ഗുരുത്വമുള്ള തരംഗങ്ങൾ – നോബല്‍ സമ്മാനം 2017 – ഭൗതികശാസ്ത്രം

[author title=”ഡോ. ജിജോ പി ഉലഹന്നാന്‍” image=”http://luca.co.in/wp-content/uploads/2017/10/jijo-p.jpg”] അസിസ്റ്റന്റ് പ്രൊഫസര്‍, ഗവണ്‍മെന്റ് കോളേജ് കാസര്‍ഗോഡ്, കേരള[/author]

ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താനാവുമെന്ന് കണക്കു കൂട്ടലുകൾ നടത്തിയ റൈനർ വൈസ് (Rainer Weiss), കിപ് തോൺ (Kip Thorne), ഇവരോടൊപ്പം ലൈഗോ (LIGO), വിർഗോ (VIRGO) എന്നീ പടുകൂറ്റൻ ശാസ്ത്ര ലബോറട്ടറികൾ ഒരുക്കി ഈ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താൻ കെല്പുള്ള അന്താരാഷ്ട്ര സംഘങ്ങളെ നയിച്ച ബാരി സി. ബാരിഷ് (Barry C. Barish) എന്നിവർക്ക് ഈ വർഷത്തെ നോബൽ സമ്മാനം നൽകി ആദരിച്ചിരിക്കുന്നു. ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ തരംഗങ്ങളെയും അവയെ കണ്ടെത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളെയും പറ്റി വായിക്കുക.

.

[dropcap]1905[/dropcap]-ൽ ഐൻസ്റ്റൈൻ അവതരിപ്പിച്ച സവിശേഷ ആപേക്ഷിക സിദ്ധാന്തത്തിൽ (Special theory of Relativity)രണ്ട് പ്രധാന പ്രശ്നങ്ങൾ ഉണ്ടായിരുന്നു. ഒന്നാമതായി, ഈ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരം ഭൗതികമായ ഒന്നിനും പ്രകാശത്തേക്കാൾ വേഗത്തിൽ സഞ്ചരിക്കാൻ സാധിക്കില്ല. ഇത് ന്യൂട്ടന്റെ ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമ പ്രകാരം പിണ്ഡമുള്ള വസ്തുക്കൾ പരസ്പരം ആകർഷിക്കുന്നത് ഒട്ടും സമയം എടുക്കാതെ ഉടനടി സംഭവിക്കുന്നതാണെന്ന (instantaneous) സിദ്ധാന്തത്തെ ഖണ്ഡിക്കുന്നു. രണ്ടാമത്തെ പ്രശ്നം ആപേക്ഷിക സിദ്ധാന്തം പരസ്പരം സ്ഥിര വേഗത്തിൽ (constant velocity) സഞ്ചരിക്കുന്ന രണ്ട് വ്യവസ്ഥകൾ (intertial frames) തമ്മിലുള്ള താരതമ്യ പഠനത്തിനേ ഉപകരിക്കൂ എന്നതായിരുന്നു. ഇവ പരിഹരിക്കാനായി നീണ്ട പത്ത് വർഷമെടുത്ത് അദ്ദേഹം ഒരു പൊതു ഗുരുത്വാകർഷണ സിദ്ധാന്തം (General Relativity) കൊണ്ട് വന്നു.

1907-ൽ ഒരു വാർഷികപ്പതിപ്പിനു വേണ്ടി ആപേക്ഷിക സിദ്ധാന്തപ്പറ്റി ബേണിലുള്ള സ്വിസ്സ് പേറ്റന്റ് ഓഫീസിലിരുന്ന് എഴുതുമ്പോഴാണ് ഇതിലേക്ക് നയിച്ച ആ മനോഹരമായ ചിന്ത അദ്ദേഹത്തിനു ഉണ്ടായത്. ഒരു ലിഫ്റ്റിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന ഒരാൾക്ക് പെട്ടെന്നത് പൊട്ടി വീണാൽ എന്തായിരിക്കും അനുഭവിക്കാനാവുക എന്നാലോചിച്ച അദ്ദേഹത്തിന്, ഇതിൽ നിന്നും തുല്യതാ സിദ്ധാന്തം (Principle of Equivalence) എന്ന മഹത്തായ ഒരു ആശയം വാർത്തെടുക്കാൻ കഴിഞ്ഞു. പൂർണ്ണമായും അടച്ചുകെട്ടിയ ഒരു ലിഫ്റ്റിൽ പുറം ലോകവുമായി ബന്ധമില്ലാതെ ഇരിക്കുന്ന ഒരാൾക്ക് തനിക്ക് തറയിൽ ചവിട്ടി നിൽക്കാൻ സാധിക്കുന്നത് ഭൂഗുരുത്വബലം തന്നെ താഴേക്ക് വലിക്കുന്നത് കൊണ്ടാണോ അതോ ഗുരുത്വാകർഷണ ബലമൊന്നും ഇല്ലാത്ത  ഒരിടത്ത് ആരെങ്കിലം ഈ ലിഫ്റ്റിനെ ഭൂഗുരുത്വത്തിനു തുല്യമായ  ബലത്തിൽ മേൽപ്പോട്ട് വലിക്കുന്നതുകൊണ്ടാണോ എന്ന് തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയില്ല എന്ന നിഗമനത്തിലാണ് ഐൻസ്റ്റൈൻ ഒടുവിൽ എത്തിയത്

