ఇరవైయవ శతాబ్దం భౌతికశాస్త్రానికి ఒక స్వర్ణయుగం అనవచ్చు. ఈ శతాబ్దపు పూర్వార్ధంలో మన చుట్టూ ఉన్న ప్రపంచం గురించి మనకున్న అవగాహనలో రెండు పెను విప్లవాలు వచ్చేయి. వీటిని భౌతికశాస్త్రంలో వచ్చిన అభిజ్ఞాత ఉత్పాతాలు (cognitive cataclysms) అనవచ్చు. వీటిలో మొదటిది ఐన్‌స్టయిన్ (Albert Einstein, 1875-1955) ప్రతిపాదించిన సాపేక్ష వాదాలు: ప్రత్యేక సాపేక్షవాదం (Special Theory of Relativity), సాధారణ సాపేక్షవాదం (General Theory of Relativity). వీటిలో రెండవది ఎందరో ప్రతిభావంతులు కలిసి సాయం పట్టి నిర్మించిన గుళికవాదం (Quantum Theory) అనే రమ్యమైన హర్మ్యం! మన దైనందిన జీవితాన్ని గుళికవాదం స్పృజించినంత లోతుగా సాపేక్షవాదం చేసి ఉండకపోవచ్చు కానీ ఈ రెండూ విశ్వసృష్టి యెడల మనకున్న అవగాహనతోపాటు మన దృక్పథాన్ని కూడా పరిపూర్ణంగా మార్చివేశాయనడంలో సందేహం లేదు. శాఖోపశాఖలుగా విస్తరించిన భౌతికశాస్త్రంలో – ఇరవైయవ శతాబ్దంలో – వచ్చిన ఈ మార్పులోని ప్రధాన అంశాలని, ప్రధాన పాత్రధారులని ఒక నఖచిత్రంలా సందర్శించడమే ఈ వ్యాసం యొక్క లక్ష్యం.

1. సాపేక్షవాదం

భౌతికశాస్త్రంలో శతాబ్దాలపాటు పాతుకుపోయిన నమ్మకాలని వమ్ముచేస్తూ లేచిన ఈ సాపేక్ష వాదం (Theory of Relativity) అనే సిద్ధాంత సౌధం మీద ఎందరో మహానుభావులు ఎన్నెన్నో వ్యాఖ్యానాలు చేసేరు, భాష్యాలు చెప్పేరు. ఈ సౌధాన్ని కూలదోయడానికి ఇంతవరకు జరిగిన ప్రయత్నాలు, ఇంకా జరుగుతూన్న ప్రయత్నాలని బట్టి ఈ దృక్కోణం మనని ఎంత ప్రభావితం చేస్తోందో అర్థం అవుతుంది. ఐజక్ నూటన్ (Isaac Newton, 1642-1727) రోజుల నుండి వేళ్ళూనుకుని, పాతుకుపోయిన స్థలం (space), కాలం (time), పదార్థం (matter), గరిమ (mass) మొదలైన మౌలికమైన భావాలలో మన దృక్పథం మారాలని సాపేక్షవాదం ప్రతిపాదించింది. పర్యవసానంగా, స్థలం గురించి కాని, కాలం గురించి కాని, గ్రాహ్యంలోకి వచ్చే అనుభవాలు పరిశీలకుడి (observer) స్థితి మీద, పరిశీలకుడి కదలిక మీద ఆధారపడి ఉంటాయనే సాపేక్ష భావం మొదటిది. పదార్థం యొక్క గరిమ, ఆ పదార్థంలో ఇమిడి ఉన్న శక్తి అవినాభావంగా E = mc² అనే సమీకరణం ద్వారా ముడిపడి ఉన్నాయనేది రెండవ అంశం. ఉదాహరణకి ఆన్రి బెకెరెల్ (Henri Becquerel, 1852-1908), మరీ క్యూరీ (Marie Curie, 1867-1934), పియేర్ క్యూరీ (Pierre Curie, 1859-1906) అధ్యయనం చేసిన ‘రేడియో ధార్మిక’ పదార్థాలు (పొలోనియం, యురేనియం, ప్లుటోనియం, రేడియం) వికిరణ ప్రక్రియ (radiation) ద్వారా శక్తిని అవిరామంగా విడుదల చేస్తున్నా వాటి గరిమలో చెప్పుకోదగ్గంత మార్పు కనబడకపోవడానికి కారణం ఏమిటా అన్న ప్రశ్నకి పై సమీకరణం సమాధానం చెప్పగలిగింది కానీ నూటనిక యంత్రశాస్త్రం (Newtonian mechanics) చెప్పలేకపోయింది.

తరువాత సాధారణ సాపేక్షవాదం వచ్చి స్థలం, కాలం వేర్వేరు అంశాలు కాదు, రెండింటిని కలిపి ఒక చతుర్మితీయ స్థల-కాల సమవాయంగా (four-dimensional space-time continuum) ఊహించుకుంటే గరిమ గల పదార్థం ఆ సమవాయం మీద వ్యవస్థితమైనప్పుడు ఆ సమవాయం మీద లొత్త పడుతుందనిన్నీ (లాగి పట్టుకున్న రబ్బరు జంబుఖానా మీద ఇనప బంతిని పెట్టినప్పుడు జంబుఖానా మీద లొత్త పడ్డ మాదిరిగానే), పదార్థం గరిమ పెరిగినకొద్దీ ఆ లొత్త లోతు ఎక్కువ అవుతుందనిన్నీ ఒక నమూనా ప్రతిపాదించింది. ఇప్పుడు ఆ సమవాయం మీదకి గోళీ వంటి చిన్న రేణువుని వదిలితే అది లొత్త పడ్డ ప్రాంతంలో ‘తిన్నగా’ (అనగా, ఒక సరళరేఖ వెంబడి) ప్రయాణం చెయ్యలేదు; అది లొత్తలో పడి చుట్లు తిరుగుతుంది. సూర్యుడి చుట్టూ భూమి తిరగడం, భూమి చుట్టూ చంద్రుడు తిరగడం ఇలాంటి ప్రక్రియలే కానీ ఏదీ దేనినీ ‘దూరం నుండి ఆకర్షించడం’ (action at a distance) లేదు అని చెబుతుంది సాపేక్షవాదం.

ఇక్కడ గమనించదగ్గ అంశం ఏమిటంటే ఏ పదార్థమూ లేనప్పుడు ఈ స్థలకాల సమవాయం చదునుగానే ఉంటుంది, పదార్థం ఉన్నప్పుడు లొత్త పడుతుంది; ఆ పదార్థం గరిమ ఎక్కువయినకొద్దీ ఆ లొత్త లోతుగా పడుతుంది. అనగా మన స్థలకాల సమవాయానికి ‘వంపు’ లేదా ‘వట్రుతనం’ ఉంటుంది. దాని ఆకారం నిలకడగా ఉండకుండా పరిస్థితులతో మార్పుకి లోనవుతూ ఉంటుంది. ఈ వాదం ఉపయోగించి బుధగ్రహం యొక్క పరిహేలి (రవిసమీపబిందువు, perihelion) యొక్క వింత ప్రవర్తనకి తర్కబద్ధమైన భాష్యం చెప్పడంతో ఐన్‌స్టయిన్ వాదనని సర్వులు అంగీకరించక తప్పలేదు. ఐన్‌స్టయిన్ ఇంతటితో ఊరుకోలేదు. తాను ప్రతిపాదిస్తున్న ఊహలు ఒక్క సౌరమండలానికి పరిమితం కాదు, విశ్వవ్యాప్తంగా పనిచేస్తాయని ఉద్ఘాటించి 1917లో విశ్వోద్భవశాస్త్రం (cosmology) అనే కొత్త శాస్త్రానికి ఆయువు పోశాడు. తరువాత ఐన్‌స్టయిన్ ప్రతిపాదించిన ఊహలలో (ఉదా. విశ్వం ఏ మార్పులు లేకుండా ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది) కొన్ని సవరింపులు రాకపోలేదు, కానీ మౌలికంగా ఐన్‌స్టయిన్ ఊహలు విశ్వోద్భవ శాస్త్రానికి ఒక దిశానిర్దేశం చేసేయనేది నిర్వివాదం.

ఐన్‌స్టయిన్ ప్రతిభ భౌతిక శాస్త్రంలో కనుక ఆయన తను ప్రతిపాదించిన గణిత సమీకరణాలని పరిష్కరించడానికి ఆయనకి భౌతిక ప్రపంచంతో ఉన్న సూక్ష్మాక్షిక (insight) ఆలంబనగా వాడుకున్నాడు. కానీ గణితశాస్త్రంలో విశేషమైన ప్రతిభ ఉన్న కొందరు ఐన్‌స్టయిన్ ప్రతిపాదించిన గణిత సమీకరణాలని సరికొత్త దృక్పథంతో పరిశీలించి కొత్త పరిష్కారాలు ప్రతిపాదించారు. అలెగ్జాండర్ ఫ్రీడ్‌మన్ (Alexander Friedman, 1888-1925), హవర్డ్ రాబర్ట్‌సన్ (Howard Robertson, 1903-1961), ఆర్థర్ వాకర్ (Arthur Walker, 1909-2001) సాధించిన గణిత పరిష్కారాల ప్రకారం ఈ విశ్వం విస్తరిస్తూ ఉండాలి తప్ప ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉండానికి వీలు లేదు! ఆ మాటకొస్తే బెల్జియం దేశస్థుడు, కేథలిక్ మతాచార్యుడు అయిన జార్జ్ లమైట్‌ర్ (Georges Lemaitre, 1894-1966) కూడా కేవలం భౌతిక అంశాల తోడ్పాటుతో విశ్వ విస్తరణవాదాన్ని ప్రతిపాదించి ఉన్నాడు. ఇది విశ్వ విస్తరణవాదానికి నాంది.

