தலைப்பு: காலம் ஒரு மாயை! ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீனின் சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு (Special Theory of Relativity) – ஓர் முழுமையான அலசல்

அறிமுகம்: பிரபஞ்சத்தின் விதிகளை மாற்றிய ஒரு மனிதன்

சிந்தனைமச்சி வாசகர்களுக்கு வணக்கம்! பிரபஞ்சத்தின் எண்ணற்ற ரகசியங்களையும், அறிவியல் ஆச்சரியங்களையும் நாம் தொடர்ந்து தேடி வருகிறோம். அந்த வகையில், இன்று நாம் விவாதிக்கப்போகும் தலைப்பு, மனிதகுலம் அதுவரை பிரபஞ்சத்தைப் பற்றி வைத்திருந்த அனைத்து நம்பிக்கைகளையும் சுக்குநூறாக உடைத்தெறிந்த ஒரு மாபெரும் அறிவியல் புரட்சியைப் பற்றியது.

எப்படி ஒளியால் மட்டும் பிரபஞ்சத்தில் இவ்வளவு வேகமாகப் பயணிக்க முடிகிறது? நாம் சுவாசிக்க காற்று இருப்பதைப்போல, ஒளி பயணிக்க ‘ஈதர்’ (Ether) என்ற ஒன்று உண்மையில் விண்வெளியில் இருக்கிறதா? நேரம் (Time) என்பது உலகத்தில் உள்ள அனைவருக்கும், அனைத்து இடங்களிலும் பொதுவான ஒன்றா? இந்தக் கேள்விகளுக்கெல்லாம் ஒற்றை விடையாக அமைந்ததுதான், ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் (Albert Einstein) உருவாக்கிய சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு (Special Theory of Relativity).

1905-ஆம் ஆண்டு, அறிவியல் வரலாற்றில் “அற்புத ஆண்டு” (Annus Mirabilis) என்று அழைக்கப்படுகிறது. அந்த ஆண்டு, சுவிட்சர்லாந்தில் உள்ள ஒரு காப்புரிமை அலுவலகத்தில் (Patent Office) சாதாரண எழுத்தராகப் பணியாற்றி வந்த 26 வயதான ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன், எந்தவொரு பெரிய ஆய்வகத்தின் உதவியும் இல்லாமல், தன்னுடைய மூளைக்குள் நடத்திய ‘கற்பனைச் சோதனைகள்’ (Thought Experiments) மூலம் நான்கு வரலாற்றுச் சிறப்புமிக்க ஆய்வுக் கட்டுரைகளை வெளியிட்டார். அதில் ஒன்றுதான் இந்தச் சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு. இது, சர் ஐசக் நியூட்டன் உருவாக்கியிருந்த பாரம்பரிய இயற்பியல் விதிகளையும் (Classical Mechanics), மனிதர்களின் பொது அறிவையும் (Common sense) அடியோடு மாற்றி புதிய சகாப்தத்தைத் தொடங்கியது.

இந்தக் கட்டுரை, சார்பியல் கோட்பாடு என்றால் என்ன என்பதை எந்தவொரு கடினமான கணிதச் சமன்பாடுகளும் இன்றி, மிகத் தெளிவாகவும் விரிவாகவும் உங்களுக்கு விளக்கப் போகிறது.

நாம் ஏன் சார்பியல் கோட்பாட்டைப் பற்றி அறிய வேண்டும்?

இது வெறும் பள்ளி அல்லது கல்லூரிப் பாடப்புத்தகத்தில் மனப்பாடம் செய்வதற்காக இருக்கும் ஒரு இயற்பியல் விதி மட்டுமல்ல; பிரபஞ்சம் எப்படி இயங்குகிறது என்பதை விளக்கும் மிக அடிப்படையான, ஆழமான விதியாகும். இதை அறிந்துகொள்வது பல வழிகளில் நமது சிந்தனையை மேம்படுத்தும்:

காலம் மற்றும் இடத்தின் உண்மையான முகம் (The True Nature of Space and Time): நியூட்டனின் கொள்கைப்படி காலம் (Time) மற்றும் இடம் (Space) ஆகியவை எவ்வித மாற்றமும் இல்லாதவை. பிரபஞ்சத்தில் நீங்கள் எங்கு இருந்தாலும் நேரம் ஒரே மாதிரியாகத்தான் நகரும் என்று பல நூற்றாண்டுகளாக நம்பப்பட்டது. ஆனால், அவை இரண்டும் ஒன்றை ஒன்று சார்ந்தவை மற்றும் பார்ப்பவரின் வேகத்தைப் பொறுத்து மாறக்கூடியவை என்பதை சார்பியல் உலகிற்கு உணர்த்தியது.
புதிய யோசனைகளைத் தூண்டுதல்: நேர விரிவாக்கம் (Time Dilation), நீளச் சுருக்கம் போன்ற சார்பியலின் கருத்துக்களைப் படிக்கும்போது, அது மனிதனின் கற்பனைத் திறனையும் (Imagination), தர்க்கரீதியான சிந்தனையையும் (Logical thinking) பல மடங்கு மேம்படுத்துகிறது.
பிரபஞ்சத்தின் மர்மங்களை அவிழ்த்தல்: கருந்துளைகள் (Black holes), பெருவெடிப்பு (Big Bang), நட்சத்திரங்களின் பிறப்பு-இறப்பு, மற்றும் விண்வெளிப் பயணம் ஆகியவற்றைப் புரிந்துகொள்ள சார்பியல் கோட்பாடு மிக முக்கியமான அடிப்படைத் தேவையாகும். இதை அறியாமல் பிரபஞ்சத்தின் எந்தவொரு பெரிய ரகசியத்தையும் நம்மால் புரிந்துகொள்ள முடியாது.

