മാക്സ് പ്ലാങ്കും ക്വാണ്ടവും.

പി.ആർ.മാധവപ്പണിക്കർ
ഏറ്റവും മൗലികമായ സംഭാവനകൾകൊണ്ട് ശാസ്ത്രചിന്തയിൽ വിപ്ലവകരമായ പുത്തൻ പാതകൾ തുറന്ന പ്രതിഭകളായിരുന്നു ഗലീലിയോ, ന്യൂട്ടൺ, ഐൻസ്റ്റൈൻ എന്നിവർ. അവർക്കൊപ്പം, ഒരുപക്ഷേ നെല്ലിടയെങ്കിലും ഉയരത്തിൽ, സ്ഥാനം നൽകാവുന്ന ഒരു മഹാഭൗതികജ്ഞന്റെ ഓർമദിനമാണിന്ന്. മാക്സ് കാൾ ഏൺസ്റ്റ് ലുദ്വിക് പ്ലാങ്ക് (Max Karl Ernst Ludwig Planck) എന്നാണ് അദ്ദേഹത്തിന്റെ പേര്.
1858 ഏപ്രിൽ 23ന് ജനനം. 1947 ഒക്ടോബർ 4ന് മരണം. 42 വയസ്സുള്ളപ്പോളാണ് നിലവിലുണ്ടായിരുന്ന ശാസ്ത്രവിജ്ഞാനത്തെ മുഴുവൻ പിടിച്ചുകുലുക്കിയതും, ഭാവിയിൽ ഏതാണ്ട് എല്ലാ വിജ്ഞാനമേഖലകളിലേക്കും വ്യാപിച്ച് പ്രകാശം വിതറാൻ പോരുന്ന സിദ്ധാന്തങ്ങളിലേക്കു വഴി തെളിച്ചതുമായ, തന്റെ ഊർജസിദ്ധാന്തം അവതരിപ്പിച്ചത്. ഈ സിദ്ധാന്തമാണ് 18 വർഷം കഴിഞ്ഞ്, 1918ൽ അദ്ദേഹത്തിനെ ഭൗതികത്തിനുള്ള നൊബേൽ പുരസ്‌കാരത്തിന് അർഹനാക്കിയത്.
പ്രകാശശാസ്ത്രം (optics), താപഗതികം (thermodynamics), സാംഖ്യികബലതന്ത്രം (statistical mechanics) എന്നിങ്ങനെ വിവിധ ശാസ്ത്ര മേഖലകളിൽ എണ്ണപ്പെട്ട സംഭാവനകൾ നൽകിയിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, നൊബേൽ പുരസ്‌കാരത്തിലേക്ക് എത്തിച്ച ആ സിദ്ധാന്തംതന്നെയാണ് ഏറ്റവും മഹത്തരം. അതിനെപ്പറ്റി ചെറിയൊരു വിവരണം നൽകാം.
ഇടത്തു നിന്ന് വലത്തോട്ട് : വാർതർ നെർസ്റ്റ്, ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റീൻ, മാക്സ് പ്ലാങ്ക്, റോബർട്ട് ആൻഡ്യൂസ് മില്ലിക്കൺ, മാക്സ് വോൺ ലോ എന്നിവർ ബെർലിനിൽ 1931 നവംബർ 11ന് എടുത്ത ഫോട്ടോ കടപ്പാട് വിക്കിമീഡിയ
ഭൗതികത്തിലെ നിയമങ്ങളെ രണ്ടു വിഭാഗങ്ങളായി കാണാം: കേവലനിയമങ്ങളും സാംഖ്യികനിയമങ്ങളും. കേവലനിയമത്തിന് ഉദാഹരണമാണ് ഊർജസംരക്ഷണനിയമം. കേവലനിയമങ്ങൾ പ്രകൃതിനിയമങ്ങളാണ്. അവയെ നമുക്ക് ഒരുവിധത്തിലും ലംഘിക്കാനാവില്ല. സാംഖ്യികനിയമങ്ങൾ അങ്ങനെയല്ല. അവ ശരിയാവാൻ ചില വ്യവസ്ഥകൾ പാലിക്കപ്പെടണം. താപനില മാറാതെ സൂക്ഷിച്ചാൽ, ചാലകക്കമ്പിയിന്മേൽ കൊടുക്കുന്ന വോൾട്ടതയ്ക്ക് ആനുപാതികമായി അതിലൂടെ കറന്റ് ഒഴുകുന്നു എന്ന ഓം നിയമം സാംഖ്യികമാണ്. അധികവും സാംഖ്യികനിയമങ്ങളാണ്. കേവലനിയമങ്ങൾ വളരെ കുറവാണ്.
