சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு - ஒரு முன்னோட்டம்

 

Image: wikimedia commoms 

நிலைமம், உந்தம், ஒவ்வொரு விசைகளுக்குமான எதிர் விசை, போன்றவற்றைப் பற்றிய நியூட்டனின் மூன்று விதிகளை நாம் முன்பே கேள்விப்பட்டிருப்போம். இதுபோன்ற இயற்பியல் விதிகளை வெவ்வேறு அமைப்புகளுடன் தொடர்புபாடுத்திப் பார்ப்பதே சார்பியலின் நோக்கமாகும். 

சார்பியல் (relativity) என்றவுடன் முதலில் நம் நினைவிற்கு வருவது ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் அவர்களே. ஆனால், அவருக்கு முன்பாகவே பல அறிவியலாளர்களும் தத்துவ ஞானிகளும், சார்பியலைப் பற்றி விளக்க முயற்சித்துள்ளனர். எனினும், அதிலிருந்த குழப்பங்களை விடுவித்து, அதனை முழுமையாக விளக்கியவர் ஐன்ஸ்டீன் அவர்களே. இந்தத் தொகுப்பில், சார்பியலுக்கான ஒரு முன்னோட்டத்தையும், கலிலியோவிடமிருந்து தொடங்கிய சார்பியல் கோட்பாடு முதல், ஐன்ஸ்டீனால், நிறைவு செய்யப்பட்ட சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு வரையிலும் விரிவாகக் காண்போம். 

கலிலியோவின் சார்பியல் கோட்பாடு:

ஐன்ஸ்டீனுக்கு முன்பாகவே, கலிலியோ அவர்கள் சார்பியல் கோட்பாட்டை ஓரளவு விளக்கியுள்ளார். இப்போது நீங்கள் ஓரிடத்தில் நிலையாக நிற்கிறீர்கள். உங்களின் நண்பர் ஒரு மகிழுந்தில் 50 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் உங்களைக் கடந்து சென்று கொண்டிருக்கிறார். 

அப்படி அவர் சென்று கொண்டிருக்கையில், ஒரு பந்தினை வண்டியிலிருந்து, கீழே வீசுகிறார். இப்போது உங்களுடைய பார்வையில் அந்த பந்தானது உங்களை நோக்கி வருவது போலவே தோன்றும். ஆனால், உங்களின் நண்பருடைய பார்வையில் அந்த பந்தானது தன்னை விட்டுப் பின்னோக்கிச் செல்வது போல் தோன்றும். இங்கே எந்த ஒரு இயற்பியலின் விதியும் பாதிக்கப்படவில்லை. ஆனால் அந்தப் பந்து செல்லக்கூடிய திசையானது நாம் பார்க்கும் பார்வையினுடைய கோணத்தை பொறுத்தே மாறுகிறது என்று கருதினார். இதுவே சார்பியலின் ஒரு தொடக்கப் புள்ளியாக அமைந்தது. 

நியூட்டனின் இயக்க விதிகள்:

பிறகு 1687 ஆம் ஆண்டில் நியூட்டனின் இயக்கவிதிகள் வெளியாகின. இயக்கத்தில் உள்ள ஒரு பொருளைப் பற்றிய விளக்கத்தை இந்த விதிகள் கொடுத்தன. ஆனால் ஒளியினுடைய வேகத்தில் 0.1% க்கு அதிகமான வேகத்தில் செல்லக்கூடிய பொருள்களுக்கு இந்த இயக்க விதிகளை நாம் பயன்படுத்த முடியாது. ஏனென்றால் இத்தகைய வேகங்களில் ஒரு பொருளினுடைய, நிறை, நீல அகலங்கள் மற்றும், நேரம் போன்றவை பெரிய அளவில் மாறுபடுகின்றன. இந்த மாறுபாடுகளைப் பற்றி விளக்குவதுதான் சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாடு (the special Theory of relativity) ஆகும்.

1865 ஆம் ஆண்டில் ஜேம்ஸ் கிளர்க் மேக்ஸ்வெல் எனும் இயற்பியலாளர், ஒளியானது, மின்புலத்தையும் காந்தப்புலத்தையும் ஒருங்கே கொண்டுள்ளது என்று சமன்பாடுகளின் மூலமாக நிரூபித்தார். பிறகு, ஒளியின் இந்த பண்பானது சோதனைகளாகவும் நிரூபிக்கப்பட்டது. 