ఈ ఊహలు, ప్రతిపాదనలు, వాదాలు, వగైరాలు అన్నీ కేవలం సైద్ధాంతిక వాదాలేనా? లేక, నిజంగా విశ్వ విస్తరణ జరుగుతోందా లేదా అన్న విషయం నిర్ణయించడం ఎలా? ఈ సందిగ్ధావస్థ నుండి బల్ల గుద్ది బయటపడేసిన ఘనత ఎడ్విన్ హబుల్ (Edwin Hubble, 1889-1953) అనే అమెరికా శాస్త్రవేత్తకి దక్కుతుంది. ఈ ఘనకార్యం చెయ్యడానికి ఆయనకి రెండు దిశలనుండి సహాయం లభించింది. ఒకటి, కేలిఫోర్నియాలోని విల్సన్ శిఖరం మీద కొత్తగా నిర్మించిన వేధశాలలోని అతి పెద్ద దుర్భిణి. రెండు, విశ్వంలో నక్షత్రమండలాల మధ్య దూరాలు కొలవడానికి సెఫియెడ్ (cepheid) అనే కొత్త రకం నక్షత్రాలని ఎలా ఉపయోగించవచ్చో కనిపెట్టిన హెన్రియెటా లెవిట్ (Henrietta Leavitt, 1868 –1921) అనే వనిత. ఈ పనిముట్ల సహాయంతో మనం ఉండే పాలపుంత నక్షత్రమండలంతో (Milky Way galaxy) పాటూ ఈ విశ్వంలో లక్షలాది ఇతర నక్షత్రమండలాలు ఉన్నాయనిన్నీ, అవి అన్నీ ఒకదానినుండి మరొకటి దూరంగా జరిగిపోతున్నాయనిన్నీ రుజువుచేసి చూపించేడు, హబుల్. అనగా, ఈ విశ్వం ఐన్‌స్టయిన్ ప్రతిపాదించినట్లు స్థిరంగా, నిశ్చలంగా లేదు; నిరంతరం అలా వ్యాప్తి చెందుతోంది!

ఇక్కడ కుండలీకరణాలలో ఒక వ్యాఖ్య చెయ్యాలి. మొదట్లో, ఐన్‌స్టయిన్ తన నమూనాని తయారుచేసిన కొత్త రోజులలో, తన నమూనాని అనేక కోణాలనుండి విశ్లేషించి చూస్తూ ఉంటే ఆ నమూనా ప్రకారం మన విశ్వం నిరంతరం వ్యాప్తి చెందుతూ ఉండాలని గణితం గొంతెత్తి చెప్పింది. కానీ ఆ రోజులలో విశ్వం అంటే కేవలం మన పాలపుంత మాత్రమే! అది కైవారంలో పెరిగిపోతున్నట్లు ఎవ్వరూ గమనించలేదు. కనుక తన గణితం గొంతెత్తి చెబుతున్నా ఐన్‌స్టయిన్ నమ్మలేదు. అందుకని ఆయన తన గణిత సమీకరణాలని ‘కాసింత కిట్టించి’ – అనగా సమీకరణాలలో ఒక స్థిరాంకం (cosmological constant) ప్రవేశపెట్టి – కొట్టొచ్చినట్లు కనబడుతున్న పెరుగుదలని ఆపు చేసేడు. విశ్వం వ్యాప్తి చెందుతోంది అని హబుల్ ప్రత్యక్ష ప్రమాణం చూపించేసరికి ఐన్‌స్టయిన్ తన తప్పుని తెలుసుకుని విచారించేడు.

‘విశ్వం వ్యాప్తి చెందుతోంది’ అని చెప్పగానే ‘ఈ విస్తరణ ఎప్పుడు, ఎలా మొదలయింది?’ అన్న ప్రశ్న పుడుతుంది కదా. ఇక్కడ కథ టూకీగా చెప్పి ముందుకు కదులుతాను. ఎప్పుడో 13.8 బిలియను (బిలియను = 1,000 మిలియన్లు = 1,000,000,000) సంవత్సరాల క్రితం బిందు ప్రమాణంలో ఉన్న విశ్వం అకస్మాత్తుగా, తటాలున పేలిపోయి, వ్యాప్తి చెందుతున్నాదన్న వాదం ప్రస్తుతం చెలామణిలో ఉంది. ఇంతకీ ఏమిటి ఈ బృహత్విస్ఫోటనం? విస్ఫోటనం అంటే పేలుడు కనుక ఏదో ఎక్కడో, ఎప్పుడో పేలిందని మనం అంతా ఒప్పేసుకుందాం. పేలడం అంటే అకస్మాత్తుగా, ఊహకి అందని రీతిలో, ‘ఆదిశక్తి’ నుండి పదార్ధ రేణువులు (matter particles), వికిరణ రేణువులు (radiation particles) తంబతంబలుగా పుట్టుకొచ్చేయి. మొదట్లో ఈ ఆదిశక్తి నుండి పదార్థం (matter), ప్రతిపదార్థం (antimatter) దరిదాపు సమపాళ్ళలో పుట్టి ఉండాలి. మచ్చుకి, ‘బిలియన్’ ప్రతిపదార్థ రేణువులకి ‘బిలియన్ మీద ఒక్కటి’ పదార్థ రేణువు పుట్టి ఉండొచ్చు. పదార్థం, ప్రతిపదార్థం పరస్పరం రూపుమాపుకొనడంతో బిలియను రేణువులలో ఒకే ఒక్క పదార్థ రేణువు చొప్పున మిగిలి ఉంటుంది. ఆ సమయంలో అలా మిగిలిన పదార్ధపు సాంద్రత (density), వికిరణ సాంద్రత, తాపోగ్రత (temperature), మన ఊహకి అందనంత ఎక్కువగా ఉండేవన్నమాట. ఈ విస్పోటనంతో విశ్వం వ్యాప్తి చెందగా చెందగా, తాపగతిశాస్త్రం (thermodynamics) యొక్క నియమాల ప్రకారం పరిస్థితి కొంత కుదుటపడగా, ప్రస్తుతం మనం చూస్తూ ఉన్న నక్షత్రమండలాలు, నక్షత్రాలు, వగైరాలు పుట్టుకొచ్చేయని ఈ వాదం చెబుతోంది. ఇదే విధంగా సాధారణ సాపేక్షవాదం చెప్పిన రీతిలో వ్యాపిస్తూన్న విశ్వం యొక్క వక్రత (curvature) క్రమేపీ తగ్గి ప్రస్తుతం దరిదాపు బల్లపరుపుగా ఉన్న స్థితికి వచ్చింది. ఈ ధోరణిలో విశ్వం వ్యాప్తి చెందుతూ పోతే ఉత్తరోత్తరా విశ్వం చప్పగా చల్లారిపోయి, నక్షత్రమండలాలన్నీ పూర్తిగా చెల్లాచెదురు అయిపోయి, విశ్వం దరిదాపు ఖాళీ అయిపోతుంది. అప్పుడు అవశేషంగా మిగిలిపోయిన వక్రత కూడా నశించిపోయి, స్థలకాలం (spacetime) అప్పడంలా తయారవుతుంది.

ఇదే తర్కం ఉపయోగించి కాల గమనాన్ని వెనక్కి తిప్పి మొదట్లో విశ్వం ఎలా ఉండేదో ఊహించుకోవచ్చు. కాలంలో వెనక్కి వెళితే అప్పుడు విశ్వం ఇప్పటికంటె చిన్నదిగానూ, ఎక్కువ వక్రతతోనూ, సాంద్రంగానూ, వేడిగానూ ఉండేదని ఊహించుకోవటం అంత కష్టం కాదు. ఇంకా వెనక్కి వెళితే సూక్ష్మాతిసూక్ష్మ ప్రమాణంలో, అనంతమైన వేడి, అనంతమైన వక్రత, అనంతమైన సాంద్రతతో ఉండేదన్నమాట. ఈ పరిస్థితిని గణిత పరిభాషలో విశిష్టస్థితి (singularity) అంటారు. ఇక్కడే కాలగమనం కూడ మొదలయిందని మనం అనుకుని, t = 0 అని రాస్తాం. విశ్వం యొక్క మహా ప్రస్థానానికి ఈ సమయంలో జరిగిన బృహత్విస్పోటనం ఒక మహాజననం అన్న మాట!