സ്കൂളിൽ പഠിക്കുമ്പോൾത്തന്നെ മാക്സ് പ്ലാങ്കിന് കേവലനിയമങ്ങളോട് വിശേഷാൽ താല്പര്യം തോന്നിയിരുന്നു. ഊർജസംരക്ഷണനിയമമെന്ന് സാമാന്യമായിപ്പറയുന്ന ഒന്നാം താപഗതികനിയമം ഒരു കേവലനിയമമാണെന്ന് ആ സ്കൂൾവിദ്യാർഥി വിലയിരുത്തി. കോളേജ് വിദ്യാഭ്യാസകാലത്ത്, എൻട്രൊപി നിയമം എന്ന് അറിയപ്പെടുന്ന രണ്ടാം താപഗതികനിയമത്തെപ്പറ്റി പഠിച്ചപ്പോൾ അതും ഖണ്ഡിക്കപ്പെടാനാവാത്ത പ്രകൃതിനിയമംതന്നെ എന്ന് പ്ലാങ്ക് ചിന്തിച്ചു. അതുസംബന്ധിച്ചായിരുന്നു ഗവേഷണം. ആ ഗവേഷണപഠനങ്ങളാണ് പിൽക്കാലത്ത് അദ്ദേഹത്തെ ക്വാണ്ടംഭൗതികത്തിന്റെ ഉപജ്ഞാതാക്കളിൽ പ്രമുഖനാക്കി മാറ്റിയ കണ്ടെത്തലിനു കാരണമായത്. ഏത് ഊർജരൂപവും പ്രസരിക്കുന്നത് തുടർച്ചയായല്ല, മുറിഞ്ഞു മുറിഞ്ഞ് കുഞ്ഞു കുഞ്ഞു പായ്ക്കറ്റുകളായാണ് എന്നതാണ് ആ സുപ്രധാന കണ്ടുപിടിത്തം. അത്തരം മൈക്രോ മിനി ഊർജപായ്ക്കറ്റിന് അദ്ദേഹം ക്വാണ്ടം എന്ന് പേരു നൽകി. അതിലേക്കു നയിച്ച ചരിത്രം കൂടി ചുരുക്കത്തിൽ പറയാം.
കിർചൊഫ് (Gustav Kirchhoff)
താപഗതികത്തിൽ വളരെ പ്രസക്തിയുള്ള ഒരു സങ്കല്പനമാണ് ബ്ലാക്ക്ബോഡി. ഇതിൽ വീഴുന്ന ഏത് തരംഗദൈർഘ്യത്തിലുള്ള ഊർജത്തേയും പൂർണമായും അവശോഷിപ്പിക്കുന്നു എന്നതാണ് ബ്ലാക്ക് ബോഡിയുടെ സവിശേഷത. എല്ലാ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിലും തുല്യ അളവിൽ വികിരണമുത്സർജിക്കാനും, നിർവചനപ്രകാരം, ബ്ലാക്ക് ബോഡിയ്ക്ക് കഴിയും. ഈ ആശയം ആദ്യമായി അവതരിപ്പിച്ചത് കിർചൊഫ് (Gustav Kirchhoff) എന്ന ഭൗതികജ്ഞനാണ്. നൂറുശതമാനവും ഈ നിർവചനമനുസരിക്കുന്ന ബ്ലാക്ക് ബോഡി സാധ്യമല്ല. അതിനോടു വളരെ അടുത്ത വസ്തുക്കളെ വരെ പരീക്ഷണശാലയിൽ സൃഷ്ടിച്ചിട്ടുണ്ട്, പ്രപഞ്ചത്തിൽ കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്.
കിർചൊഫിന്റെ ബ്ലാക്ക് ബോഡി അവതരണത്തെത്തുടർന്ന് പല ശാസ്ത്രജ്ഞരും വികിരണസ്പെക്ട്രങ്ങളെ കൂടുതൽ പഠനവിധേയമാക്കി. വികിരണങ്ങളുടെ തരംഗദൈർഘ്യവും ഉത്സർജിക്കപ്പെടുന്ന ഊർജവും തമ്മിലുള്ള കൃത്യമായ ബന്ധം (സ്പെക്ട്രവിതരണം) കണ്ടെത്തുകയായിരുന്നു ലക്ഷ്യം.