പൊതു ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം (General Theory of Relativity)

പിന്നീട് നാലു വർഷത്തേക്ക് കാര്യമായ പുരോഗതി ഇക്കാര്യത്തിൽ ഉണ്ടായില്ല. ഇക്കാലമത്രയും പ്രകാശ കണികകളിൽ ശ്രദ്ധ പതിപ്പിച്ച ഐൻസ്റ്റൈൻ 1911-ൽ “പ്രകാശത്തിന്റെ സഞ്ചാരത്തിൽ ഗ്രാവിറ്റിയുടെ സ്വാധീനം” എന്ന പ്രസിദ്ധീകരണത്തിന്റെ തുടർച്ചയായി നടത്തിയ കണക്ക് കൂട്ടലുകൾ വഴി സൂര്യന്റെ ആകർഷണത്തിന് അതിനടുത്തു കൂടി കടന്നു പോകുന്ന പ്രകാശ രശ്മികളെ ഒരു ആർക് സെക്കണ്ടിന്റെ 0.83 ഭാഗം (0.83 arc second) വ്യതിചലിപ്പിക്കാൻ കഴിയും എന്ന് കണ്ടെത്തി. ഇതിനദ്ദേഹം ന്യൂട്ടന്റെ പ്രകാശ കണികാ സിദ്ധാന്തമാണ് ഉപയോഗിച്ചത്. ഉത്തരം ശരിയോ എന്ന് വിലയിത്താനുള്ള പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്താൻ ശാസ്ത്രലോകത്തോട് അദ്ദേഹം ആഹ്വാനം ചെയ്യുകയും ചെയ്തു. പക്ഷെ ഇതിനു വേണ്ട സാഹചര്യം ഉണ്ടാകുന്നതിന് മുന്നേ ഒന്നാം ലോക യുദ്ധം പൊട്ടിപ്പുറപ്പെട്ടു [1].

പണ്ട് ഗണിതശാസ്ത്രത്തിൽ കാണിച്ച ഉപേക്ഷ  ഐൻസ്റ്റൈനു ഇക്കാലയളവിൽ ഒരു ന്യൂനതയായി അനുഭവപ്പെടാൻ തുടങ്ങി. പ്രത്യേകിച്ചും കാലം തള്ളിക്കളഞ്ഞ ന്യൂട്ടന്റെ ആശയം ഉപയോഗിക്കേണ്ടി വന്നപ്പോൾ അതല്ല ശരിയെന്ന് കാണിക്കാൻ തനിക്കറിയാവുന്ന ഗണിതം പോരാതെ വന്നു. അങ്ങനെ അദ്ദേഹം സൂറിക്കിലേക്ക് മടങ്ങി തന്റെ ആത്മമിത്രമായ മാഴ്സൽ ഗ്രോസ്സ്മാന്റെ (Marcel Grossmann) സഹായം തേടി. ആപേക്ഷിക സിദ്ധാന്തം സ്ഥലവും (space) കാലവും (time) വേറിട്ട് കാണേണ്ട ഒന്നല്ല, പകരം ഒന്നായി കാണേണ്ട ഒന്നാണ് (space-time) എന്ന് സ്ഥാപിച്ചിരുന്നു , ഐൻസ്റ്റൈന്റെ ഗണിതാദ്ധ്യാപകനായിരുന്ന ഹെർമൻ മിങ്കോവ്സ്കി (Herman Minkowski). ഇതിനു വേണ്ട ഗണിതം അദ്ദേഹം രൂപപ്പെടുത്തിയിരുന്നു. എന്നാൽ ഗ്രാവിറ്റി എന്നാൽ ഈ സ്പേസ്-ടൈമിന്റെ വക്രത (curvature) ആണെന്നതായിരുന്നു സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ കണ്ടെത്തൽ. ഇത് സ്ഥാപിക്കാനാവശ്യമായ ഗണിതം ഗൗസും (Carl Friedrich Gauss) ശിഷ്യനായ ബെർണാഡ് റീമാനും (Bernhard Riemann) ചേർന്ന് രൂപപ്പെടുത്തിയ നോൺ-യൂക്ലീഡിയൻ ജ്യോമട്രി ആണെന്ന് ഗ്രോസ്സ്മാൻ ബോദ്ധ്യപ്പെടുത്തി.