ఐన్‌స్టయిన్ ప్రవచించిన సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని వర్ణించే గణిత సమీకరణాలు పైన సూచించిన t = 0 అనే బిందువుని చేరుకునే వరకు పనిచేస్తాయి కాని ఆ బిందువు దగ్గర – అంటే, ఆ విశిష్టస్థితిలో – పనిచెయ్యవు. అక్కడ అంతా అనంతమే. ఈ అనంతమైన అవధిని దాటి ‘అవతలకి’ వెళితే కాని బృహత్విస్పోటనం ‘జరగక ముందు’ ఏముండేదో తెలియదు. విస్ఫోటనంతోనే కాల గమనం ప్రారంభం అయింది కనుక పై వాక్యంలో ‘జరగక ముందు’ అనే పదబంధానికి అర్థం లేదు!

దీనినే బ్రహ్మండ విచ్ఛిన్నవాదం లేదా బృహత్విస్ఫోటనవాదం (The Big Bang Theory) అంటారు. దీనిని, ప్రామాణిక విశ్వ ప్రాదుర్భావ నమూనా (Standard Cosmological Model) అని కూడా అందాం. ఈ వాదం పరిపూర్ణంగా సంతృప్తిని ఇవ్వకపోయినా దీనితో పోటీపడే ప్రత్యామ్నాయ వాదాలన్నీ వీగిపోయాయి కాబట్టి మనం చేయగలిగేది ఏమీ లేక ఈ వాదాన్ని పట్టుకుని వేళ్ళాడుతున్నాం. భవిష్యత్తు ఎలా ఉంటుందో! ఒక్క మనవి. విశ్వ వ్యాప్తికి బ్రహ్మండ విచ్ఛిన్నం కారణం కావచ్చు, కాకపోవచ్చు. ఈ సంగతిని తరువాత సందర్శించి తీరికగా పరిశీలిద్దాం.

2. గుళిక వాదం

‘ఫలానా విప్లవం ఎప్పుడు, ఏ సంఘటనతో మొదలయింది?’ అని అడిగితే కొన్ని సందర్భాలలో సమాధానం నిర్ద్వందంగా చెప్పవచ్చు. ‘భౌతికశాస్త్రంలో గుళిక విప్లవం ఎప్పుడు మొదలయింది?’ అని అడిగితే సా. శ. 1900లో అని నిర్మొహమాటంగా చెప్పవచ్చు. ఆ రోజులలో భౌతికశాస్త్రంలో – ప్రత్యేకించి ఉష్ణగతిశాస్త్రంలో (thermodynamics), అత్యూద వినిపాతం (ultraviolet catastrophe) అనే కొరకబడని సమస్య ఎదురయింది. ఈ సమస్యని మేక్స్ ప్లేంక్ (Max Planck, 1858-1947) అనే వ్యక్తి 1900లో పరిష్కరించి ఒక దిశానిర్దేశం చేసేరు. ఈయన ప్రవేశపెట్టిన కీలకమైన ఊహ ఏమిటంటే ఉష్ణ శక్తి నదీప్రవాహంలా – ధారాపాతంలా – ఉండదు, చిన్న చిన్న నీటిబొట్ల ప్రవాహంలా (హోమియోపతి మాత్రల ప్రవాహంలా ఉహించుకొండి) ఉంటుంది అన్నారు. ఈ బొట్లనే, ఈ మాత్రలనే, శాస్త్రీయ పరిభాషలో గుళికలు (ఇంగ్లీషు బహువచనంలో quanta, ఏకవచనంలో quantum) అంటారు. ఈ గుళికలు ఎంత చిన్నగా ఉంటాయిట? ఈ ప్రశ్నకి సమాధానంగా, ఒకొక్క గుళికలో ఉన్న శక్తి E ఎంతో చెప్పడానికి, ఆయన E = hf అనే చిన్న సమీకరణాన్ని ఇచ్చేరు. ఇక్కడ f అనే అక్షరం వేడి చేసిన వస్తువు ఏ రంగులో ఉందో చెబుతుంది, h అనే ‘ప్లేంక్ స్థిరాంకం’ విలువ అత్యల్పం. (ఉదా. h = 6.62607015×10⁽⁻³⁴⁾ జూల్ సెకండ్లు, అనగా 6.62607015ని లవంలో వేసి దిగువ హారంలో 1 తరువాత 34 సున్నలు చుట్టి భాగించగా వచ్చినంత! జూల్ సెకండ్లు అనేది మనం ఉపయోగించిన కొలమానం.) కనుక ఈ గుళికలు అత్యంత సూక్ష్మమైనవి. అనగా, వేడి ఒక ధారలా ప్రవహించదు, అతి సూక్ష్మమైన బొట్లు బొట్లుగా ప్రవహిస్తుంది అనుకుంటూ మన దృక్పథంలో ఈ చిన్న మార్పు చేసేసరికి ప్రయోగానికి, వాదానికి మధ్య పొంతన కుదురుతోంది.

ఇలా ఒక సందర్భంలో ఈ గుళిక అనే ఊహ దిగ్విజయం సాధించేసరికి ప్రయోగానికి వాదానికి పొంతన కుదరని అనేక ఇతర సందర్భాలలో ఇదే మంత్రం ఉపయోగించడం మొదలుపెట్టేరు. ఈ కొత్త దిశలో మరొక అడుగు వేసిన వ్యక్తి ఐన్‌స్టయిన్. ఈయన ‘కాంతి రూపంలో ఉన్న శక్తిని కూడా గుళికీకరించాలి’ (అనగా, శక్తి ఒక్క ఉష్ణరూపంలో ఉన్నప్పుడే కాదు) అని అంటూ తేజోవిద్యుత్ ప్రభావం (photoelectric effect) అనే ప్రక్రియకి భాష్యం చెప్పేరు. అనగా వేడి గుళికల రూపంలో ప్రసరించినట్లే కాంతి – లేదా విద్యుదయస్కాంత వికిరణం – గుళికల రూపంలో ప్రసరిస్తుంది. ఇలాంటి కాంతి గుళికలనే మనం తేజాణువులు (photons) అంటాం. ఈ తేజాణువులలో ఉండే శక్తిని కూడా E = hf సమీకరణం తోటే వర్ణించవచ్చు. ఇక్కడ f అనేది ఆ తేజాణువు యొక్క రంగు (లేదా, ఆ రంగుతో ఉన్న కాంతి తరంగం యొక్క తరచుదనం, frequency). ఈ సందర్భంలోనే కాంతి తరంగమా, రేణువా అనే సందిగ్ధత సహజంగా వస్తుంది.

ఇలా భౌతికశాస్త్రం పాతిక సంవత్సరాలపాటు ఎన్నో తికమకలు పడి అప్పటివరకు పరిష్కారం లేకుండా మిగిలిపోయిన ఎన్నో అంశాలని పరిష్కరించుకుంటూ వచ్చింది. గ్రంథ విస్తరణ భీతి వల్ల ఈ విప్లవంలో పాల్గొన్న యోధుల పేర్లన్నీ ఇక్కడ ఉటంకించడం సాధ్యపడదు. చిట్టచివరికి చెదురుమదురుగా ఉన్న ఫలితాలన్నిటికి గణితపరంగా పునాదులు వేసి ఒక సౌధం నిర్మించిన ఘనత వెర్నర్ హైజెన్‌బర్గ్ (Werner Heisenberg, 1901-1976), అనే జెర్మన్ శాస్త్రవేత్తకి, ఎర్విన్ ష్రోడింగర్ (Erwin Schrodinger, 1887-1961) అనే ఆస్ట్రియా శాస్త్రవేత్తకి దక్కుతుంది.

అప్పటికే మన ఇంగితజ్ఞానానికి అందకుండా పోతున్న సాపేక్షవాదాన్ని జీర్ణం చేసుకోలేక శాస్త్రీయలోకం తికమకలు పడుతోంది. పులి మీద పుట్రలా గుళికవాదం వచ్చిపడింది. ష్రోడింగర్ ప్రతిపాదించిన నమూనాలో తరంగ ప్రమేయం (wave function) అనే భావం కీలకమైనది. అణుప్రమాణంలో ఉన్న ఒక సూక్ష్మ రేణువు యొక్క స్థితిని (state) గణిత భాషలో సమగ్రంగా వర్ణించి చెబుతుంది ‘తరంగ ప్రమేయం.’ ఉదాహరణకి, ‘ఫలానా వేళప్పుడు ఒక రేణువు (ఉదా. ఎలక్ట్రాను) ఎక్కడ ఉంది?’ అని అడిగితే ఈ తరంగ ప్రమేయం ఉపయోగించి ‘ఫలానా చోట ఉండటానికి సంభావ్యత ఇంత’ అని సమాధానం చెప్పడానికి వెసులుబాటు ఉంది. ఇదే ఫలితాన్ని హైజెన్‌బర్గ్ ప్రతిపాదించిన నమూనాతో కూడా సాధించవచ్చు కానీ, హైజెన్‌బర్గ్ ‘అనిర్ధారిత సూత్రం’ అనే మరొక కీలకమైన అంశాన్ని ఆవిష్కరణ చేసి పేరు తెచ్చుకున్నాడు.

