तसं बघायला गेलं तर भौतिकशास्त्र मुळीच अवघड नाही. पण त्यातील गणित समजत नसल्याने विषयाची क्लिष्टता वाढत जाते. गणित आणि भौतिकशास्त्र हे दोन परस्परपूरक शास्त्र आहेत. भौतिकशास्त्रज्ञांसाठी गणित हे प्रश्नांची उत्तरे देणारे माध्यम अर्थात साधन आहे.. गणितज्ञांसाठी, सापेक्षता आणि क्वांटम थेरी सारख्या सैद्धांतिक संकल्पनांमुळे भौतिकशास्त्र हे नवनवीन साधने विकसित करण्याचे प्रेरणास्रोत ठरते. प्रायोगिक भौतिकीला सैद्धांतिकेशी जोडणारा गणिती पद्धत (मॅथेमॅटिकल मेथोड) हा एक पूल आहे तसेच उच्च-जोखमीच्या मूल्यांकनाचा महत्वपूर्ण घटक आहे.
आधुनिक भौतिकशास्त्र विसाव्या शतकाच्या पूर्वार्धात उदयाला येऊन लोकप्रिय झाले ते प्रामुख्याने अल्बर्ट आइनस्टाइन यांनी केलेल्या सापेक्षता व मॅक्स प्लॅंकने दिलेला पुंजवाद अर्थात क्वांटम भौतिकशास्त्र ! या असाधारण सैध्दांतिक कामगिरीमुळे विश्वनिर्मिती कशी झाली या प्रश्नाचे उत्तर मिळण्यास मदत झाली. आधुनिक भौतिकशास्त्रात नवीन सिद्धांताद्वारे निसर्गाविषयी भाकीत केले जाते. त्यात बरेच मनोरंजक सिद्धांत आहेत. काही सापेक्षतावादासारखे विकसित सिद्धांत आहेत, तर काही विद्यमान सैद्धांतिक चौकटीत केलेले निष्कर्ष आहेत. पण सर्वच खरोखर विचित्र वाटत असले तरी विलक्षण आहेत.
१. तरंग-कण द्वैत (वेव-पार्टिकल ड्यूअलिटी)
पदार्थ एकाचवेळी तरंग (वेव) आणि कण (पार्टिकल) आणि उलट असू शकतो अशी धारणा आहे. तरंग कणाचे आणि कण तरंगाचे गुणधर्म दाखवतो. पुंज भौतिकशास्त्रात (क्वांटम मेकॅनिक्स्) हे सप्रमाण सिद्ध झाले आहे. हे असं कसं? आजूबाजूचे कण तर आपल्याला दिसतात (आणि ते सरळ जाताना दिसतात) मग ते तरंग कसे? तसंच आहे! जेव्हा आपण अतिसूक्ष्म पदार्थाची निरीक्षणे घेतो तेव्हा पदार्थाच्या कण आणि तरंग ह्या दोन्ही अवस्था मानाव्या लागतात. हे कितीही अविश्वसनीय असलं तरी आपणास गृहीत धरावंच लागतं.
सामान्यपणे आपण कणाला चेंडूप्रमाणे व तरंगाला लाटेप्रमाणे मानतो. कणाला स्वतःची ऊर्जा व संवेग असतो व ते स्थिरही असू शकतात. पुंज भौतिकशास्त्रात अतिशय सूक्ष्म कणांचा अभ्यास केला जातो, त्यामुळे तिथे त्यांना स्थिर न मानता सूक्ष्म हालचालीमुळे तरंगरूप मानलं जातं. त्यामुळे कणतरंगांना तरंगलांबी व वारंवारतेद्वारा परिभाषित केलं जावू शकतं. आपण त्या कणांची कोणत्या प्रकारची निरीक्षणे घेणार आहोत त्यावर त्यांचे कण किंवा तरंग स्वरूप अवलंबून असते. आपल्या निरीक्षणानुरूप ते काहीवेळेस कणाप्रमाणे व काहीवेळेस तरंगाप्रमाणे गृहीत धरावे लागतात. त्यामुळे त्यांचे स्वरूप कण किंवा तरंगापेक्षा जास्त रहस्यमयी आहे.
