4. గుళిక ప్రపంచం

4. 1 జవాతిశయ భౌతిక శాస్త్రం, ప్రాథమిక రేణువులు, రేణు త్వరణులు

ఇది ఇలా ఉండగా మరొక చీలిక వెంబడి ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్ వంటి పరమాణువులతో పాటు అనేక ఇతర ప్రాథమిక రేణువులు (fundamental particles) కుక్కగొడుగుల్లా పుట్టుకురావడం మొదలుపెట్టేయి. ఈ వరద 1897లో థామ్సన్ (J J Thomson, 1856-1940) ఋణావేశం ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ ఉనికిని నిర్ధారించడంతో మొదలయింది. ఆ వెనువెంటనే 1898లో ధనావేశం ఉన్న ప్రోటాన్ ఉనికి కనుక్కున్నారు. తరువాత 1932లో జేమ్స్ చాడ్విక్ (James Chadwick, 1891-1974) తటస్థ ఆవేశం ఉన్న (అనగా, ఏ ఆవేశము లేని) నూట్రాన్ ఉనికిని నిర్ధారించేరు. ఈ దెబ్బతో ఛేదించడానికి వీలుపడదనుకున్న అణువులో (atom) మూడు రకాల పరమాణువులు (subatomic particles) ఉన్నాయని తెలిసింది. వీటితో పాటు డిరాక్ జోస్యం చెప్పిన రేణువు ఉనికిని ప్రయోగాత్మకంగా నిర్ధారించి, దానికి పాసిట్రాన్ (positron) అని పేరు పెట్టడం, పాసిట్రాన్ అనేది ప్రతిపదార్థానికి (antimatter) ఉదాహరణ కావడంతో ఇంకా ఇటువంటి రేణువులు ఉన్నాయేమోనని వేట మొదలయింది. ఇలా ప్రాథమిక రేణువులపై పరిశోధనలో జవాతిశయ భౌతిక శాస్త్రం (High-energy Physics) అనే పేరుతో ఒక కొత్త శాఖ ఇరవైయవ శతాబ్దపు ఉత్తరార్ధంలో ప్రవేశించింది.

ఈ దిశలో ప్రయాణించిన శాస్త్రాన్ని భారీ శాస్త్రం (Big Science) అంటారు. ఎందుకంటే ఇది భారీ ప్రయోగాల మీద విపరీతంగా ఆధారపడ్డ శాఖ అవడం, ఆ ప్రయోగాలకి కావలసిన సరంజామా అత్యధిక ఖర్చుతో కూడిన వ్యవహారం అవడం, ఆ ప్రయోగాలు చెయ్యడానికి పెద్ద సాంకేతిక సిబ్బంది అవసరం అవడం, ఈ ప్రయోగాలలో బిలియను ఎలక్ట్రాన్ వోల్టులని (1 GeV) మించిన శక్తి ఉన్న రేణు త్వరణుల (particle accelerators) అవసరం రావడం కారణాలు.

ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్ అనేది ఒక కొలమానం. దీనిని eV అనే ఇంగ్లీషు అక్షరాలలో రాస్తారు. GeV అంటే బిలియను (1,000,000,000) ఎలక్ట్రాన్ వోల్టులు. ఒక ఎలక్ట్రాన్ వోల్టు = 1.602 × 10-19 = 1.602 × 10^-19 జూలులు (joules). బిలియను ఎలక్ట్రాన్ వోల్టులు (1 GeV) అంటే 1.602 × 10^-7 జూలులు. ట్రిలియను ఎలక్ట్రాన్ వోల్టులు (1 TeV) అంటే 1.602 × 10^-4 జూలులు. ఒక 100 వాట్ల దీపపు బుడ్డి గంటసేపు వెలిగితే 360,000 జూలుల శక్తి ఖర్చు అవుతుంది. ఒక ట్రిలియను ఎలక్ట్రాన్ వోల్టుల (1 TeV) శక్తి అంటే ఒక చీమ గబగబా నడవడానికి సరిపడే శక్తి. కనుక మనం ప్రతి రోజు ఖర్చుచేసే శక్తితో పోల్చి చూస్తే రేణు త్వరణులలో ఖర్చు అయే శక్తి అత్యల్పం! కానీ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు అణు ప్రపంచంలో ప్రయోగాలు చేసేటప్పుడు ఒక ట్రిలియను ఎలక్ట్రాన్ వోల్టులు అంటే చాల ఎత్తయిన గమ్యం. ఎందుకంటే ఒక చీమ బరువు ఉరమరగా 0.1 గ్రాము ఉంటే, ఒక ప్రోటాను బరువు కేవలం 1.65 × 10^-24 గ్రాములు మాత్రమే!

ప్రాథమిక రేణువుల మీద పరిశోధనకి కావలసిన మౌలిక వ్యవస్థ పేరు రేణు త్వరణి (particle accelerator). ఈ వ్యవస్థకి ఆద్యుడు ఎర్నెస్ట్ లారెన్స్ (Ernest Lawrence, 1901-1958). ఈయన నిర్మించిన సైక్లోట్రాన్ వంటి ఉపకారణాలని ఉపయోగించి రేణువుల శక్తిని విపరీతంగా పెంచి, వాటిని జోరుగా ఎదురెదురుగా పరిగెట్టించి, ఒకదానితో మరొకటి ఢీకొనేటట్లు చేస్తారు. లేదా, జోరుగా ప్రయాణం చేస్తున్న రేణువుల ప్రవాహం నిలకడగా ఉన్న ఒక పలకని గుద్దుకునేటట్లు చేస్తారు. అప్పుడే రేణువులు ఛిన్నాభిన్నం అయిపోతాయి. అప్పుడు అలా విరిగిన ముక్కలని పరీక్షించి రేణువుల అంతర్గత కట్టడిని అర్థం చేసుకుంటారు. మొదట్లో రేణు త్వరణులని పదార్థంలోని అణువుల గర్భంలో ఉన్న పరమాణు రేణువుల నిజతత్త్వాన్ని అర్థం చేసుకుందుకు నిర్మించడం మొదలుపెట్టేరు. క్రమేణా పదార్థం యొక్క నిజతత్త్వం అర్థం అయితే కానీ విశ్వ ఆవిర్భావం యొక్క నిజం అవగాహనలోకి రాదని తెలుసుకోగానే ఈ శాఖ ప్రాముఖ్యత పెరిగింది.

కాలక్రమేణా సంపన్న దేశాలయిన అమెరికాలోను, యూరప్‌లోను చాల రేణు త్వరణుల నిర్మాణం జరిగింది. వీటిలో చెప్పుకోదగ్గ కొన్నింటి పేర్లు, అవి ఎంతంత శక్తిని పుట్టిస్తాయో, అవి ఏయే రకాల ప్రాథమిక రేణువుల అధ్యయనానికి ఉపయోగపడతాయో, అవి ఎక్కడెక్కడ ఉన్నాయో, అవి ఏ సంవత్సరంలో వాడుకలోకి వచ్చాయో – టూకీగా – ఈ దిగువ చూపిస్తున్నాను:

• కాస్మోట్రాన్, 2.8 GeV, ప్రోటానులు, బ్రూక్‌హేవెన్, అమెరికా (1952).
• బెవట్రాన్, 3.5 GeV, ప్రోటానులు, బర్కిలీ, అమెరికా (1954).
• నూక్లోట్రాన్, 4.5 GeV, ప్రోటానులు, డూబ్న, సోవియట్ యూనియన్ (1957).
• ప్రోటాన్-సింక్రోట్రాన్, 7 GeV, ప్రోటానులు, సెర్న్ (CERN), జెనీవా, స్విట్జర్లండ్ (1959).
• శ్లాక్ (SLAC), 20 GeV, ప్రోటానులు, శ్టాన్‌ఫర్డ్, అమెరికా (1961).
• కొలైడర్, 40 GeV, ప్రోటానులు-ఏంటిప్రోటానులు, సెర్న్ (CERN), జెనీవా, స్విట్జర్లండ్ (1981).
• టెవాట్రాన్, 2000 GeV, ప్రోటానులు-ఏంటిప్రోటానులు, ఫెర్మి లేబ్, షికాగో, అమెరికా (1986).
• శ్లాక్ (SLAC), 100 GeV, ప్రోటానులు-ఏంటిప్రోటానులు, శ్టాన్‌ఫర్డ్, అమెరికా (1986).
• LHC, 14,000 GeV, ప్రోటానులు, సెర్న్ (CERN), జెనీవా, స్విట్జర్లండ్ (2008).

రేణు త్వరణుల సమర్థతతో పాటు పరమాణు రేణువుల సంఖ్య కూడా పాపం పెరిగినట్లు పెరగడం మొదలుపెట్టింది. వందలకొద్దీ కనిపిస్తున్న ఈ పరమాణు రేణువులు చెప్పే కథని కట్టుబాటు చెయ్యడానికి పరిశోధకుల పుర్రెలలో ఊహాజనిత పరమాణు రేణువులు పుట్టుకురావడం మొదలయింది. వీటిలో చెప్పుకోదగ్గ పరమాణు రేణువు పేరు క్వార్క్ (quark); దీనిని ప్రతిపాదించిన ఘనత మర్రీ గెల్-మాన్ (Murray Gell-Mann, 1929-2020), జార్జి జ్వీగ్ (George Zweig, 1937- ) లకి చెందుతుంది. ఈ రకం రేణువుల అస్తిత్వానికి ప్రత్యక్ష ప్రమాణం లేకపోయినా ఇవి ఉన్నాయనుకుంటే ఈ పరమాణు రేణువులు చెప్పే కథని కట్టుబాటు చెయ్యవచ్చు. ఇంతవరకు ఎలక్ట్రానులు, ప్రోటానులు, నూట్రానులు అవిభాజ్యమైన ప్రాథమిక రేణువులన్న ప్రాతిపదిక మీద భౌతికశాస్త్రం అనే సౌధం నిర్మించబడింది. ఈ రేణువులు అవిభాజ్యమే కాకుండా, వీటి మీద ఉండే ఆవేశం (charge) కూడా అవిభాజ్యమే. ఇది నిజమే కాని, ఈ రేణువులని మూడేసి ముక్కలు చెయ్యగలిగినట్లు ఉహించుకోమన్నారు ఈ ఇద్దరు శాస్త్రవేత్తలు. ఈ ఊహాజనిత క్వార్క్‌లకి ‘పైన’ (up, u), ‘కింద’ (down, d), ‘వింత’ (strange, s) అని కొంటె పేర్లు పెట్టేరు. పైన (u) క్వార్క్ ఆవేశం ⅔, కింద (d) క్వార్క్ ఆవేశం -⅓, వింత (s) క్వార్క్ ఆవేశం -⅓ అని అనుకోమన్నారు. ఇప్పుడు రెండు పైన క్వార్క్‌లు, ఒక కింద క్వార్క్ కలిస్తే వాటి మొత్తం ఆవేశం ⅔ + ⅔ – ⅓ = 1 అవుతుంది కదా. ఇది +1 కనుకనున్ను, ప్రోటాను ఆవేశం +1 కనుకనున్ను ఒక ప్రోటానులో రెండు పైన క్వార్క్‌లు, ఒక కింద (d) క్వార్క్ ఉండాలని ప్రతిపాదించారు. ఇదే విధంగా ఒక నూట్రానులో రెండు కింద క్వార్క్‌లు, ఒక పైన క్వార్క్ ఉండాలని ప్రతిపాదించారు. అప్పుడు నూట్రాను ఆవేశం -⅓ -⅓ +⅔ = 0 అవుతుంది.

