സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗിന്റെ സിദ്ധാന്തത്തിന് അര നൂറ്റാണ്ടിനു ശേഷം സ്ഥിരീകരണം.

Read Time:15 Minute

പി.കെ.ബാലകൃഷ്ണൻ

പ്രപഞ്ചത്തിൽ എല്ലാം തന്നെ ചില നിയമങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിക്കുന്ന അത്തരം ഒരു നിയമം 1971 ൽ ബ്രിട്ടീഷ് ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗ് കണ്ടെത്തി. ഈ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരമുള്ള ഒരു പ്രവചനം തമോഗർത്തങ്ങളുടെ സംഭവ ചക്രവാളത്തിന്റെ (event horizon) വിസ്തീർണം ഒരിക്കലും കുറയില്ല എന്നതാണ്. മാത്രമല്ല രണ്ടു തമോഗർത്തങ്ങൾ പരസ്പരം ലയിച്ചു ചേർന്ന് രൂപം കൊള്ളുന്ന മറ്റൊരു തമോഗർത്തത്തിന്റെ സംഭവചക്രവാളവിസ്തീർണം രണ്ടു തമോഗർത്തങ്ങളുടെയും സംഭവചക്രവാളങ്ങളുടെ മൊത്ത വിസ്ത്രീർണത്തിൽ കുറയില്ല എന്നുമാണ്. ഇതിനെ ഹോക്കിംഗിന്റെ ഏരിയ (വിസ്തൃതി ) സിദ്ധാന്തമെന്നാണ് വിശേഷിപ്പിക്കുന്നത്.

ഹോക്കിംഗിന്റെ ഈ സിദ്ധാന്തം 50 വർഷങ്ങൾക്കു ശേഷം മാസച്ചുസെറ്റ്സ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്നോളജിയിലെ ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ മാക്സിമിലിയാനോ ഇസി (Maximiliano Isi) യുടെ നേതൃത്വത്തിൽ ഒരു സംഘം ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഗുരുത്വതരംഗങ്ങളെ (gravitational waves) പഠന വിധേയമാക്കി സ്ഥിരീകരിച്ചിരിക്കയാണ്. അവരുടെ പഠനം സംബന്ധിച്ച റിപ്പോർട്ട് ഫിസിക്കൽ റിവ്യൂ ലെറ്റേഴ്സിൽ 2021 ജൂലൈ1 ന് പ്രസിദ്ധീകരിക്കുകയുണ്ടായി.

തമോഗർത്തങ്ങളെക്കുറിച്ചും ഹോക്കിംഗിന്റെ ഏരിയാ സിദ്ധാന്തത്തെക്കുറിച്ചും വിശദീകരിക്കണമെങ്കിൽ കഴിഞ്ഞ നൂറ്റാണ്ടിൽ ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലുണ്ടായ മൂന്നു പ്രധാനപ്പെട്ട സിദ്ധാന്തങ്ങളെക്കുറിച്ച് സൂചിപ്പിക്കേണ്ടതുണ്ട്. അവ

വിശേഷ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം (1905)
സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം (1915)
ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം (1926) എന്നിവയാണ്.

ഇവയിൽ ഒന്നും രണ്ടും സിദ്ധാന്തങ്ങൾ ആവിഷ്ക്കരിച്ചത് ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈനാണ്. മൂന്നാമത്തെ സിദ്ധാന്തത്തിന് പ്രേരകമായതും അദ്ദേഹം തന്നെ. ഊർജ പ്രസരണം ഊർജപ്പൊതികളുടെ(quanta) രൂപത്തിലാണ് നടക്കുന്നത് എന്ന് കണ്ടെത്തിയത് ജർമൻ ഭൗതിക ശാസ്ത്രഞ്ജനായ മാക്സ് പ്ലാങ്ക് (Max Planck) ആയിരുന്നു. അതുകൊണ്ട് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തിന്റെ ഉപജ്ഞാതാവ് എന്ന നിലയിൽ പരിഗണിക്കുന്നത് മാക്സ് പ്ലാങ്കിനെയാണ്.

