്ടായിരുന്നില്ല. കുറച്ചുകൂടി ശാസ്ത്രത്തിനു നിരക്കുന്ന അണുസിദ്ധാന്തം മുന്നോട്ടുവെച്ചത് രണ്ടായിരത്തിലേറെ വര്ഷങ്ങള്ക്കുശേഷം 1805-ല്, ഇംഗ്ലീഷ് രസതന്ത്രജ്ഞനായ ജോണ് ഡാള്ട്ട (John Dalton) നാണ്. പ്രകൃതിയിലെ ഓരോ മൂലകവും ഓരോ ഇനം ആറ്റങ്ങളാല് നിര്മിതമാണ് എന്നദ്ദേഹം സിദ്ധാന്തിച്ചു. ആറ്റങ്ങള് വിഭജിക്കാനാവില്ല എന്നായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിന്റെയും നിലപാട്. 19-ാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ അന്ത്യം വരെ അവിഭാജ്യമായ ആറ്റങ്ങള് തന്നെ മൗലികകണങ്ങളായി നിലനിന്നു.
അതിനെ തകര്ത്തത് 1897-ല് ജെ.ജെ. തോംസണ് ആണ്. അതിനുമുമ്പ്, 1890-ല് ആര്തര് ഫൂസ്റ്ററും വില്യം ക്രൂക്സും ചേര്ന്ന് ഗ്ലാസ്സ് ട്യൂബുകളെ വളരെ താഴ്ന്ന മര്ദത്തില് നിര്വാതം (vacuum) ആക്കി, രണ്ടറ്റത്തും ഇലക്ട്രോഡുകള് ഉറപ്പിച്ച് ഉന്നത വോള്ട്ടേജില് വൈദ്യുതി കടത്തിവിട്ടാല് കാഥോഡില് നിന്ന് ആനോഡിലേക്ക് ശോഭയുള്ള ഒരു പ്രവാഹം – കാഥോഡ്റേ പ്രവാഹം – ദൃശ്യമാകുമെന്ന് തെളിയിച്ചിരുന്നു. ഈ പ്രവാഹത്തെ വൈദ്യുതക്ഷേത്രവും കാന്തികക്ഷേത്രവും ഉപയോഗിച്ച് വ്യതിചലിപ്പിക്കാമെന്നും വ്യതിചലനം അളന്ന് പ്രവാഹത്തിലെ കണങ്ങളുടെ ചാര്ജും ദ്രവ്യമാന (mass) വും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം (e/m) കണക്കാക്കാമെന്നുമാണ് ജെ.ജെ. തോംസണ് തെളിയിച്ചത്. നെഗറ്റീവ് ചാര്ജുള്ള കാഥോഡ് റേ കണങ്ങളെ പിന്നീട് ഇലക്ട്രോണുകള് എന്നു വിളിച്ചു. 1878-ല്ത്തന്നെ ആറ്റങ്ങളുടെ രാസപ്രവര്ത്തനങ്ങള്ക്കു കാരണം അവയിലടങ്ങിയ നെഗറ്റീവ് ചാര്ജുകളാണെന്ന് റിച്ചഡ് ലാമിങ് എന്ന ഒരു തത്ത്വചിന്തകന് പ്രവചിച്ചിരുന്നു. അങ്ങനെ ആറ്റം വിഭജനക്ഷമം ആണെന്നുവന്നു; ആദ്യം കണ്ടെത്തിയ മൗലികകണം ഇലക്ട്രോണ് (e –) ആയി.
ഇതേത്തുടര്ന്ന് കാവന്ഡിഷ് ലാബില് തോംസന്റെ തന്നെ ശിഷ്യനായ റഥര്ഫോഡ് ഒരു ആറ്റം മാതൃക അവതരിപ്പിച്ചു. അണുകേന്ദ്രത്തില് പോസിറ്റീവ് ചാര്ജുള്ള പ്രോട്ടോണുകള് അടങ്ങിയ ഒരു കാമ്പ്, അതിനുചുറ്റും നിരന്തരം കറങ്ങുന്ന നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോണുകള്. ഇലക്ട്രോണിനും പ്രോട്ടോണിനും തുല്യ ചാര്ജ്. പക്ഷേ, ദ്രവ്യമാനം പ്രോട്ടോണിന് ഇലക്ട്രോണിന്റെ 1836 ഇരട്ടി. ഹൈഡ്രജന് ആറ്റത്തിന്റെ കാര്യത്തില് ഇതു ശരിയായെങ്കിലും ഹീലിയത്തിന്റെ കാര്യത്തില് പ്രശ്നം നേരിട്ടു. ഹീലിയം ആറ്റത്തില് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം 2 ആണ്. പക്ഷേ, ദ്രവ്യമാനം 4 പ്രോട്ടോണിനു തുല്യം. റഥര്ഫോഡ് പറഞ്ഞു, അണുകേന്ദ്രത്തില് 4 പ്രോട്ടോണ് കൂടാതെ 2 ഇലക്ട്രോണ് കൂടി ഉള്ളതുകൊണ്ടാണ് അതിന്റെ മൊത്തം ചാര്ജ് (+2) ആയിരിക്കുന്നത്. പുറത്തു കറങ്ങുന്ന 2 ഇലക്ട്രോണ് കൂടി ചേരുമ്പോള് ആറ്റം ചാര്ജ്രഹിതം (ന്യൂട്രല്) ആകുമല്ലോ.
ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സില് ഹൈസന്ബര്ഗിന്റെ അനിശ്ചിതത്വ സിദ്ധാന്തം (uncertainty principle) അനുസരിച്ച് ഈ വാദം നിലനില്ക്കില്ല. ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ വലുപ്പം ഇലക്ട്രോണിനെ ഉള്ക്കൊള്ളാന് പര്യാപ്തമല്ല. 1920-ല്, റഥര്ഫോഡ് മുന്പറഞ്ഞ വാദം മുന്നോട്ടുവെച്ച വര്ഷം തന്നെ, അമേരിക്കന് രസതന്ത്രജ്ഞനായ ഹാര്ക്കിന്സ് മറ്റൊരു നിര്ദേശം അവതരിപ്പിച്ചു: പ്രോട്ടോണിന്റെ അതേ മാസുള്ള, എന്നാല്, ചാര്ജ് ഇല്ലാത്ത മറ്റൊരു തരം കണം, ന്യൂട്രോണ് (n0) കൂടി അണുകേന്ദ്രത്തിലുണ്ടാകും. ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തില് 2p+ ഉം 2n0 ഉം ഉണ്ടാകും എന്നര്ഥം. 1932-ല് റഥര്ഫോഡിന്റെ ശിഷ്യനായ ജെയിംസ് ചാഡ്വിക്ക് പ്രസ്തുത കണത്തെ കണ്ടെത്തിയത് ശാസ്ത്രത്തിന്റെ പ്രവചനശേഷിയുടെ അത്ഭുതകരമായ വിളംബരമായിരുന്നു.
ഇതോടെ പദാര്ഥഘടന വിശദീകരിക്കാന് വേണ്ട മൗലികകണങ്ങള് എല്ലാമായി. വേണമെങ്കില് പ്രകാശകണമായ ഫോട്ടോണിനെ (g) കൂടി ചേര്ക്കാം. അതായത് e-, p+, n0, g ഇവയാണ് പ്രകൃതിയിലെ മൗലിക കണങ്ങള്. എന്നാല്, 1932-ല്ത്തന്നെ മറ്റൊരു മൗലികകണത്തെക്കൂടി സി.ഡി.ആന്ഡേഴ്സണ് കോസ്മിക്റേ പഠനങ്ങളില് കണ്ടെത്തി. അത്യധികം ഊര്ജത്തോടെ പ്രപഞ്ചത്തില് എല്ലാ ദിശകളിലും പ്രവഹിക്കുന്ന കണങ്ങള് (ഭൂരിഭാഗവും പ്രോട്ടോണുകളും ഗാമാ രശ്മികളും) അടങ്ങിയതാണ് കോസ്മിക് രശ്മികള്. ഭൂതലത്തില് എത്തുമ്പോഴേക്കും വായു തന്മാത്രകളുമായി കൂട്ടിമുട്ടി ഇവ ശോഷിച്ചുപോകും. അതിനാല്, ഇവയെക്കുറിച്ചു പഠിക്കാന് ഉപരി അന്തരീക്ഷത്തില് എത്തിക്കാന് കഴിയുന്ന ബലൂണുകള് ആവശ്യമായിരുന്നു. ആന്ഡേഴ്സണ് കണ്ടെത്തിയ കണത്തിന് ഇലക്ട്രോണിന്റെ അതേ മാസ്സും പോസിറ്റീവ് ചാര്ജും ആയിരുന്നു. ഒരു ഇലക്ട്രോണുമായി ഈ കണം കൂട്ടിമുട്ടിയാല് രണ്ടും ഉന്മൂലനം ചെയ്യപ്പെടുകയും രണ്ട് ഗാമാ രശ്മികള് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യും. ഇലക്ട്രോണിന്റെ പ്രതികണം (antiparticle) എന്ന അര്ഥത്തില് ഇതിനെ പോസിട്രോണ് (e+) എന്നുവിളിച്ചു. 1947-ല് ഡിറാക്ക് (Paul M Dirac) ക്വാണ്ടംസിദ്ധാന്തത്തെയും ആപേക്ഷികതാസിദ്ധാന്തത്തെയും സംയോജിപ്പിച്ച് നടത്തിയ ഗണിതസിദ്ധാന്തത്തിലൂടെ കണ-പ്രതികണ ദ്വന്ദ്വങ്ങളുടെ (particle-antiparticle pairs) സാധ്യത സൈദ്ധാന്തികമായി തെളിയിച്ചു. എല്ലാ മൗലികകണങ്ങള്ക്കും പ്രതികണങ്ങള് ഉണ്ടാകാമെന്നത് ഇന്ന് ഒരു അംഗീകരിക്കപ്പെട്ട വസ്തുതയാണ്.