நியூட்டனின் உலகமும் ஐன்ஸ்டீனின் வருகையும்

சார்பியலைப் புரிந்துகொள்ள, முதலில் நியூட்டனின் உலகம் எப்படிச் செயல்பட்டது என்பதை நாம் தெரிந்துகொள்ள வேண்டும். 17-ஆம் நூற்றாண்டில் ஐசக் நியூட்டன் பிரபஞ்சத்தை ஒரு பிரம்மாண்டமான கடிகாரமாகப் பார்த்தார். அவருடைய உலகத்தில் இரண்டு விஷயங்கள் மிக உறுதியானவை:

முழுமையான இடம் (Absolute Space): பிரபஞ்சம் என்பது ஒரு பெரிய காலியான மேடை. அதில் பொருட்கள் நகருமே தவிர, அந்த மேடை (இடம்) எவ்வித மாற்றமும் அடையாது.
முழுமையான காலம் (Absolute Time): நேரம் என்பது பிரபஞ்சம் முழுவதும் ஒலிக்கக்கூடிய ஒரு பொதுவான கடிகாரம். பூமியில் ஒருவருக்கு ஒரு வினாடி ஆகிறது என்றால், பிரபஞ்சத்தின் கோடியில் இருக்கும் ஒரு வேற்று கிரகவாசிக்கும் அதே ஒரு வினாடிதான் கடந்திருக்கும்.

நமது அன்றாட வாழ்க்கையில் இது சரியாகத்தான் படுகிறது. உதாரணமாக, நீங்கள் ஒரு ரயிலில் மணிக்கு 50 கி.மீ வேகத்தில் பயணிக்கிறீர்கள். ரயிலுக்குள் இருந்து ஒரு பந்தை முன்னோக்கி 10 கி.மீ வேகத்தில் எறிகிறீர்கள். வெளியே பிளாட்பாரத்தில் நிற்கும் ஒருவருக்கு அந்தப் பந்து $50 + 10 = 60$ கி.மீ வேகத்தில் செல்வது போல் தெரியும். பார்வையாளரின் நிலையைப் பொறுத்து வேகம் மாறுபடும். இதுவே கலிலியன் சார்பியல் (Galilean Relativity) எனப்படுகிறது.

ஆனால், 1860-களில் ஸ்காட்லாந்தைச் சேர்ந்த ஜேம்ஸ் கிளார்க் மேக்ஸ்வெல் (James Clerk Maxwell) என்ற விஞ்ஞானி மின்காந்தவியலுக்கான (Electromagnetism) சமன்பாடுகளை வெளியிட்டார். ஒளி என்பது ஒரு மின்காந்த அலை என்றும், அது வெற்றிடத்தில் வினாடிக்கு சுமார் 3 லட்சம் கிலோமீட்டர் (துல்லியமாக 299,792 கி.மீ) வேகத்தில்தான் பயணிக்கும் என்றும் நிரூபித்தார்.

இங்குதான் பெரிய பிரச்சனை உருவானது! மேக்ஸ்வெல்லின் சமன்பாடுகள், “ஒளியின் வேகம் மாறவே மாறாது” என்று கூறின. ஆனால் நியூட்டன் விதிகளின்படி, “பார்வையாளரின் வேகத்தைப் பொறுத்து எல்லாப் பொருட்களின் வேகமும் மாறும்” என்று இருந்தது. இந்த இரண்டு மாபெரும் அறிவியல் கோட்பாடுகளுக்கும் இடையே ஏற்பட்ட மோதல்தான், ஐன்ஸ்டீனைப் புதிய கோணத்தில் சிந்திக்க வைத்தது.

ஈதர் (Ether) என்ற மாயையும், மைக்கேல்சன்-மோர்லி சோதனையும்

19-ஆம் நூற்றாண்டில் விஞ்ஞானிகளைப் பெரும் குழப்பத்தில் ஆழ்த்திய கேள்வி இதுதான்: “சத்தம் பயணிக்க காற்று என்ற ஊடகம் தேவை. கடல் அலைகள் பயணிக்க தண்ணீர் தேவை. அப்படியானால், விண்வெளியில் இருந்து சூரிய ஒளி பூமியை அடைய நடுவில் எந்த ஊடகமும் இல்லையே, ஒளி எப்படிப் பயணிக்கிறது?”