ഈ വക്രലോകത്തിന്റെ ഗണിതം കൈകാര്യം ചെയ്യാനുള്ള ആയുധമായി അവർ ഉപയൊഗിച്ചത് ഇറ്റാലിയൻ ഗണിത ശാസ്ത്രജ്ഞരായ റിക്കിയും (Gregorio Ricci-Curbastro) ലെവി-സിവിറ്റയും (Tullio Levi-Civita) അവതരിപ്പിച്ച ടെൻസർ ഗണിതത്തിന്റെ പരിഷ്കരിച്ച രൂപമാണ്.  ഭൗതിക ശാസ്ത്ര തത്വങ്ങൾ എവിടെയും ഒരു പോലെ ആയിരിക്കണം എന്ന  പൊതു തത്ത്വവും മുന്നോട്ട് വയ്ക്കാൻ സാധിച്ചു. 1915, നവമ്പർ 25-ന് “The Field Equations of Gravitation,” എന്ന ഒരു പ്രഭാഷണത്തിൽ ഗ്രാവിറ്റിയുടെ പൊതു നിയമം ഒരു ഫീൽഡ് സമവാക്യം (Field Equation) ആയി അദ്ദേഹം അവതരിപ്പിച്ചു. ലളിതമായ ഭാഷയിൽ പറഞ്ഞാൽ ഇലാസ്തികതയുള്ള ഒരു പ്രതലത്തിൽ ഒരു ഭാരമുള്ള പന്ത് വച്ചാൽ അതുണ്ടാക്കുന്ന കുഴിയിലേക്ക് ആ പരിസരത്തുള്ള ചെറിയ വസ്തുക്കളെല്ലാം വീഴും. അതായത് ഭാരമുള്ള വസ്തുക്കൾ പരസ്പരം സ്പേസ്-ടൈമിൽ സൃഷ്ടിക്കുന്ന വക്രത മൂലമുള്ള പരസ്പര പതനമാണ് ഗുരുത്വാകർഷണം. ഇങ്ങിനെ നോക്കിയാൽ സൂര്യൻ സൃഷ്ടിക്കുന്ന വക്രതയിലേക്ക് ഭൂമി സഞ്ചരിക്കുന്നതിനെയാണ് ഭ്രമണം എന്ന് നമ്മൾ വിളിക്കുന്നത്. ഓർത്തിരിക്കേണ്ട പ്രധാന കാര്യം ഇങ്ങിനെ ഉണ്ടാകുന്ന വക്രത സ്ഥലവും കാലവും ഒന്ന് ചേരുന്ന നാലു മാനങ്ങൾ (Four Dimensions) ഉള്ള ഒരു ലോകത്താണ് അനുഭവവേദ്യമാകുന്നത്, അല്ലാതെ നമ്മുടെ ഇന്ദ്രിയങ്ങൾക്ക് നേരിട്ട് വഴങ്ങുന്ന തലത്തിലല്ല എന്നതാണ്.

 

ഈ കണ്ടെത്തലുകൾ ക്രോഡീകരിച്ചാൽ പരസ്പര പൂരകങ്ങളായ രണ്ട് ചോദ്യങ്ങൾക്ക് ഉത്തരം ലഭിക്കും [1]:

1. ഗുരുത്വാകർഷണ പ്രഭാവം എങ്ങിനെയാണ് പിണ്ഡമുള്ള പദാർത്ഥങ്ങളെ സ്വാധീനിച്ച് അവയെ ചലിപ്പിക്കുന്നത്?

2. പിണ്ഡമുള്ള പദാർത്ഥങ്ങൾ എങ്ങിനെ സ്ഥലകാലത്തിൽ ഗുരുത്വാകർഷണ പ്രഭാവം സൃഷ്ടിച്ച് അതിനെ വക്രതയുള്ളതാക്കുന്നു?

“ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമം പോലെ ഒന്നിന്റെ പ്രസക്തിയെന്തെന്നാൽ, പ്രപഞ്ചത്തിന് ഒന്നുമില്ലായ്മയിൽ നിന്ന് സ്വയം സൃഷ്ടിക്കാൻ സാധിക്കുമെന്നതാണ്.” – സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിങ്.

 

സ്റ്റീഫൻ ഹോകിങ്ങ് സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ പ്രപഞ്ചത്തിനു സ്വയം സൃഷ്ടിക്കാൻസാധിക്കും, അതിന്റെ പിന്നിലൊരു അദൃശ്യ ശക്തി ആവശ്യമില്ല എന്നത് തന്നെയാണ് ഇതിന്റെ ഏറ്റവും വലിയ മഹത്വം.