तरंग-कण द्वैताचे प्रमुख महत्त्व म्हणजे ऊर्जा आणि द्रव्य यांचे सर्व गुणधर्म वेव्ह फंक्शनच्या माध्यमातून स्क्रोडींजरच्या डिफरंशिअल समीकरणाद्वारे पडताळले जाऊ शकतात. वातावरणीय तापमानाला कणांना लहरी स्वरुपात पाहणे अशक्य आहे कारण त्यांची तरंगलांबी नॅनोमीटर मध्ये असते. त्यासाठी आपल्या सुक्षमदर्शकाची पृथक्करण क्षमता वाढविणे आवश्यक आहे. किंवा पदार्थाचे तापमान नॅनोकेल्विन पर्यंत कमी करावे लागेल जेणेकरुन तरंग लांबी वाढेल व आपण लहरी पाहू शकू. याचा उपयोग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमध्ये केला जातो, जेथे इलेक्ट्रॉनशी संबंधित लहान तरंगलांबीचा वापर करून लहान वस्तू पाहण्यासाठी वापरला जाऊ शकतो.
२. आइनस्टाईनचा सापेक्षतावादाचा सिद्धांत
आइनस्टाईनने घटना आणि निरीक्षक यांचा सहसंबंध सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतातून मांडला आहे. त्यातल्या बहुतेक संकल्पना मनाला पटत नाहीत. उदा. गतीमध्ये पदार्थचं वस्तुमान वाढतं, असं तो सिद्धांत सांगतो. पुढे त्या सिद्धांतात असंही मांडलंय की पदार्थाची गतीच्या दिशेतील लांबी कमी होते. म्हणजे धावणाऱ्या रेल्वेची लांबी कमी व्हायला पाहिजे पण आपल्याला तर आहे तेवढ्याच लांबीची रेल्वे दिसते. तो सिद्धांत प्रकाशवेगाच्या जवळपास वेगाने पळणाऱ्या पदार्थांसाठी आहे. पण सापेक्षता सिद्धांतानुसार कोणत्याही भौतिक वस्तूला प्रकाशाचा वेग गाठणे शक्य नाही.
सापेक्षतेच्या सिद्धांतामध्ये "विशेष सापेक्षता" आणि "व्यापक (सर्वसाधारण) सापेक्षता" असे दोन दृष्टिकोन समाविष्ट आहेत. इलेक्ट्रोडायनॅमिक्स व न्यूटनने मांडलेली यामिकी (मॅकॅनिक्स) यात ताळमेळ बसत नसल्याने आइनस्टाईनने विशेष सापेक्षता सिद्धांत मांडला. सापेक्षतेने तत्त्व आणि प्रकाशाच्या वेगाचे सर्वव्यापकत्व या दोन गृहीतकांवर विशिष्ठ सापेक्षतेचा सिद्धांत आधारित आहे. या सिद्धांतमुळे त्या दोन्ही यामिकीमधील विसंगती दूर झाल्या. या सिद्धांतात गुरुत्वाकर्षण विचारात घेतले जात नाही.
न्यूटनचे गुरुत्वाकर्षणाचे नियम काळनिरपेक्ष असल्याने विशेष सापेक्षतावादाचा हा सिद्धांत त्यांना लागू होत नाही. त्यामुळे आइनस्टाईनने सापेक्षतेचा व्यापक सिद्धांतही मांडला त्यात गुरुत्वाकर्षणाला बल न मानता परिक्षेत्र मानलं. व्यापक सापेक्षतेत गुरुत्वाकर्षण व निरूढीय संदर्भ चौकट (इनर्शिअल फ्रेम ऑफ रेफेरन्स) विचारात घेतली गेली. विश्व हे अवकाश व काल यांचे एकत्रित अखंडत्व आहे असे मानले गेले. त्यानुसार गुरुत्वाकर्षणाला स्थळ व काळाचे (परिक्षेत्र) गुणधर्म असतात, व वस्तुमानामुळे परीक्षेत्राला वक्रता येते. ताऱ्यांचा जन्म व मृत्यू, कृष्णविवरे आणि ग्रहांची गतिकी यांसारख्या मोठ्या प्रमाणावरच्या खगोलीय घटनांचे विश्लेषण करताना व्यापक सापेक्षता सिद्धांत वापरावा लागतो.