1930-കളില് മറ്റൊരു കുഴയ്ക്കുന്ന പ്രശ്നം കൂടി രംഗത്തുവന്നു. റേഡിയോ ആക്ടീവിറ്റിയില് 3 ഇനം കണങ്ങള് പുറത്തുവരുന്നുണ്ട്: ആല്ഫാ, ബീറ്റാ, ഗാമാ കണങ്ങള്. ഇതില് ആല്ഫയ്ക്കും ഗാമയ്ക്കും നിശ്ചിത ഊര്ജമേ ഉണ്ടാകൂ (ഒരു നിശ്ചിത റേഡിയോ ആക്ടീവ് പദാര്ഥത്തില്). എന്നാല്, ബീറ്റാകണങ്ങള്ക്ക് ഊര്ജം പൂജ്യം മുതല് ഒരു മാക്സിമം വരെ എന്തുമാകാം. അണുകേന്ദ്രത്തില് ഒരു ന്യൂട്രോണ് ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ പുറന്തള്ളിക്കൊണ്ട് സ്വയം ഒരു പ്രോട്ടോണ് ആയിമാറുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് ബീറ്റാ ശോഷണം എന്നു വ്യക്തമായിരുന്നു. ന്യൂട്രോണിന് പ്രോട്ടോണിനെക്കാള് അധികമുള്ള അല്പ്പം മാസ്സാണ് ഇലക്ട്രോണിന് (ബീറ്റാകണത്തിന്) കിട്ടേണ്ടത്. എങ്കില്, അതിന് നിശ്ചിത ഊര്ജമേ ഉണ്ടാകാന് പറ്റൂ. പക്ഷേ, അങ്ങനെയല്ല സംഭവിക്കുന്നത്. ഇതിനൊരു പരിഹാരം നിര്ദേശിച്ചത് വുള്ഫ്ഗാങ് പൗളി (Wolfgang Pauli) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ്. ന്യൂട്രോണ് ശോഷണം നടക്കുമ്പോള് പ്രോട്ടോണും ഇലക്ട്രോണും കൂടാതെ ന്യൂട്രിനോ (n) എന്ന ചാര്ജുരഹിത കണംകൂടി ഉത്സര്ജിക്കപ്പെടുന്നുണ്ടാകാം എന്നാണ് പൗളി പറഞ്ഞത്. മൂന്നു കണങ്ങള് ഊര്ജം പങ്കുവെക്കുമ്പോള് ഓരോന്നിനും ഏത് അനുപാതത്തിലും അതു സ്വീകരിക്കാന് കഴിയും. പദാര്ഥവുമായി തീര്ത്തും ദുര്ബലമായി പ്രതിപ്രവര്ത്തിക്കുന്ന ന്യൂട്രിനോകളുടെ ദ്രവ്യമാനം പൂജ്യമോ അതിനടുത്തോ ആയിരിക്കാമെന്നും പൗളി അനുമാനിച്ചു.
1934-ല് ഈ കണത്തെക്കൂടി ഉള്പ്പെടുത്തി എന്റികോ ഫെര്മി (Enrico Fermi) ബീറ്റാവികിരണത്തിന്റെ ഗണിതസിദ്ധാന്തത്തിനു രൂപം നല്കി. എന്നാല്, ന്യൂട്രിനോയെ നിരീക്ഷണത്തിലൂടെ കണ്ടെത്താന് 22 വര്ഷം കൂടി കാത്തിരിക്കേണ്ടിവന്നു. 1956-ല് ക്ലൈഡ് കോവനും ഫ്രെഡ് റെയ്ന്സും ചേര്ന്നാണ് ഒടുവില് അതിനെ കണ്ടെത്തിയത്.
