ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സ്- ഒരു ആമുഖം
“വെളിച്ചം വീശിയ” കണ്ടുപിടിത്തങ്ങള്‍
ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് അഥവാ
ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സ് എന്ന ശാസ്ത്ര ശാഖയുടെ ആവിര്‍ഭാവം തികച്ചും ആകസ്മികമായിരുന്നു.
ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആദ്യ പകുതിയില്‍ ഉണ്ടായ തുടര്‍ച്ചയായ ചില
കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളും ആശയങ്ങളും, ഏതാണ്ട് അപ്രാപ്യം എന്ന് തോന്നിച്ചിരുന്ന ചില
മേഖലകളിലേയ്ക്ക് വെളിച്ചം വീശുന്നതായിരുന്നു. ഈ കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളെല്ലാം, ഒരു
തരത്തില്‍ പറഞ്ഞാല്‍ ഒരേ സമുദ്രത്തിന്‍റെ വിവിധ കൈവഴികള്‍ പോലെ
പ്രവര്‍ത്തിച്ചു. ഐന്‍സ്റ്റീന്‍, മാക്സ് പ്ലാങ്ക്, ഷ്രോഡിഞ്ച്രര്‍, നീല്‍സ്
ബോര്‍, സത്യേന്ദ്ര നാഥ് ബോസ്, ഡൈറാക്ക്, പോളി, എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ വിവിധ
കണ്ടെത്തലുകള്‍ ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സ് എന്ന ശാസ്ത്ര ശാഖയുടെ ആവിര്‍ഭാവത്തിനു വഴി
തെളിച്ചു. ‘പദാര്‍ഥങ്ങളുടെ ദ്വന്തവ്യക്തിത്വം’ എന്ന ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സിലെ ഏറ്റവും
അടിസ്ഥാനപരമായ കണ്ടുപിടിത്തം മാറ്റിമറിച്ചത് ശാസ്ത്രത്തിന്റെ വിശ്വാസപ്രമാണങ്ങളെ
ആയിരുന്നു. അന്ന് വരെ വിശ്വാസങ്ങളിലും, സാധ്യതകളിലും ഊഹാപോഹങ്ങളിലും ഉത്തരം തേടി
ആശ്വസിച്ചിരുന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ സഞ്ചാര പഥം സ്വതന്ത്രമായിത്തീര്‍ന്നു.
സാധാരണ ന്യുട്ടോണിയന്‍
മെക്കാനിക്സ് ഉപയോഗിച്ച് വിശദീകരിക്കാന്‍ പറ്റാത്ത പ്രതിഭാസങ്ങളെ ക്വാണ്ടം
മെക്കാനിക്സ് കൊണ്ട് നമുക്ക് എളുപ്പം വിശദീകരിക്കാന്‍ സാധിക്കും. ഇവയെല്ലാം തുടങ്ങുന്നത്
അറിവിന്റെ പ്രതീകമായി മനുഷ്യ സമൂഹം കരുതിപ്പോരുന്ന വെളിച്ചത്തില്‍ നിന്നാണ്.
അറിവിന്റെ ഉറവിടമായ പ്രകാശത്തില്‍ നിന്ന്.
എന്താണ് പ്രകാശം “LIGHT” എന്ന അടിസ്ഥാനപരമായ ചോദ്യം, മറ്റു പല ചോദ്യങ്ങളും കൂടി
ഉയര്‍ത്തിക്കൊണ്ടുവന്നു. ഈ സന്ദര്‍ഭത്തിലാണ് പ്രശസ്തമായ ക്വാണ്ടം ആശയം രൂപം
കൊള്ളുന്നത്‌. പ്രകാശം എന്നത് ഒരു തരംഗം ആണെന്നും, പ്രകാശത്തില്‍ ഉള്‍ക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നത്
ഫോട്ടോണ്‍ എന്ന പദാര്‍ത്ഥമാണെന്നും ഉള്ള പരസ്പര വിരുദ്ധമായ തിരിച്ചറിവ്
ശാസ്ത്ര ലോകത്ത് ഒട്ടനവധി മാറ്റങ്ങള്‍ സൃഷ്ട്ടിച്ചു. ഈ പ്രഹേളികയെ എളുപ്പത്തില്‍
മനസിലാക്കണമെങ്കില്‍ ആദ്യമായി പ്രകാശത്തിന്റെ തരംഗ സിദ്ധാന്തം എന്താണെന്ന്
മനസിലാക്കണം.