ஒளியின் வேகத்துடனான ஈதர்களின் தொடர்பு: 

இப்போது ஒரு நட்சத்திரமானது, ஒரு குறிப்பிட்ட திசையில் இயங்கிக் கொண்டு ஒளியை உமிழ்வதாக எடுத்துக்கொள்வோம். நியூட்டனின் இயக்க விதிகளின்படி, அந்த நட்சத்திரத்தினால் வெளியேற்றப்பட்ட ஒளியினுடைய வேகமானது, வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகமான 3×10⁸ m/s மற்றும், அந்த நட்சத்திரத்தின் வேகம் ஆகியவற்றின் கூட்டுத்தொகைக்குச் சமமாகவே இருக்க வேண்டும். ஆனால் வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகமானது இந்த பிரபஞ்சத்தில் நிலையான ஒன்றாகும். அதனுடைய வேகம் எப்பொழுதும் அதிகரிக்கவோ குறையவோ செய்யாது. 

இந்த முரண்பாட்டை நீக்குவதற்காக, ஈதர் என்னும் ஒரு ஊடகமானது, ஒளியின் பரவலுக்கு உதவியாக உள்ளது என்றும், இந்தப் பிரபஞ்சம் முழுவதும் ஈதர்களால் நிறைந்துள்ளது என்றும் விஞ்ஞானிகள் நம்பினர். இந்த ஊடகத்தில் ஒளியின் வேகமானது எப்பொழுதும் மாரிலியாக இருக்கும் என்று கருதினர். பிறகு 1887 ஆம் ஆண்டில் மைக்கெல்சன் மற்றும் மோர்லி ஆகியோரால் செய்யப்பட்ட ஒரு சோதனையின் முடிவாக, இந்த பிரபஞ்சத்தில் ஈதர் என்ற ஒரு ஊடகமே இல்லை என்றும் ஒளியின் வேகம் இந்த பிரபஞ்சத்தில் மாறாதது என்றும் நிரூபிக்கப்பட்டது. 

எனவே, வேகமாக இயங்கிக் கொண்டிருக்கும் அமைப்புகளிலிருந்து வெளியேற்றப்பட்ட ஒளியினுடைய வேகத்தை அளவிடுவதில் விஞ்ஞானிகளுக்கு மீண்டும் குழப்பம் ஏற்பட்டது. 

(மைக்கேல்சன் மற்றும் மோர்லி ஆகியோரின் சோதனையைப் பற்றித் தெரிந்து கொள்ள, இதே தளத்தில் இருக்கக்கூடிய "ஈதர்களால் நிரம்பிய பிரபஞ்சம்" எனும் பதிவை வாசித்துப் பார்க்கவும்.)

ஒளியைப் பற்றிய ஐன்ஸ்டீனின் சிந்தனைகள்:

பிறகு, 1896 ஆவது வருடத்தில், தனது 16 வது வயதில், ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் ஒளியைப் பற்றிய ஒரு சோதனையைக் கற்பனையாகவே நிகழ்த்தினார். அதாவது, ஒளியின் வேகத்திலும், அந்த ஒளி செல்லக்கூடிய திசைக்கு இணையாகவும் ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் செல்லும் பொழுது, அந்த ஒளிக்கதிரைத் திரும்பிப் பார்த்தால் அது எவ்வாறு தெரியும்? என்பதனைப் பற்றிச் சிந்திக்கத் தொடங்கினார்.

இப்பொழுது இரண்டு மகிழுந்துகள் ஒரே வேகத்தில், அருகருகே செல்லும் பொழுது, ஒரு மகிழுந்திலிருந்து மற்றொரு மகிழுந்தில் உள்ள மனிதரைப் பார்க்கும் பொழுது அவர், நகராமல் ஓரிடத்தில் நிற்பது போலவே தோன்றும் அல்லவா? அதுபோலவே, ஒளியின் வேகத்தில் சென்று கொண்டே, அந்த ஒளியினைத் திரும்பிப் பார்த்தால், அது ஒரு இடத்தில் நிற்பது போலத்தான் தெரிய வேண்டும். ஆனால், மேக்ஸ்வெல் அவர்கள், ஒளியானது மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் ஆகியவை இணைந்த ஒரு அலை வடிவத்தில் தான் பரவுகிறது என்றும், அது எந்த ஒரு அமைப்பிலும் நிலையாக நிற்காது என்றும் நிரூபித்திருந்தார். 