ഈ ആശയവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട് പ്രകാശം ഊർജത്തിന്റെ പൊതികളായാണ് (photons) പ്രസരിക്കപ്പെടുന്നത് എന്ന് സ്ഥിരീകരിച്ചത് ഐൻസ് റ്റൈനായിരുന്നു. എന്നാൽ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സുമായി ബന്ധപ്പെട്ട അനിശ്ചിതത്വത്തിന്റെ ഘടകങ്ങൾ ഈ സിദ്ധാന്തത്തിൽ തൽപരനാവുന്നതിൽ ഐൻസ്റ്റീനെ വിമുഖനാക്കി. അദ്ദേഹം ആവിഷ്ക്കരിച്ച സാമാന്യആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി കൂടുതൽ സങ്കീർണമായ ക്ലാസിക്കൽ ഭൗതിക ശാസ്ത്ര സിദ്ധാന്തമായിരുന്നു. ഇതിനെ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സുമായി ചേർത്ത് നിർത്താൻ പ്രയാസവുമായിരുന്നു. എന്നാൽ 1930കൾക്കു ശേഷം ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സുമായി ബന്ധപ്പെട്ട നിരവധി പഠനങ്ങൾ നടക്കുകയുണ്ടായി. ഏറെ വികസിക്കുകയും പ്രായോഗിക തലത്തിൽ ഇന്ന് നാം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്ന വിവര വിനിമയ സാങ്കേതിക വിദ്യകളിലേക്കെല്ലാം സംഭാവനകൾ നൽകിയതുമായ ശാസ്ത്ര ശാഖയാണ് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം.

പിന്നീട് 1960 കളുടെ തുടക്കത്തിൽ നക്ഷത്രവ്യൂഹങ്ങളുടെ ആകെ പ്രകാശത്തിന്റെ പതിന്മടങ്ങ് ഊർജം പുറത്തു വിടുന്ന ക്വാസാറുകളുടെയും സൂപ്പർനോവ സ്ഫോടനങ്ങളുടെ അവശിഷ്ടങ്ങളായ ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങളുടെയും, സൗരയൂഥത്തിനപ്പുറമുള്ള X-റേ സ്രോതസ്സുകളുടെയും ഒക്കെ കണ്ടുപിടുത്തങ്ങൾ പ്രഞ്ചത്തിൽ പ്രബലമായ ഗുരുത്വാകർഷണ മണ്ഡലങ്ങൾ നിലനിൽക്കുന്നുവെന്നതിനുള്ള സൂചനകൾ നൽകി. ഇത് സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട പഠനങ്ങളിലേക്ക് ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞരെ ആകർഷിച്ചു.

1962 ൽ അമേരിക്ക വിക്ഷേപിച്ച ഒരു റോക്കറ്റിൽ ലഭിച്ച സിഗ്നലുകൾ വഴിയാണ് സൗരയൂഥത്തിനു പുറത്തുള്ള ആദ്യത്തെ X-റേ പ്രഭവം കണ്ടെത്തിയത്. X-റേ സ്രോതസ്സുകൾ അതിസാന്ദ്രതയുള്ള ന്യൂട്രോൺ നക്ഷത്രങ്ങളോ അല്ലെങ്കിൽ അവയേക്കാൾ എത്രയോ മടങ്ങ് സാന്ദ്രതയുള്ള തമോഗർത്തങ്ങളോ ആവാമെന്ന പരികല്പനകളും മുന്നോട്ടു വെക്കപ്പെട്ടു. എന്നാൽ അപ്പോഴും സ്ഥൂല പ്രഞ്ചവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട സാമാന്യ ആപേക്ഷിതാ സിദ്ധാന്തവും സൂക്ഷ്മ പ്രപഞ്ച(ആറ്റമിക തലത്തിലുള്ള) വുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തവും തമ്മിൽ ബന്ധപ്പെടുത്തുവാൻ കഴിഞ്ഞിരുന്നില്ല.

സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരം സ്ഥലവും കാലവും ചേർന്ന് സ്ഥലകാലം എന്ന ഒരു ചതുർമാന ഇടത്തെ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഈ ഇടം പരന്നുകിടക്കുന്ന ഒരു പ്രതലമല്ല. പകരം ദ്രവ്യവും ഊർജവും ചേർന്ന് വക്രീകരിക്കപ്പെട്ട ഒരു ഇടമാണ്. സ്ഥലകാലത്തിന്റെ ഈ വക്രീകൃതാവസ്ഥ മൂലം സൂര്യനു സമീപത്തു കൂടി പ്രവഹിക്കുന്ന പ്രകാശ രശ്മികളോ മറ്റു റേഡിയേഷനുകളോ നിരീക്ഷിച്ചാൽ അവ കുറച്ചു വളഞ്ഞാണ് സഞ്ചരിക്കുന്നത് എന്നു തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയും. 1915 ൽ ഐൻസ്റ്റൈൻ സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം മുന്നോട്ടുവെച്ചതിന്റെ തൊട്ടടുത്ത വർഷം തന്നെ കാൾ ഷ്വാർസ്ഷൈൽഡ് (Karl Schwarzschild) എന്ന ജർമൻ ഗണിത ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ഐൻസ്റ്റൈന്റെ ഫീൽഡ് സമവാക്യങ്ങളിൽ നിന്നും തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച ഗണിത ശാസ്ത്ര പരികല്പന രൂപപ്പെടുത്തുകയുണ്ടായി.

സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്ത പ്രകാരം പ്രകാശത്തേക്കാൾ വേഗത്തിൽ യാതൊന്നിനും സഞ്ചരിക്കാൻ കഴിയില്ല എന്നതിനാൽ തമോഗർത്തങ്ങളിൽ നിന്നും യാതൊന്നും പുറത്തു വരുന്ന അവസ്ഥയുണ്ടാവില്ല. അത്തരം ഒരു തമോഗർത്തത്തിന്റെ അതിർത്തി പ്രതലത്തെ സംഭവ ചക്രവാളം എന്നു വിശേഷിപ്പിക്കും. ഇത് പുറത്തേയ്ക്ക് പ്രവഹിക്കാൻ കഴിയാത്ത അവസ്ഥയിൽ പ്രകാശ രശ്മികൾ വളഞ്ഞ് തിരികെ സഞ്ചരിക്കുന്ന അഗ്രഭാഗമാണ്. ഇത്‌ സംഭവങ്ങൾ നിരീക്ഷകന് അനുഭവവേദ്യമല്ലാതായിത്തീരുന്ന പരിധിയായതു കൊണ്ടാണ് ഇതിനെ സംഭവ ചക്രവാളം എന്നു വിളിക്കുന്നത്.

1970 കളുടെ തുടക്കത്തിൽ സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗ്, അമേരിക്കൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ജെയിംസ് മാക്സ്വെൽ ബാർഡീൻ(James M Bardeen), ആസ്ത്രേലിയൻ ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ബ്രാൻഡൺ കാർട്ടർ (Brandon Carter) എന്നിവരുടെ നേതൃത്വത്തിൽ തമോഗർത്തങ്ങളെക്കുറിച്ചു നടത്തിയ പഠനങ്ങളിൽ അവയുടെ സ്വഭാവവും താപഗതിക സിദ്ധാന്ത നിയമങ്ങളും തമ്മിൽ ചില സമാനതകളുള്ളതായി കണ്ടെത്തി. ഇതാണ് പിന്നീട് തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച താപഗതിക സിദ്ധാന്തങ്ങളായി (black hole thermodynamics) വികസിച്ചത്.

താപഗതിക സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ രണ്ടാം നിയമപ്രകാരം ഒരു വസ്തുവിന്റെ ക്രമരാഹിത്യത്തിൻ്റെ അളവായ എൻട്രോപ്പി (entropy) ഒരിക്കലും കുറയുകയില്ല. ഇതിന് സമാനമായ ഒരു സിദ്ധാന്തമാണ് 1971 ൽ സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗ് തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച് മുന്നോട്ടു വെച്ച സംഭവ ചക്രവാളങ്ങളുടെ വിസ്തീർണം സംബന്ധിച്ച ബ്ലാക് ഹോൾ ഏരിയാ സിദ്ധാന്തം.