പ്രകാശത്തെ സംബന്ധിച്ച്
ഒട്ടനേകം അവ്വ്യക്തധാരണകള്‍ ശാസ്ത്ര ലോകത്ത് ഉണ്ടായിരുന്നു. അവയില്‍
പ്രധാനമായിരുന്നു പ്രകാശത്തിന്റെ തരംഗ സ്വഭാവം. ക്വാണ്ടം തിയറിയുടെ
ആവിഷ്ക്കാരത്തിന് മുന്‍പ് ആളുകള്‍ വിശ്വസിച്ചിരുന്നത് പ്രകാശത്തിനു തരംഗ
സ്വഭാവം മാത്രമേ ഉള്ളൂ എന്നാണ്. പ്രകാശം സഞ്ചരിക്കുന്നത് തരംഗ രൂപത്തില്‍
ആണെന്നുള്ളത്‌ മനസിലാക്കാന്‍ സാങ്കേതിക ജ്ഞാനമൊന്നും ആവശ്യമായിരുന്നില്ല.
എന്നിരുന്നാല്‍ത്തന്നെയും, ക്രിസ്ത്യന്‍ ഹൈജീന്‍സ്, തോമസ്‌ യങ്ങ്, എന്നീ
പ്രമുഘരുടെ പഠനം പ്രകാശത്തെ സംബന്ധിച്ചുള്ള വിശ്വാസങ്ങളെ ഊട്ടിയുറപ്പിച്ചു.
ക്രിസ്റ്റീന്‍ ഹൈജീന്‍സ്
ബഹിരാകാശ പഠന രംഗത്ത്‌ നല്‍കിയ സംഭാവനകള്‍ നിസ്തുലമായിരുന്നെങ്കിലും,
അദ്ദേഹത്തെ പ്രശസ്തനാക്കിയത് പ്രകാശ തരംഗ സിദ്ധാന്തമായിരുന്നു. അദ്ദേഹവും, സുഹൃത്തായ
ഫ്രെസ്ണലും ചേര്‍ന്ന് ഹൈജീന്‍സ്- ഫ്രെസ്ണല്‍ സിദ്ധാന്തം രൂപീകരിച്ചത് ഏതാണ്ട് 340 വര്‍ഷങ്ങള്‍ക്കു മുന്‍പാണ്. വലിയ വാഗ്വാദങ്ങളോ ഉപകരണങ്ങളോ
ഇല്ലാതെ നടത്തിയ ഈ ചെറിയ പരീക്ഷണം, പ്രകാശത്തിന്റെ തരംഗ സ്വഭാവത്തെ ശങ്കയ്ക്കിടയില്ലാത്തവണ്ണം
സ്ഥിതീകരിച്ചു. പ്രകാശത്തിന്റെ പാതയില്‍ തടസ്സം സൃഷ്ട്ടിക്കുന്ന ഏതൊരു
വസ്തുവും അതില്‍ പുതിയ തരംഗ വ്യതിയാനങ്ങള്‍ സൃഷ്ട്ടിക്കുന്നു എന്ന് അദ്ദേഹം
പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ വ്യക്തമാക്കി തന്നു. കത്തിച്ചു വച്ച മെഴുകു തിരിക്കു
അടുത്തേയ്ക്ക് കൈവിരലുകള്‍ കൊണ്ടുവരുമ്പോള്‍ നിഴല്‍ വലുതായി വരുന്നത്
കാണാം. ചെറിയ വിരലുകള്‍ വലിയ നിഴലുകള്‍ സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഈ മായാജാലം പ്രകാശത്തിന്റെ
തരംഗ സ്വഭാവത്തിന് ഉദാഹരണമാണ്. മേല്‍ക്കൂരയിലെ ചെറിയ സുഷിരങ്ങളിലൂടെ കടന്നു വരുന്ന
പ്രകാശ രശ്മി താഴെയ്ക്കെത്തുന്തോറും വലുതായി വരുമെന്ന് നിങ്ങള്‍ക്കറിയാം.