எனவே ஐன்ஸ்டீன், ஒளியின் வேகமானது எந்த ஒரு அமைப்பிலும் மாறாது என்ற முடிவுக்கு வந்தார். மேலும் இந்த ஒளியின் வேகத்திற்கும், அந்த ஒளியை உமிழ்ந்த அமைப்பினுடைய வேகத்திற்கும் எந்த ஒரு சம்பந்தமும் இல்லை என்றும் முடிவுக்கு வந்தார். 

100 km/hr வேகத்தில் செல்லும் ஒரு வாகனத்திலிருந்து, ஒருவர் துப்பாக்கியால் முன்னோக்கிச் சுடுவதாக எடுத்துக் கொள்வோம். அவரைப் பொறுத்தவரையில் அந்தத் துப்பாக்கிலிருந்து வெளிப்படுத்தப்பட்ட தோட்டாவினுடைய வேகம் 900km/hr என்று எடுத்துக் கொள்வோம். அந்த தோட்டாவின் உடைய வேகத்தினை ஒருவர், இயக்கத்தில் இல்லாமல் ஓர் இடத்தில் நின்று கொண்டே அளந்தால், அவருக்கு அந்த தோட்டாவானது 1000 km/hr வேகத்தில் செல்வது போல் தோன்றும். ஆனால், அவர் துப்பாக்கி சுடுவதற்குப் பதிலாக ஒரு மின் விளக்கை ஒளிரச் செய்தால், அவரின் பார்வையிலும் சரி, வெளியில் நிற்பவரின் பார்வையிலும் சரி ஒளியானது ஒரே வேகத்தில் தான் பரவும். 

முன்பு கூறியது போலவே, ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் ஒளியின் வேகத்தில் சென்று கொண்டே அந்த ஒளியினை திரும்பிப் பார்த்தால் அவர் கண்களுக்கு ஒன்றும் தெரியாது. ஏனென்றால், அந்த ஒளி ஆனதே இவரை அடைவதற்கும் சிறிதளவு நேரம் எடுத்துக் கொள்ளும். அப்படி அதனுடைய ஒளி இவர் கண்களை அடைவதற்கு முன்பே இவர் முன்னோக்கிச் சென்றிருப்பார். எனவே அந்த ஒளியினை இவரால் பார்க்கவே முடியாது. 

அமைப்புகளின் வேகத்துடனான இயற்பியல் விதிகளின் தொடர்பு:

தரையிலிருந்து ஒரு பந்தினை மேலே எரியும் பொழுது, அது மீண்டும் நம் கைகளை வந்தடைகிறது. இதேபோல் ஒரு விமானத்தில் பறந்து கொண்டிருக்கும் பொழுதும் பந்தினை மேல் நோக்கி எரிந்தால் அது மீண்டும் நம் கைகளையே அடையும். எனவே இயற்பியலின் விதியானது, நாம் சென்று கொண்டிருக்கக் கூடிய அமைப்பினுடைய வேகத்தை மாறுவதில்லை என்று இங்கு உறுதியாகிறது. 

 ஐன்ஸ்டீனின் கருதுகோள்கள்:

இதுவரையில் பார்த்தவற்றை வைத்து, ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் முக்கியமான இரண்டு கருதுகோள்களை முன் வைத்தார். சார்பியலில் அனைத்து, தலைப்புகளுக்கும் இந்த கருதுகோள்கள் பொதுவானவை. இவருடைய கருதுகோள்கள் பின்வருமாறு.....

• இயற்பியலின் விதிகள் எல்லா அமைப்புகளிலும் சமமாகவே இருக்கும். அந்த அமைப்பானது ஓரிடத்தில் நிலையாக நின்றாலும் சரி அல்லது ஒரு குறிப்பிட்ட திசைவேகத்தில் இயங்கிக் கொண்டிருந்தாலும் சரி. 
•  ஒளியின் வேகமானது எந்த ஒரு அமைப்பிலும் மாறாது. இயக்கத்தில் உள்ள ஒரு அமைப்பிலிருந்தும், நிலையாக உள்ள ஒரு அமைப்பிலிருந்தும், ஒளியினுடைய வேகத்தினை அளந்தோமானால், இரண்டு அமைப்புகளிலும் ஒளியின் வேகம் சமமாகவே அளக்கப்பட்டிருக்கும். 