३. पुंज संभवनीयता आणि मोजमापाची समस्या (क्वांटम प्रॉबॅबिलिटी अँड मेजरमेन्ट प्रॉब्लेम)
पुंज भौतिकशास्त्र जे अंदाज करते ते सर्वसाधारणपणे संभाव्य असतात. मोजमाप म्हणजे अंकीय परिणाम मिळविण्यासाठी भौतिकीय यंत्रणेची चाचणी किंवा इच्छित हालचाल. मोजमापाचा परिणाम काय येऊ शकेल याबद्दल अंदाज बांधण्यासाठी गणितीय साधने विसाव्या शतकात विकसित केली गेली. पुंज भौतिकशास्त्र हे स्क्रोडींजरच्या समिकरणावर आधारित आहे. ते समीकरण कणाची प्रणालीमध्ये असण्याची संभाव्यता सांगते. ती संभव्यता मोजायचा प्रयत्न केल्यास ती बदलते.
पुंज भौतिकशास्त्रात पदार्थाच्या सूक्ष्म अवस्था मोजमापापूर्वी मापनक्षम असतात मात्र मोजमाप घेतल्यानंतर त्यांची स्थिति बदलते. निरीक्षणात वस्तुनिष्ठ सत्यता आहे कि मोजमापाने ती सत्यता वस्तुनिष्ठ केली हीच मापन समस्या आहे. त्या अवस्थेचे वेव फंक्शन मोजमापावेळी संपुष्टात येते. त्यामुळे हा प्रश्न पुंज भौतिकशास्त्रात अजूनही अनुत्तरित आहे.
४. हाईसेनबर्गचे अनिश्चिततेचे तत्त्व
हाईसेनबर्गने अनिश्चिततेचे तत्त्व मांडले. ह्या तत्त्वानुसार सूक्ष्म कणांच्या भौतिक अवस्था एकाचवेळी अचूकपणे मोजू शकत नाही. उदाहरणार्थ, एखाद्या कणाचे स्थान अचूकपणे शोधायचे असेल तर त्याचा संवेग (मुमेंटम) अचूकपणे मोजणे अशक्य असते. रूढ भौतिकीमध्ये अशा प्रकारचा निर्बंध अस्तित्वात नाही. एकाचवेळी अचूक स्थिती आणि अचूक वेग (आणि अचूक ऊर्जा व अचूक काळ) या दोन्ही संकल्पनांना निसर्गात स्थान नाही. हे तत्व लहरी-कण द्वैतनातून उद्भवते. लहरींची हालचाल तीव्र असणाऱ्या ठिकाणी कण सापडण्याची शक्यता असते. महत्त्वाचं म्हणजे मोजण्यातली ही अनिश्चितता आपल्या वैयक्तिक किंवा तांत्रिक त्रुटींमुळे येत नाही, ती निसर्गाचीच मर्यादा आहे, त्याला आपण काय करणार?