இந்தக் கேள்விக்குப் பதிலாக, விண்வெளி முழுவதும் கண்ணுக்குத் தெரியாத, எந்த எடையுமற்ற ஒரு மாய ஊடகம் நிரம்பி இருப்பதாக அவர்கள் கற்பனை செய்தார்கள். அதற்கு ‘லுமினிஃபெரஸ் ஈதர்’ (Luminiferous Aether) என்று பெயரிட்டார்கள். பூமியானது சூரியனைச் சுற்றி வரும்போது, இந்த ஈதர் கடலில் நீந்திச் செல்வதாகவே அவர்கள் நம்பினர்.

இதை நிரூபிக்க, 1887-ஆம் ஆண்டில் ஆல்பர்ட் மைக்கேல்சன் மற்றும் எட்வர்ட் மோர்லி (Michelson and Morley) ஆகிய இரண்டு விஞ்ஞானிகள் ஒரு பிரம்மாண்டமான சோதனையை வடிவமைத்தார்கள். பூமி ஈதருக்குள் நீந்திச் சென்றால், ஒளியின் திசையைப் பொறுத்து அதன் வேகத்தில் மிகச் சிறிய மாற்றமாவது ஏற்பட வேண்டும் என்று அவர்கள் கருதினர். இதற்காக ‘இன்டர்ஃபெரோமீட்டர்’ (Interferometer) என்ற மிக நுட்பமான கருவியைப் பயன்படுத்தினர்.

ஆனால் சோதனையின் முடிவு அனைவரையும் அதிர்ச்சியில் ஆழ்த்தியது. ஒளியின் வேகத்தில் துளியளவும் மாற்றம் இல்லை! முடிவு பூஜ்ஜியம். எந்தத் திசையில் அளந்தாலும் ஒளியின் வேகம் நிலையாகவே இருந்தது. இதன் மூலம் பிரபஞ்சத்தில் ‘ஈதர்’ என்ற ஒரு ஊடகமே இல்லை என்பது ஆணித்தரமாக நிரூபிக்கப்பட்டது. ஒளிக்கு எந்த ஊடகமும் தேவையில்லை, அது வெற்றிடத்திலும் அசுர வேகத்தில் பயணிக்கும் தன்மையுடையது என்ற உண்மை உலகிற்குத் தெரியவந்தது.

சிறப்பு சார்பியலின் இரண்டு அடிப்படைத் தூண்கள் (Two Core Postulates)

மைக்கேல்சன்-மோர்லி சோதனையின் முடிவும், மேக்ஸ்வெல்லின் சமன்பாடுகளும் ஐன்ஸ்டீனுக்குத் தெளிவான ஒரு வழியைக் காட்டின. அவர் தனது சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாட்டை இரண்டு மிக முக்கியமான விதிகளின் (Postulates) மீது கட்டமைத்தார். சார்பியல் கோட்பாட்டின் அத்தனை விசித்திரமான விளைவுகளும் இந்த இரண்டு விதிகளில் இருந்துதான் முளைக்கின்றன.

1. நிலைமக் குறிப்பாயத்தில் இயற்பியல் விதிகள் மாறாது (The Principle of Relativity)

பிரபஞ்சத்தில் எந்த ஒரு இடமும், எந்த ஒரு திசையும் மற்றொன்றை விடச் சிறப்பானது அல்ல. மாறாத வேகத்தில் (சீரான இயக்கத்தில் – வேகம் அதிகரிக்காமலும், குறையாமலும்) நேர்க்கோட்டில் பயணிக்கும் அனைத்துப் பார்வையாளர்களுக்கும் இயற்பியலின் விதிகள் ஒரே மாதிரியாகத்தான் செயல்படும். இதை நிலைமக் குறிப்பாயம் (Inertial frame of reference) என்கிறோம்.

ஒரு எளிய எடுத்துக்காட்டு: நீங்கள் ஒரு அதிவேக ரயிலில் 100 கி.மீ வேகத்தில் சீராகப் பயணிக்கிறீர்கள் என்று கற்பனை செய்துகொள்ளுங்கள். ரயில் எவ்வித குலுக்கலும் இன்றி, வேகம் மாறாமல் செல்கிறது. ரயிலின் ஜன்னல்கள் அனைத்தும் மூடப்பட்டுள்ளன; உங்களால் வெளியே பார்க்க முடியாது. இப்போது நீங்கள் ஒரு நாணயத்தையோ அல்லது பந்தையோ நேராக மேலே தூக்கிப் போட்டால், அது மீண்டும் நேராக உங்கள் கைக்கே வந்து சேரும். நீங்கள் பூமியில் நிலையாக நின்றுகொண்டு பந்தை எறிந்தாலும் அதே இயற்பியல் விதிதான் வேலை செய்யும்.

விமானம் அல்லது ரயிலுக்கு உள்ளே இருக்கும் உங்களால், அந்த வாகனம் நிலையாக நிற்கிறதா அல்லது சீரான வேகத்தில் நகர்கிறதா என்பதை உள்ளே செய்யப்படும் எந்தவொரு இயற்பியல் சோதனையாலும் கண்டுபிடிக்கவே முடியாது. பிரபஞ்சத்தில் ‘முழுமையான ஓய்வு நிலை’ (Absolute Rest) என்று எதுவுமே கிடையாது. எல்லாமே மற்றொன்றைச் சார்ந்துதான் நகர்கின்றன.