അങ്ങിനെ 36 വയസ്സുള്ള ഐൻസ്റ്റൈൻ മനുഷ്യചരിത്രത്തിൽ പ്രപഞ്ചത്തെപ്പറ്റിയുള്ള ഏറ്റവും ഭാവനാപരവും, അതോടൊപ്പം നാടകീയവുമായ ആശയം ലോകത്തിനു മുമ്പാകെ അവതരിപ്പിച്ചു. അദ്ദേഹം ഇതിൽ നിന്നും നടത്തിയ കണക്കു കൂട്ടലുകളും, പ്രവചനങ്ങളും ഇന്നും ശാസ്ത്രത്തെ വിസ്മയിപ്പിക്കുന്നവയാണ്.

 

തമോ ഗർത്തം (Black Hole)

തന്റെ ഈ സിദ്ധാന്തം വഴി ആധുനിക പ്രപഞ്ച വിജ്ഞാനീയം(cosmology) ഐൻസ്റ്റൈൻ സ്ഥാപിച്ചു എന്ന് പറയാം. ഈ പുതിയ ശാഖയിൽ ആദ്യത്തെ ചുവടു വയ്പ്പ് നടത്തിയത് പ്രശസ്ത ഗണിതജ്ഞനും, ജ്യോതിശാസ്ത്രജ്ഞനുമായിരുന്ന കാൾ ഷ്വാർത് സ്ചൈൽഡ് (Karl Schwarzschild) ആയിരുന്നു. 1916 ജനുവരിയിൽ തന്നെ ബുധ ഗ്രഹത്തിന്റെ (Mercury) ഭ്രമണപഥം എങ്ങനെ കൃത്യമായി ഐൻസ്റ്റൈന്റെ സമവാക്യം പ്രവചിക്കുന്നു എന്ന് ഷ്വാർത് സ്ചൈൽഡ് ഐൻസ് റൈറന് എഴുതി. ഐൻസ്റ്റൈൻ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് നടത്തിയ മറ്റൊരു നിഗമനം ഒരു നക്ഷത്രം അതിന്റെ തന്നെ ഗൂരുത്വാകർഷണത്താൽ ഒരു  പരിധിക്കുള്ളിലേക്ക് ചുരുങ്ങിയാൽ എല്ലാ കണക്കുകളും തെറ്റുന്നു എന്നതായിരുന്നു. ഈ പരിധിയെ ഷ്വാർത് സ്ചൈൽഡ് അർദ്ധവ്യാസം (Schwarzschild radius) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഈ പരിധിക്കുള്ളിൽ സ്ഥലകാലം അഥവാ സ്പേസ്-ടൈം അനന്തമായ വക്രത പ്രാപിക്കുന്നതായി കാണാം. അതിന്റെ ഫലമായി, പ്രകാശമടക്കം ഒന്നിനും  ആകർഷണവലയത്തിൽ നിന്നും പുറത്ത് കടക്കാനാവില്ല എന്ന് വരുന്നു. സമയം ചലിക്കാതെയാവും എന്നതും ഇതിന്റെ മറ്റൊരു വശമാണ്. സൂര്യനെപ്പോലുള്ള നക്ഷത്രത്തെ നാലു മൈൽ വ്യാസത്തിനുള്ളിലേക്ക് ചുരുക്കിയാൽ ഈ പരിധിയിൽ എത്താൻ കഴിയും.  ഭൂമിക്കിത് ഒരിഞ്ച് വ്യാസത്തിനുള്ളിൽ ഒതുങ്ങേണ്ടി വരും. എന്നാൽ ഇവ രണ്ടിനും ഇത്ര ശക്തിയുള്ള ഒരു ആകർഷണം സൃഷ്ടിക്കാനുള്ള പിണ്ഡം ഇല്ല.

 

ഈ ഫലം ശരിക്കും പ്രപഞ്ചത്തിലുള്ള ഒന്നാണെന്ന് ഐൻസ്റ്റൈൻ പിൽക്കാലത്തും വിശ്വസിച്ചിരുന്നില്ല. ഷ്വാർത് സ്ചൈൽഡ് സിംഗുലാരിറ്റി എന്ന ഈ പ്രതിഭാസം ഒരു ഭൗതിക യാഥാർത്ഥ്യം ആണെന്ന് ഷ്വാർത് സ്ചൈൽഡിന്റെ അകാല മരണത്തിനും, ഐൻസ്റ്റൈന്റെ ദേഹവിയോഗത്തിനും ശേഷം, 1960-കളിൽ ശാസ്ത്രജ്ഞരായ സ്റ്റീഫൻ ഹോകിങ്, റോജർ പെൻ റോസ്, ജോൺ വീലർ, ഫ്രീമാൻ ഡൈസൻ, കിപ് തോൺ തുടങ്ങിയവർ തെളിയിച്ചു. ഇതിന് ,ഒന്നും പുറത്ത് വിടാത്തത് എന്ന അർത്ഥത്തിൽ തമോ ഗർത്തം അഥവാ ബ്ലാക് ഹോൾ എന്ന വിശേഷണം ജോൺ വീലർ നൽകി. ഡൈസന്റെ അഭിപ്രായത്തിൽ ഐൻസ്റ്റൈന്റെ സിദ്ധാന്തം അതിന്റെ എല്ലാ ശക്തിയും വെളിപ്പെടുത്തുന്നത് ഒരു തമോ ഗർത്തത്തിന്റെ കാര്യത്തിലാണ്. വേറെങ്ങും സ്ഥലവും കാലവും ഇത്ര നന്നായി ഇഴ ചേർന്ന് വക്രത പ്രാപിക്കുന്നില്ല. പ്രപഞ്ചമാകെ ധാരാളം തമോഗർത്തങ്ങൾ ഉള്ളതായി ഇന്ന് കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്.