आपण आपल्या आजूबाजूच्या दृश्य आकाराच्या वस्तुंची हालचाल प्रकाशात पाहू शकतो. त्या वस्तु आपल्याला दिसतात कारण त्यांचा आकार प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा मोठा असतो. जे सूक्ष्मकण प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा लहान असतात त्यांचे निरीक्षण करण्यासाठी त्यांच्या आकारापेक्षा लहान तरंगलांबीची गरज असते. पण कमी तरंगलांबी असलेले तरंग जास्त शक्तिशाली असतात त्यामुळे निरीक्षणाच्या कारणास्तव असे तरंग अतिसूक्ष्म कणांवर टाकले असता, तरंगांकडून मिळालेल्या संवेगामुळे ते कण अस्तव्यस्त होतात. म्हणूनच आपण आण्विक कणांची स्थिति व संवेग एकत्र मोजू शकत नाही. या तत्त्वाचा उपयोग "गुरुत्वीय तरंग व्यतिकरण मापक" संयंत्रात होतो.
५. पुंज गुंतागुंत व अव्यवस्थितता (क्वांटम एनटॅंगलमेन्ट अँड नॉनलोकॅलिटी)
पुंज भौतिकशास्त्रात कणांची प्रत्येक प्रणाली एकमेकांवर अवलंबून असते. एका कणाची अवस्था दुसऱ्या कोणत्याही (आणि कितीही दूरच्या) कणांच्या अवस्थेशी जोडलेली असते. एकाची अवस्था बदलली की त्याचा थेट दुसऱ्याच्या अवस्थावर परिणाम होतो. एकमेकांवर होणारा हा परिणाम पुंज भौतिकशास्त्राच्या गुणधर्मानुसार होतो व तिथे सापेक्षतावादाच्या नियमांचे उल्लंघनही होत नाही. विश्वात अशा अनंतानंत पदार्थाच्या अवस्था असतात, त्या प्रत्येकाचा प्रत्येकावर प्रभाव असतो म्हणून त्याला गुंतागुंत असं म्हटलं आहे. जेव्हा आपण एका पदार्थाची अवस्था स्क्रोडींजरच्या समिकरणाच्या आधारे मोजायला जातो तेव्हा त्याचा परिणाम दूरस्थ सिस्टमच्या व्यवस्थिततेवर होतो म्हणूनच नॉनलोकॅलिटी म्हणजे अव्यवस्थितता अस्तित्वात येते. जसे आपण मनाने एकमेकांशी जुळलेलो असतो तसे पदार्थाच्या अवस्थाही असतात असं म्हणता येईल.
६. एकत्रित क्षेत्र सिद्धांत (युनिफाइड फील्ड थिअरी)
विश्वातील सर्व प्रकारची बलं एकाच मूलभूत बलाचे वेगवेगळे पैलू आहेत. सर्व प्रकारची बले एकाच क्षेत्राद्वारे मांडता येते त्यास युनिफाइड फील्ड असे म्हणतात. युनिफाइड फील्ड थिअरी (यूएफटी) मुळे मूलभूत बले आणि प्राथमिक कणांना (एलेमेंटरी पार्टीकल) आभासी क्षेत्राच्या स्वरूपात व्यक्त करता येतात. पुंज भौतिकी व आइनस्टाईनचा सापेक्षतावाद यांचा मेळ घालणारा सिद्धांत म्हणून या थियरीची ओळख आहे. या थियरीत क्वांटम ग्रॅविटी, स्ट्रिंग थिअरी, सुपरस्ट्रिंग थिअरी, एम-थिअरी व लूप क्वांटम थिअरी अशा सिद्धांतांचा अंतर्भाव होतो. या सिद्धांतात क्लिष्टता आहे पण ह्याच थियरीने विश्वाची अनेक मोठमोठी कोडी सोडवली आहेत. युनिफाइड फील्ड थिअरी अत्यंत सैद्धांतिक आहे आणि आजपर्यंत इतर बलांसह (विद्युतचुंबकीय, प्रबल आणि दुर्बल अणूकेंद्रीय) गुरुत्वाकर्षण एकत्र करणे शक्य आहे.