ఇదేదో బాగానే ఉందే అని ఇతరులు మరో మూడు క్వార్కులని ప్రతిపాదించారు. వాటి పేర్లు: charm (c), bottom (b), top (t). ఈ ఆరింటిని క్వార్కుల షాడబాలు (flavors) అంటారు. అంతేకాకుండా ఒకొక్క షాడబం మూడేసి రంగులలో వస్తుంది: ఎరుపు, పచ్చ, నీలం. ఇప్పుడు నూట్రానులో ఉండే మూడు క్వార్కులలో ఎరుపు, పచ్చ, నీలం అనే మూడు రంగులు ఉండేటట్లు చూసుకోమన్నారు. ఈ మూడు రంగులని కలగలిపితే తెలుపు వస్తుంది. కనుక నూట్రాను రంగు తెలుపు! ఈ క్వార్కులు అణుగర్భంలో బంధించబడి ఉంటాయి కనుక వీటిని విడివిడిగా విడగొట్టి చూడలేము. ఇలా ‘రంగులు, రుచులు, వాసనలు’ వగైరా భావాలతో ప్రాథమిక రేణువుల లక్షణాలన్నిటిని సమగ్రంగా వర్ణించే వాదానికి క్వాంటమ్ క్రోమోడైనమిక్స్ (QCD) అని పేరు పెట్టేరు. ఈ క్యు.సి.డి. కథనం అర్థం కావాలంటే కొంచెం వెనక్కి వెళ్ళి ‘ఏకీకరణ’ అంటే ఏమిటో, దానిలో దీని పాత్ర ఏమిటో చూద్దాం.

4.2 ఏకీకరణ సిద్ధాంతం కోసం

విశ్వస్వరూపాన్ని ఆకళింపు చేసుకోటానికి జరుగుతూన్న ప్రయత్నంలో శాస్త్రవేత్తలకి తీరని కోరిక ఒకటి ఉండిపోయింది. అదేమిటంటే – అణుగర్భం నుండి దిగంతాలలో ఉన్న నక్షత్రమండలాల వరకూ, కాలం పుట్టినప్పటి నుండి ‘ఆఖరి క్షణం’ వరకు – సమస్తాన్నీ ఒకే ఒక వాదంలో ఇమడ్చగలగటం. ఈ రకం వాదం అంటూ ఒకదానిని నిర్మించగలిగితే దానిని సమస్త వాదం (Theory of Everything) అనాలి అని అంటున్నారు.

ఏకీకరణ (unification) అంటే ఏమిటి? ఈ ఏకీకరణ సమస్యని అర్థంచేసుకోవడం తేలికేకానీ పరిష్కరించడం కష్టం. మనం నిత్య వ్యవహారాలలో అనేక దృగ్విషయాలని చూస్తూ ఉంటాం. ‘వీటన్నిటికీ మూల కారణం ఒకటేనా? లేక వేర్వేరు కారణాలు ఉండొచ్చా?’ అనే అనుమానం కలగడం సహజం. ఉదాహరణకి, నూటన్ ప్రవచించిన గురుత్వాకర్షక సూత్రం విశ్వంలో ఉన్న ప్రతి వస్తువు, ప్రతి ఇతర వస్తువుని ఆకర్షిస్తుంది అని చెబుతోంది. ఎంత బలంతో? వాటి వాటి గరిమల లబ్ధానికి అనులోమ అనుపాతంలోను, వాటి మధ్య దూరానికి విలోమ అనుపాతంలోను అని చెబుతోంది. ఇదే విధంగా కూలుంబ్ ప్రవచించిన విద్యుదావేశ సూత్రం ప్రకారం విశ్వంలో ధన విద్యుదావేశంతో ఉన్న ప్రతి వస్తువు, రుణ విద్యుదావేశంతో ఉన్న ప్రతి ఇతర వస్తువుని ఆకర్షిస్తుంది. ఎంత బలంతో? వాటి వాటి ఆవేశాల లబ్ధానికి అనులోమ అనుపాతంలోను, వాటి మధ్య దూరానికి విలోమ అనుపాతంలోను. ఇదే విధమైన సూత్రం అయస్కాంత ధ్రువాల గురించి కూడా ఉంది. ఈ మూడు గణిత సూత్రాలని చూసిన తరువాత ఒక విషయం కొట్టొచ్చినట్లు స్పష్టం అవాలి. ఈ మూడు సూత్రాలు చూడడానికి ఒకే సూత్రంలా ఉన్నాయి; పేర్లు మారేయి తప్ప! మరొక విషయం. గురుత్వాకర్షక సూత్రం కేవలం ఆకర్షక సూత్రమే. విద్యుదావేశ సూత్రం, అయస్కాంత సూత్రం ఆకర్షక సూత్రాలైనా కావచ్చు, వికర్షక సూత్రాలైన కావచ్చు. అనగా ఈ మూడు సూత్రాల మధ్య కొన్ని పోలికలు ఉన్నాయి, కొన్ని తేడాలు ఉన్నాయి. ఈ మూడు సూత్రాలూ వివిధ వ్యక్తుల మస్తిష్కాలలో, వివిధ సమయాల్లో పుట్టుకొచ్చినవే కానీ ముగ్గురు కూడబలుక్కుని తయారుచేసినవి కావు. ఈ మూడింటిని ఒకే ఒక ప్రాథమిక సూత్రంతో ఉత్పన్నం చెయ్యగలిగితే ఆ ప్రయత్నాన్ని ఏకీకరణ అని పిలవొచ్చు. కానీ, ఏకీకరణ లక్ష్యం ఇంతకంటే విశాలమైనది.

పూర్వకాలపు పుస్తకాలలో కదలిక (motion), వేడి (heat), వెలుగు (light), శబ్దం (sound), ఆయస్కాంత తత్త్వం (magnetism), విద్యుత్ తత్త్వం (electricity), గురుత్వాకర్షణ (gravity), అనుకుంటూ విడివిడిగా అధ్యాయాలు ఉండేవి. నూటన్ వచ్చి బణువుల (molecules) కదలికతో శబ్దానికి భాష్యం చెప్పవచ్చు అన్నాడు. అలాగే వేడిని కూడా బణువుల కదలికతో అర్థం చేసుకోవచ్చు అన్నాడు. ఇలా ఎన్నో రూపాలలో కనిపిస్తున్న దృగ్విషయాలని ఒకే మూలసూత్రం ఉపయోగించి అర్థంచేసుకోవచ్చని తెలిసింది. ఇదే ఏకీకరణ అంటే.

నూటన్ కాలానికి ముందు భూమి మీద అమలులో ఉండే భౌతిక సూత్రాలు ఒక విధంగాను, రోదసిలో (ఆకాశంలో కనిపించే సూర్య, చంద్ర, గ్రహ, నక్షత్రాదులలో) భౌతిక సూత్రాలు మరొక విధంగానూ ఉంటాయని అనుకునేవారు. నూటన్ తన గురుత్వాకర్షక సూత్రం సర్వత్రా, విశ్వం యావత్తు ఒకే సూత్రానికి లోబడి పనిచేస్తుందని చెప్పి మొదటి ఏకీకరణ భావాన్ని ప్రవేశపెట్టేడు. అనగా, ఒక సూత్రం అన్ని సందర్భాలలోనూ, అన్ని చోట్ల ఒకే విధంగా పనిచేస్తే దానికి ప్రాధాన్యత ఎక్కువ ఉంటుంది, దానికి అందం ఎక్కువ ఉంటుంది.

పందొమ్మిదవ శతాబ్దం అంతం అయే రోజులలో జేమ్స్ మాక్స్‌వెల్ (James Clerk Maxwell, 1831-1879) వచ్చి విద్యుత్ తత్త్వము, అయస్కాంత తత్త్వము పైపైకి వేర్వేరు దృగ్విషయాలుగా కనిపిస్తున్నా నిజానికి రెండూ విద్యుదయస్కాంత తత్త్వం (electromagnetism) అనే ఏకైక దృగ్విషయానికి బొమ్మ, బొరుసు లాంటివి అని నిరూపించి, రెండింటిని ఒకే ఒక నమూనాలో ఇరికించి ఏకీకరణ సాధించేడు. ఈ విద్యుదయస్కాంత తత్త్వం అధ్యయనం చేసే శాస్త్రాన్ని విద్యుత్చలన శాస్త్రం (electrodynamics) అంటారు.

గుళిక వాదాన్ని ప్రత్యేక సాపేక్ష వాదంతో సమన్వయం చేస్తూ పాల్ డిరాక్ (Paul Dirac, 1902-1984) ఎలక్ట్రాన్ ప్రవర్తనని వర్ణించడానికి ష్రోడింగర్ సమీకరణం కంటే అధునాతనమైన సమీకరణాన్ని అందించాడు. ఈ సమీకరణం కాంతి వేగంతో సమతుల్యంగా ప్రయాణించే ఎలక్ట్రాను స్థితిని వర్ణించి చెప్పడమే కాకుండా ఎలక్ట్రానుని పోలినది, ధనావేశం ఉన్నది అయిన మరొక పరమాణువు (పాసిట్రాన్) ఉండి తీరాలని జోస్యం చెప్పింది. అయినప్పటికీ డిరాక్ సమీకరణాల్లో చిన్న వెలితి మిగిలిపోయింది. ఎలక్ట్రాను అయస్కాంత భ్రామకం (magnetic moment) అనే లక్షణాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. డిరాక్ సిద్ధాంతం ప్రకారం దీని విలువ 1 అవాలి. కానీ ప్రయోగం చేసి చూస్తే ఈ విలువ 1.00118 కనిపించింది. ఈ లేశమంత తేడాని సవరించడానికి పుట్టిన వాదం పేరే క్వాంటమ్ ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ (Quantum Electrodynamics లేదా QED).