ഡിഫ്രാക്ഷന്‍, ഇന്‍റര്‍ഫെറന്‍സ്
എന്നിങ്ങനെയുള്ള പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രതിഭാസങ്ങളെ കൃത്യമായി വിശദീകരിക്കാന്‍
ഹൈജീന്സിന്റെ ഈ തിയറിക്ക് സാധിച്ചു.
പ്രശ്നങ്ങള്‍ അവിടം കൊണ്ട് തീര്‍ന്നു
എന്നാണ് ശാസ്ത്ര ലോകം കരുതിയത്‌. പ്രകാശത്തെപ്പറ്റിയുള്ള എല്ലാ സംശയങ്ങള്‍ക്കും
ഉള്ള ഉത്തരം തരാന്‍ ഹൈജീന്‍സ്- ഫ്രെസ്ണല്‍ സിദ്ധാന്തത്തിന് കഴിഞ്ഞില്ല. കൂടുതല്
സങ്കീര്‍ണ്ണവും വൈരുധ്യാത്മകവുമായ ഒരു പ്രതിസന്ധിയിലെയ്ക്ക് വീണ്ടും
ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാര്‍ എത്തിച്ചേര്‍ന്നു. സര്‍ ഐസക്ക് ന്യൂട്ടന്റെ അഭിപ്രായം ഈ
നിരീക്ഷണങ്ങള്‍ക്ക് കടകവിരുദ്ധമായിരുന്നു. ഇത് വൈരുധ്യാത്മകതയ്ക്ക് ആക്കം കൂട്ടി.
ലോകത്ത് ജീവിച്ചിരുന്നവരില്‍
വച്ച് ഏറ്റവും ബുദ്ധിമാനായ മനുഷ്യന്‍ എന്ന വിശേഷണത്തിന് സര്‍വാത്മനാ
യോഗ്യനായ വ്യക്തിയായിരുന്നു സര്‍ ഐസക്ക് ന്യൂട്ടന്‍. പ്രകാശത്തെയും അതിന്‍റെ
പ്രത്യേകതകളെയും സംബന്ധിച്ച് എന്ത് പറയാന്‍ തുടങ്ങുമ്പോഴും അദ്ദേഹത്തെയും
അദ്ദേഹത്തിന്റെ മാന്ത്രിക സ്ഫടികക്കല്ലിനെയും പറ്റി പ്രതിപാദിക്കാതിരിക്കാന്‍
സാധ്യമല്ല. ഇലകള്‍ എങ്ങനെ പച്ച നിറത്തില്‍ ഇരിക്കുന്നു എന്നും,
പ്രകൃതി വര്‍ണ്ണസുരഭിലാമായി തിളങ്ങുന്നത് എന്തുകൊണ്ടാണെന്നും അദ്ദേഹം തന്റെ വര്‍ണ്ണ
സിദ്ധാന്തത്തിലൂടെ വ്യക്തമാക്കി തന്നു. പ്രകാശത്തില്‍ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഏഴു വര്‍ണ്ണങ്ങളെ
അതിന്‍റെ എല്ലാ സൌന്ദര്യത്തോടും കൂടി അദ്ദേഹം തന്റെ സ്ഫടിക പരീക്ഷണത്തിലൂടെ
വ്യക്തമാക്കി (Prism Experiment). അദ്ദേഹത്തിന്റെ
പ്രശസ്തമായ കോര്‍പ്പസ്ക്കുലാര്‍ തിയറി, പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രഹേളികകളെ വെളിച്ചത്തു
കൊണ്ടു വരാന്‍ പരിശ്രമിച്ചു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ അഭിപ്രായത്തില്‍
പ്രകാശം എന്നത് പദാര്‍ഥങ്ങള്‍ കൊണ്ട് നിര്‍മ്മിതമായ ഒന്നായിരുന്നു. ഈ സിദ്ധാന്തം
ഏതാണ്ട് നൂറുവര്‍ഷത്തോളം ചോദ്യം ചെയ്യപ്പെടാതെ കിടന്നു. പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ
അവസാനമായപ്പോഴേക്കും ക്രിസ്റ്റീന്‍ ഹൈജീന്സിന്റെ തരംഗ സിദ്ധാന്തത്തെ
കവച്ചു വച്ച് ന്യൂട്ടന്റെ സിദ്ധാന്തം പ്രചാരം നേടി.