തുടർന്ന് 1974 ൽ തമോഗർത്തങ്ങൾക്കകത്ത് അവയുടെ സംഭവചക്രവാളത്തിന്റെ വിസ്തീർണത്തിന് ആനുപാതികമായ എൻട്രോപ്പി ഉണ്ടെന്നും അവയുടെ പ്രതലഗുരുത്വത്തിന് ആനുപാതികമായ താപനിലയിൽ ചില വികിരണങ്ങൾ (radiations) പുറത്തേയ്ക്ക് വിടുമെന്നുമുള്ള ഒരു സിദ്ധാന്തവും ഹോക്കിംഗ് മുന്നോട്ടു വെച്ചു. ഇവയെയാണ് ഹോക്കിംഗ് റേഡിയേഷൻസ് എന്ന് നാമകരണം ചെയ്തിട്ടുള്ളത്.ഇത് തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച മുൻ ധാരണകൾക്ക് വിരുദ്ധമായ ഒരാശയമായിരുന്നതിനാൽ ആദ്യമൊന്നും ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെയിടയിൽ ഇതിന് വേണ്ടത്ര സ്വീകാര്യതയുണ്ടായിരുന്നില്ല.

ഹോക്കിംഗി ന്റെ തമോഗർത്തങ്ങളെ സംബന്ധിച്ച ഏരിയാ സിദ്ധാന്തം ഗണിത ശാസ്ത്രത്തിന്റെ സഹായത്താൽ സ്ഥിരീകരിക്കപ്പെട്ടിരുന്നെങ്കിലും പരീക്ഷണം വഴി തെളിയിക്കാൻ കഴിഞ്ഞിരുന്നില്ല. 2015 സപ്തംബർ 14 ന് ലേസർ ഇന്റർഫെറോമീറ്റർ ഗ്രാവിറ്റേഷനൽ വേവ് ഒബ്സർവേറ്ററി (LIGO) ആദ്യമായി കണ്ടെത്തിയതും GW 150914 എന്ന് നാമകരണം ചെയ്യപ്പെട്ടതുമായിരുന്ന ഗുരുത്വ തരംഗത്തെ പഠന വിധേയമാക്കിയാണ് ഹോക്കിംഗിന്റെ തമോഗർത്തങ്ങൾ സംബന്ധിച്ച ഏരിയ സിദ്ധാന്തം ഇപ്പോൾ സ്ഥിരീകരിച്ചത്. 2015 ൽ LIGO ആദ്യമായി ഗുരുത്വ തരംഗങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയതറിഞ്ഞ ഉടനെ സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗ് LIGO സ്ഥാപകരിൽ ഒരാളും ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനുമായ കിപ് തോണി (Kip Thorne) നെ വിളിച്ച് തന്റെ സിദ്ധാന്തം സ്ഥിരീകരിക്കപ്പെട്ടോ എന്നു ചോദിച്ചിരുന്നത്രെ.