అనిర్ధారిత సూత్రం (Uncertainty Principle) అనేది అణు ప్రపంచానికి సంబంధించిన సూత్రం. స్థూల ప్రపంచం కనబడినంత స్ఫుటంగా సూక్ష్మ ప్రపంచం కనబడదు, స్పష్టత లేదు. ఈ అస్పష్టతని ఒక గణిత అసమీకరణంలో (inequality) బంధించి చూపిస్తుంది హైజెన్‌బర్గ్ ప్రవచించిన అనిర్ధారిత సూత్రం. ఈ సూత్రం గుళిక వాదానికి ఆయువుపట్టు! హైజన్‌బర్గ్ ప్రవచించిన అనిర్ధారిత సూత్రం ఎంత మౌలికమో అంత అనుభావాతీతం. దీని సారాంశం ఏమిటంటే ఎలక్ట్రాను వంటి చిన్ని రేణువు ఎక్కడుందో తెలిస్తే దాని వేగం నిర్ధారించలేము, దాని వేగం తెలిస్తే ఎక్కడుందో నిర్ధారించలేము. ఈ రెండింటిని ఒకేసారి నిర్ధారించి కొలవడం అసాధ్యం! కష్టం కాదు; అసాధ్యం! ఇది ప్రకృతి లక్షణమే కానీ మన అసమర్ధతకి సూచిక కాదు. అనగా, మనం ఎంత తెలివైనవాళ్ళం అయినా, ఎంత స్ఫూర్తివంతులమైనా ప్రకృతి విధించిన ఈ ఆంక్షని జవదాటలేము. దీని అర్థం ఏమిటంటే మన నమూనాలు ఏమిటి చెబితే అది నమ్మడమే కానీ ప్రకృతి నిజానికి ‘ఇదమిత్థంగా ఇలా ఉంటుంది’ అని నిర్ధారించి చెప్పలేము. మన నమూనాలు మాత్రం నిర్ధారించి చెబుతున్నాయా? లేదే. అవి కూడా సంభావ్యతా భాషలో చెబుతున్నాయి. ఇలా అసంతృప్తికరంగా ఉన్నప్పటికీ గుళికవాదం ఉపయోగించి ట్రాన్సిస్టర్లు, లేసర్లు వంటి ఉపకారణాలెన్నో నిర్మించి ఆ ఫలితాలని అనుభవిస్తున్నాము కనుక గుళికవాదం విజయవంతం అయిందనే ఒప్పుకోవాలి.

ఇలా భౌతికశాస్త్రం రెండు సమాంతర పట్టాల మీద పయనం చేస్తూ అనేక చీలికలతో ముందుకు సాగుతోంది.

ఒకదానితో మరొకటి పెనవేసుకున్న ఈ చీలికలని ఇప్పుడు టూకీగా పరిశీలిద్దాం.

3. గురుత్వాకర్షక ప్రపంచం

3.1. విశ్వవ్యాప్త సూక్ష్మతరంగ నేపథ్య వికిరణం

విశ్వం యొక్క ఆవిర్భావం ఒక బృహత్విస్ఫోటనంతో మొదలయిందనే ప్రతిపాదన మొదట్లో అందరికీ ఆమోదయోగ్యం కాలేదు. ఉదాహరణకి, ఫ్రెడ్ హాయ్‌ల్ (Fred Hoyle, 1915-2001), హెర్మన్ బాండీ (Hermann Bondi, 1919-2005), థామస్ గోల్డ్ (Thomas Gold, 1920-2004) 1948లో ప్రచారంలోకి తీసుకొచ్చిన యథాస్థితి వాదం (Steady State Theory) ప్రకారం ‘ఈ విశ్వం ఎల్లప్పుడూ ఇప్పటిలాగానే ఉంది.’ అనగా, విశ్వ విస్తరణ జరుగుతోంది కానీ బృహత్విస్ఫోటనం అనే సంఘటన ఎప్పుడూ జరగలేదంటూ Big Bang అనే పదబంధాన్ని ఫ్రెడ్ హాయ్‌ల్ వెటకారం చేస్తూ వాడేడు. అది కాస్తా అతుక్కుపోయింది. కానీ యథాస్థితి వాదం క్రమేపి వీగిపోడానికి కారణం రోజురోజుకీ పెరుగుతున్న మన సాంకేతిక పరిజ్ఞానం ఇస్తున్న పరికరాల ద్వారా పోగవుతున్న ప్రత్యక్ష ప్రమాణాలు. ఆధునిక శాస్త్రీయ పరిశోధన జోడు గుర్రాల బండి లాంటిది; ఒక గుర్రం వాదాలు (theories) అయితే రెండవ గుర్రం ప్రయోగాలు (experiments). వాదం ఎంత అందంగా, తర్కబద్ధంగా ఉన్నా దానికి దన్నుగా ప్రయోగ ప్రమాణం లేకపోతే ఆ వాదం వీగిపోతుంది. ప్రయోగాలు చెయ్యడానికి పరికరాలు కావాలి. సంఘం సాంకేతికంగా, సర్వతోముఖంగా అభివృద్ధి చెందితే కానీ ఈ పరికరాలు పుట్టుకురావు. ఇరవైయవ శతాబ్దపు ఉత్తరార్ధంలో – రెండవ ప్రపంచ యుద్ధం ప్రేరణ కారణంగా – ఎన్నో కొత్త రకాల పరికరాలు పుట్టుకొచ్చేయి. కార్ల్‌ జాన్‌స్కి (Karl Jansky, 1905-1950) అనే ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరు అమెరికాలో బెల్ టెలిఫోన్ ప్రయోగశాలలో పనిచేసేవాడు. రేడియో ప్రసారాల్లో వినిపించే గరగరమని వినిపించే రొదకి కారణం ఏమిటో కనుక్కునే ప్రయత్నంలో ఉన్నాడతను. తన దగ్గర ఉన్న పసికమ్మిని (antenna) ఆకాశంలో అన్ని దిక్కులకి తిప్పి, ఆ రొద మన పాలపుంత నక్షత్రమండలం మధ్యలో ఎక్కడినుండో వస్తోందని తీర్మానించి, తదుపరి తాను చేయగలిగేది ఏమీ లేదనుకొని, ఆ ఫలితం ప్రచురించి తన దారిన తాను పోయాడు.

తరువాత ఆకాశంలో కంటికి కనిపించని నక్షత్రాల వంటి శాల్తీలని అధ్యయనం చెయ్యడానికి రేడియో టెలిస్కోపులనే కొత్త రకం దుర్భిణులు వాడుకలోకి వచ్చేయి. కంటికి కనబడే ఏడు రంగుల కాంతి తరంగాల మీద ఆధారపడడానికి బదులు ఈ రేడియో టెలిస్కోపు కంటికి కనబడని రేడియో తరంగాల మీద ఆధారపడుతుంది. ఇంగ్లండ్‌లో మార్టిన్ రైల్ (Martin Ryle, 1918-1984) అనే ఆసామి అమెరికాలో జాన్‌స్కి చేసిన పని గురించి చదివి, ఆకాశంలో రేడియో రొదల జనకస్థానాలు (sources) ఇంకా ఎక్కడెక్కడ ఉన్నాయో అని రేడియో టెలిస్కోపు ఉపయోగించి వెతకడం మొదలుపెట్టేడు. మొదట్లో ఇలాంటి రొద పుట్టించే జనకస్థానాలు 50 వరకు కనిపించేయి. వెతికిన కొద్దీ ఇంకా కనిపిస్తున్నాయి. ఇంకా వెతకగా హంస రాశిలో (Cygnus constellation), పాలపుంతకి అవతల 500 కాంతి సంవత్సరాల (light years) దూరంలో, ఎంతో బలంగా ప్రకాశిస్తున్న ‘రేడియో నక్షత్రం’ ఒకటి కనబడింది. హబుల్ చెబుతున్నది నిజమేనన్నమాట; విశ్వం యొక్క పరిధి మన పాలపుంతకి పరిమితం కాదన్నమాట! హాయ్‌ల్ వాదాన్ని సమర్ధిద్దామని ఎంత ప్రయత్నించినా వీలు పడడం లేదని తీర్మానించి యథాస్థితి వాదం అనే శవపేటిక మీద మరో మీకు దిగగొట్టేడు.

ఇది ఇలా ఉండగా అమెరికాలో బెల్ టెలిఫోన్ కంపెనీవారి ప్రయోగశాలలో పనిచేసే మరొక పరిశోధక జంట అర్నో పెన్సియాస్ (Arno Penzias, 1933 – ), రాబర్ట్ విల్సన్ (Robert Wilson, 1936 – ) అనే ఇద్దరు కృత్రిమ గ్రహాల సహాయంతో వార్తలు పంపడం మీద శృంగం ఆకారంలో ఉన్న పసికమ్మిని (horn shaped antenna) వాడి పరిశోధనలు చేస్తున్నారు. వారి పరిశోధనలో 7.4 సెంటీమీటర్ల పొడుగున్న రేడియో తరంగాల జనకస్థానం తాపోగ్రత 3.3K ఉండడానికి బదులు 7.5K అని నమోదు అవుతోంది. (ఇక్కడ K అనేది కెల్విన్ తాపోగ్రతకి వాడే కొలమానం. తరంగాల పొడుగు 0.03 సెంటీమీటర్ల నుండి 30 సెంటీమీటర్ల వరకు ఉంటే వాటిని సూక్ష్మ తరంగాలు, లేదా microwaves అంటారు.) పసికమ్మిని ఆకాశంలోకి ఏ దిశలోకి తిప్పి చూపినా ఈ తేడా కనిపిస్తోంది. ఈ తేడాకి కారణం ఏదై ఉంటుందా అని వారు ఎంత శోధించినా అంతు చిక్కలేదు. ఈ తాపోగ్రతలో తేడాకి ఏదో నేపథ్య రొద కారణం అయి ఉండాలి అని ఊహించి, ఆ నేపథ్య రొద మన వాతావరణం నుండి కాదు, మన సూర్యుడి నుండి కాదు, మన పాలపుంత నుండి కాదు అనుకుంటూ ‘నేతి, నేతి’ సూత్రం ఉపయోగించి, చివరికి ఇదేదో మన పాలపుంత నక్షత్రమండలానికి వెలుపల నుండి వస్తున్న నేపథ్య రొద అయి ఉంటుందని ఊహించి ఆ విషయాన్ని పరిశోధనాపత్రంగా 1965లో ప్రచురించేరు. ఈ నేపథ్య రొదనే విశ్వవ్యాప్త సూక్ష్మతరంగ నేపథ్య వికిరణం (Cosmic Microwave Background Radiation లేదా CMB radiation) అంటారు.