എന്താണ് യഥാര്‍ത്ഥത്തില്‍
പ്രകാശം? ന്യുട്ടന്‍ പറഞ്ഞത് പോലെ ചെറിയ പദാര്‍ഥങ്ങളാണോ, അതോ ഹൈജീന്സിന്റെ
തരംഗങ്ങളാണോ? രണ്ടുപേരും ലോകം കണ്ടതില്‍ വച്ച് ഏറ്റവും മഹാന്മാരായിട്ടുള്ള
ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍, തങ്ങളുടേതായ മേഖലകളില്‍ താരതമ്യമില്ലാത്ത പ്രതിഭകള്‍. ഇവരില്‍
ഒരാളെ തള്ളിപ്പറയേണ്ട അവസ്ഥയിലായി ശാസ്ത്ര സമൂഹം.
പ്രകാശം എന്ന പ്രതിഭാസം
ശാസ്ത്ര ലോകം ചേരി തിരിഞ്ഞ് നടത്തിയ സംവാദങ്ങളും ചര്‍ച്ചകളും, ആരെയും പൊതുവായ ഒരു
ആശയത്തിലേയ്ക്ക് നയിക്കുന്നതിന്‍റെ സൂചന പോലും ഉണ്ടായില്ല. രണ്ടു നിഗമനങ്ങളും
ഒരുപോലെ അപര്യാപ്തമായി വരുന്ന ചില പ്രത്യേക സ്വഭാവങ്ങള്‍ പ്രകാശം
പ്രകടിപ്പിക്കുന്നത് ശാസ്ത്രജ്ഞരെ മുന്‍പെങ്ങും ഇല്ലാത്തവണ്ണം കുഴക്കി.
പ്രകാശം എന്നത് ഊര്‍ജ്ജം ആണെന്നും, നിശ്ചിത അളവിലുള്ള ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ ചെറിയ
‘ക്വാണ്ടം’ പായ്ക്കറ്റുകള്‍ ആയാണ് അത് സഞ്ചരിക്കുന്നത് എന്നും ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാര്‍ക്ക്
പിന്നീട് നടത്തിയ പരീക്ഷണ നിരീക്ഷ്നങ്ങളിലൂടെ മനസിലാക്കാന്‍ സാധിച്ചു. ഒരേ
വലിപ്പത്തിലും ഒരേ തൂക്കത്തിലും ഉള്ള കുറേ ഇഷ്ട്ടികകള്‍ കൊണ്ട് ഒരു വീട് നിര്‍മിക്കുന്നത്
പോലെയാണിത്. പ്രകാശത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന കണങ്ങളായ ക്വാണ്ടം എനെര്‍ജി പാക്കറ്റുകള്‍
എല്ലാം ഒരേ അളവിലുള്ള ഊര്‍ജ്ജം കൊണ്ട് നിറച്ചിരിക്കുന്നു. ഇത്തരത്തില്‍ ഒരേ ഊര്‍ജ്ജതലത്തില്‍
നിലനില്‍ക്കുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന കണങ്ങളെ ശാസ്ത്ര സമൂഹം ഫോട്ടോണുകള്‍ എന്ന്
വിളിച്ചു. പ്രകാശത്തെ മുറിച്ചു മുറിച്ചു ചെറുതാക്കി എടുക്കാന്‍ നമുക്ക്
സാധിക്കുകയാണെങ്കില്‍ ഒരേ അളവിലുള്ള ഫോട്ടോണ്‍ ക്വാണ്ടം പാക്കറ്റുകള്‍ ലഭിക്കും.