പിന്നീട് 2019 ൽ MIT യിലെ കാവ്‌ലി ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ആസ്ട്രോ ഫിസിക്സ് ആന്റ് സ്‌പെയിസ് റിസേർച്ചസിലെ ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ മാക്സിമിലിയാനോ ഇസി യുടെ നേതൃത്വത്തിൽ ഗുരുത്വ തരംഗങ്ങളെ വിശകലനം ചെയ്ത് പഠനവിധേയമാക്കാൻ ഒരു പുതിയ സങ്കേതം വികസിപ്പിക്കുകയായിരുന്നത്രെ. അതു പ്രകാരം തമോഗർത്തങ്ങളുടെ കൂടിച്ചേരൽ സന്ദർഭത്തിലെ GW150914 എന്ന ഗുരുത്വ തരംഗത്തെ, കൂടിച്ചേരലിന് മുൻപും പിൻപും എന്ന നിലയിൽ വിഭജിച്ചുള്ള പഠനങ്ങളാണ് നടന്നത്. രണ്ടു തമോഗർത്തങ്ങളും കൂടിച്ചേരുന്നതിനു മുമ്പ് അവയുടെ പിണ്ഡവും സ്പിന്നും അളന്ന് അതിൽ നിന്നും അവയുടെ സംഭവ ചക്രവാളവിസ്തീർണം കണക്കാക്കുകയായിരുന്നു. അങ്ങിനെ കണക്കാക്കിയ അവയുടെ മൊത്ത വിസ്തീർണം ഏതാണ്ട് 235000 ചതുരശ്ര കിലോമീറ്ററാണെന്നു കണ്ടെത്തി. ഇതേ രീതിയിൽ തന്നെ കൂടിച്ചേരലുകൾക്കു ശേഷമുള്ള തമോഗർത്തതന്റെ പിണ്ഡവും കോണീയസംവേഗവും അളന്ന് അതിൽ നിന്നും സംഭവ ചക്രവാള വിസ്തീർണം കണക്കാക്കിയപ്പോൾ അത് ഏതാണ്ട് 367000 ചതുരശ്ര കിലോമീററാണെന്നും കണ്ടെത്തി. ഇതുപ്രകാരം തമോഗർത്തങ്ങളുടെ കൂടിച്ചേരലിനു ശേഷമുള്ള സംഭവ ചക്രവാള വിസ്തീർണം അവയുടെ സംഭവചക്രവാളങ്ങളുടെ മൊത്ത വിസ്തീർണ്ത്തേക്കാൾ കൂടിയതായി കണ്ടെത്തിയിരിക്കുന്നു.

**ലേസർ ഇന്റർഫെറോമീറ്റർ ഗ്രാവിറ്റേഷനൽ വേവ് ഒബ്സർവേറ്ററി (LIGO)**, Livingston Parish, Louisiana.

അങ്ങനെ 50 വർഷങ്ങൾക്കു ശേഷം ഹോക്കിംഗിന്റെ ഏരിയാ സിദ്ധാന്തം നിരീക്ഷണം വഴി തെളിയിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. നിരീക്ഷണ പഠനത്തിനു നേതൃത്വം നൽകിയ MIT യിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ മാക്സിമിലിയാനോ ഇസി അഭിപ്രായപ്പെട്ടത് ‘പ്രപഞ്ചത്തിൽ ഇതുപോലെ അനേകം തമോഗർത്തങ്ങളും മറ്റു വസ്തുക്കളും ഐൻസ്റ്റൈന്റെയും ഹോക്കിംഗിന്റെയും സിദ്ധാന്തങ്ങൾ അനുസരിക്കുന്നവയായും അവയിൽ നിന്നും വ്യതിചലിക്കുന്നവയായും ഉണ്ടാകാം. അതുകൊണ്ട് ഇപ്പോഴത്തെ ഈ കണ്ടെത്തൽ തുടർന്ന് നടക്കേണ്ടുന്ന അനേകം പരീക്ഷണങ്ങളുടെ ആരംഭം മാത്രമായി കണ്ടാൽ മതി’ എന്നാണത്രെ.

സ്റ്റീഫൻ ഹോക്കിംഗ് ജീവിച്ചിരിപ്പുണ്ടായിരുന്നെങ്കിൽ അദ്ദേഹത്തെ ഈ കണ്ടെത്തൽ നൊബേൽ സമ്മാനത്തിന് അർഹനാക്കിയേനെ. ഹോക്കിംഗ് തന്നെ തന്റെ Brief Answers to the Big Questions എന്ന പുസ്തകത്തിൽ മരണാനന്തരം നൊബേൽ സമ്മാനം ലഭിക്കില്ല എന്നതിനാൽ തനിക്ക് ഇതിനുള്ള സാധ്യത ഉണ്ടാവില്ല എന്നെഴുതുകയുമുണ്ടായി.