పక్క ఊళ్ళో, ప్రిన్స్‌టన్ విశ్వవిద్యాలయంలో, పనిచేస్తున్న జేమ్స్ పీబుల్స్ (James Peebles, 1935 -) అనే ఖగోళశాస్త్రవేత్త బృహత్విస్ఫోటనవాదం మీద పరిశోధన చేస్తున్నాడు. ఎప్పుడో 13.8 బిలియను సంవత్సరాల క్రితం ఒక విస్ఫోటనంతో ఈ విశ్వ ప్రాదుర్భావం జరిగి ఉండుంటే ఆ పేలుడు యొక్క ప్రతిధ్వని (echo) ఇప్పటికీ వినిపిస్తూ ఉండాలని అతని అనుమానం. ఆ పేలుడు జరగబోయే ముందు ఆ ‘బ్రహ్మ పదార్థం’ ఏదైతే ఉందో అది అత్యధిక తాపోగ్రతతో ఉండి ఉండాలి. పేలుడుతో వచ్చే వ్యాకోచానికి అది చల్లబడాలి. అది అలా చల్లారగా, చల్లారగా ప్రస్తుతానికి దాని తాపోగ్రత ఉరమరగా 2.7K ఉండాలని అతను అంచనా వేసేడు. పీబుల్స్ సహాధ్యాయి రాబర్ట్ డికీ (Robert Dicke, 1916-1997) ఈ అంచనాని ప్రయోగాత్మకంగా కొలవడానికి సన్నాహాలు చేస్తున్నాడు. ఈ లోగా పెన్సియాస్-విల్సన్ జంట తాము కొలిచిన తాపోగ్రతని ప్రచురించి ఈ పోటీలో అనుకోకుండా నెగ్గేసేరు.

ఇక్కడ గమనించవలసిన విషయం ఏమిటంటే పెన్సియాస్-విల్సన్‌లు ఒక పారిశ్రామిక సంస్థలో పనిచేసే ఇంజనీర్లు. వీరికి అందుబాటులోఉన్న ఖరీదైన సాంకేతిక పరికరాలు విశ్వవిద్యాలయంలో పనిచేసే ఆచార్యులకి అంత తేలికగా అందుబాటులోకి రావు.

3.2. క్వేజారులు – పల్సారులు

ఇంగ్లండ్‌లో, 1963లో, సిరిల్ హేజర్డ్ (Cyril Hazard) అనే ఖగోళ శాస్త్రవేత్త ‘రేడియో నక్షత్రాల’ మీద పరిశోధనలు చేస్తూ 3C273 అనే శక్తిమంతమైన రేడియో కిరణాల ఉత్పత్తి స్థానాన్ని గుర్తించేడు. వెనువెంటనే, అమెరికాలో పాలోమార్ శిఖరం మీద ఉన్న దుర్భిణిని ఉపయోగించి మార్టిన్ ష్మిట్ (Maarten Schmidt, 1929- ) 3C273ని కంటితో కూడా చూడగలిగేడు. అప్పుడు దాని వర్ణమాల (spectrum) లోని గీతలు అన్నీ ఉండవలసిన చోటు నుండి ఎరువు వైపుకి బాగా జరిగి ఉండడం గమనించేడు. ఈ రకం ‘జరుగుడు’ని డాప్లర్ విస్థాపనం (Doppler shift) అంటారు. దీని అర్థం ఏమిటంటే ఆ నభోమూర్తి భూమి నుండి ఎంతో జోరుగా దూరంగా వెళ్ళిపోతోందన్నమాట. ఎంత జోరుగా? కాంతివేగంలో పదహారో శాతం అంత జోరుగా! హబుల్ సూత్రం ప్రకారం ఎక్కువ జోరుగా ప్రయాణం చేస్తున్నట్లు మనకి కనిపిస్తున్న నభోమూర్తులు మనకి ఎక్కువ దూరంలో ఉండాలి కనుక ఈ నభోమూర్తి ఎంతో అనూహ్యమైన దూరంలో ఉండి ఉండాలి. అంత దూరంలో ఉన్నది మనకి కనబడుతున్నాదంటే అది ఎంతో దీప్తితో (luminosity) ప్రకాశిస్తూ ఉండాలి. ఎంత దీప్తి ఉండాలి? లెక్క వేసి చూస్తే ఒక సాధారణమైన నక్షత్రమండలం కంటే కనీసం 100 రెట్లు ఎక్కువ దీప్తితో ప్రకాశిస్తూ ఉండాలి. ఈ రకం నభోమూర్తులని ఇంగ్లీషులో క్వేజార్ (quasar or quasi stellar object) లని పిలవడం మొదలుపెట్టేరు. అనగా, నక్షత్రాలలా మనకి అనిపిస్తున్న భారీ నభోమూర్తులు (కానీ నక్షత్రాలు కావు). అంత దూరం నుండి బయలుదేరిన కాంతి మన దగ్గరకి చేరుకోడానికి మిలియన్ల సంవత్సరాలు పడుతుంది కనుక ఇప్పుడు మనం చూస్తున్న క్వేజార్లు మిలియన్ల సంవత్సరాల క్రితం ఎలా ఉండేవో మనకి తెలుస్తున్నది. అనగా ఈ విశ్వం వయస్సులో బాగా చిన్నగా ఉన్నపుడు ఎలా ఉండేదో తెలియాలంటే ఆ సమాచారం ఈ భారీ నభోమూర్తులని అధ్యయనం చేసి రాబట్టవచ్చు.

దరిమిలా ఇటువంటి క్వేజార్లు మిలియన్ల కొద్దీ కనబడ్డాయి. ఇవన్నీ కూడా మనకి ఎంతో దూరంలో ఉన్నాయి.

ఉదాహరణకి TON-618 అనే క్వేజారు గురించి మాట్లాడుదాం. దాని గరిమ 66 బిలియను సూర్యుల గరిమతో సమానంట! అది 140 ట్రిలియను (అనగా, 1000 బిలియన్లు) సూర్యులతో సమమైన తేజస్సుతో ప్రకాశిస్తున్నదిట. అక్కడ నుండి బయలుదేరిన కాంతి భూమిని చేరుకోడానికి 10.8 బిలియను సంవత్సరాలు పడుతుందిట. విశ్వం వయస్సు 13.8 బిలియను సంవత్సరాలు అంటున్నారు కనుక విశ్వం కేవలం 3 బిలియను సంవత్సరాలు వయస్సులో ఉన్న తరుణంలో ఈ క్వేజారు నుండి బయలుదేరిన కాంతిని మనం ఇప్పుడు చూస్తున్నామన్నమాట! ఇది ఇంత తేజస్సుతో ప్రకాశించడానికి కారణం ఆ పరిసర ప్రాంతాలలో ఉన్న పదార్థం ఊహాతీతమైన వేగంతో ఈ క్వేజారులో పడిపోతోందిట. ఇదే కొన్నాళ్ళు పోయిన తరువాత, పరిసర ప్రాంతాలలో ఉన్న పదార్థం పలచబడ్డ తరువాత, మనకి కనబడడం మానేసి కర్రిబిలంగా (black hole) మారిపోతుందిట.