2. ஒளியின் வேகம் ஒரு பிரபஞ்ச மாறிலி (The Constancy of the Speed of Light)

இதுதான் ஐன்ஸ்டீனின் மிகப்பெரிய கண்டுபிடிப்பு! வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் (Speed of Light – ‘c’) எப்போதுமே வினாடிக்கு 2,99,792 கிலோமீட்டர்கள் (சுமார் 3 லட்சம் கி.மீ) என்ற அளவில் நிலையாக இருக்கும். இது ஒளியை உமிழும் பொருளின் வேகத்தையோ அல்லது அதைப் பார்க்கும் பார்வையாளரின் வேகத்தையோ பொறுத்து எக்காரணம் கொண்டும் மாறாது.

இது ஏன் பொது அறிவுக்கு முரணானது?

ஒரு நபர் மணிக்கு 100 கி.மீ வேகத்தில் காரில் செல்கிறார். அவர் காரில் இருந்து ஒரு பந்தை முன்னோக்கி 50 கி.மீ வேகத்தில் எறிகிறார் என்றால், வெளியே நிற்பவருக்கு பந்தின் வேகம் 150 கி.மீ ஆகத் தெரியும் என்று முன்பே பார்த்தோம்.

ஆனால், அந்த காரில் செல்பவர் ஒரு டார்ச் லைட்டை அடித்தால், வெளியே நிற்கும் ஒருவருக்கு அந்த ஒளியின் வேகம் (ஒளியின் வேகம் + காரின் வேகம்) என அதிகரிக்காது! காரில் செல்பவருக்கும் ஒளியின் வேகம் வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிலோமீட்டர்தான், வெளியே நிலையாக நிற்பவருக்கும் ஒளியின் வேகம் அதே வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிலோமீட்டர்தான்.

நீங்கள் ஒளியை நோக்கி எவ்வளவு வேகமாக ஓடினாலும் சரி, ஒளியை விட்டு எவ்வளவு வேகமாக விலகி ஓடினாலும் சரி, ஒளி உங்களை அதே மாறாத வேகத்தில்தான் கடந்து செல்லும். பிரபஞ்சத்தில் ஒளியின் வேகம்தான் உச்சவரம்பு (Cosmic Speed Limit). எந்த ஒரு நிறை உள்ள பொருளும் ஒளியின் வேகத்தைத் தாண்டவோ, சமன் செய்யவோ முடியாது.

வேகம் = தூரம் / காலம் (Speed = Distance / Time) என்பது நமக்குத் தெரியும். ஒளியின் வேகம் மாறவே கூடாது என்றால், அந்தச் சமன்பாட்டைச் சரிசெய்ய பிரபஞ்சத்தில் உள்ள தூரமும் (Space), காலமும் (Time) தங்களை வளைத்துக்கொடுக்க வேண்டும். இது எப்படிச் சாத்தியம் என்பதைப் பார்ப்போம்.

கோட்பாட்டின் ஆச்சரியமூட்டும் விளைவுகள் (Consequences of Relativity)

ஒளியின் வேகம் ஒருபோதும் மாறாது என்ற அந்த ஒற்றைப் பிடிவாதத்தால், அதுவரை மாறாது என நம்பப்பட்ட காலம், நீளம் போன்ற விஷயங்கள் மாற வேண்டியதாயிற்று. அவை உருவாக்கும் மனதை அதிரவைக்கும் விளைவுகளைப் பார்ப்போம்:

1. கால நீட்டிப்பு (Time Dilation) – “இயங்கும் கடிகாரங்கள் மெதுவாக ஓடும்”

காலம் என்பது அனைவருக்கும் பொதுவானது அல்ல; அது பார்ப்பவரின் வேகத்தைப் பொறுத்து மெதுவாகவோ அல்லது வேகமாகவோ நகரும். ஒரு பொருள் எந்த அளவுக்கு ஒளியின் வேகத்தை நெருங்குகிறதோ, அந்த அளவுக்கு அதன் நேரம் மெதுவாகச் செல்லும். நீங்கள் அதிவேகத்தில் பயணிக்கும்போது, நிலையாக இருப்பவரை விட உங்கள் கடிகாரம் மிக மெதுவாகத் துடிக்கும்.

இதைப் புரிந்துகொள்ள ஐன்ஸ்டீன் ‘ஒளிக் கடிகாரம்’ (Light Clock) என்ற கற்பனைச் சோதனையைப் பயன்படுத்தினார். இரண்டு கண்ணாடிகளுக்கு இடையே ஒரு ஒளிக் கதிர் மேலும் கீழும் பட்டுத் திரும்புவதை ‘ஒரு வினாடி’ என எடுத்துக்கொள்வோம். நீங்கள் அந்த ஒளிக் கடிகாரத்தோடு ஒரு விண்கலத்தில் அதிவேகமாகப் பயணிக்கும்போது, வெளியே இருப்பவருக்கு அந்த ஒளிக் கதிர் நேராக மேலே செல்லாமல், விண்கலம் நகர்வதால் ஒரு சாய்வான பாதையில் (Diagonal path) பயணிப்பதாகத் தெரியும். சாய்வான பாதையின் நீளம் அதிகம். ஒளி அதிக தூரம் பயணிக்க வேண்டும், ஆனால் அதன் வேகம் மாறாது! வேகம் மாறாமல் அதிக தூரம் பயணிக்க வேண்டும் என்றால், அதற்கு அதிக நேரம் எடுக்கும். எனவே விண்கலத்தில் உள்ள வினாடி, பூமியில் உள்ள வினாடியை விட நீண்டதாக இருக்கும்.