അണുകേന്ദ്രത്തിലെ പ്രോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രോണുകളും (ന്യൂക്ലിയോണ്സ് – p+, n0) തമ്മിലുള്ള സുശക്തബലവും അതിന്റെ ഹ്രസ്വസീമയും (short range) വിശദീകരിക്കാനുള്ള ശ്രമത്തില് ജപ്പാന്കാരനായ ഹിദേകി യുകാവ, 1935-ല് പയോണുകള് (p) എന്ന ഒരു പുതിയ ഇനം കണങ്ങളെ അവതരിപ്പിച്ചു. p+,p-, p0 എന്നിങ്ങനെ 3 തരം പയോണുകള്. അവ അന്യോന്യം കൈമാറുക വഴിയാണ് ന്യൂക്ലിയോണ്സ് പ്രതിപ്രവര്ത്തിക്കുന്നത്. പയോണുകള്ക്ക് ദ്രവ്യമാനം ഉള്ളതുകൊണ്ടാണ് സുശക്തബലത്തിന്റെ സീമ നന്നെ ചെറുതായിരിക്കുന്നത്. (വിദ്യുത് കാന്തിക ബലത്തിനു കാരണം ദ്രവ്യമാനമില്ലാത്ത ഫോട്ടോണുകളുടെ കൈമാറ്റം വഴി ആയതുകൊണ്ട് സീമ അനന്തമാണ്).
തുടര്ന്ന് പയോണുകളെ കണ്ടെത്താനുള്ള ശ്രമം നടന്നു. ഇലക്ട്രോണിന്റെ 207 മടങ്ങു ദ്രവ്യമാനമുള്ള (207 me) ഒരിനം കണത്തെ ആന്ഡേഴ്സണും നെഡര്മെയറും ചേര്ന്ന് കോസ്മിക്റേ നിരീക്ഷണങ്ങളില് കണ്ടെത്തി. പക്ഷേ, പദാര്ഥവുമായുള്ള അവയുടെ പ്രതിപ്രവര്ത്തനം ദുര്ബലമാണെന്നു മനസ്സിലായി. അവയെ മ്യൂവോണുകള് (Muons; m-) എന്നു വിളിച്ചു. 1947 ലാണ് യുകാവ പറഞ്ഞ 270 me ദ്രവ്യമാനമുള്ള പയോണുകളെ സെസില് പവലും സഹപ്രവര്ത്തകരും ചേര്ന്ന് കണ്ടെത്തിയത്.
ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ പകുതിവരെ നടന്ന എല്ലാ കണികാ പരീക്ഷണങ്ങളും റേഡിയോ ആക്ടീവിറ്റിയോ കോസ്മിക് കിരണങ്ങളോ ഉപയോഗിച്ചുള്ളവ ആയിരുന്നു. ബഹിരാകാശത്ത് അത്യധികം ഊര്ജമുള്ള (1022ev വരെ) കോസ്മിക് കിരണങ്ങള് ലഭ്യമാണ്. എന്നാല്, അന്തരീക്ഷത്തിലൂടെ സഞ്ചരിച്ച് ഭൂതലത്തില് എത്തുമ്പോഴേക്കും അവ തീര്ത്തും ദുര്ബലമാകും. ഹീലിയം/ഹോട്ട് എയര് ബലൂണുകളെ 20-30 കിലോമീറ്റര് ഉയരങ്ങളിലെത്തിച്ചാണ് അന്ന് പരീക്ഷണങ്ങള് നടത്തിയിരുന്നത്. ഇപ്പോള് റോക്കറ്റുകള് ലഭ്യമാണ്. (കോസ്മിക്റേയില് അധിക ഭാഗവും പ്രോട്ടോണുകളോ ഗാമാരശ്മികളോ ആയിരിക്കും.) കോസ്മിക് റേ പഠനങ്ങള്ക്കുള്ള പ്രധാന പരിമിതി അവ എവിടെ, എപ്പോള് പതിക്കുമെന്നോ അവയുടെ ഊര്ജം എത്രയാണെന്നോ മുന്കൂട്ടി അറിയാന് കഴിയില്ല എന്നതാണ്.
ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ രണ്ടാം പകുതിയോടെ ഇതിനു മാറ്റമുണ്ടായി. പലതരം കണ ത്വരിത്രങ്ങള് (particle accelerators) നിലവില് വന്നു. എവിടെ, ഏതളവില് കണങ്ങള് പതിപ്പിക്കണമെന്ന് ആദ്യമേ തീരുമാനിക്കും. ഊര്ജത്തിന്റെ കാര്യത്തിലേ പരിമിതിയുള്ളൂ. ദക്ഷത കൂടിയ നിദര്ശകങ്ങളും (detectors) ഓട്ടോമാറ്റിക് കൗണ്ടറുകളും കൂടി ലഭ്യമായതോടെ മുമ്പൊരിക്കലും കണ്ടിട്ടില്ലാത്ത പുതിയ കണങ്ങളെക്കൂടി കണ്ടെത്താന് കഴിഞ്ഞു. അവയില് മിക്കതും നന്നേ കുറഞ്ഞ ആയുസ്സ് (10-6 സെക്കന്റില് താഴെ) ഉള്ളവ ആയിരുന്നു.
മറ്റു ലേഖനങ്ങൾ