ഗുരുത്വാകഷണ തരംഗങ്ങൾ

പൊതു ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമത്തിന്റെ വെളിച്ചത്തിൽ ഐൻസ്റ്റൈനും മറ്റു ചിലരും ചേർന്ന് നടത്തിയ രണ്ട് പ്രധാന പ്രവചനങ്ങളായിരുന്നു ഗുരുത്വാകർഷണം ഒരു ലെൻസ് പോലെ പ്രവർത്തിച്ച് പ്രകാശസ്രോതസ്സുകളെ വ്യ

തിചലിപ്പിക്കുമെന്നതും, ഭാരമേറിയ ഗ്രഹങ്ങളോ നക്ഷത്രങ്ങളോ പരസ്പരം ആകർഷിക്കുന്നതിൽ ഉണ്ടാകുന്ന വ്യതിയാനങ്ങൾ സ്ഥലകാലത്തിൽ ( ജലോപരിതലത്തിൽ ഒരു കല്ലെടുത്തിട്ടാൽ ഉണ്ടാകുന്നത് പോലെ ) തരംഗങ്ങളായി സഞ്ചരിക്കുമെന്നതുമായിരുന്നു. ആദ്യത്തേത് ഗ്രാവിറ്റേഷണൽ ലെൻസിങ് എന്നും, രണ്ടാമത്തേത് ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങൾ (Gravtitational Waves) എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. ഈ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരം ഗുരുത്വാകർഷണ ബലം തരംഗങ്ങളായി സ്ഥലകാലത്തിൽ പ്രകാശവേഗത്തിൽ സഞ്ചരിച്ച് പ്രപഞ്ചം മുഴുവൻ എത്തും. അനുയോജ്യമായ ഉപകരണമുണ്ടെങ്കിൽ നമുക്കത് ഭൂമിയിൽ നിന്നും ദർശിക്കാനും സാധിക്കും. സ്ഥലകാലത്തെ കാര്യമായി വ്യതിചലിപ്പിക്കാൻ തമോ ഗർത്തങ്ങൾ, ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങൾ (Neutron Stars), വെള്ളക്കുള്ളന്മാർ (White Dwarf Stars) എന്നിവയുടെയൊക്കെ പരസ്പര കൂടിച്ചേരൽ, സൂപ്പർനോവ പ്രതിഭാസം (Supernovae Explosion) എന്നിങ്ങനെ വളരെ വലിയ  പ്രതിഭാസങ്ങൾക്കേ കഴിയൂ. കൂടാതെ പ്രപഞ്ചോത്പത്തി സമയത്ത് ഒരു വലിയ വിസ്പോടനം(Big Bang) നടന്നിട്ടൂണ്ടെങ്കിൽ അത് സ്ഥലകാലത്തിലുണ്ടാക്കിയ പ്രകമ്പനങ്ങളും നമുക്ക് ഇതേ രീതിയിൽ ദർശിക്കാൻ സാധിക്കണം. അവയ്ക്ക് പോലും ഭൂമിയിൽ ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസിന്റെ വലിപ്പത്തിന്റെയത്ര വ്യതിചലനമുണ്ടാക്കാനേ സാധിക്കൂ എന്ന് പറയുമ്പോഴാണ് ഈ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ട് മനസ്സിലാകുക.