ఇది ఇలా ఉండగా ఆంటొనీ హ్యూవిష్ (Antony Hewish, 1924 -) దగ్గర పనిచేస్తున్న విద్యార్థిని జోసలీన్ బెల్ (Jocelyn Bell, 1943 – ) రేడియో కిరణాలు ప్రసారం చేస్తున్న క్వేజార్లని అధ్యయనం చేస్తూ ఉండగా వాటిలో కొన్నింటిలో ఒక విపరీతమైన పోకడని గుర్తించింది; కొన్ని క్వేజార్ల నుండి నాడి కొట్టుకుంటున్నంత క్రమబద్ధతతో ఒక స్పందన ప్రసారమవుతోంది. సహజసిద్ధమైన జనకస్థానాలనుండి అంత క్రమత్వంతో స్పందన వస్తోందంటే అక్కడ ‘ఏవో తెలివైన ఘటాలు’ ఉండి బయట ప్రపంచానికి వారి ఉనికిని తెలియబరచడానికి వార్తలు పంపుతున్నారేమోనని ముందు అనుమానం పడ్డారు. నిలకడ మీద అదేదో సహజసిద్ధంగా జరుగుతున్న నక్షత్రభౌతిక (astrophysical) ప్రక్రియే అని తీర్మానించి ఆ రకం నభోమూర్తులకి పల్సార్ (Pulsar) లని పేరు పెట్టేరు. వీటినే మనం ‘నాడీమూర్తులు’ అందాం. ఈ నాడీమూర్తుల గురించి సిద్ధాంత పరంగా భాష్యం చెప్పినవాడు థామస్ గోల్డ్; ఇతనే హాయ్‌ల్‌తో కలసి యథాస్థితి వాదం లేవదీసిన వ్యక్తి. రెండేసి క్షణాలకి ఒకసారి చొప్పున జరుగుతున్న నాడీ స్పందనలని ఆధారంగా చేసుకుని వాటి జనకస్థానం కైవారంలో చాల చిన్నదయి ఉండాలని లెక్క కట్టి చెప్పేడితను. ఇవి శ్వేత కుబ్జతారలు (white dwarfs) కాజాలవు; ఎందుకంటే శ్వేత కుబ్జతారలు పరిమాణంలో పెద్దవి కనుక అంత జోరుగా కంపనం (vibration) కానీ భ్రమణం (rotation) కానీ చూపలేవు. అవి మూడొంతులు నూట్రాను తారలు (neutron stars) కావచ్చు; ఎందుకంటే నూట్రాను తారల వ్యాసం మహా ఉంటే 60 కిలోమీటర్లు ఉంటుంది, వీటి సాంద్రత అత్యధికంగా ఉంటుంది. అందువల్ల ఇక్కడ నాడీ స్పందన కంపనం వల్ల పుట్టినది కాదు, భ్రమణం వల్ల పుట్టినదే అని తీర్మానించేరు. అనగా ఈ పల్సార్‌లనే నాడీమూర్తులు గిర్రున తిరుగుతున్న నూట్రాను తారలు అన్నమాట. కొన్ని నక్షత్రాలు బృహన్నవ్యతార (supernova) దశకి చేరుకొని అకస్మాత్తుగా పేలిపోయినప్పుడు ఆ అవశేషంలో – సందర్భం కలిసొస్తే – నూట్రాను తారలు మిగలొచ్చు అని ఒక నమ్మకం ఉంది. కనుక గిర్రున తిరిగే నూట్రాను తారలే పల్సార్లు (లేదా, తెలుగులో నాడీమూర్తులు). ఇవి ఒక్క రేడియో తరంగాలనే కాకుండా ఎక్స్-కిరణాలని, గామా కిరణాలని, దృగ్గోచర కాంతిని కూడా ప్రసారం చేస్తాయని తెలిసింది. ఇటీవలి కాలంలో నాడీమూర్తులు వెలిగక్కే వికిరణానికి అనేక ఇతర కారణాలు ఉండొచ్చని సిద్ధాంతీకరిస్తున్నారు. ఉదాహరణకి ఒక నభోమూర్తి నుండి పదార్థం (matter) ఒలికి మరొక నభోమూర్తి లోనికి భారీ ఎత్తున ప్రవహించినప్పుడు కూడా ఈ రకం వికిరణం సాధ్యమే అంటున్నారు. ఇలా భారీ ఎత్తున పదార్థం ప్రవహించినప్పుడు ఐన్‌స్టయిన్ సాధారణ సాపేక్ష వాదం ప్రకారం ఆ ప్రవాహం స్థలకాలాన్ని కల్లోలపరచి గురుత్వ తరంగాలని (gravitational waves) పుట్టించి ప్రసారం చెయ్యాలి. (విద్యుత్ ఆవేశంతో కూడిన ఎలక్ట్రానులు ప్రవహించినప్పుడు విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రంలో తరంగాలు పుట్టినట్లే అని ఉపమానం చెప్పుకోవచ్చు!)

3.3. గురుత్వ తరంగాలు

గురుత్వ తరంగాలు పుట్టడం అనేది వాస్తవమే అని 1974-78లో జరిగిన పరిశోధనలలో ఆధారం దొరికింది. ఉదాహరణకి PSR B1913+16 అనే ఒక నాడీమూర్తుల (binary pulsar) జంట – అమ్మాయిలు ఒప్పులకుప్ప ఆడుతున్నట్లు – ఒకదానితో మరొకటి పెనవేసుకుని, గిర్రున తిరుగుతున్నట్లు కనిపించడం, అవి క్రమేపి శక్తిని కోల్పోయి నెమ్మదిగా ఒకదానికొకటి దగ్గరగా జరుగుతున్నట్లు కనిపించడం, అవి దగ్గర అవుతున్నకొద్దీ అవి తిరిగే జోరు పెరగడం గమనించేరు. ఇంత భారీ శాల్తీలు ఇంత జోరుగా తిరగడంతో వాటిలోని శక్తిని గురుత్వ తరంగాల రూపంలో కోల్పోతున్నాయని ఒక వాదం పుట్టింది. ఈ వాదంలో పస ఎంత ఉందో తేల్చాలంటే ప్రయోగాత్మకంగా వాటి ఉనికిని నిర్ధారించాలి. ఎంతో దూరంలో పుట్టి, ప్రయాణిస్తున్న గురుత్వ తరంగాలు భూమి దరిదాపుల్లోకి వచ్చేసరికి నీరసపడిపోయి మన పరికరాల స్పర్శకి అందటం లేదు. ఇటీవల అమెరికాలో నిర్మాణం పొందిన లైగో (LIGO: Laser Interferometric Gravitational wave Observatories) సహాయంతో ఈ గురుత్వ తరంగాల ఉనికిని పసిగట్టాలని ఆశిస్తున్నారు. ఈ వ్యవస్థలో భాగంగా భారతదేశంలో కూడా ఒక లైగో వేధశాల నిర్మాణానికి చురుకుగా పనులు జరుగుతున్నాయి.

3.4 కృష్ణ పదార్థం

క్వేజారులతో మరొక ప్రయోజనం ఉంది. ఇవి విరజిమ్మే వెలుగు మనకి చేరేలోగా మార్గమధ్యంలో పెద్ద నక్షత్రమండలం అడ్డుపడితే దాని గురుత్వాకర్షణ ప్రభావం వల్ల ఆ కాంతి కిరణం వంగుతుంది. (ఇక్కడ వంగడానికి కారణం గురుత్వాకర్షణ ప్రభావం వల్ల వంపు తిరిగిన స్థలకాలం గుండా కాంతి కిరణం ప్రయాణం చెయ్యడం.) ఇలా వంగిన కాంతి కిరణం వంపుని కొలిస్తే అది అనుకున్నదానికంటే ఎక్కువగా ఉంది. దానికి కారణం అడ్డుపడ్డ నక్షత్రమండలంలో అనుకున్న కంటే ఎక్కువ పదార్థం ఉండి ఉండాలని లెక్క వేసేరు. కానీ అది కనబడడం లేదు. కనబడని పదార్థం కనుక దానికి కృష్ణ పదార్థం (dark matter) అని పేరు పెట్టేరు. తీరికగా కూర్చుని లెక్క వేయగా ఇలా కంటికి ఆనకుండా విశ్వంలో ఉన్న పదార్థం కంటికి కనబడే నక్షత్రాలు, మండలాల కంటే ఎన్నో రెట్లు ఎక్కువ ఉండొచ్చని అంచనా వేస్తున్నారు.

ఇంతవరకు ఖగోళ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు బృహత్విస్ఫోటనం (Big Bang), విశ్వవ్యాప్త సూక్ష్మతరంగ నేపథ్య వికిరణం (CMB radiation), క్వేజారులు (quasars), నాడీమూర్తులు (pulsars), గురుత్వ తరంగాలు (gravitational waves), గురుత్వ కటకాలు (gravitational lenses), సాధారణ సాపేక్ష వాదం (General Relativity) అనుకుంటూ కాలం వెళ్ళబుచ్చేవారు. ఇప్పుడు అకస్మాత్తుగా కృష్ణ పదార్థం (dark matter), కృష్ణ శక్తి (dark energy), కర్రి బిలాలు (black holes) వంటి కొత్త అంశాలు, కొత్త సోకులు, కొత్త వైఖరులు వచ్చిపడ్డాయి. వీటి గురించి ఇప్పుడు విచారిద్దాం.