இரட்டையர் முரண்பாடு (Twin Paradox):

கால நீட்டிப்பைப் புரிந்துகொள்ள இது ஒரு மிகச் சிறந்த உதாரணம். ஆலிஸ், பாப் என்ற 20 வயதுடைய இரட்டையர்கள் உள்ளனர். ஆலிஸ் ஒளியின் வேகத்தில் 99% (0.99c) வேகத்தில் செல்லக்கூடிய ஒரு அதிநவீன விண்கலத்தில் ஏறி விண்வெளிக்குப் பயணிக்கிறார். பூமியில் உள்ள பாபைப் பொறுத்தவரை ஆலிஸின் விண்கலம் அதிவேகத்தில் செல்வதால், அவளது கடிகாரம் மிக மிக மெதுவாக ஓடும்.

ஆலிஸ் தனது பயணத்தை முடித்துவிட்டு 5 ஆண்டுகள் கழித்து பூமிக்குத் திரும்பும்போது அவளுக்கு வயது 25 ஆக இருக்கும். ஆனால் பூமியில் நிலையாக இருந்த பாபிற்கு, லோரென்ட்ஸ் காரணி (Lorentz Factor) கணக்கீட்டின்படி 35 வருடங்கள் கடந்திருக்கும். அதாவது பாபிற்கு இப்போது வயது 55 ஆகி இருக்கும்! ஆலிஸ் தனது சகோதரனின் எதிர்காலத்திற்குப் பயணம் செய்துவிட்டாள். ஆம், ஒளியின் வேகத்தை நெருங்கும்போது காலப் பயணம் (Time Travel to the future) சாத்தியமே!

நடைமுறை ஆதாரம் (Muon Experiment):

இதெல்லாம் வெறும் கற்பனை அல்ல; அறிவியல்பூர்வமாக நிரூபிக்கப்பட்ட உண்மை. விண்வெளியில் இருந்து பூமியின் வளிமண்டலத்திற்குள் நுழையும் ‘மியூயான்’ (Muons) என்ற அடிப்படைத் துகள்களின் ஆயுட்காலம் வெறும் 2.2 மைக்ரோ-வினாடிகள் மட்டுமே. நியூட்டனின் இயற்பியல் கணக்குப்படி, அவை உருவாகிப் பூமியின் மேற்பரப்பை வந்தடையும் முன்பே அழிந்துவிட வேண்டும். ஆனால், அவை ஒளியின் வேகத்தில் 99% வேகத்தில் பயணிப்பதால், அவற்றுக்குக் காலம் மிக மெதுவாகச் செல்கிறது (Time dilation). எனவே அவற்றின் குறுகிய ஆயுட்காலம் நீட்டிக்கப்பட்டு, அவை வெற்றிகரமாகப் பூமியின் மேற்பரப்பை வந்தடைகின்றன. இது கால நீட்டிப்பிற்கான மிகச் சிறந்த சான்றாகும்.

2. நீளச் சுருக்கம் (Length Contraction)

அதிவேகத்தில் நகரும் ஒரு பொருள், அது நகரும் திசையில் சுருங்கியதாகத் தோன்றும். வேகம் அதிகரிக்கும்போது நேரம் மட்டும் மாறுவதில்லை; இடமும் (Space) சுருங்கும்.

ஒரு 100 மீட்டர் நீளமுள்ள விண்கலம் ஒளியின் வேகத்தில் 86% (0.86c) வேகத்தில் உங்களைக் கடந்து சென்றால், வெளியே நிற்கும் உங்களுக்கு அந்த விண்கலம் வெறும் 50 மீட்டர் நீளமுள்ளதாக மட்டுமே சுருங்கித் தோன்றும். விண்கலம் எந்தத் திசையில் பயணிக்கிறதோ அந்த நீளம் மட்டுமே சுருங்கும்; அதன் உயரத்திலோ அகலத்திலோ மாற்றம் இருக்காது. ஆனால், விண்கலத்திற்குள் இருப்பவருக்கு எந்த மாற்றமும் தெரியாது; அவரது அளவுகோல்படி விண்கலம் 100 மீட்டர்தான் இருக்கும். மாறாக, விண்கலத்தில் இருப்பவருக்கு, வெளியே உள்ள பூமி மற்றும் கோள்கள் முட்டை வடிவத்தில் சுருங்கியதாகத் தோன்றும்.