 

ഗുരുത്വാകഷണ തരംഗങ്ങൾ

പൊതു ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമത്തിന്റെ വെളിച്ചത്തിൽ ഐൻസ്റ്റൈനും മറ്റു ചിലരും ചേർന്ന് നടത്തിയ രണ്ട് പ്രധാന പ്രവചനങ്ങളായിരുന്നു ഗുരുത്വാകർഷണം ഒരു ലെൻസ് പോലെ പ്രവർത്തിച്ച് പ്രകാശസ്രോതസ്സുകളെ വ്യ

തിചലിപ്പിക്കുമെന്നതും, ഭാരമേറിയ ഗ്രഹങ്ങളോ നക്ഷത്രങ്ങളോ പരസ്പരം ആകർഷിക്കുന്നതിൽ ഉണ്ടാകുന്ന വ്യതിയാനങ്ങൾ സ്ഥലകാലത്തിൽ ( ജലോപരിതലത്തിൽ ഒരു കല്ലെടുത്തിട്ടാൽ ഉണ്ടാകുന്നത് പോലെ ) തരംഗങ്ങളായി സഞ്ചരിക്കുമെന്നതുമായിരുന്നു. ആദ്യത്തേത് ഗ്രാവിറ്റേഷണൽ ലെൻസിങ് എന്നും, രണ്ടാമത്തേത് ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങൾ (Gravtitational Waves) എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. ഈ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരം ഗുരുത്വാകർഷണ ബലം തരംഗങ്ങളായി സ്ഥലകാലത്തിൽ പ്രകാശവേഗത്തിൽ സഞ്ചരിച്ച് പ്രപഞ്ചം മുഴുവൻ എത്തും. അനുയോജ്യമായ ഉപകരണമുണ്ടെങ്കിൽ നമുക്കത് ഭൂമിയിൽ നിന്നും ദർശിക്കാനും സാധിക്കും. സ്ഥലകാലത്തെ കാര്യമായി വ്യതിചലിപ്പിക്കാൻ തമോ ഗർത്തങ്ങൾ, ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങൾ (Neutron Stars), വെള്ളക്കുള്ളന്മാർ (White Dwarf Stars) എന്നിവയുടെയൊക്കെ പരസ്പര കൂടിച്ചേരൽ, സൂപ്പർനോവ പ്രതിഭാസം (Supernovae Explosion) എന്നിങ്ങനെ വളരെ വലിയ  പ്രതിഭാസങ്ങൾക്കേ കഴിയൂ. കൂടാതെ പ്രപഞ്ചോത്പത്തി സമയത്ത് ഒരു വലിയ വിസ്പോടനം(Big Bang) നടന്നിട്ടൂണ്ടെങ്കിൽ അത് സ്ഥലകാലത്തിലുണ്ടാക്കിയ പ്രകമ്പനങ്ങളും നമുക്ക് ഇതേ രീതിയിൽ ദർശിക്കാൻ സാധിക്കണം. അവയ്ക്ക് പോലും ഭൂമിയിൽ ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസിന്റെ വലിപ്പത്തിന്റെയത്ര വ്യതിചലനമുണ്ടാക്കാനേ സാധിക്കൂ എന്ന് പറയുമ്പോഴാണ് ഈ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ട് മനസ്സിലാകുക.

 

ഇതിന്റെ ആദ്യത്തെ തെളിവ് വരാൻ 1974 വരെ (ഐൻസ്റ്റൈന്റെ മരണത്തിനും 20 വർഷത്തിനു ശേഷം) കാത്തിരിക്കേണ്ടി വന്നു [1]. പ്യൂർട്ടൊ റിക്കോയിലെ അറെസിബോ വാനനിരീക്ഷണശാലയിലെ ഹൾസ് (Hulse), ടെയ്ലർ (Taylor) എന്നീ രണ്ട് ശാസ്ത്രജ്ഞർ രണ്ട് ബൈനറി പൾസറുകളെ കണ്ടെത്തി. അതായത് പരസ്പരം ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന രണ്ട് ഭീമൻ ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങളെ. ഇവയ്ക്ക് ഐൻസ്റ്റൈന്റെ നിഗമനങ്ങളെ പരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന കണക്കുകൂട്ടലിൽ ശാസ്ത്രലോകം ഇവയുടെ ഭ്രമണദൈർഘ്യം സൂക്ഷ്മമായി നിരീക്ഷിക്കാൻ തുടങ്ങി. എട്ട് വർഷത്തെ നിരീക്ഷണത്തിനു ശേഷം ഇവ പൊതു ആപേക്ഷിക സിദ്ധാന്തം കണക്കാക്കുന്ന നിരക്കിൽ പരസ്പരം അടുക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തി. ഇന്ന് വരെ, ഏകദേശം 40 വർഷത്തിനു മുകളിൽ ഇതിനെ നിരീക്ഷിച്ചതു വഴി ഇവ തീർച്ചയായും ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങൾ പുറത്ത് വിട്ട് ഊർജ നഷ്ടമുണ്ടാക്കുന്നു എന്ന് നിസ്സംശയം പറയാം. 1993-ൽ ഹൾസിനും ടെയ്ലർക്കും ഈ കണ്ടെത്തലന് നൊബേൽ സമ്മാനം ലഭിക്കുകയുമുണ്ടായി.