3.5. కర్రిబిలం

ఐన్‌స్టయిన్ తన సాధారణ సాపేక్షవాదాన్ని 1915లో ఆవిష్కరించిన తరువాత ఈ వాదాన్ని రుజువు చెయ్యడానికి రెండు ప్రయోగాలు ఆధారం అయేయి. వీటిలో మొదటిది, నూటన్ సమీకరణాలతో లెక్క కట్టిన బుధగ్రహం కక్ష్యకి, నిజంగా ఆ గ్రహం ప్రయాణించే మార్గానికి మధ్య కనబడ్డ స్వల్పమైన తేడాకి కారణం ఐన్‌స్టయిన్ వాదం చెప్పడం. రెండవది, దూరంలో ఉన్న ఒక నక్షత్రం నుండి బయలుదేరిన కాంతి సూర్యుని గురుత్వ క్షేత్రంలో ఐన్‌స్టయిన్ చెప్పినట్లే వంగుతుందని చూపడం. ఇలా చాల కాలంపాటు ప్రయోగాలు, పరిశోధనలు సూర్యమండలం పరిధి దాటి బయటకి వెళ్ళలేదు. దీనికి ఒక కారణం ఈ రకం ప్రయోగాలు చెయ్యడానికి పెద్ద ఎత్తున ప్రయత్నాలు చెయ్యాలి; అది డబ్బుతో కూడిన వ్యవహారం. మరొక కారణం సిద్దాంత పరంగా దీనిలోని గణితం క్లిష్టతమం అవడం వల్ల దీని మీద పనిచేసినవారు ఎక్కువగా గణితశాస్త్రవేత్తలు. వీరికి నిధులతో నిమిత్తం లేదు; కాగితం, కలం ఉంటే చాలు. ఈ పరిస్థితి 1960 దశకం పూర్తి ఆయేనాటికి మెరుగయింది. ఈ రోజులలో సాధారణ సాపేక్షవాదం యొక్క అనువర్తనాలు (Global Positioning System వంటివి) దారిన పోయే దానయ్య అనుభవ పరిధిలోకి వస్తున్నాయి. అదే విధంగా కర్రిబిలాలు (black holes) అనే విలక్షణమైన వైపరీత్యం నలుగురి నోటా నలుగుతూన్న పదబంధంగా ప్రచారంలోకి వచ్చేసింది.

కర్రిబిలం అంటే ఏమిటి? సాధారణ సాపేక్షవాదం దృష్ట్యా కర్రిబిలం దగ్గర స్థలకాలానికి ఒక ఏకైక విశిష్టస్థితి (singularity) వస్తుంది. ఈ విశిష్టస్థితిని గణితపరంగా వర్ణించి చెప్పగలం కానీ మామూలు భాషలో చెప్పడం కష్టం. ఈ విశిష్టస్థితి దగ్గర స్థలకాలం నశించిపోతుంది. అనగా, ఈ విశిష్టస్థితి దగ్గర స్థలకాలం ఒక అగాధం లోకి దిగిపోతుంది. కర్రిబిలం సమీపం లోకి వచ్చిన పదార్థం ఆ అగాధంలో పడిపోయి, మరి తిరిగి బయటకి రాలేదు. కర్రిబిలం సమీపంలోకి వచ్చిన కాంతి కిరణాలు కూడా ఆ అగాధంలో పడిపోతాయి; అందుకనే అది నల్లగా ఉంటుందని ఉహించి, వెటకారానికి ఒకరు దీనికి black hole అని పేరు పెట్టేరు. అది అతుక్కుపోయింది. (మొదట్లో, కోల్కతాలో బ్రిటిష్‌వాళ్ళు నడిపిన ఒక జైలుని బ్లాక్ హోల్ అనేవారు. అంటే ఆ జైలులో పడ్డవాళ్ళు మరి తిరిగి బయటకి రారు అనే ఉద్దేశంతో. ఆ పదబంధం ఇంగ్లీషు భాషలో స్థిరపడిపోయింది!)

ఈ కర్రిబిలాల మీద పరిశోధన మొదలుపెట్టినది భారతీయ సంతతికి చెందిన సుబ్రమణియన్ చంద్రశేఖర్ (S. Chandrasekhar, 1910-1995), రష్యాకి చెందిన లియెఫ్ లాన్దావ్ (Lev Landau, 1908-1968). వీరిరువురు నూటన్ వాదం ఉపయోగించి మన సూర్యుని వంటి నభోమూర్తుల పరిమాణం పెద్దదయేకొద్దీ ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అని లెక్కలు వేసేరు. వీరు చేసిన పని యొక్క ఫలితం ఏమిటంటే మన సూర్యుని గరిమ కంటె 1.5 రెట్లు ఎక్కువ గరిమ ఉన్న నక్షత్రాలు వాటి గరిమకే అవి తట్టుకోలేక కుప్పకూలిపోతాయి. అనగా, ఆయా నభోమూర్తులు వాటి గరిమ వల్ల ఉత్పన్నమయే గురుత్వాకర్షక బలాన్ని అధిగమించగల అంతర్గత బలాలని ఉత్పన్నం చెయ్యలేకపోవడం వల్ల ఆ గురుత్వాకర్షక బలాల ప్రభావానికి దాసులై కుప్పకూలిపోతాయి. ఇదే లెక్కని సాపేక్షవాదం ఉపయోగించి చేస్తే? ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం రాబర్ట్ ఆపెన్‌హైమర్ (R. Oppenheimer, 1904-1967) ప్రభృతులు సమాధానం చెప్పేరు. వారి లెక్క ప్రకారం ఒక నక్షత్రం గరిమ సూర్యుని గరిమ కంటే 1.5 రెట్లు ఎక్కువ ఉంటే ఆ నక్షత్రం కుప్పకూలిపోయి, ఆ స్థానంలో ఒక విశిష్టస్థితి మిగులుతుంది. అనగా, ఆ నక్షత్రం ఒక బిందుప్రమాణంలోకి జారిపోయి, అక్కడ అనంతమైన సాంద్రతని ప్రదర్శిస్తుంది. చంద్రశేఖర్, లాన్దావ్‌లు చేసిన పనిని, ఆపెన్‌హైమర్ ప్రభృతులు చేసిన పనిని ఆ రోజుల్లో ఎవ్వరూ పట్టించుకోలేదు – క్వేజార్లు, పల్సారులు రంగంలోకి దిగేవరకు!

సా. శ. 1963లో సోవియట్ యూనియన్‌కి చెందిన ఎవ్‌గెనీ లిఫ్‌షిట్స్ (Evgenii M. Lifshitz, 1915-1985), ఐజక్ ఖలాత్నికోవ్ (Isaak M. Khalatnikov, 1919 – 2021) స్థలకాలంలో కనబడే విశిష్టస్థితులని లోతుగా అధ్యయనం చెయ్యడం మొదలుపెట్టేరు. ఇదే మార్గం అనుసరిస్తూ బ్రిటన్‌లో రాజర్ పెన్‌రోస్ (Roger Penrose, 1931 – ), స్టీవెన్ హాకింగ్ (Stephen Hawking, 1942- 2018) ఉన్నత స్థాయి గణితం ఉపయోగించి స్థలకాలం లోని విశిష్టస్థితుల లక్షణాలని వెలికి లాగడం మొదలుపెట్టేరు. ఇటుపైన ‘స్థలకాలం లోని విశిష్టస్థితులు’ అని అనడానికి బదులు కర్రిబిలాలు (black holes) అనే పదబంధాన్ని వాడడం పరిపాటి అయిపోయింది.

ఇలా కర్రిబిలాల చరిత్ర చంద్రశేఖర్‌తో మొదలయి పెన్‌రోస్, హాకింగ్‌తో పరిపక్వానికి వచ్చింది. చిట్టచివరికి జరిగిన తీర్మానం ఏమిటిట? కర్రిబిలాలు ఒక ప్రత్యేకమైన జాతికి చెందిన నక్షత్రాల అవశేషాలు. పుట్టుకతోటే అత్యధిక గరిమతో మొదలైన పెద్ద, పెద్ద నక్షతాలలోని ఇంధనం ఖర్చయిపోతున్న తరుణంలో అవి వాటి ఆత్మగురుత్వాకర్షక శక్తుల ప్రభావానికి లొంగి, కృంగి, కుప్పకూలిపోతాయి. అలా కూలినప్పుడు ఏర్పడిన ఆ ‘గొయ్యి’ కైవారం క్రమంగా తగ్గి ఒక కీలకమైన దశని చేరుకున్నప్పుడు ఆ బిలం అంచులలో ఉన్న పదార్థం ఆపడానికి వీలు లేనంత జోరుగా ఆ బిలంలో పడిపోతుంది. ఆఖరికి ఆ బిలం అంచులలో ఉన్న కాంతి కిరణాలు కూడా వెలుపలికి రాలేవు. అందుకనే ఆ బిలం నల్లగా ఉంటుందని అభివర్ణించబడింది.

మరి ఆ బిలంలో పడిపోయిన పదార్థం ఏమయినట్లు? ఆ పదార్థం తన ‘అస్తిత్వాన్ని’ కోల్పోతుంది. సైన్సు ఇలాంటి వేదాంతపు సమాధానాల్ని అంగీకరించదు. దీనికి సరి అయిన సమాధానం కావాలంటే అత్యధిక సాంద్రతతో, అత్యధిక పీడనానికి లోనయినప్పుడు పదార్థపు ప్రవర్తన ఎలా ఉంటుందో తెలియాలి. ఆ పరిస్థితులలో పదార్థం అణురూపాన్ని వదలి పరమాణు రేణువుల సముద్రం వలె ఉంటుంది. ఈ పరిస్థితిని సమగ్రంగా అర్థం చేసుకోవాలంటే గుళిక వాదాన్ని ఆశ్రయించాలి. అనగా సాధారణ సాపేక్ష వాదాన్ని గుళికీకరించాలి. లేదా గుళికీకరణకి లొంగే సరికొత్త గురుత్వాకర్షక వాదాన్ని ప్రతిపాదించాలి. ఈ దిశలో హాకింగ్ చిరు ప్రయత్నం మొదలుపెట్టి తుదముట్టించకుండా కన్నుమూసేడు. ఆయన అనేది ఏమిటంటే కర్రిబిలంలో పడ్డ పదార్థం క్రమేపి వికిరణం అనే ప్రక్రియ ద్వారా ఇగిరిపోతుంది. దీనినే హాకింగ్ వికిరణం అంటున్నారు. ఇలా ఒక కర్రిబిలం ఇగరడానికి (evaporate అవడానికి) 1 తరువాత 67 సున్నలు చుట్టినన్ని సంవత్సరాలు పడుతుందిట! ఈ అంశం మీద ప్రస్తుతానికి స్పష్టత లేదు.