గుళిక వాదం కాంతి తేజాణువులు రూపంలో ఉండాలని చెబుతోంది. కానీ కాంతి తరంగాలు మాదిరి ప్రవహిస్తోందని మాక్స్‌వెల్ తన విద్యుత్ చలన శాస్త్రంలో (electrodynamics) నాలుగు సమీకరణాలతో ఉద్ఘాటించేడు; మాక్స్‌వెల్ ప్రతిపాదించిన సమీకరణాలలో ప్లేంక్ స్థిరాంకం కనిపించనే కనిపించదు. కనుక గుళిక వాదానికి మాక్స్‌వెల్ సమీకరణాలకి మధ్య పొంతన కుదర్చాలంటే మాక్స్‌వెల్ సమీకరణాలని కూడా గుళికీకరించాలి. ఎలక్ట్రాను వంటి ఆవేశపూరిత పదార్థ రేణువులకి, తేజాణువుల రూపంలో ఉన్న కాంతికి మధ్య జరిగే సంకర్షణని వర్ణించడంలో కృతకృత్యులు అయినవారు షిన్-ఇచీరో తోమొనాగా (Shin-ichiro Tomonaga, 1906-1979), జూలియన్ ష్వింగర్ (Julian Schwinger, 1918-1984), రిచర్డ్ ఫెయిన్మన్ (Richard Feynman, 1918-1988). వీరు మువ్వురు ఆవిష్కరించిన నమూనాని క్వాంటమ్ ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ అంటారు. ఈ ‘గుళిక విద్యుత్చలన శాస్త్రం’ గుళిక వాదాన్ని, విద్యుత్చలన శాస్త్రాన్ని ఏకీకరణ చేసి ఒకే తాటి మీదకి తీసుకువచ్చి భౌతికశాస్త్రాన్ని మరొక అడుగు ముందుకి నడిపింది.

ఇలా మరొక ‘ఏకీకరణ’ జయప్రదం అవగానే విశ్వంలో ఉన్న నాలుగు ప్రాథమిక బలాలని – అనగా, విద్యుదయస్కాంత బలం (electromagnetic force), గురుత్వాకర్షక బలం (gravitational force), త్రాణిక బలం (strong force), నిస్త్రాణిక బలం (weak force) అనే నాలుగు ప్రాథమిక బలాలని – కూడ ఒకే తాటి మీదకి నడిపించాలానే కోరిక పుట్టడం సహజం. ఈ ప్రయత్నంలో త్రాణిక బలాన్ని విద్యుదయస్కాంత బలంతో సంధాన పరచగా వచ్చినది క్వాంటమ్ క్రోమోడైనమిక్స్ (QCD). ఈ వాదం సహాయంతో అణుగర్భంలో నిబిడీకృతమై ఉన్న త్రాణిక బలానికి (strong force) భాష్యం చెప్పేరు. (రెండు కాని, అంతకంటె ఎక్కువ కాని క్వార్కులని త్రాణిక బలంతో బంధించినప్పుడు లభించే రేణువులని మోటురేణువులు (hadrons) అంటారు కనుక జినీవాలో నిర్మాణం చెందిన రేణు త్వరణిని హేడ్రాన్ కొలైడర్ అన్నారు.)

క్వాంటమ్ ఎలెక్ట్రోడైనమిక్స్ (QED) ఇరవైయవ శతాబ్దపు పూర్వార్ధంలో పుట్టి పెరిగినదైతే క్వాంటమ్ క్రోమోడైనమిక్స్ (QCD) ఇరవైయవ శతాబ్దపు ఉత్తరార్ధంలో పరిఢవిల్లింది. అనగా QED ద్వారా విశ్వవ్యాప్తమయిన విద్యుదయస్కాంత తత్త్వానికి గుళిక భాష్యం దొరికింది. అలాగే QCD ద్వారా అణుగర్భానికి పరిమితమైన త్రాణిక బలానికి గుళిక భాష్యం దొరికింది. మరి రేడియో ధర్మం వెనక ఉన్న నిస్త్రాణిక బలం సంగతి? ఇరవయ్యవ శతాబ్దపు భౌతిక శాస్త్రవేత్తలలోని ఘనాపాటీల సరసలో లెక్కించదగ్గ ఎన్రికో ఫెర్మీ (Enrico Fermi, 1901-1954) రేడియో ధర్మానికి మూలకారణమైన నిస్త్రాణిక సంకర్షణ (weak interaction) గురించి 1932లో పరిశోధన చేసేడు. ‘బీటా క్షీణత’ అనే ప్రక్రియలో అణుగర్భంలో ఉన్న నూట్రాను, కొన్ని సందర్భాలలో, శిథిలం అయిపోయి, ఆ స్థానంలో ఒక ప్రోటాను, ఒక ఎలక్ట్రాను, ఒక ప్రతి-నూట్రినో (anti-neutrino) మిగులుతాయని సిద్ధాంతీకరించేడు. ఈ వాదాన్ని కొన్ని మార్పులతో సవరించడానికి ప్రయత్నించినవారిలో ముఖ్యులు: రాబర్ట్ మార్షక్ (Robert Marshak, 1916-1992), జార్జి సుదర్శన్ (E. C. George Sudarshan, 1931- 2018), రిచ్చర్డ్ ఫెయిన్మన్, మర్రీ గెల్-మన్. కానీ వీటన్నిటి కంటే ఆమోదయోగ్యమైన వాదం స్టీవెన్ వైన్‌బర్గ్ (Steven Weinberg, 1933 – 2021), అబ్దుస్ సలామ్ (Abdus Salam, 1929-1996), షెల్డన్ గ్లాషో (Sheldon Glashow, 1932 -) ప్రవేశపెట్టారు. వీరు ప్రతిపాదించిన ఎలక్ట్రో-వీక్ వాదం (electroweak theory) విద్యుదయస్కాంత బలాన్ని, నిస్త్రాణిక బలాన్ని సంధానపరచి ఒకే తాటి మీదకి తీసుకువచ్చింది. వీటన్నిటిని కలపగా మనకి లభించిన నమూనాని ‘ప్రాథమిక రేణువుల ప్రామాణిక నమూనా’ (Standard Model of Fundamental Particles) అని కానీ, టూకీగా ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) అని కానీ అంటారు. ఈ ప్రామాణిక నమూనాలో గురుత్వాకర్షక బలం మినహా మిగిలిన మూడు ఏకీకరణ పొందేయి. గురుత్వాకర్షక బలాన్ని కూడా ప్రామాణిక నమూనాలో ఇరికించాలంటే గురుత్వాకర్షక బలాన్ని కూడా గుళికీకరించాలి. ఇది ఇంతవరకు సాధ్యం కాలేదు. ప్రయత్నాలు జరుగుతున్నాయి. ఇది సఫలం అయితే దానిని మహాఏకీకరణ వాదం (Grand Unified Theory – GUT) అనవచ్చు!

ఈ కోణంలో ఆలోచిస్తే సృష్ట్యాదిలో ఉన్నది ఒకే ఒక్క బలం. విశ్వం వ్యాప్తిచెంది, చల్లారుతున్నకొద్దీ ఈ బలం విడిపోయి మనకి నాలుగు (విద్యుదయస్కాంత, త్రాణిక, నిస్త్రాణిక, గురుత్వాకర్షక) బలాలుగా విడివిడిగా కనబడుతున్నాయి. ఇటువంటి నమూనాలని ఉపయోగించి మనం ఉంటున్న ఈ విశ్వంలో ప్రతిపదార్థం (antimatter) కంటే పదార్థం (matter) ఎందుకు లేశమంత ఎక్కువగా ఉందో మోతొహికో యోషిమురా (Motohiko Yoshimura) 1978లో రుజువు చేసేరు.

ప్రామాణిక నమూనా ఎన్నో విధాలుగా విజయవంతం అయినప్పటికీ ఇది కూడా పరిపూర్ణత సాధించలేదనే చెప్పాలి. ఉదాహరణకి ప్రామాణిక నమూనాలో గురుత్వాకర్షక బలానికి స్థానం లేదు. ఈ వెలితిని పూడ్చాలి. ఈ నమూనాలో పరామితులు (parameters) మరీ ఎక్కువ ఉన్నాయి; వీటన్నిటిని ప్రయోగాత్మకంగా నిర్ధారించాలి. ఈ నమూనాని ఉపయోగించి ‘ఎందుకు?’ అనే ప్రశ్నకి సమాధానాలు చెప్పలేము. మనకి కనిపిస్తున్న ప్రాథమిక రేణువులు ఎందుకు ఉన్నాయి? వాటికి ఆయా గరిమలు ఎందుకు ఉన్నాయి? ప్రాథమిక బలాలు నాలుగే ఎందుకు ఉన్నాయి? అయిదు ఎందుకు లేవు? ఒకే ఒక్కటి ఉంటే సరిపోదా? ఇలాంటి ప్రశ్నలకి ఇంకా సమాధానాలు లేవు.

4.3 పోగుల వాదాలు

సమస్త వాదం నిర్మించటంలో ఉన్న సాధక బాధకాలలో మింగుడుపడని మొదటి సమస్య ఏమిటంటే – పొందు పొత్తికలు లేని రెండు వాదాలని ఒకే తాటి మీదకి చేర్చటం. ఈ పని చెయ్యటం మహా మేధావి ఐన్‌స్టయిన్ అంతటివాడికే చేతకాలేదు. ఈ కొరుకుడు పడని సమస్యకి పరిష్కారం పోగుల వాదాలలో (String Theories) దొరుకుంతుందేమో అని ఒక ఆశ కొంతమందిలో ఉంది. ఈ వాదాలకి ఆయువుపట్టు పోగులు (strings) అనే ఊహనం (concept). పోగు అంటే అతి సూక్ష్మమైన మోతాదులో ఉండి కంపిస్తూన్న శక్తి. గుళిక వాదంలో శక్తి చిన్న గుళిక (quantum) ప్రమాణంలో ఉంటుందని ఊహించుకున్నాం. ఇక్కడ శక్తి – గుళికకి బదులు – చిన్న పోగులా ఉంటుందని ఊహించుకుంటున్నాం. ఈ ‘పోగు’ అనేది మన ఊహా ప్రపంచంలోనే ఉంది. దీనికి భౌతికమైన అస్తిత్వం ఏమీ లేదు.

ఈ పోగు అనేది మనం ఊహించటానికి వీలు లేనంత చిన్న వస్తువు. కంటికి కనబడదు. మీటిన తీగ కంపించినట్లు ఈ పోగు ఎల్లప్పుడూ అలా కంపిస్తూనే ఉంటుంది. రకరకాల కంపనల ద్వారా రకరకాల స్వరాలు పుట్టినట్లు ఈ పోగులు ఒక రకంగా కంపిస్తే అవి మనకి ఎలక్ట్రానులలా (electron) కనిపిస్తాయి. మరొక రకంగా కంపిస్తే నూట్రానులలా (neutrons) కనిపిస్తాయి. అదీ పోగుల వాదానికి ఆయువుపట్టయిన ఊహ.