 

ഗുരുത്വ തരംഗങ്ങളുടെ കണ്ടെത്തൽ

ഗുരുത്വ തരംഗങ്ങൾ സ്ഥലകാല വ്യതിയാനങ്ങളായി സഞ്ചരിക്കും എന്ന് പറയുമ്പോൾ അവ രണ്ട് സ്ഥലകാലങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള ദൂരത്തിൽ  ഏറ്റക്കുറച്ചിലുണ്ടാക്കും എന്ന് മനസ്സിലാക്കാം. എന്നാൽ ഏറ്റവും ശക്തിയേറിയ തരംഗങ്ങൾ പോലും വളരെ വളരെ ചെറിയ വ്യതിയാനം മാത്രമേ ഭൂമിയിലെ സ്ഥലകാലത്തിൽ സൃഷ്ടിക്കുന്നുള്ളൂ.

ഈ ഉപകരണം ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങൾ ഒഴികെ, മറ്റെല്ലാ ഭൗമ, താപ സിഗ്നലുകളിൽ നിന്നും വിമുക്തമാണ്. ഇവയുടെ രണ്ട് കണ്ണാടികളൂം അതീവ ശൂന്യത (Extreme Vacuum) യിൽ

 

 

കേവല പൂജ്യത്തിനടുത്ത് (Absolute Zero) വരുന്ന ഊഷ്മാവിൽ സൂക്ഷിച്ചിരിക്കുന്നു. ഇതിനാൽ പ്രകാശ കണികകൾ കണ്ണാടിയിൽ ഉണ്ടാക്കാനിടയുള്ള ക്വാണ്ടം വ്യതിയാനങ്ങൾ പോലും ഒഴിവാക്കപ്പെടുന്നു. ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങളുടെ സാന്നിധ്യം ഉണ്ടെങ്കിൽ ഇതിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുന്ന പ്രകാശം ഓരോ നാലു കിലോമീറ്റർ യാത്രയിലും ഒരു ചെറിയ ഫേസ് വ്യതിയാനം ആർജ്ജിക്കുന്നു. പല തവണ സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ ഈ വ്യതിയാനം വർദ്ധിച്ച് ഡിറ്റക്ടറിൽ ഒരു ഇന്റർഫെറൻസ് സിഗ്നൽ ആയി ലഭിക്കുന്നു. ഈ സിഗ്നലിൽ നിന്നും കണ്ണാടികൾക്കിടയിലുണ്ടായ സ്ഥലകാല വ്യതിയാനവും അതിൽ നിന്നും ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങളുടെ ശക്തിയും മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയുന്നു. അങ്ങനെ 2015 സെപ്റ്റംബർ 14-ന് വളരെ കൃത്യതയോടെ ഐൻസ്റ്റൈൻ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ പ്രവചനവും, ലൈഗോ ഡിറ്റക്ടറുകളൂടെ കണ്ടെത്തലും തമ്മിൽ ഒന്നു ചേരുന്ന ആദ്യത്തെ ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗങ്ങളുടെ കണ്ടെത്തൽ നടന്നു. ഇവ സൃഷ്ടിക്കപ്പെട്ടത് 130 കോടി പ്രകാശവർഷം മുന്നേ നടന്ന രണ്ട് തമോഗർത്തങ്ങളുടെ കൂടിച്ചേരൽ മൂലമാണെന്ന് കണക്കാക്കുന്നു.

 

ഗുരുത്വാകർഷണ തരംഗ ജ്യോതിശാസ്ത്രം എന്ന ഒരു ശാഖ തന്നെ ഈ കണ്ടെത്തലുകളോടെ ഉരുത്തിരിഞ്ഞു. പ്രപഞ്ചോല്പത്തിയേക്കുറിച്ചുള്ള സിദ്ധാന്തങ്ങളും, അനുമാനങ്ങളും സ്ഥിരീകരിക്കാൻ ഈ ശാഖ ശാസ്ത്ര സമൂഹത്തെ സഹായിക്കും. തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്തുന്ന ദിശയിലേക്ക് മറ്റ് ടെലസ്കോപ്പുകളെ തിരിച്ച് വച്ച് നിരീക്ഷണം നടത്തുക വഴി ഇവയ്ക്ക് കാരണമായ തമോഗർത്തങ്ങൾ, ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങൾ ഇവയെയൊക്കെ നിരീക്ഷിക്കാനാകുമെന്നതാണ് ഇതിന്റെ ഒരു സവിശേഷത. ലൈഗോയോടൊപ്പം, ഗലീലിയോയുടെ സ്വന്തം നാടായ പിസയിൽ (Pisa), യൂറോപ്യ

ൻ ശാസ്ത്ര സമൂഹം സ്ഥാപിച്ച വിർഗോ (VIRGO) എന്ന നിരീക്ഷണശാലയും ഗുരുത്വ തരംഗ ങ്ങളെ കണ്ടെത്തുന്നതിൽ ഗണ്യമായ പങ്ക് വഹിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇതിനകം നാല് പ്രധാന തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്തിയതായി ലൈഗോ അറിയിപ്പ് നടത്തി. അവസാനത്തേത് 2017 ആഗസ്ത് മാസത്തിലാണ്. ആദ്യത്തേതിനേക്കാൾ വളരെ കൃത്യമായ നിരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്താൻ ഈ കാലയളവിൽ ഇവർക്ക് കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.