ఇంతకీ కర్రిబిలాలు కేవలం సిద్ధాంత స్వరూపాలా? నిజంగా ఉన్నాయా? ఇవి నల్లగా ఉంటే వీటిని చూడడం ఎలా? ఈ ప్రశ్నకి సమాధానం వెతకడం కోసం డిసెంబరు 1970లో అమెరికా ప్రభుత్వం ఉహురు (Uhuru) అనే ఉపగ్రహాన్ని రోదసి లోకి పంపింది. దీని సహాయంతో మన పాలపుంత నక్షత్రమండలంలో ఎక్స్-కిరణాల్ని ప్రసరిస్తున్న జనకస్థానాలు ఎన్నింటినో కనుక్కున్నారు. వీటిలో అతి శక్తివంతమైన ఎక్స్-కిరణాల జనకస్థానం హంస రాశిలో కనిపించింది కనుక దానికి సిగ్నస్ X-1 (Cygnus X-1) అని పేరు పెట్టేరు. నిజానికి ఇది ఒక బృహన్నీలి మహాతార (Super Blue Giant) అనిన్నీ, ఇది మన సూర్యుడి కంటే 30 రెట్లు పెద్దదనిన్నీ, దీనికొక అదృశ్య సహచరి ఉందనిన్నీ, ఆ సహచరి మన సూర్యుని కంటే 7 రెట్లు పెద్దదనిన్నీ, ఇంత పెద్ద తార శ్వేత కుబ్జతార (white dwarf) కానీ నూట్రాన్ తార కానీ అవడానికి వీలు లేదు కనుక ఇది నిరపేక్షంగా కర్రిబిలం అయితీరాలని తీర్మానించేరు. ఈ తీర్మానాన్ని అందరూ అంగీకరించలేదు. అదృశ్య సహచరి మన సూర్యుని కంటే కేవలం 3 రెట్లు మాత్రమే పెద్దదనిన్నీ, కనుక అది నూట్రాన్ తార అవడానికి సావకాశాలు లేకపోలేదని వాదిస్తున్నారు. సిగ్నస్ X-1 విషయంలో వాదోపవాదాలు ఎలా ఉన్న సర్పిలాకారంలో ఉన్న పెద్ద నక్షత్రమండలాలన్నిటి నడిబొడ్డులోను ఒక కర్రిబిలం ఉండి ఉంటుందని అధిక సంఖ్యాకుల నమ్మకం.

ఈ విశ్వం గురించి చేసే అధ్యయనం క్లిష్టతమం. దూరాల గురించి, వేగాల గురించి, పదార్థాల గరిమ గురించి అంచనాలు వెయ్యడం తేలికయిన పని కాదు. దుర్భిణిలో కంటితో చూడ్డానికి ఏవీ స్ఫుటంగా కనిపించవు. అయినా అప్పటివరకు దొరికిన సమాచారంతో రాబర్ట్‌సన్-వాకర్-ఫ్రీడ్‌మన్‌లు దఖలుపరచిన నమూనాలు సంతృప్తికరంగానే ఉన్నాయి. ఆ నమూనా ప్రకారం ఈ విశ్వం వ్యాప్తి చెందే త్వరణం (acceleration) విశ్వంలో పదార్థము-శక్తి ఎంతెంత ఉన్నాయో వాటి మీద ఆధారపడుతుంది. ఉదాహరణకి వ్యాప్తి చెందుతున్న విశ్వం నిరంతరం అలా వ్యాప్తి చెందుతూనే ఉంటుందా? లేక, కొన్నాళ్ళకి ఆగిపోతుందా? తరువాత ఏమవుతుంది? మరల కుంచించుకుపోతుందా? ఈ రకం ప్రశ్నలకి సమాధానం చెప్పాలంటే విశ్వంలో పదార్థం-శక్తి ఎంత ఉందో తెలియాలి. ఈ పదార్థం-శక్తి వెలువరించే గురుత్వాకర్షక బలం వెనక్కి లాగుతూ, బృహత్విస్ఫోటనం యొక్క బలం ముందుకు తోస్తూ ఉంటే ఏదో ఒక బలం నెగ్గాలి కదా. లేకపోతే ఈ రెండు బలాలు సమతుల్యంగా ఉండాలి. ఈ సమాచారం మనకి నిర్దిష్టంగా తెలిస్తే కానీ – వ్యాప్తి చెందుతున్న విశ్వం ఎప్పటికైనా ఆగుతుందా? ఆగి, వెనక్కి కుదించుకోవడం మొదలుపెడుతుందా? వగైరా ప్రశ్నలకి – సంతృప్తికరమైన సమాధానాలు దొరకవు.

ప్రస్తుతానికి బృహత్విస్ఫోటనవాదానికి వచ్చిన మరొక అభ్యంతరం ఏమిటో టూకీగా చెబుతాను. విశ్వం ఏ మూల చూసినా దరిదాపు ఒకేలా కనిపిస్తుంది. అనగా పదార్థం ఒకే విధమైన పలచదనంతో పరచబడ్డట్టు కనబడుతుంది. విశ్వంలో గ్రహకుటుంబాలు ఉన్నాయి, నక్షత్రాలు ఉన్నాయి, నక్షత్రమండలాలు ఉన్నాయి, వీటి మధ్యలో ఉన్న ప్రదేశం దరిదాపు శూన్యం అంటున్నారు. ఇది ‘ఒకే విధమైన పలచదనంతో పరచబడ్డట్టు’ ఎలా అవుతుంది? విశ్వం ఎంతో విశాలమైనది కనుక దానిని కొలిచే సందర్భంలో మనం వాడే ‘గజం బద్ద’ కూడా పెద్దగా ఉండాలి కదా. మనం వాడిన గజం బద్ద పొడుగు 300,000,000 కాంతి సంవత్సరాలు ఉన్నప్పుడు విశ్వంలోని పదార్థం ఒకే విధమైన పలచదనంతో పరచబడ్డట్టు కనబడుతుంది. కనుక స్థూలదృష్టికి విశ్వం సజాతియం (homogeneous) గానే కనబడుతోందని తీర్మానించవచ్చు. బృహత్విస్ఫోటనవాదం ఈ సజాతీయతని సమర్థించలేకపోతోంది. స్థలకాలంలో పొంగు, కాలంలో ముడత (Inflation and Wrinkle in Time) వంటి అంశాలతో ఈ కథని అలా చెప్పుకుంటూ పోవచ్చు. వ్యాస విస్తరణ భీతి వల్ల ఆ వివరాలు చెప్పి విసిగించదలుచుకోలేదు. ఈ దిశలో పరిశోధనలు జోరుగానే జరుగుతున్నాయి (Saul Perlmutter; George Smoot).

3.6 కృష్ణ పదార్థం – కృష్ణ శక్తి

పైన లేవదీసిన రకం ప్రశ్నలకి సమాధానాలు కావాలంటే ప్రస్తుతం విశ్వంలో పదార్థము-శక్తి ఎంత ఉందో తెలియాలి. మన కంటికి కనిపించే పదార్థము-శక్తి ఎంత ఉందో లెక్క వేసి చూస్తే విశ్వవిస్తరణని ఆపడానికి సరిపడా ఉన్నట్లు కనిపించడం లేదు. ఇదే నిజమయితే విశ్వం అలా నిరంతరం విస్తరించుకుంటూ పోతుంది, విస్తరణతో పాటు చల్లబడుతూ పోతుంది. అంటే కొన్నాళ్ళకి నక్షత్రాలన్నీ చల్లారిపోయి, విశ్వం చైతన్యరహితంగా తిమిరాంధకారంలో మునిగిపోతుంది. ఇందుకేనా సృష్టి జరిగింది? చీదేసిన సిసింద్రీలా కాసింతసేపు హడావిడి చేసి చివరికి ఇలా ఒక మూల తొంగుంటుందంటే ఎవరు మాత్రం సహించగలరు? ఈ జగన్నాటకానికి మరొక అంకం ఉంటే బాగుంటుంది కదా! అంటే, విస్తరణ కొంతసేపు జరిగిన తరువాత కుదింపు జరిగి కథ వెనక్కి నడిస్తే బాగుంటుంది కదా! ఇలా ముందుకి, వెనక్కి డోలాయమానంగా విశ్వం ఉగిసలాడాలంటే విశ్వంలో ప్రస్తుతం ఉన్నదాని కంటే ఎక్కువ పదార్థము-శక్తి ఉండాలి. అది కంటికి కనబడకపోయినా పరవాలేదు. ఈ విధంగా ఆలోచించి విశ్వంలో కృష్ణ పదార్థం (dark matter), కృష్ణ శక్తి (dark energy) ఉన్నాయేమోనని వెతకడం మొదలుపెట్టేరు.

(ఇంకా ఉంది)