ఈ పోగుల వాదం సహాయంతో ఇప్పటివరకు పొందు పొత్తికలు లేకుండా, ఎడమొహం, పెడ మొహం పెట్టుకుని ఉన్న సాపేక్ష వాదాన్ని, గుళిక వాదాన్ని ఒకే తాటి మీదకి తీసుకురావచ్చు అని అంటున్నారు. ఈ పోగుల వాదం సహాయంతో పదార్థపు ప్రాథమిక రేణువులన్నిటిని (అవి ఎలక్ట్రానులు అవనివ్వండి, క్వార్కులు అవనివ్వండి), బలవాహక రేణువులన్నిటిని (అవి ఫోటానులు కావచ్చు, గ్రేవిటానులు కావచ్చు) ఒకే ఒక రకం కట్టడపు ఇటికతో (building block) నిర్మించవచ్చు. ఆ కట్టడపు ఇటిక పేరే పోగు. ఈ పోగు ఒక రకంగా ప్రకంపిస్తే ఆ ప్రకంపన మనకి ఒక రేణువులా ‘అనిపిస్తుంది’, మరొక విధంగా కంపిస్తే మరొక రేణువు అనే భావన కలుగుతుంది.

ఈ పోగుల వాదంతో ఒక సుఖం ఉంది. ‘పోగు’ అనే భావం మనందరికీ చిరపరిచితం. వీణ, ఫిడేలు వంటి వాయిద్యాలలో తీగ పొడుగు మార్చి రకరకాల స్వరాలు పలికించినట్లే, ఈ పోగుల చేత ‘రకరకాల స్వరాలు పలికించవచ్చు.’ సతతం మనస్సులో గుర్తు పెట్టుకోవలసినది ఏమిటంటే ఈ పోగులు మన కపోలకల్పితాలు. వీటి అస్తిత్వం నిజం కాదు. ఇవి కేవలం నమూనాలు మాత్రమే. కాంతిని కిరణంలా ఉహించుకున్నాం, రేణువులా ఊహించుకున్నాం, తరంగాలుగా ఊహించుకున్నాం. దాని నిజ స్వరూపం ఆ పెరుమాళ్ళకే ఎరుక. అలాగే పోగులు కూడా.

ఇక్కడ అందరూ గమనించవలసిన విషయం ఒకటి ఉంది. సాధారణంగా భౌతికశాస్త్రంలో ముందు ప్రయోగం చేస్తాం. ఆ ప్రయోగంలో మనం గమనించిన విషయాన్ని సమర్థించటానికి ఒక వాదాన్ని లేవదీస్తాం. పండు చెట్టు కొమ్మ నుండి నేల మీదకి పడటం చూసి అది ఎందుకు అలా పడిందో చెప్పటానికి నూటన్ గురుత్వాకర్షణ వాదం లేవదీశాడు కదా. పోగుల వాదం దీనికి వ్యతిరేకం అనుకోవచ్చు. ఒకరు ఒక గణిత సమీకరణంలో ఒక చిత్రమైన లక్షణం చూసేరు. అదే రకం లక్షణం భౌతిక ప్రపంచంలో ఉంటే గింటే మన ప్రామాణిక నమూనాలో ఉన్న లొసుగుని సరిచెయ్యవచ్చు. అందుకని ఆ గణితంలోని సమీకరణాన్ని యథాతథంగా సేకరించి భౌతిక శాస్త్రానికి అనువర్తింప చెయ్యటానికి ప్రయత్నించేరు. అదే ఇంతింతై, ఎంతో పెద్దదై, పోగుల వాదంలా పరిణమించింది తప్ప ఒక ప్రయోగం ద్వారా దొరికిన ప్రమాణాన్ని సమర్థించడానికి లేవదీసిన వాదం కాదు.

గణితశాస్త్రంలో పుట్టిన ఈ పోగుల వాదం నిజంగా మన భౌతిక ప్రపంచానికి అనువర్తిస్తే, ఈ విశ్వానికి 10 కొలతలు లేదా మాత్రలు (dimensions) ఉన్నాయని మనం ఒప్పుకోవాలి. అంతే కాదు, ఈ విశ్వంతో పాటు అనంతమైన సమాంతర విశ్వాలు (parallel universes) కూడ ఉన్నాయని ఒప్పుకోవాలి. పొడుగు, వెడల్పు, లోతు అనే మూడు కొలతలని మించి నాలుగో కొలతని ఊహించుకోటానికే ఇబ్బందిపడుతూన్న మనకి 10 కొలతల విశ్వం ఊహించుకోవటం వశమవుతుందా? బిలియనుల కొద్దీ ఉన్న నక్షత్రమండలాలని, వాటిలో ట్రిలియనుల కొద్దీ ఉన్న నక్షత్రాలనీ ఊహించుకోవటమే గగనమైపోతున్న సమయంలో ఇలాంటి విశ్వాలు ఇంకా అనేకం ఉన్నాయంటూ ఊహించుకోమంటే కొంచెం కష్టమే.

ఈ పోగుల వాదం కౌమార దశలోకి ఎదిగే లోపలే దీన్ని తలదన్నే మరొక వాదం పుట్టుకొచ్చింది. ఈ కొత్త వాదాన్ని ఎమ్-థియరీ (M-theory) అంటారు. ఇంగ్లీషులో ఈ పేరు ఎలా వచ్చిందో ఎవ్వరికీ తెలియదు కాని, M అనే అక్షరం పొర (membrane) అనే మాట లోంచి వచ్చిందని మనం ఊహాగానం చెయ్యవచ్చు. సంస్కృతంలో అంబరం అనొచ్చు. బట్టని అంబరం అంటారు కనుక మనం దీనిని అంబర వాదం అందామా?

పోగుల వాదానికి ‘పోగు’ భూమిక అయితే పొరల వాదానికి ‘పొర’ భూమిక. పోగుని వర్ణించటానికి 10 లక్షణాలు కావలసివస్తే పొరని వర్ణించటానికి 11 లక్షణాల వరకూ కావలసిరావచ్చు. ఈ అంబర వాదంలో మన విశ్వం మూడు దిశలలో వ్యాప్తి చెందిన ‘బరం’ (3-dimensional brane). ఈ బరం (పొర) మూడు కంటె ఎక్కువ దిశలలో వ్యాప్తి చెందిన ప్రదేశంలో తేలియాడుతూ ఉంటుంది. ఇదేమీ బోధపడకపోతే బాధపడకండి. రాస్తూన్న నాకు, ఈ వాదాన్ని లేవదీసిన శాస్త్రవేత్తలకి కూడ ఇది పూర్తిగా బోధపడలేదు.

బోధపడదు అని వదిలేస్తే ఎలా? పురుష ప్రయత్నం చెయ్యాలి కదా! కనుక ఉపమానాల ద్వారా ప్రయత్నిస్తాను. ‘ఈ విశ్వానికి 11 లక్షణాలు ఉన్నాయి. వాటిల్లో మనందరికీ పరిచయమైనవి పొడుగు, వెడల్పు, లోతు, కాలం. మనకి పరిచయం లేని లక్షణాలు ఇంకా 7 ఉన్నాయి’ అని నేనంటే అదేమీ అంత మింగుడుపడని సమస్య కాదు. బొమ్మ గీసి చూపలేము కాని, ఊహించుకోగలం. కావలిస్తే వాటికి గిడుగు, గిడల్పు, గీతు, గీలం వంటి పేర్లు పెట్టుకోవచ్చు. పొడుగునీ, వెడల్పునీ గ్రాఫు కాగితం మీద చూపాలనుకున్నప్పుడు పొడుగుని కాగితానికి నిలువు దిశలోనూ, వెడల్పుని కాగితానికి అడ్డు దిశలోనూ చూపుతాం. ఈ నిలువు దిశకీ, అడ్డు దిశకీ మధ్య ఉన్న కోణం లంబ కోణం (అనగా, 90⁰). ఆకాశంలో ఎగురుతూన్న విమానం ఎక్కడుందో చెప్పటానికి దాని అక్షాంశం (పొడుగు లాంటిది), రేఖాంశం (వెడల్పు లాంటిది) చెబితే సరిపోదు; అది ఎంత ఎత్తులో ఎగురుతోందో కూడ చెప్పాలి కదా. అక్షాంశానికీ, రేఖాంశానికీ మధ్య ఉండే కోణం లంబ కోణం. ఈ రెండింటి నుండి నిట్టనిలువుగా పైకి గీసే గీత ఈ రెండింటికి కూడ లంబ కోణంలో ఉంటుంది. అదే విధంగా కాల గమనాన్ని కొలిచే గీత మరొకటి ఉందనుకుందాం. ఆ గీత పైన చెప్పిన మూడింటికి లంబకోణంలో ఉంటుంది. అలా ఎన్ని లక్షణాలు కావలిస్తే అన్ని లక్షణాలని, వేర్వేరు దిశలలో గీతలు గీసి చూపవచ్చు. ఒకే ఒక నిబంధన. కొత్తగా గీసే గీత పాత గీతలన్నిటికి లంబ కోణంలో ఉండాలి. ఉన్నత శ్రేణి గణితంతో పరిచయం ఉన్నవారికి ఈ రకం లెక్కలు పరిపాటే!

గణితపరమైన ఈ రకం లక్షణాలు భౌతికమైన మన అనుభవాల మీద ఎలా ముద్ర వేస్తాయి అన్నది కొంచెం విచారిద్దాం. ముందుగా మన అనుభవంలో పొడుగు, వెడల్పు, లోతు అనే మూడు లక్షణాలు ఉన్న మన ప్రపంచమే తీసుకుందాం. ఈ ప్రపంచంలో నాలుగో లక్షణం ప్రవేశపెడితే దాని ప్రభావం మన ఆకళింపుకి ఎలా వస్తుంది? ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం రెండే రెండు లక్షణాలు ఉన్న మరొక ఉదాహరణ ద్వారా చెబుతాను.

అమరచిత్ర కథల లాంటి బొమ్మల కథలు ఉన్న ఒక పుస్తకాన్ని తీసుకుందాం. ఈ రకం పుస్తకంలో ఒక పేజీలో ఉన్న బొమ్మలు ఎడా, పెడా, పైకీ, కిందికి కదులుతూన్నట్లు మనం ఊహించుకోగలం. కాని ఆ బొమ్మలు పేజీ లోంచి ఎగిరి కదలలేవు. ఎందువల్ల? కాగితపు ఉపరితలమే ఆ బొమ్మల విశ్వం. ఆ కాగితపు ఉపరితలం మీదే ఆ బొమ్మలు కదలగలవు. ఇప్పుడు ఈ కాగితం మీద ఉన్న ఒక బొమ్మని పీకి మరొక పేజీలోకి బదలాయించేమనుకుందాం. అప్పుడు బొమ్మల పుస్తకంలో ఉన్న పాత్రల కళ్ళకి అకస్మాత్తుగా తమ ఎదుట ఉన్న ఒక శాల్తీ అదృశ్యం అయిపోయినట్లు, ఆ రెండవ పేజీలో ఆ బొమ్మ అకస్మాత్తుగా ప్రత్యక్షమైనట్లు అనిపిస్తుంది.