ഏതു വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കിയാലും അതിൽനിന്ന് ചൂടു പുറത്തേക്ക് വരുന്ന കാര്യം എല്ലാവർക്കും അറിയാം. അതിന്റെ സ്പെക്ട്രവിതരണം, പക്ഷേ, സാമാന്യബോധത്തിന്റെ ഭാഗമല്ല. ചൂടു കൂടിക്കൂടി ഒരു ഘട്ടം കഴിഞ്ഞാൽ വസ്തു തിളങ്ങുന്നതായും (ഇത് എളുപ്പം കാണാനാവുക ലോഹങ്ങൾ ചൂടാക്കുമ്പോഴാണ്) വീണ്ടും ചൂടു കൂടുമ്പോൾ തിളക്കത്തിന്റെ നിറം മാറുന്നതായും കാണാം. മൂശയിൽ ലോഹമുരുക്കിയൊഴിക്കുന്നതിന്റെ വീഡിയോ എങ്കിലും കണ്ടുകാണുമല്ലോ. നല്ല നിറത്തിലല്ലേ അത്. തരംഗദൈർഘ്യത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നതാണ് നിറം.
വികിരണത്തിന്റെ സ്പെക്ട്രവിതരണം എങ്ങനെ എന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ചിത്രം നോക്കൂ
ചിത്രത്തിൽ 300 K (കെൽവിൻ), 500 K, 1000 K, 2000 K എന്നീ താപനിലകളിലെ (273 കുറച്ചാൽ ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസ് കിട്ടും) ഊർജവിതരണമാണ് കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്. വലത്തേക്ക് തരംഗദൈർഘ്യം കൂടുന്നു. മുകളിലേക്കുള്ള അക്ഷത്തിൽ ഊർജം; അതിന്റെ യൂണിറ്റ് കാണിച്ചിട്ടില്ല; ഇവിടെ ഉദ്ദേശ്യം താരതമ്യം ചെയ്യ മാത്രം. രണ്ടു കാര്യങ്ങൾ ശ്രദ്ധിച്ചോളൂ.
  1. ഏതു താപനിലയിലായാലും ഓരോ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലും ഓരോ ഊർജമാണ്.
  2. താപനില വർധിക്കുമ്പോൾ, സ്പ്ക്ട്രത്തിൽ ഏറ്റവുമധികം ഊർജം കാണിക്കുന്ന ഉയർന്നിടം ഇടത്തേക്ക്, അതായത് കുറഞ്ഞ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലേക്ക് മാറുന്നു.

വളരെ പ്രാധാന്യമുള്ള ഒരു കണ്ടെത്തലായിരുന്നു ഇത്. വളരെ കൃത്യമായ നിരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ വിൽഹേം വെയ്ൻ (Wilhelm Wien) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ഇതു സംബന്ധിച്ച ഒരു നിയമവും കണ്ടെത്തി. ഏതു തരംഗദൈർഘ്യത്തിലാണോ പരമാവധി ഊർജവികിരണം, ആ തരംഗദൈർഘത്തെ അതിന്റെ താപനില കൊണ്ട് ഗുണിച്ചാൽ കിട്ടുന്നത് എപ്പോഴും ഒരേ സംഖ്യ ആണ്. ഇതിന് വെയ്നിന്റെ സ്ഥാനമാറ്റനിയമം (Wien’s displacement law) എന്നാണ് പറയുന്നത്. വിദൂരങ്ങളിലെ നക്ഷത്രങ്ങളുടേയും ഉയർന്ന താപനിലകളിലുള്ള ചൂളകളുടേയുംമറ്റും താപനില നിർണയിക്കാൻ ഈ നിയമം ഉപകരിക്കുന്നു.

ഓരോ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലുമായി വികിരണോർജം വിതരണം ചെയ്യപ്പടുന്നതിനെ കൃത്യമായി വിശദീകരിക്കുന്ന സിദ്ധാന്തം ആദ്യമായി ഉണ്ടാക്കിയത് മാക്സ് പ്ലാങ്ക് ആണ്. പ്ലാങ്കിന്റെ വികിരണനിയമം (Planck’s radiation law) എന്ന് ഇത് അറിയപ്പെടുന്നു.