சார்பியலில் நேரத்தின் தொடர்பு :

Image: pixabay 

100 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் சென்றுகொண்டிருக்கக் கூடிய ஒரு ரயிலின் மேற்பகுதியில் நீங்கள் நின்று கொண்டிருப்பதாக நினைத்துக் கொள்ளுங்கள். உங்களால், அந்த ரயிலினுடைய முன் பகுதியையும் பின்பகுதியையும் ஒரே நேரத்தில் பார்க்க முடிகிறது. நீங்கள் இருக்கும் இடத்திலிருந்து, சமமான தொலைவில் இரண்டு மின்னல்கள், உங்களுக்கு முன்பும் பின்பும் ஒரே நேரத்தில் விழுகின்றன. எந்த மின்னலை உங்களால் முதலில் பார்க்க முடியும்? 

கண்டிப்பாக முன் பகுதியில் விழுந்த மின்னலைத்தான் நீங்கள் முதலில் காண்பீர்கள். பிறகே, உங்களுக்குப் பின்னால் எழுந்த மின்னலை பார்ப்பீர்கள். ஏனென்றால், ரயிலானது 100 km/hr வேகத்தில் முன்னோக்கிச் சென்று கொண்டிருக்கிறது. ஆனால் அந்த ரயில் நகராமல் ஒரே இடத்தில் நின்று கொண்டிருந்தால், நீங்கள் இரண்டு மின்னலையும் ஒரே நேரத்தில் பார்ப்பீர்கள். 

எனவே, இங்கு நேரம் மாறுபடுவதை நம்மால் உணர முடிகிறது. ஏனென்றால், முன்னால் விழுந்த மின்னலைப் பார்த்த பிறகு சிறிது நேரம் கழித்ததே, பின்பகுதியில் விழுந்த மின்னலானது நம் கண்களுக்குத் தெரிகிறது. 

எனவே, அதிவேக இயக்கத்தில் இருக்கும்பொழுது நமக்கு முன்னால் இருக்கும் நேரம் வேகமாகவும், பின்பகுதியில் இருக்கும் நேரம் மெதுவாகவும் நகர்கிறது என்பதனை ஐன்ஸ்டீன் நிரூபித்தார். எனவே, நேரம் என்பது இந்த பிரபஞ்சத்தில் நிலையான ஒன்று அல்ல என்றும், ஒவ்வொரு அமைப்பினுடைய இயக்கத்தைப் பொருத்து அது மாறும் என்றும் முடிவெடுத்தார். இதுபோன்ற பல முடிவுகளை வைத்து, ஆற்றலையும் நிறையையும் தொடர்புப்படுத்தக்கூடிய சமன்பாடான E=MC² என்னும் சமன்பாட்டையும் கண்டுபிடித்தார். ஒரு சிறிய அளவிலான நிறையானது அதிகப்படியான ஆற்றலாக மாற்றப்படலாம் எனும் உண்மையை இந்த சமன்பாடு எடுத்துரைக்கிறது. 

ஐன்ஸ்டீன் அவர்களால் நிரூபிக்கப்பட்ட, ஒளி மற்றும் நேரம் பற்றிய கோட்பாடுகள், அதிவேக இயக்கத்தில் இருக்கும் பொருளினுடைய நிறை மற்றும் நீல அகலங்களில் ஏற்படும் மாற்றம், வேகத்துடனான நேரத்தின் தொடர்பு, போன்ற அனைத்து கருத்துகளும் தொகுக்கப்பட்டு 1905 ஆம் ஆண்டில், சிறப்புச் சார்பியல் கோட்பாடு (the special theory of relativity) எனும் தலைப்பில் வெளியிடப்பட்டது.

ஆனால், சிறப்பு சார்பில் கோட்பாட்டின் எந்த ஒரு பகுதியிலும் ஈர்ப்புவிசை இருக்காது. இங்கே விவாதிக்கப்பட்ட, நேரம், வேகம், தொலைவு ஆகியவற்றுடன் ஈர்ப்பு விசையைத் தொடர்பு படுத்தி விளக்குவதே, பொது சார்பியல் கோட்பாடு (the general theory of relativity) ஆகும்.  

அதுபற்றி இனிவரும் காலங்களில் விரிவாகக் காண்போம்.