ఈ కథనం సరిగ్గా అర్థంకాకపోతే ఇప్పుడు మరొక ఉదాహరణ చెబుతాను. మన పురాణ గాథలలో మరో ప్రపంచంలో ఉన్న దేవుడు అకస్మాత్తుగా ఎదుట ప్రత్యక్షం అవటం, అదృశ్యం అవటం చూస్తూనే ఉన్నాము కదా. వీళ్ళు స్వర్గలోకం నుండి మానవ లోకంలోకి ఏ విమానంలోనో రారు. అకస్మాత్తుగా ప్రత్యక్షం అవుతారు. పుస్తకంలో ఒక పేజీలో బొమ్మ అదృశ్యం అయిపోయి మరొక పేజీలో కనిపించటం కూడ ఇటువంటి సంఘటనే. మనం ఈ ప్రపంచాలని మానవలోకం, ఇంద్రలోకం, సత్యలోకం అని పేర్లు పెట్టి పిలుస్తున్నాం. పోగుల వాదులు వీటిని సమాంతర విశ్వాలు (parallel universes) అని పిలుస్తున్నారు.

పోగుల వాదం, పొరల వాదం ఈ ధోరణిలో ఆలోచిస్తున్నాయి. అందుకనే ఈ వాదాలు ప్రతిపాదించిన వారిని మొదట్లో పిచ్చివాళ్ళగా జమకట్టి పారేసేరు. ‘ఇది ఎడారిలో కనిపించే మృగతృష్ణలో నీళ్ళు తాగటం వంటి వ్యర్థప్రయత్నమా లేక సమస్త వాదానికి పునాది వెయ్యటమా?’ అని ఎగతాళి చేసేరు. దీనిని ప్రయోగాత్మకంగా రుజువు చెయ్యలేరని సవాలు చేసేరు. ఇది భౌతిక శాస్త్ర వాదమా లేక మెట్ట వేదాంతమా అని ఈసడించుకున్నారు. ఈ ఎకసక్కేలు ఇలా ఉన్నప్పటికీ ఈ రెండు వాదాలు ఇంతో, కొంతో పరపతి పుంజుకోడానికి కారణం ఈ వాదాలని సమర్థించే వారిలో ప్రతిష్ఠాత్మకమైన ఫీల్డ్ మెడల్ (Field Medal) పొందిన ఎడ్వర్డ్ విటెన్ (Edward Witten, 1951 -) వంటి గణిత శాస్త్రవేత్తలు ఉండడం ఒక కారణం కావచ్చు.

5. రసాయన మూలకాల జన్మ రహస్యం

ఇంతవరకు మన అనుభవాలకు అతీతమైన అణుప్రమాణంలో ఉన్న పదార్థం గురించి, ఊహకి అందని నక్షత్రమండలాల వంటి భారీ ‘కట్టడాల’ గురించి ప్రస్తావించేను. మన దైనందిన అనుభవాలకి అతి దగ్గరగా ఉన్న పదార్థాల సంగతి ఏమిటి? ఇరవైయ్యవ శతాబ్దంలో జరిగిన ఉత్కృష్టమైన ఆవిష్కరణలలో చెప్పుకోదగ్గది రసాయన మూలకాల జన్మ రహస్యం. మన చుట్టూ కనిపించే రాగి, వెండి, బంగారం, భాస్వరం, మొదలైన రసాయన మూలకాలు ఎలా పుట్టుకొచ్చేయి? మనం పీల్చే గాలిలో ఉన్న ఆమ్లజని, నత్రజని ఎక్కడనుండి వచ్చేయి? మన శరీర నిర్మాణానికి అవసరమైన కర్బనం, ఖటికం వగైరాలు ఎలా వచ్చేయి? ఆదికి ముందు ఉన్న శక్తి స్వరూపం తటాలున పేలి వ్యాప్తి చెందిందంటున్నారు కదా? ఊహకి అందనంత తాపోగ్రతతో, వికిరణం రూపంలో ఉన్న ఈ శక్తి నుండే అణువులు పుట్టుకొచ్చాయా? మొట్టమొదట పుట్టిన పదార్థపు అణువుల స్వరూప స్వభావాలు ఏమిటి? ఈ రకం ప్రశ్నలకి సమాధానాలు వెతికిన వ్యక్తులు జవాతిశయ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు, ప్రాథమిక రేణువుల మీద పరిశోధనలు చేసినవారు అవడం గమనించదగ్గ విషయం.

విశ్వం వ్యాప్తి చెందుతూ చల్లారడం మొదలయిన తరువాత సజాతీయంగా ఉన్న ఈ ‘వికిరణపు గంజి’ (plasma) అవకలనం (differentiate) చెందుతూ అక్కడక్కడ కరళ్ళు కట్టడం మొదలుపెట్టింది. (గిన్నెలో వేడిగా ఉన్న నీటి ఆవిరి చల్లారుతున్నప్పుడు బొట్లు బొట్లుగా మూత మీద పడ్డ మాదిరిగా అని ఉపమానం చెప్పుకోవచ్చు.) ఉరమరగా 0.11 సెకండ్లు కాలం గడిచేసరికి చల్లారుతున్న విశ్వం తాపోగ్రత 30,000కెల్విన్ చేరుకుంది. అప్పటివరకు ‘గంజి’ రూపంలో ఉన్న శక్తి పదార్థం రూపంలోకి కొంత, తేజాణువుల రూపంలోకి కొంత మారడం మొదలయింది. అనగా పదార్థం నుండి కాంతి స్వయంప్రతిపత్తి పొంది ప్రకాశించడం మొదలయింది. పదార్థం స్థలం అంతటిలోను ఏకరీతిగా పిండి ఆరబోసినట్లు (అనగా, ఎగుడు దిగుళ్ళు లేకుండా, ఉండలు కట్టకుండా) పరుచుకోవడం మొదలుపెట్టింది. విశ్వం తాపోగ్రత 3,000కెల్విన్ చేరుకునేసరికి కేవలం 14 సెకండ్లు కాలం పట్టింది. అప్పటివరకు ప్రోటానులు, నూట్రానుల రూపంలో ఉన్న పదార్థం నెమ్మదిగా ‘ఉండ కట్టి’ అణుకేంద్రకాల రూపం సంతరించుకోవడం మొదలయింది. ఉదాహరణకి ఉదజని అణువులోని కేంద్రకంలో ఒక ప్రోటాను, దాని చుట్టు ఒక ఎలక్ట్రాను కనుక వికిరణపు గంజి నుండి ఉదజని అణువులు పుట్టడం తేలిక. రవిజని (helium) అణువు కేంద్రకంలో రెండు ప్రోటానులు, రెండు నూట్రానులు, వాటి చుట్టూ రెండు ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయి కనుక రెండు ఉదజని అణువులని, రెండు నూట్రానులని సంయోగపరచగలిగితే ఒక రవిజని తయారుకాడానికి అవకాశం ఉంది. బృహత్విస్ఫోటనంలో ఉదజని, రవిజని పుట్టేయనడానికి మనకి సాక్ష్యాధారాలు ఉన్నాయి. ఉదాహరణకి విశ్వంలో మనకి కనిపిస్తున్న పదార్థంలో 73 శాతం ఉదజని, 25 శాతం రవిజని ఉన్నాయి. శేష ప్రశ్న ఏమిటంటే మిగిలిన రసాయన మూలకాలు ఎలా పుట్టేయి?

ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం చెప్పినవారిలో అగ్రగణ్యులు కార్ల్ ఫాన్ ఫైస్జాకెర్ (Carl Friedrich von Weizsäcker, 1912-2007), హాన్స్ బేతే (Hans Bethe, 1906-2005). తరువాత చెప్పకోదగ్గ ప్రముఖులు జార్జ్ గమోవ్ (George Gamow, 1904-1968), రాల్ఫ్ ఆల్ఫర్ (Ralph Alpher, 1921-2007), రాబర్ట్ హెర్మన్ (Robert Herman, 1914-1997). చివరగా పేర్కొనదగ్గవారు రాబర్ట్ వాగొనర్ (Robert Wagoner, 1938 -), విలియం ఫౌలర్ (William Fowler, 1911-1995), ఫ్రెడ్ హోయల్. ఈ ముగ్గురు వేసిన లెక్క ప్రకారం విశ్వంలో ఉన్న ఉదజని, రవిజనులతో పోల్చి చూసినప్పుడు లిథియమ్ పాలు అత్యల్పం, కేవలం 10^-8; అనగా 100 మిలియన్లలో ఒక వంతు మాత్రమే! మిగిలిన మూలకాలన్నిటిని కలగలపగా వాటి వంతు లేశమాత్రం; అనగా, కేవలం 10^-11 మాత్రమే.

ఈ హేమాహేమీల పరిశ్రమ వల్ల మనం నేర్చుకున్న సంగతులని టూకీగా చెబుతాను. మహా విస్ఫోటనంలో ఉదజని (అణు సంఖ్య=1), రవిజని (అణు సంఖ్య=2), లేశమంత లిథియమ్ (అణు సంఖ్య=3) పుట్టిన తరువాత చల్లబడిపోతున్న విశ్వంలో మిగిలిన రసాయన మూలకాలు తయారవడానికి సరిపడా శక్తి సన్నగిల్లిపోయింది. అణు రూపంలో ఉన్న ఉదజని, రవిజని మేఘాలు ఉరమరగా ఒక బిలియన్ సంవత్సరాలపాటు మనుగడ సాగించిన తరువాత నెమ్మదిగా గురుత్వాకర్షక శక్తి ప్రభావానికి అవి సంకోచించి, వాటి సాంద్రత పెరగగా, అవి వేడెక్కి, కొన్ని మిలియన్ కెల్విన్ డిగ్రీల వేడికి చేరుకొని, వాటిలో కిణ్వ ప్రక్రియ (nuclear reaction) రగులుకోగా, నక్షత్రాల రూపంలో ప్రకాశించడం మొదలుపెట్టేయి. ఇలాంటి మొదటి తరం నక్షత్రాల గర్భాలలో ఉన్న వేడికి మరికొన్ని రసాయన మూలకాలు రకరకాల మార్గాల వెంబడి ఉత్పన్నం అయేయి. ఉదాహరణకి, ఆవర్తన పట్టికలో (The Periodic Table) రెండవ గదిలో ఉన్న రవిజని కేంద్రకంలో (nucleus) రెండు ప్రోటానులు, రెండు నూట్రానులు ఉన్నాయి. ఇటువంటి రవిజని (అణు సంఖ్య=2, అణు భారం=4) కేంద్రకాలు రెండు గుద్దుకొన్నప్పుడు రెండు రకాల బెరిలియమ్ (అణు సంఖ్య=4, అణు భారాలు=8,9) కేంద్రకాలు ఉత్పన్నం అవుతాయి. అణు భారం 8 ఉన్న బెరిలియం అల్పజీవి; ఇది తయారయిన ఉత్తర క్షణంలోనే విచ్ఛిన్నం అయిపోయి తిరిగి రెండు రవిజని కేంద్రకాలుగా విడిపోతుంది. అదే ఉత్తర క్షణంలో ఆ చుట్టుపట్ల మరొక రవిజని కేంద్రకం తిరుగాడుతూ ఉంటే ఆ మూడు రవిజని కేంద్రకాలు సమ్మిశ్రమం అయిపోయి ఒక కర్బనం (అణు సంఖ్య=6, అణు భారం=12) కేంద్రకంగా మారిపోతాయి. ఇదొక మార్గం. నక్షత్ర గర్భంలో సరిపడా వేడి ఉంటే ఈ కర్బనం యొక్క కేంద్రకం శిథిలం అయిపోయి, మెగ్నీసియం (అణు సంఖ్య=12), సోడియం (అణు సంఖ్య=11), నియాన్ (అణు సంఖ్య=10), ఆమ్లజని (అణు సంఖ్య=8) పుట్టుకకి దోహదం చేస్తాయి. ఇది మరొక మార్గం. లేదా, ఒక కర్బనం రెండు ఉదజని అణువులతో కలసి ఒక నత్రజని (అణు సంఖ్య = 14) పుడుతుంది. చూసేరా! ఇలా పుట్టుకొస్తున్న మూలకాలు ‘అణు సంఖ్యల వారీగా’ పుట్టడం లేదు. ఇప్పుడు రెండు ఆమ్లజని కేంద్రకాలు కలవగా గంధకం, భాస్వరం తయారవుతాయి. ఇలా ఈ పద్ధతి ప్రకారం ఇనుము (అణు సంఖ్య=26) వరకు ఈ ప్రక్రియ నిరాఘాటంగా జరిగిపోతుంది.