ലുഡ്വിഗ് ബോൾട്സ്മാൻ (Ludwig Boltzmann)
അതിനുമുമ്പും ഇതിന് ചില നിയമങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയിരുന്നെങ്കിലും, ഒന്നുകിലത് കുറഞ്ഞ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിൽ പൊരുത്തം കാണിക്കില്ല, അല്ലെങ്കിൽ ഉയർന്ന തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിൽ പൊരുത്തപ്പടില്ല എന്നതായിരുന്നു സ്ഥിതി. എല്ലാ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിലും നല്ല പൊരുത്തമുള്ള നിയമം പ്ലാങ്ക് കണ്ടെത്തി. ഈ നിയമം ആവിഷ്ക്കരിക്കാനായി അതിപ്രധാനമായ ഒരു കാര്യം അദ്ദേഹത്തിന് ഊഹിച്ചെടുക്കേണ്ടിവന്നു. ഊർജം തുടർച്ചയായിട്ടല്ല, ക്വാണ്ടങ്ങളായാണ് ഉത്സർജിതമാകുന്നതും പ്രസരിക്കുന്നതും എന്നതായിരുന്നു ആ ഊഹിക്കൽ. ഭാഗ്യമുള്ള ഒരു ഭൂതോദയമായിരുന്നു അതെന്ന് (“a lucky intuition”) പ്ലാങ്ക്തന്നെ അതിനെപ്പറ്റി പറഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.
ക്വാണ്ടം എന്ന പുത്തൻ ആശയംമാത്രമല്ല വേണ്ടിവന്നത്. മുമ്പ്‌പറഞ്ഞല്ലോ, താപഗതികത്തിലെ ഒന്നാം നിയമത്തെപ്പോലെ, രണ്ടാം നിയമവും കേവലനിയമമാണെന്ന് പ്ലാങ്ക് കരുതിയെന്ന്. ആ ധാരണ തിരുത്തേണ്ടിവന്നു. വികിരണസ്പെക്ട്രം വിശദീകരിക്കുവാൻ ബോൾട്സ്മാൻ (Ludwig Boltzmann) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ രണ്ടാം നിയമത്തെ സാംഖ്യികമാണെന്നെടുത്ത് ഒരു വിതരണനിയമം അവതരിപ്പിച്ചിരുന്നു. പ്ലാങ്കും ആ സമീപനം സ്വീകരിച്ചു കൊണ്ടാണ് പുതിയ വികിരണവിതരണനിയമം ആവിഷ്ക്കരിച്ചത്. ഈ പുതിയ നിയമം ആവിഷ്ക്കരിക്കാനായി അദ്ദേഹം മറ്റൊരു അടിസ്ഥാനപ്രമാണംകൂടി അവതരിപ്പിച്ചു. ഓരോ ക്വാണ്ടത്തിലും എത്ര ഊർജമുണ്ട് എന്ന് ഒരു ലഘുവിവരണം നൽകി. ക്വാണ്ടത്തിലെ ഊർജം വികിരണത്തിന്റെ ആവൃത്തിയുമായി നേർ അനുപാതത്തിലാണ് എന്ന് അതിലളിതമായ വിശകലനത്തിലൂടെ അദ്ദേഹം സമർഥിച്ചു. വികിരണസ്പെക്ട്രം പ്ലാങ്കിന്റെ നിയമം കൃത്യമായി അനുസരിക്കുന്നു എന്ന് തെളിയിക്കപ്പെട്ടപ്പോൾ പ്ലാങ്കിന്റെ ഈ തത്വവും ശരിവയ്ക്കപ്പെട്ടു. ഒട്ടേറെ മറ്റു തെളിവുകളും പിൽക്കാലത്ത് ലഭിച്ചു. നേർ അനുപാതം കാണിക്കുന്ന സ്ഥിരാങ്കംകൂടി ഉൾപ്പെടുത്തി ഇങ്ങനെ എഴുതാം
ക്വാണ്ടത്തിലെ ഊർജം = h ഗുണം ആവൃത്തി. ഇതിലെ സ്ഥിരാങ്കമായ h അറിയപ്പെടുന്നത് പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം എന്നാണ്. ഭൗതികത്തിലെ പല സിദ്ധാന്തങ്ങളിലും വിശദീകരണങ്ങളിലും ഈ സ്ഥിരാങ്കം വളരെ പ്രാധാന്യത്തോടെ അവതരിക്കുന്നു. ഇത് ഒരു പ്രാപഞ്ചിക സ്ഥിരാങ്കമാണ്.

Leave a Reply