3. உடன் நிகழ்வின் சார்பியல் (Relativity of Simultaneity)

பிரபஞ்சத்தில் “சரியாக ஒரே நேரத்தில் (Simultaneous)” என்ற ஒன்றே கிடையாது. உங்களுக்கு ஒரே நேரத்தில் நடப்பதாகத் தோன்றும் இரண்டு நிகழ்வுகள், நகர்ந்து கொண்டிருக்கும் மற்றொருவருக்கு வெவ்வேறு நேரங்களில் நடப்பதாகத் தோன்றும்.

ரயில் உதாரணம்:

ஒளியின் வேகத்தில் சரிபாதி வேகத்தில் செல்லும் ஒரு மிக நீளமான ரயிலின் நடுப்பகுதியில் ஒருவர் நிற்கிறார். ரயிலின் முன்புறமும் பின்புறமும் சரியாக ஒரே நேரத்தில் மின்னல் தாக்குகிறது.

பிளாட்பாரத்தில் நிற்கும் பார்வையாளருக்கு: இரண்டு மின்னல்களும் சரியாக ஒரே நேரத்தில் ரயிலைத் தாக்கியதாகத் தெரியும்.
ரயிலில் உள்ள நபருக்கு: அவர் மின்னலின் ஒளியை நோக்கி ரயிலுடன் முன்னோக்கி நகர்வதால், முன்புறம் தாக்கிய மின்னலின் ஒளியை அவர் முதலில் சந்திப்பார். பின்புறம் தாக்கிய மின்னலின் ஒளியை விட்டு விலகிச் செல்வதால், அது அவரது கண்களைச் சற்று தாமதமாகவே வந்தடையும்.

எனவே, ரயிலில் உள்ளவரைப் பொறுத்தவரை முன்புற மின்னல் முதலில் தாக்கியது, பின்புற மின்னல் பிறகு தாக்கியது. பிளாட்பாரத்தில் உள்ளவரைப் பொறுத்தவரை இரண்டும் ஒரே நேரத்தில் தாக்கியது. இருவருமே சொல்வது உண்மைதான்! காலம் என்பது பார்ப்பவரின் வேகத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் ஒரு பரிமாணம்.

நிறை மற்றும் ஆற்றலின் சமநிலை (Mass-Energy Equivalence: E=mc^2)

பொருளின் நிறை (Mass – ஒரு பொருளில் உள்ள பருப்பொருளின் அளவு) வேறு, ஆற்றல் (Energy – வேலையைச் செய்யும் திறன்) வேறு என்ற பல நூற்றாண்டு நம்பிக்கையை ஐன்ஸ்டீன் தனது மூன்றெழுத்துச் சமன்பாட்டின் மூலம் சுக்குநூறாக்கினார். இரண்டும் நாணயத்தின் இரு பக்கங்கள். நிறையை ஆற்றலாகவும், ஆற்றலை நிறையாகவும் எளிதாக மாற்ற முடியும்.

E = mc^2

$E$ = ஆற்றல் (Energy)
$m$ = நிறை (Mass)
$c^2$ = ஒளியின் வேகத்தின் வர்க்கம் (Speed of light squared)

ஒளியின் வேகம் ( $3 \times 10^8$ மீ/வி) என்பது ஒரு மிகப்பெரிய எண். அதை அதே எண்ணால் பெருக்கினால் ( $c^2$ ) கிடைக்கும் எண் கற்பனைக்கு எட்டாத அளவுக்குப் பிரம்மாண்டமானது. இதன் அர்த்தம்: மிகச் சிறிய அளவு நிறையைக் கூட முழுமையாக ஆற்றலாக மாற்றினால், அதிலிருந்து அசுரத்தனமான ஆற்றல் வெளிப்படும்!

இந்தச் சமன்பாட்டின் அசுரத்தனமான பயன்பாடுகள்:

அணுகுண்டு: 1945-ல் ஜப்பானின் ஹிரோஷிமாவில் போடப்பட்ட அணுகுண்டில் வெடித்தது வெறும் 1 கிலோ யுரேனியம் தான். அதிலும் வெறும் 0.6 கிராம் நிறை மட்டுமே அழிந்து ஆற்றலாக மாறியது. அந்த 0.6 கிராம் நிறைதான் 15,000 டன் TNT வெடிமருந்து வெடித்ததற்குச் சமமான பேரழிவை ஏற்படுத்தியது.
சூரியனின் ரகசியம்: பல பில்லியன் ஆண்டுகளாகச் சூரியன் எப்படி ஒளிர்கிறது? சூரியனின் மையத்தில் நடக்கும் அணுக்கரு இணைவு (Nuclear Fusion) என்ற செயல்பாட்டில், ஒவ்வொரு நொடியும் சுமார் 4 மில்லியன் மெட்ரிக் டன் நிறை முழுமையாக ஆற்றலாக மாற்றப்படுகிறது. இந்த ஆற்றல்தான் ஒளியாகவும் வெப்பமாகவும் பூமியை வந்தடைந்து உயிர்களைக் காக்கிறது.
மனித உடல்: ஒரு 80 கிலோ எடையுள்ள மனிதனின் நிறையை $E=mc^2$ விதியின்படி முழுமையாக ஆற்றலாக மாற்ற முடிந்தால், அதில் இருந்து கிடைக்கும் மின்சாரத்தைக் கொண்டு நியூயார்க் அல்லது சென்னை போன்ற ஒரு மிகப்பெரிய நகரத்திற்குப் பல மாதங்கள் எந்தத் தடையுமின்றி மின்சாரம் வழங்க முடியும்!