ఇలా నక్షత్ర గర్భాల ‘కొలిమి’లో తయారయిన మూలకాలు ఆ ‘మాతృ తారలు’ బృహన్నవ్యతారలుగా (supernovae) మారి, పేలిపోయినప్పుడు ఆ పదార్థం అన్ని దిశలలోకీ వెదజల్లబడుతుంది. ఇది రెండవ తరం తారలకి ముడి పదార్థం అవుతుంది. ఇటువంటి పేలుడు జరిగిన సమయంలో ఆ తారల తాపోగ్రత అత్యున్నత స్థాయికి చేరుకోవడం వల్ల, ఆ వేడిలో, ఆవర్తన పట్టికలో ఇనుము తరువాత వచ్చే బరువైన మూలకాలు మరికొన్ని (ఉదా. రాగి, యశదం, వెండి, యురేనియం, వగైరా) తయారవుతాయి. కనుక మలి తరం నక్షత్రాలలో మూలకాలు అన్నీ కనిపిస్తాయి. అవే మనకి భూమి మీద లభ్యం అవుతున్నాయి.

ఇలా నక్షత్ర గర్భాలలో పుట్టిన ఆమ్లజని, నత్రజని, కర్బనం, బ్రహత్ విస్ఫోటనంలో పుట్టిన ఉదజనితో కలసి ప్రాణి పుట్టుకకి దోహదపడ్డాయి. ఈ కోణంలో చూస్తే మన భూమి (తదితర గ్రహాలు) ఒక శ్మశానవాటిక; చచ్చిపోయిన నక్షత్రాలు కాలిపోగా మిగిలిన బూడిద! చెత్తతో పోగయిన చెత్తకుండీ! పంకిలం నుండి పద్మం పుట్టినట్లు ఇలాంటి విశ్వధూళితో తయారయిన చెత్త పోగు నుండి పుట్టిన ప్రాణి పరిణతి చెంది మానవ జాతి అవతరించి విశ్వరహస్యం ఛేదిస్తానని గంతులు వేస్తూ ఉంటే ఇంతకంటే అబ్బురం ఏముంటుంది?

6. స్థూల గుళిక వాదం

6.1 బోస్-ఐన్‌స్టయిన్ ముద్ద

భారతదేశంలో సత్యేంద్రనాథ్ బోస్ (Satyendranath Bose, 1894-1974) తేజాణువులని లెక్కపెట్టే పద్ధతి ఒకటి కనిపెట్టి, అది ఉపయోగించి కర్రి కాయ (black body) నుండి వెలువడే వికిరణానికి భాష్యం చెప్పి, జెర్మన్ భాషలో రాసిన ఆ పరిశోధనా పత్రం మీద అభిప్రాయం కొరకు ఐన్‌స్టయిన్‌కు పంపేడు. ఆ పత్రంలో వ్యక్తపరచిన మౌలికాంశాల విలువని గుర్తించి, ఆ పత్రాన్ని ప్రచురణకి సిఫార్సు చేస్తూ ఆ పత్రంలోని ఊహలని ఆధారంగా చేసుకుని తను కూడా రెండు పత్రాలు ప్రచురించేడు (Bose, 1924; Einstein 1924, 1925).

ఈ సందర్భంలో పరమాణు రేణువుల గురించి రెండు మాటలు చెప్పుకోవాలి. స్థూలంగా విచారిస్తే పరమాణు రేణువులలో రెండు జాతులు ఉన్నాయి. ఒక జాతిని ఫెర్మియానులు (అనగా, ఫెర్మి జాతివి). రెండవ జాతి బోసానులు (బోసు జాతివి). ఫెర్మియాన్ జాతి రేణువులన్నిటికి వాటం (spin) అనే లక్షణం ఉంటుంది. బోసానులకి ఈ లక్షణం ఉండదు. ఉపమానానికి ఫెర్మియాన్ జాతి రేణువులకి రెండు చేతులు ఉన్నట్లు, వాటిల్లో కొన్ని ఎడంచేతి వాటం, కొన్ని కుడిచేతి వాటం అని ఊహించుకోవచ్చు. బోసానులకి ఒకే ఒక చెయ్యి ఉంటుంది; కనుక అవి అన్ని ఒక్కలాగే ఉంటాయి. ఎలక్ట్రానులు ఫెర్మియాన్ జాతివి, తేజాణువులు (ఫోటానులు) బోసాను జాతివి. ఈ చిన్ని తేడా వల్ల వాటిని లెక్క పెట్టేటప్పుడు చిన్న మెలిక వస్తుంది. ఉదాహరణకి రెండు కుర్చీలు A, B లలో రెండు ఎలక్ట్రానులు a, b లని అమర్చాలనుకుందాం. ఇప్పుడు (A లో a), (B లో b) ఒక అమరిక; (A లో b), (B లో a) రెండవ అమరిక. అంతే. ఇప్పుడు రెండు కుర్చీలు A, B లలో రెండు తేజాణువులు a, a లని అమర్చాలనుకుందాం. ఇప్పుడు (A లో aa), (B ఖాళీ) ఒక అమరిక, (A లో a), (B లో a) రెండవ అమరిక, (A ఖాళీ), (B లో aa) మూడవ అమరిక. ముఖ్యంగా గమనించవలసినది ఏమిటంటే ఒక కుర్చీలో ఎన్ని తేజాణువులనైనా కుక్కవచ్చు కానీ ఒకొక్క కుర్చీలో ఒక్క ఎలక్ట్రానే పడుతుంది.

బోస్-ఐన్‌స్టయిన్ ముద్ద గురించి టూకీగా నాలుగు మాటలలో చెప్పడం కష్టం. రెండు కోణాలలో ప్రయత్నిస్తాను.

మొదటి కోణం. పదార్థం స్థితి నాలుగు రకాలుగా ఉంటుంది: ఘన స్థితి, ద్రవ స్థితి, వాయు స్థితి, గంజి (ప్లాస్మా) స్థితి. ఘన స్థితిలో ఉన్న మంచుని వేడిచేస్తే నీరు అవుతుంది. ద్రవ స్థితిలో ఉన్న నీటిని వేడిచేస్తే ఆవిరి అవుతుంది. వాయు స్థితిలో ఉన్న ఆవిరిని విపరీతంగా వేడిచేస్తే అందులోని అణువులన్నీ వాటి అణురూపాన్ని వదలిపెట్టి ‘ఎలక్ట్రాను గంజి’లా తయారవుతాయి. అదే ప్లాస్మా స్థితి. ఈ నాలుగే కాకుండా అయిదో స్థితి కూడా ఉందంటున్నారు; దాని పేరే ‘బోస్-ఐన్‌స్టయిన్ ముద్ద’.

రెండవ కోణం. పదార్థాన్ని బాగా – పరమ శూన్యం వరకు – చల్లబరిస్తే? అనగా 0కెల్విన్ దరిదాపుల్లోకి (0కెల్విన్ = -273.15⁰సెల్సియస్) చల్లబరిస్తే? అప్పుడు అణువులు రేణువులలా కాకుండా తరంగాలులా ప్రవర్తిస్తాయి. అప్పుడు ఏ తరంగం ఏ రేణువుదో చెప్పడం అన్ని సందర్భాలలోనూ సాధ్యం కాదు. ఈ రేణువులు ఫెర్మియాను జాతివి అయితే ఏ తరంగం ఎవరిదో విడమర్చి చెప్పడానికి కొంత వెసులుబాటు ఉంది. కానీ ఈ రేణువులు బోసాను జాతివి అయితే విడమర్చి చెప్పడానికి వెసులుబాటు లేదు. అనగా ఆ బోసాను జాతి రేణువులన్నీ (ఇక్కడ తేజాణువులు అని చదువుకోవాలి) ఒకే ఒక ముద్దలా కనిపిస్తాయి. అదీ బోస్-ఐన్‌స్టయిన్ ముద్ద అంటే!

బోస్-ఐన్‌స్టయిన్ ముద్దకి విలక్షణమైన లక్షణాలు ఉన్నాయి. ఇది ఘనం కాదు, ద్రవం కాదు, వాయువు కాదు, ప్లాస్మా కాదు. ఇది అయిదో రకం స్థితి. ఈ స్థితిలో ఉన్నప్పుడు దీనికి స్నిగ్ధత (viscosity) ఉండదు; అందుకని దీనిని అతిద్రవర్థం (superfluid) అంటారు. ద్రవ రూపంలో ఉన్న రవిజనిని ఇంకా చల్లబరిచితే 2కెల్విన్ దగ్గర అది అతిద్రవర్థం స్థితిని చేరుకుంటుంది; అక్కడ దాని స్నిగ్ధత నశిస్తుంది. ఈ ఊహని ప్రయోగాత్మకంగా రుజువు చేసిన ఘనత పియోట్‌ర్ కపీట్సా (Piotr Kapitza, 1894-1984), జాక్ ఆలన్ (Jack Allen, 1908-2001), డాన్ మిసనర్ (Don Misener, 1911-1996) లకి చెందుతుంది. ద్రవ రూపంలో ఉన్న రవిజని 2.18కెల్విన్ దగ్గర అతిద్రవర్థం లక్షణాలు ప్రదర్శిస్తుందని వీరు రుజువు చేసేరు.