७. बिग बॅंग सिद्धान्त (महास्फोट सिद्धान्त)
हा विश्वाच्या उत्पत्तीबद्दलचा असलेला एक सिद्धान्त आहे. त्यानुसार १३.७५ अब्ज वर्षांपूर्वी एका महास्फोटातून बिंदूतून विश्वाची निर्मिती झाली असावी, नंतर विश्व थंड होत गेले आणि काल व अवकाश यांची सुरुवात झाली असावे असे मानले जाते. अजूनही विश्व प्रसरण पावत आहे. अर्थात विश्वाला ताम्रसृती (रेड शिफ्ट) आहे. कदाचित विश्वाची नीलसृती (ब्लु शिफ्ट) होऊन विश्व पुन्हा बिंदुवत होईल असे अनेक वैज्ञानिकांचे म्हणणे आहे. सापेक्षता सिद्धांतात आइनस्टाईनने विश्वाच्या प्रसरण पावत असल्याची शक्यता मांडली होती. जॉर्गेस लेमाईटरने विश्व एका बिंदुतून उत्पन्न झाल्याचे मांडले होते, त्या थिअरीला बिग बॅंग हे नाव फ्रेड हॉयल यांनी दिले. एडविन हबल या शास्त्रज्ञाने १९२९ मध्ये दूरच्या गॅलॅक्सींचा अभ्यास केला व त्या आपल्यापासून दूर जात आहेत असे निरीक्षण मांडले. त्यामुळे बिग बॅंग थिअरीला भक्कम आधार मिळाला. हे सारं विश्व सुरवातीला एका बिंदूत सामावले होते, ही कल्पनाच विचारांच्या पलिकडची आहे.
८. अदृश्य पदार्थ व अदृश्य ऊर्जा (डार्क मॅटर अँड डार्क एनर्जी)
आकाशगंगेच्या आतील कक्षेत फिरणारे तारे बाह्यकक्षेतील ताऱ्यांपेक्षा मंद गतीने फिरतात. हे भौतिकीय नियमात बसत नसल्याने बाह्यकक्षेतील ताऱ्यांच्या हालचालीवर अदृश्य उर्जेद्वारे प्रभाव पाडणाऱ्या अदृश्य वस्तुमानाची संकल्पना मांडली गेली. हे वस्तुमान प्रत्यक्ष दिसत नसल्याने त्याला अदृश्य पदार्थ (डार्क मॅटर) म्हटलं गेलंय. अनेक पुराव्यांनीशी डार्क मॅटरचे अस्तित्व आता सिद्ध झाले आहे. काही निरीक्षणांवरून आता डार्क मॅटरप्रमाणे डार्क एनर्जीदेखील अस्तित्वात आहे असे पुरावे सापडले आहेत. एका अनुमानानुसार विश्वात ७०% डार्क ऊर्जा, २५% डार्क पदार्थ आणि उरलेल्या ५% मध्ये दृश्य विश्व आहे. खरंच अजब आहे ना फिजिक्स, जे दिसत नाही त्याचं अस्तित्वदेखील सिद्ध करता येतं. जर ब्रह्मांडात डार्क मॅटरसह पुरेसे पदार्थ असतील तर प्रत्येक गोष्टींचे एकत्रित गुरुत्वीय आकर्षण हळूहळू विश्वाचा विस्तार थांबवेल व संकुचित व्हायला सुरुवात करेल.
९. पुंज देहभान (क्वांटम कॉनसिअसनेस)
१०. अँथ्रोपीक तत्त्व
- डॉ केशव राजपुरे, सुरज मडके
(भौतिकशास्त्रातील कल्पनांचे महत्व व विलक्षणपणा सामान्य माणसांमध्ये लोकप्रिय करणे हे प्रस्तुत लेख लिहिण्यामागचे मुख्य उद्दीष्ट आहे. हा लेख तयार करताना सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञ डॉ. मानसिंग टाकळे आणि डॉ. गुरुप्रसाद कदम यांच्याशी केलेली चर्चा फारच उपयुक्त ठरली. याबद्दल आम्ही त्यांचे आभारी आहोत. )
(Refer: https://www.thoughtco.com/