நாம் ஏன் ஒளியின் வேகத்தில் பயணிக்க முடியாது?

ஒரு பொருள் ஒளியின் வேகத்தை நெருங்கும்போது, அதற்கு நாம் கொடுக்கும் இயக்க ஆற்றல் (Kinetic Energy), $E=mc^2$ விதியின்படி அதன் நிறையாக (Relativistic Mass) மாறும். வேகம் அதிகரிக்க அதிகரிக்க பொருளின் நிறை கனமாகிக்கொண்டே செல்லும். ஒளியின் வேகத்தை நெருங்கும்போது அதன் நிறை முடிவிலியை (Infinity) நெருங்கும். முடிவிலி நிறையுள்ள ஒரு பொருளை மேலும் முடுக்கிவிட (Accelerate), முடிவிலி அளவிலான ஆற்றல் தேவைப்படும். பிரபஞ்சத்தில் உள்ள ஒட்டுமொத்த ஆற்றலைத் திரட்டினாலும் இது சாத்தியமில்லை. இதனாலேயே நிறை உள்ள எந்த ஒரு பொருளாலும் ஒளியின் வேகத்தைத் தொடவே முடியாது. ஒளிக்கு ‘ஓய்வு நிலை நிறை’ (Rest mass) பூஜ்ஜியம் என்பதால் மட்டுமே அதனால் அந்த வேகத்தில் பயணிக்க முடிகிறது.

விண்வெளி-நேரம்: ஒரு புதிய பரிமாணம் (The Spacetime Continuum)

ஐன்ஸ்டீனின் சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாட்டிற்கு, அவருடைய முன்னாள் கணிதப் பேராசிரியர் ஹெர்மன் மின்கோவ்ஸ்கி (Hermann Minkowski) ஒரு புதிய கணித வடிவத்தைக் கொடுத்தார்.

நாம் வாழும் பிரபஞ்சம் நீளம், அகலம், உயரம் ( $X, Y, Z$ ) என்ற முப்பரிமாணங்களைக் கொண்டது என நாம் நினைக்கிறோம். இதனுடன் ‘நேரம்’ (Time – $T$ ) என்பதை நான்காவது பரிமாணமாக இணைத்து ‘விண்வெளி-நேரம்’ (Spacetime) என்ற ஒரு பிரம்மாண்டமான வலையை அல்லது துணியை அவர் உருவாக்கினார்.

“இனிமேல் பிரபஞ்சத்தில் இடம் என்பது தனி கிடையாது, காலம் என்பது தனி கிடையாது. இரண்டும் பின்னிப் பிணைந்த விண்வெளி-நேரம் என்ற ஒரு அமைப்பில்தான் பிரபஞ்சம் இயங்குகிறது” என்றார் மின்கோவ்ஸ்கி. பிரபஞ்சத்தில் நடக்கும் ஒவ்வொரு நிகழ்வும் இந்த 4D விண்வெளி-நேரப் பின்னலில்தான் நடக்கிறது. இடம் இல்லாமல் நேரமும் இல்லை, நேரம் இல்லாமல் இடமும் இல்லை. நீங்கள் விண்வெளியில் எவ்வளவு வேகமாகப் பயணிக்கிறீர்களோ, அந்த அளவுக்கு நீங்கள் நேரத்தின் வழியாகப் பயணிக்கும் வேகம் குறையும்.

அன்றாட வாழ்வில் சிறப்பு சார்பியலின் பயன்பாடுகள்

“இதெல்லாம் விண்வெளிக்கு மட்டும்தானே, நம்ம ஊர்ல அன்றாட வாழ்வுக்கு இதனால என்ன பயன்?” என்று நீங்கள் யோசிக்கலாம். ஆனால், நாம் ஒளியின் வேகத்தில் பயணிக்காவிட்டாலும், சார்பியல் கோட்பாடு நமது அன்றாட வாழ்வோடு பிரிக்க முடியாதபடி பின்னிப்பிணைந்துள்ளது:

ஜிபிஎஸ் (GPS) தொழில்நுட்பம்: நமது ஸ்மார்ட்போன்களில் உள்ள கூகுள் மேப்ஸ் மற்றும் செயற்கைக்கோள்கள் (Satellites) துல்லியமாக இயங்க சார்பியல் மிக முக்கியம். பூமியைச் சுற்றி வரும் ஜிபிஎஸ் செயற்கைக்கோள்கள் வினாடிக்கு சுமார் 4 கி.மீ வேகத்தில் சுற்றுகின்றன. இதனால் சிறப்பு சார்பியலின்படி அவற்றில் கால நீட்டிப்பு (Time dilation) ஏற்பட்டு, பூமியை விட அவற்றின் கடிகாரம் தினமும் 7 மைக்ரோ-வினாடிகள் மெதுவாக ஓடும். (பொதுச் சார்பியலின்படி ஈர்ப்பு விசை குறைவால் 45 மைக்ரோ-வினாடிகள் வேகமாக ஓடும்). இதையெல்லாம் கணக்கிட்டு ஈடு செய்யாவிட்டால், ஒவ்வொரு நாளும் ஜிபிஎஸ் காட்டும் தூரம் 10 முதல் 11 கிலோமீட்டர்கள் வரை தவறாகிவிடும்!
தங்கத்தின் நிறம்: இரும்பு, அலுமினியம், வெள்ளி எனப் பெரும்பாலான உலோகங்கள் வெள்ளியாகப் பளபளக்க, தங்கம் மட்டும் ஏன் மஞ்சள் நிறத்தில் தனித்துவமாக மின்னுகிறது? தங்கத்தின் அணுக்கருவில் (Nucleus) புரோட்டான்கள் அதிகம். எனவே அதன் ஈர்ப்பு விசையிலிருந்து தப்பிக்க, அணுக்கருவைச் சுற்றும் எலக்ட்ரான்கள் ஒளியின் வேகத்தில் 50% வேகத்தில் சுற்ற வேண்டும். இதனால் ஏற்படும் சார்பியல் விளைவினால்தான் (Relativistic Quantum Chemistry) தங்கம் நீல நிற ஒளியை உறிஞ்சி மஞ்சள் ஒளியைப் பிரதிபலிக்கிறது.
பழைய CRT தொலைக்காட்சிகள்: முந்தைய காலத்து வீடுகளில் இருந்த பெரிய ‘பிக்சர் டியூப்’ (Cathode Ray Tube – CRT) டிவிகளில், எலக்ட்ரான்கள் ஒளியின் வேகத்தில் சுமார் 30% வேகத்தில் திரையை நோக்கிச் சுடப்பட்டுப் படங்கள் உருவாக்கப்படும். அங்கு சார்பியல் விளைவுகளைக் கணக்கில் கொண்டு முன்கூட்டியே காந்தப் புலன்களைச் சரிசெய்ததால்தான் அந்த டிவிகள் நமக்குத் தெளிவான படங்களைக் காட்டின.

முடிவுரை

சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு என்பது வெறும் ஒரு அறிவியல் தத்துவம் மட்டுமல்ல; மனிதகுலம் தன்னுடைய பொது அறிவைக் கடந்து பிரபஞ்சத்தின் உண்மையான விதிகளைப் புரிந்துகொள்ள எடுத்த மிகப்பெரிய பாய்ச்சல். “இப்படித்தான் நடக்கும், இதுதான் உண்மை” என்று நாம் பல நூற்றாண்டுகளாக நம்பியிருந்த பிரபஞ்சத்தின் இயல்பைத் தலைகீழாக மாற்றிய பெருமை ஐன்ஸ்டீனையே சாரும்.

பிரபஞ்சத்தைப் பற்றி நாம் பார்க்கும் விதத்தை நியூட்டனுக்கு முன், ஐன்ஸ்டீனுக்குப் பின் என இரண்டாகப் பிரிக்கலாம். மனித மூளையின் மிகச்சிறந்த சாதனைகளில் ஒன்றான இந்தச் சார்பியல் கோட்பாடு, இன்றும் பல விண்வெளி ஆராய்ச்சிகளுக்கும், குவாண்டம் தொழில்நுட்பங்களுக்கும் அடிப்படையாகச் செயல்பட்டு வருகிறது.

காலமும் இடமும் மாறக்கூடியவை, ஆற்றலும் நிறையும் ஒன்றே என்ற இந்தப் பிரபஞ்ச உண்மையை இனி நீங்கள் இரவு வானத்தைப் பார்க்கும்போதெல்லாம் நினைவுகூருங்கள்!

இதுபோன்ற பல அறிவியல் மர்மங்கள், வரலாற்றுச் சுவாரஸ்யங்கள் மற்றும் பிரபஞ்சத்தின் விசித்திரங்களை எளிமையாகப் புரிந்துகொள்ள தொடர்ந்து சிந்தனைமச்சி (Sindhanaimachi) இணையதளத்தோடு இணைந்திருங்கள். இந்தக் கட்டுரை உங்களுக்குப் பயனுள்ளதாக இருந்தால், அறிவியலை நேசிக்கும் உங்கள் நண்பர்களுக்கும் இதைப் பகிருங்கள்!

மின்னஞ்சல் (krishnan2542@gmail.com): உங்களது விரிவான கருத்துக்கள் மற்றும் ஆலோசனைகளை மின்னஞ்சல் வழியாக அனுப்பலாம். 24 முதல் 48 மணி நேரத்திற்குள் உங்களுக்குப் பதில் அளிக்க முயற்சிப்பேன். [ krishnan2542@gmail.com ]

சமூக வலைதளங்கள் (Social Media): இன்ஸ்டன்ட் அப்டேட்ஸ் மற்றும் சுவாரஸ்யமான விவாதங்களுக்கு இங்கே இணைந்திருங்கள்: Twitter/X: [ https://x.com/krishnan2542 ]

Website: https://sindhanaimachi.com

Post Views: 40