6.2 అతీతవాహకత్వం

అతీతవాహకత్వం (Superconductivity) అనే లక్షణాన్ని 1911 లోనే గుర్తించిన వ్యక్తి హయ్‌క ఓనస్ (Heike Kamerlingh Onnes, 1852-1926). పాదరసాన్ని 4కెల్విన్ వరకు చల్లబరిచేసరికి అది విద్యుత్ ప్రవాహానికి కలిగించే అవరోధం పూర్తిగా నశించిపోయింది. విద్యుత్ ప్రవాహం మొదలయిన తరువాత ప్రవాహాన్ని ముందుకి తొయ్యడానికి బేటరీ లేకపోయినా ప్రవాహం కొనసాగుతూనే ఉంది! ఈ లక్షణాన్ని మరికొన్ని ఇతర లోహాలు కూడా ప్రదర్శించడంతో దీని మీద కుతూహలం పెరిగింది. ఒక ప్రత్యేకమైన లక్షణాన్ని గమనించడం ఒకరైతే, దాని వెనక ఉన్న భౌతిక ప్రక్రియకి భాష్యం చెప్పినది జాన్ బార్డీన్ (John Bardeen, 1908-1991), లియాన్ కూపర్ (Leon Cooper, 1930 -), జాన్ ష్రైఫర్ (John Schrieffer, 1931-2019). వీరు ఇచ్చిన వివరణ ఈ కింది విధంగా కొనసాగుతుంది.

అత్యంత శీతల వాతావరణంలో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని మోసుకెళ్ళే ఎలక్ట్రానులు జంటలు కట్టి ప్రయాణం చేస్తాయి. అలాంటి సందర్భంలో వాటి ‘ఎడం చేతి వాటం’, ‘కుడి చేతి వాటం’ (spin) ఒకదానిని ఒకటి రద్దు చేసుకుని, ప్రతి జంట, ఏ వాటం చూపకుండా బోసానుల వలె మెలుగుతాయి. అనగా అత్యంత శీతల వాతావరణంలో ఫెర్మియానులైన ఎలక్ట్రాను జంటలు (వీటిని కూపర్ జంటలు అంటారు) తమ స్వధర్మాన్ని మరిచిపోయి బోసానులు వలె ప్రవర్తిస్తాయి.

పైన ఉటంకించిన వాదం అనతికాలంలోనే బాలారిష్టాలని ఎదురుకుంది. జెర్మనీలో, 1986లో, జ్యోర్గ్ బెద్నోర్జ్ (Georg Bednorz, 1950 -), అలెగ్జాండర్ మ్యూలర్ (Alexander Müller (1927 -) ఒక రకం మృణ్మయం (ceramic, లేంతనం, బేరియం, రాగి కలిసిన మిశ్రమ లోహపు భస్మం) 35కెల్విన్ దగ్గరే అతీతవాహకత్వం చూపెడుతున్నదని ప్రకటించారు. తరువాత, 1987లో, పాల్ చూ (Paul Chu, 1941 -) 93కెల్విన్ దగ్గర అతీతవాహకత్వం చూపెట్టే మృణ్మయ పదార్థం (వైట్రియం, బేరియం, రాగి కలిసిన మిశ్రమ లోహపు భస్మం) ఉందని ప్రకటించాడు. ద్రవరూపంలో ఉన్న నత్రజనితో 93కెల్విన్ చేరుకోవచ్చు కనుక అతీతవాహకత్వం మానవ అవసరాలకి అందుబాటులోకి వచ్చే సాంకేతిక విద్య అని ఆశ పుట్టింది. ఈ దిశలో జరిగుతున్న పరిశోధనల ఫలితాలు రాబోయే దశాబ్దాలలో అందుబాటులోకి రావచ్చు.

6.3 లేసర్లు

గుళిక వాదపు పర్యవసానంగా మనకి లభించిన ఉపకారణాలలో లేసర్లు (Lasers) చెప్పుకోదగ్గవి. ఈ రోజుల్లో వైద్య రంగంలో, వ్యాపార రంగంలో, వైజ్ఞానిక పరిశోధనా రంగంలో, పరిశ్రమల రంగంలో, ఇలా ఎటు చూసినా లేసర్ల వాడకం విపరీతంగా కనబడుతూనే ఉంది. [లేసర్ అంటే ఏమిటి? A laser is a device that emits a beam of electromagnetic radiation that is always monochromatic, collimated and coherent in nature.] అనగా, లేసర్ నుండి వెలువడే విద్యుదయస్కాంత వికిరణం (ఉదా. కాంతి) ఒకే ఒక రంగులో (monochromatic) ఉంటుంది. అనగా, ఆ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు అన్ని ఒకే తరచుదనంతో (frequency) ఉంటాయి. ఆ కాంతి పుంజంలోని తరంగాలన్నీ జట్టు కట్టినట్లు ఒకేసారి పైకి లేచి, ఒకేసారి కిందకి పడుతూ పొందికగా (coherent) ఉంటాయి. అనగా, ఆ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు అన్నీ ఒకే కళలో (phase) ఉంటాయి. ఆ కిరణ వారం (beam of light) నాలుగు పక్కలకీ చెదిరిపోకుండా, సన్నటి చీపురుపుల్ల మాదిరి (collimated) ఒకే దిశలో ప్రయాణం చేసేటట్లు అద్దాలు అమర్చుతారు. అందుచేత లేసర్ నుండి వెలువడే కిరణాలు తీక్షణంగా ఉంటాయి; ఇవి తగిలితే శరీరం, వస్తువులు కాలే ప్రమాదం ఉంది. కనుక లేసర్‌ని వాడేటప్పుడు జాగ్రత్తగా ఉండాలి.

ఇప్పుడు లేసర్ ఎలా పని చేస్తుందో టూకీగా సమీక్షిస్తాను. ఇది అర్థం అవ్వాలంటే గుళిక వాదంతో పరిచయం తప్పనిసరి! అణువులని ఉత్తేజపరచినప్పుడు వాటిలోని ఎలక్ట్రానులు ఎక్కువ శక్తిని సంతరించుకుని ఎత్తయిన శక్తి శ్రేణి (higher energy level) లోకి ఎగురుతాయి. అక్కడ ఎక్కువకాలం ఉండలేక తిరిగి తమ స్వస్థానంలోకి పడిపోడానికి ప్రయత్నిస్తూ ఉంటాయి. ఇలా ఉన్నత శక్తి శ్రేణి నుండి నిమ్న శక్తి శ్రేణికి (lower energy level) ఎలక్ట్రానులు పడిపోయినప్పుడు ఆ రెండు శ్రేణుల మధ్య ఉన్న తేడా (DE) శక్తి వికిరణం రూపంలో విడుదల అవుతుంది. ఇప్పుడు (DE = hf సూత్రం ప్రకారం) ఆ వికిరణం యొక్క తరచుదనం (రంగు) నిర్ధారణ అవుతుంది. ఈ వికిరణం సూక్ష్మతరంగాలు (microwaves) రూపంలో ఉంటే దానిని MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) అంటారు. ఈ వికిరణం కాంతి రూపంలో ఉంటే దానిని LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) అంటారు. ఇప్పుడు లేసర్ మీద దృష్టి కేంద్రీకరిద్దాం. పైన చెప్పిన విధంగా పుట్టుకొచ్చిన కాంతి కిరణాలు బయట నాలుగు దిశలలోకి చెల్లాచెదురు అయిపోకుండా చుట్టూ అద్దాలు పెట్టి కట్టుదిట్టం చేస్తే అవి అంతర్గతంగా పదే పదే పరావర్తనం చెంది, చుట్టుపక్కల ఉన్న అణువులని ఢీకొని రెచ్చగొడతాయి. అప్పుడు ఇదే ప్రక్రియ మళ్ళా జరిగి మరికొన్ని కాంతి కిరణాలు పుట్టుకొస్తాయి. ఇలా తంబ తంబలుగా పుట్టుకొచ్చిన కిరణాలని చిన్న బెజ్జం ద్వారా బయటకి వదిలితే అవి బలమైన కాంతి పుంజంగా బయటకి వచ్చి సన్నటి కిరణవారంలా ఒకే దిశలో ప్రయాణం చేస్తాయి. కాంతిలోని తేజాణువులు బోసాను జాతివి కనుక అవి (ఎలక్ట్రానులలా ఒంటెత్తుగా ఉండకుండా) జట్టు కడతాయి. ఈ జట్టు అంతా ఒకేసారి పైకి లేచి కిందపడుతూ ఉంటుంది కనుక దీనిని పొందిక కాంతి (coherent light) అంటారు.

లేసర్ల వంటి ఉపకరణాల నిర్మాణం సుసాధ్యమే అని 1916 లోనే ఐన్‌స్టయిన్ మొట్టమొదట జోస్యం చెప్పేరు. ఈ జోస్యాన్ని సాకారం చేసిన ఘనత సోవియట్ యూనియన్‌కి చెందిన అలెగ్జాండర్ ప్రోఖోరోవ్, (Aleksandr M. Prokhorov, 1916-2002), నికొలాయ్ బాసోవ్ (Nikolay G. Basov, 1922-2001), అమెరికాకి చెందిన చార్ల్స్ టౌన్స్ (Charles Townes, 1915-2015) లకి చెందుతుంది. 1952లో జరిగిన ఒక సమావేశంలో ప్రోఖోరోవ్ పర్యవేక్షణలో పిహెచ్. డి. పట్టా కోసం పనిచేస్తున్న బాసోవ్ తన ఊహని సమర్పించేడు. తరువాత 1954 వరకు ఆ పత్రం ప్రచురణ చెందలేదు. ఈ లోగా అమెరికాలో కొలంబియా విశ్వవిద్యాలయంలో పనిచేస్తున్న టౌన్స్, ఒక జేమ్స్ గోర్డన్ (James P. Gordon, 1928-2013) అనే వైద్యుడు, హెర్బ్ జీగ్లర్ (Herbert J. Ziegler) అనే ఒక పిహెచ్. డి. పట్టా కోసం పనిచేస్తున్న విద్యార్ధి మేసర్ అనే పరికరాన్ని నిర్మించి ఆ ఫలితాలని ప్రచురించేరు. ఈ మేసర్‍లో పుట్టిన తరంగాలు ఎక్కువ పాటవం (power) తోటి ఉండడమే కాకుండా ఆ తరంగాలన్నీ ఒకే తరచుదనం (frequency) తోటి, ఒకే కళ (phase) తోటీ జట్టాపట్టాలు వేసుకున్నట్లు పుట్టేయి.

మేసర్ నుండి లేసర్‌కి గెంతు వేయడం చాల తేలిక. ఈ దిశలో పుంఖానుపుంఖంగా పరిశోధన పత్రాలు వెలువడ్డాయి (Theodore Maiman, 1927-2007; Arthur Schawlow,1921-1999). ఈ సందర్భంలో లేసర్‌ని కనిపెట్టినది ఎవరు అనే విషయంపై తగువులాటలు కూడా జరిగేయి.