ഭൗതികശാസ്ത്ര നൊബേൽ – 2017

ഗുരുത്വ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താനാവുമെന്ന് കണക്കു കൂട്ടലുകൾ നടത്തിയ റൈനർ വൈസ് (Rainer Weiss), കിപ് തോൺ (Kip Thorne), ഇവരോടൊപ്പം ലൈഗോ (LIGO), വിർഗോ (VIRGO) എന്നീ പടുകൂറ്റൻ ശാസ്ത്ര ലബോറട്ടറികൾ ഒരുക്കി ഈ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താൻ കെല്പുള്ള അന്താരാഷ്ട്ര സംഘങ്ങളെ നയിച്ച ബാരി സി. ബാരിഷ് (Barry C. Barish) എന്നിവർക്ക് ഈ വർഷത്തെ നൊബേൽ സമ്മാനം നൽകി ആദരിച്ചിരിക്കുന്നു. കഴിഞ്ഞ വർഷം തന്നെ ഈ കണ്ടെത്തലിന് നൊബേൽ സമ്മാനം ലഭിക്കുമെന്ന് ലോകം കരുതിയിരുന്നെങ്കിലും അത് ദ്രവ്യത്തിന്റെ അവസ്ഥാന്തരങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച പഠനത്തിനാണ് ലഭിച്ചത്. മൂന്ന് വ്യക്തികൾക്കാണിത് ലഭിച്ചതെങ്കിലും, ലോകം കണ്ടിട്ടുള്ള ഏറ്റവും വലിയ ഒരു ശാസ്ത്ര കൂട്ടായ്മക്കാണ് ശരിക്കും ഇത് ലഭിച്ചതെന്ന് കാണാം. ഈ തരംഗങ്ങളെ കണ്ടെത്താനാവുമെന്ന് സ്ഥാപിച്ച്, ആയിരത്തോളം ശാസ്ത്രഞ്ജർ അടങ്ങുന്ന ഈ കൂട്ടായ്മയെ ഒന്നിപ്പിക്കുക എന്ന ദൗത്യം വഹിച്ചു എന്നതാണ് ഈ മഹദ് വ്യക്തിത്വങ്ങളെ ഇതിനർഹരാക്കിയത്. ശാസ്ത്രം, ഭൗതികശാസ്ത്രം പ്രത്യേകിച്ചും, വ്യക്തികൾക്ക് സ്വയം സാധ്യമായ ഗവേഷണ തലങ്ങളിൽ നിന്ന് കൂട്ടായ്മകൾക്ക് സാദ്ധ്യമായ വലിയ പ്രശ്നങ്ങളാണിന്ന് നേരിടുന്നതെന്ന് നമുക്കിതിൽ നിന്ന് വായിച്ചെടുക്കാം. എന്നിരിക്കിലും, ചില പ്രതിഭകളുടെ ചിന്താശകലങ്ങളിൽ വിരിഞ്ഞ സിദ്ധാന്തങ്ങളും, അനുമാനങ്ങളും ഒരു നൂറ്റാണ്ടിനുമിപ്പുറം ശാസ്ത്രസമൂഹത്തെ ഒന്നിച്ച് കൊണ്ട് വന്ന് ഉദ്ദീപിപ്പിക്കുന്നു എന്നത് ഒരു നിസ്സാര കാര്യമല്ല തന്നെ!

 

 

 

വിഷയാനുബന്ധം:

1. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/popular-physicsprize2017.pdf
2. “EINSTEIN: HIS LIFE AND UNIVERSE,” Walter Isaacson, Simon & Schuster, NY, 2007
2. https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
3. http://beta.bodhicommons.org/article/gravitational-waves
4. Brilliant.org. Retrieved 17:50, March 14, 2016, from https://brilliant.org/wiki/gravitational-waves/
5. A. Einstein, The Field Equations of Gravitation, Session on the physical-mathematical class on November 25, 1915.
6. Images from https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave under Creative Commons licensing for reuse and modification.
7. B.P. Abbott, et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. PRL 116, 061102 (2016).
8. K. McLin, C. Peruta, and L. Cominsky. Direct Observation of Gravitational Waves: Educator’s Guide. SSU Education and Public Outreach Group, Sonoma State University, Rohnert Park, CA. https://dcc.ligo.org/public/0123/P1600015/004/LIGOEdGuide_Final.pdf