6.4 అర్ధవాహకాలు, ట్రాన్సిస్టర్లు

అతీతవాహకత్వం ఇంకా ప్రయోగశాలలకే పరిమితం కానీ అర్ధవాహకాలు (semiconductors) మన దైనందిన జీవితాన్నే పూర్తిగా మార్చివేశాయి! ఈ రోజుల్లో ట్రాన్సిస్టర్లు, చిప్పులు (chips), కంప్యూటర్లు, సెల్ ఫోనులు, లేసర్లు, వగైరాలు లేకుండా మనకి రోజు గడవదు కదా! ఈ ఉపకారణాలన్నీ ప్రత్యక్షంగానో, పరోక్షంగానో అర్ధవాహకాలు అనే ముడి పదార్థం మీద, గుళిక వాదం అనే సాంకేతిక పరిజ్ఞానం మీద ఆధారపడ్డవే. ఏమిటీ అర్ధవాహకాలు?

ఆవర్తన పట్టికలో కనబడే దరిదాపు 110 రసాయన మూలకాలలో ఉరమరగా 94 లోహాలు (metals), 16 అలోహాలు (non-metals) అని విడగొట్టేరు కానీ మధ్యస్థంగా ఉన్న 9 మూలకాలు ఇటు లోహాల లక్షణాలు, అటు అలోహాల లక్షణాలు కూడా చూపెడుతూ ఉంటాయి. లోహాలకుండే ముఖ్యమైన లక్షణాలలో ఒకటి విద్యుత్ వాహకత్వం – అంటే లోహాలు విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని తమగుండా తేలికగా పోనిస్తాయి. అందుకనే వీటిని వాహకాలు (conductors) అని కూడా అంటారు. ఉదాహరణకి బంగారం, వెండి, రాగి, అల్లూమినం ఉత్తమమైన వాహకులు. అందుకనే విద్యుత్ పరికరాల్లో రాగిని, అల్లూమినంని విరివిగా వాడతారు. అలోహాలకుండే ముఖ్యమైన లక్షణాలలో ఒకటి విద్యుత్ వాహకత్వం లేకపోవడం. అందుకనే వీటిని నిరోధకాలు (insulators) అని కూడా అంటారు. ఆవర్తన పట్టికలో కుడి చివర ఉన్న మూలకాలు మంచి నిరోధకాలు; కానీ రబ్బరు, కర్ర, వగైరాలు వాడుకలో ఉన్న మంచి నిరోధకాలు. మధ్యే మార్గంలో ఉన్న కొన్ని మూలకాలు పక్కా వాహకాలూ కాదు, పక్కా నిరోధకాలూ కాదు. ఉదాహరణకి 32వ గదిలో ఉన్న జెర్మేనియం, 14వ గదిలో ఉన్న సిలికాన్ నిష్కల్మషమైన, స్వచ్ఛస్థితిలో ఉన్నప్పుడు నిరోధకులే అయినప్పటికీ, వాటిలో కాసింత కల్మషం కలిసేసరికి కాసింత వాహకత్వం ప్రదర్శిస్తాయి. ఈ రకం పదార్థాలని అర్ధవాహకాలు (semiconductors) అంటారు. కనుక నిరోధకాలైన పదార్థాలలో మనం కృతకంగా కలిపే కల్మషం పాలుని మన అదుపు ఆజ్ఞలలో పెట్టుకోగలిగితే వాటిలో ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని కూడా మన అదుపు ఆజ్ఞలలో పెట్టుకోవచ్చు. ఈ సూత్రం ఉపయోగించి జాన్ బార్డీన్ (John Bardeen, 1908-1991), విలియం షాక్లీ (William Shockley, 1910-1989), వాల్టర్ బ్రాటైన్ (Walter Brattain, 1902-1987) అనే ముగ్గురు ట్రాన్సిస్టర్ (transistor) అనే ఉపకరణాన్ని తయారు చేసి ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో ఒక పెను విప్లవానికి శ్రీకారం చుట్టేరు. అంతవరకు విద్యుత్ వాకేతాలను (signals) ప్రవర్ధమానం (amplify) చెయ్యడానికి శూన్య నాళికలు (vacuum tubes) ఉపయోగించేవారు. గాజుతో చేసిన ఈ నాళికలు తేలికగా పగిలిపోయేవి. వీటిలో ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం పుట్టించడానికి లోపల ఉన్న లోహపు తంతువుని తెల్లటి తెలుపు వచ్చే వరకు వేడి చేసేవారు. కనుక శూన్య నాళికలు త్వరగా వేడెక్కిపోయేవి, త్వరగా తంతువులు మాడిపోయేవి. అంతే కాదు. ఈ గొట్టాలతో చేసిన పరికరాలు ఎంతో స్థలం ఆక్రమించేవి. ఎలక్ట్రానిక్ పరిశ్రమ ఇలా ఇబ్బంది పడుతున్న తరుణంలో ట్రాన్సిస్టర్ దేవదూతలా వచ్చి రక్షించింది. ఈ ట్రాన్సిస్టర్ వెనక ఉన్న దన్ను గుళిక వాదం ప్రసాదించిన సాంకేతిక పరిజ్ఞానం.

శూన్య నాళికలు (vacuum tubes) దొండకాయ నుండి కొబ్బరికాయంత పరిమాణంలో ఉంటే, మొదటి తరం ట్రాన్సిస్టర్లు ఒక పైసా మీద పది చొప్పున పట్టేవి. వీటిలో కదిలే భాగాలు లేవు, విరిగిపోయే ప్రమాదం లేదు. నమ్మకంగా పని చేసేవి. అతి కొద్దిగా వేడెక్కేవి. కనుక 1960 దశకం వచ్చేసరికి శూన్య నాళికల శకం అంతం అయిపోయిందని చెప్పవచ్చు. ఇటుపైన ట్రాన్సిస్టర్ల ఎదుగుదలకి కావాలసిన ‘తోపుడు’ సాంకేతిక (technology) రంగం నుండి వచ్చింది మొదట్లో ఒక ట్రాన్సిస్టర్‌ని ఒక విద్యుత్ వలయంలో వాడాలంటే విడివిడి భాగాలని రాగి తీగలతో సంధానపరచి, టంకం వేసి అతికేవారు. కాలక్రమేణా విద్యుత్ వలయం అంతటినీ – అందులో ఉన్న ట్రాన్సిస్టర్లతో సహా – ఒకేసారి ఒకే సిలికాన్ చితుకు (chip) మీద పోత పోసినట్లు తయారుచెయ్యడం నేర్చుకున్నారు. చితుకు అంటే సన్నగా తరిగిన సిలికాన్ స్పటికంలో చిటికెన వేలు గోరంత చిన్న ముక్క! ఇటువంటి పరికరాలకి ఏకీకృత విద్యుత్ వలయం (integrated circuit) 1957లో రూపకల్పన చేసిన వ్యక్తి జీన్ హొర్ని (Jean Hoerni, 1924-1997) అయితే, 1958లో నిర్మించిన వ్యక్తి రాబర్ట్ నోయిస్ (Robert Noyce, 1927-1990). ఇదే రాబర్ట్ నోయిస్ తన సహోద్యోగి అయిన గోర్డన్ మూర్‌తో (Gordon Moore, 1929 -) కలిసి ఇంటెల్ (Intel) అనే పారిశ్రామిక వ్యవస్థని స్థాపించేరు. ఇక్కడ టెడ్ హాఫ్ (Ted Hoff, 1937 -) వీరిరువురితో కలిసి ఒకే ఒక సిలికాన్ చితుకు మీద ఒక కంప్యూటర్‌నే నిర్మించవచ్చు అని రుజువు చేసేరు. ఈ ‘మైక్రోప్రాసెసర్’ అని పిలవబడే బుల్లి కంప్యూటర్ పారిశ్రామిక రంగంలో పెనువిప్లవమే సృష్టించింది!

ముక్తాయింపు

ఇరవైయవ శతాబ్దం భౌతికశాస్త్రపు వికాసానికి స్వర్ణయుగం. ఒక్క శతాబ్దపు కాలపరిమితిలో భౌతికశాస్త్రం ఒక వటవృక్షంలా ఎన్నో శాఖలతో విస్తరించింది. వీటిలో కొన్నింటి మీద మాత్రమే దృష్టి సారించి, వాటి చరిత్రని క్లుప్తంగా ఇక్కడ చర్చించాను. క్లుప్తత కోసం మరెన్నో ఆసక్తికరమైన విషయాలని విస్మరించాను. ఉదాహరణకి భౌతికశాస్త్రపు పరిధికి సమీపంలో ఉన్న స్థాపత్యం (engineering), సాంకేతికం (technology) వంటి పలవలని అతి కొద్దిగా స్పర్శించాను తప్ప లోతుగా వెళ్ళలేదు. సాధ్యమైనంత వరకు గణిత సమీకరణాలు లేకుండా కథ చెప్పడానికి ప్రయత్నం చేశాను. ఈ వ్యాసంలో ఉటంకించిన విషయాల మీద ఇంకా లోతుగా అధ్యయనం చేయాలనుకునే ‘విద్యార్థులు’ సంప్రదించడానికి ఉపయోగపడే ప్రామాణిక పరిశోధనా పత్రాలు కావాలనుకున్నవారికి వ్యాసంలో ఆయా పరిశోధకుల పేర్లు ఇచ్చేను. ఈ వ్యాసాన్ని రాయడానికి ముఖ్యంగా సంప్రదించిన మూలాలు కొన్ని ఈ దిగువ జాబితాలో ఉన్నాయి.

ఉపయుక్త గ్రంథసూచి

1. Lisa Randell, Knocking on Heaven’s Door, Harper Collins, 2011.
2. Jose Manuel Sanchez Ron, “The World after the Revolution: Physics in the Second Half of the Twentieth Century,” Frontiers of Knowledge, 2009.
3. T. D. Singh and Ravi Gomatam (Eds.) Synthesis of Science and Religion: Critical Essays and Dialogs, The Bhaktivedanta Institute, San Francisco, USA 1988.
4. Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter, 1986.
5. Steven Weinberg, The First Three Minutes, Basic Books, New York, 1977.
6. George Gamow, Biography of Physics, Harper & Row, New York,1961.
7. Janes A. Coleman, Relativity for the Layman, Signet, New York, 1958.
8. George Gamow, The Creation of the Universe, The Viking Press, New York,1952.
9. వేమూరి వేంకటేశ్వరరావు, లోలకం.
   – విశ్వస్వరూపం, ఇ-పుస్తకం, కినిగె ప్రచురణ.
   – గుళిక రసాయనం (క్వాంటం కెమెస్ట్రీ), ఇ-పుస్తకం, కినిగె ప్రచురణ.
   – చుక్కల్లో చంద్రుడు: చంద్రశేఖర్ చరిత్ర, ఇ-పుస్తకం, కినిగె ప్రచురణ.
   – ప్రకృతిలో చతుర్విధ బలాల బలాబలాలు, ఈమాట, సెప్టెంబర్ 2005.
   – విశ్వం ఏ ఆకారంలో ఉంది?, ఈమాట, సెప్టెంబర్ 2009.
   – సమస్త సిద్ధాంతం అవసరమా?, ఈమాట, జులై 2014.
   – విశ్వస్వరూపం: టెలిస్కోపులు, ఈమాట, సెప్టెంబర్ 2014.