भौतिकशास्त्रातील २०२१ चा नोबेल पुरस्कार

अवघड सोपे केले अन् नोबेलचे मानकरी झाले

(२०२१ च्या भौतिकशास्त्रातील नोबेल मानकऱ्यांच्या संशोधनाचा आढावा)

यावर्षीचा नोबेल पुरस्कार स्यूकुरो मनाबे, क्लाउस हसलमन व जॉर्जिओ पारिसी यांना जटिल प्रणालींच्या आकलनासंदर्भात केलेल्या पायाभूत संशोधन कार्यासाठी देण्यात आला. अणूसारख्या सूक्ष्म ते विशाल ग्रहांच्या भौतिक प्रणालीपर्यंत असणाऱ्या अव्यवस्थितपणा व अनियमितता यातील परस्परक्रियांसंदर्भात संशोधन केलेले डॉ. पारिसी हे या पुरस्काराचे मुख्य मानकरी आहेत त्यांना या पुरस्काराचा अर्धा वाटा तर उरलेला अर्धा वाटा पृथ्वीचे हवामान, त्याचे परिवर्तन व वैश्विक तापमानवाढ या संदर्भात विश्वासार्ह मॉडेल तयार करणाऱ्या डॉ. हसलमन व डॉ. पारिसी यांना देण्यात आला आहे.

दरवर्षी नोबेल पुरस्कार हा विज्ञानाला नवं वळण देणाऱ्या संशोधन कार्याला दिला जातो. या वर्षी पृथ्वीचे हवामान व विश्वातील प्रत्येक पदार्थाच्या परिस्थितीवर भाष्य करणाऱ्या संशोधनास हा पुरस्कार दिला गेला. पुरस्कारप्राप्त तिन्ही संशोधकांनी जटिल प्रणालींवर (सिस्टम) काम केलं आहे असं नोबेल समितीनं म्हटलं आहे. तापमानवाढ ही जटिल समस्या आहे हे सर्वांनाच माहीत आहे आणि जग आज या समस्येला सामोरं जात आहे. पण तापमानवाढ का घडते त्यामागील नेमकी करणे काय आहेत हे समजून घेणं त्याहून जटिल आहे. सर्वसाधारणपणे औद्योगीकरण, प्रदूषण, कार्बनउत्सर्जन वगैरे गोष्टींना हवामानबदल व तापमानवाढ यांच्याशी जोडलं जातं. पण त्याच्यापलीकडेही अनेक भौतिक गोष्टी त्यास कारणीभूत असतात, त्याही समजून घेणं महत्त्वाचं असतं. हीच गोष्ट अणू आणि ग्रह यांच्या बाबतही आहे. अणूमध्ये इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती फिरतात अगदी त्याचपद्धतीने ग्रह सूर्याभोवती फिरतात अशी सामान्य माहिती आपल्याला असते. इलेक्ट्रॉनबद्दल सर्वसामान्यांना फारशी माहिती नसते आणि मुळात त्याच्याबद्दल उत्सुकतादेखील खूप कमी लोकांना असते. पण आपली पृथ्वी वर्षाला एक फेरी पूर्ण करतेच, शनि प्रत्येक तीस वर्षाला आपल्या राशीकडे येऊन न चुकता साडेसाती लावतोच. या नियमित गोष्टी सर्वांनाच माहीत असतात, मग त्यात अव्यवस्थितपणा काय आहे किंवा त्याला जटिल प्रणाली का म्हटलंय असा प्रश्न पडू शकतो.

जटिल प्रणाली किंवा कॉम्प्लेक्स सिस्टम म्हणजे एक अशी व्यवस्था ज्यामध्ये एकाहून अधिक घटकांचा अंतर्भाव असतो आणि प्रत्येक घटकाच्या हालचालीचा इतरांवर परिणाम होत असतो. त्यामुळे त्या समजून घेण्यास अवघड असतात. यावर्षीच्या नोबेल विजेत्यांनी त्यांच्या सिद्धांतद्वारे त्या जटिल प्रणाली सोप्या करून सांगण्यात यश मिळवलं आहे.

कोणत्याही ग्रहावर जीवसृष्टी अबाधित राहायची असेल तर तेथील हवामान योग्य असायला हवं. हवामानातील मोठा बदल संपूर्ण जीवसृष्टीला व पर्यायाने मानवाला घातक ठरू शकतो. त्यामुळे हवामानाचा त्यावर परिणाम करणाऱ्या घटकांसह अभ्यास अत्यंत महत्त्वाचा आहे. मानाबे यांनी वाढत्या कार्बनडायऑक्साइडचा पृथ्वीवरील तापमानवाढीवर कसा परीणाम होतो हे दाखवून दिलं.

१९६० साली त्यांनी पृथ्वीच्या हवामानाचे पहिले भौतिक मॉडेल तयार केले. त्यात त्यांनी विकिरणे व हवेचे ऊर्ध्ववहन यांच्यातील परस्परसंबंध स्पष्ट केला होता. त्यांनी सादर केलेले मॉडेल हवामानासंदर्भात पहिलेच असल्याने नंतरच्या संशोधकांना ते पथदर्शी व पायाभूत ठरले. त्यांच्या मॉडेलनुसार सूर्यकिरणे वातावरणातून भूपृष्ठावर येतात, भूपृष्ठावरून निघणारी इन्फ्रारेड किरणे काहीप्रमाणात वातावरणाकडून शोषले जातात तर काही भाग वातावरणाबाहेर पडतो. वातावरणात शोषलेल्या किरणांमुळे हवा व जमीन गरम होते. गरम हवा थंड हवेपेक्षा हलकी होते, त्यामुळे ती वरच्या भागात जाते. गरम हवेत बाष्प (पाण्याची वाफ) असते, बाष्प एक प्रभावी ग्रीनहाऊस गॅस आहे. हवा जेवढी जास्त उष्ण, त्यात त्याप्रमाणात बाष्प वाढते. जेव्हा ही बाष्पयुक्त गरम हवा खूप उंचीवर जिथे वातावरण थंड असते अशा ठिकाणी जाते तेव्हा बाष्पातील उष्णता बाहेर पडते व त्याचे ढग बनतात.

वातावरणाचे हे मॉडेल सादर केल्यानंतर त्यांनी वातावरणातील कार्बनडायऑक्साइड व त्याचा अल्टीट्यूड (समुद्रसपाटीपासून ऊंची) नुसार तापमानावर होणारा परिणाम अभ्यासला. या अभ्यासात त्यांनी कार्बनडायऑक्साइडचे १५० पीपीएम (पीपीएम = लक्षांश), ३०० पीपीएम व ६०० पीपीएम असे तीन वेगवेगळे कॉन्सेन्ट्रेशन वापरले. ४० किमी उंचीवर कार्बनडायऑक्साइडच्या प्रमाणानुसार त्यांचे तापमान अनुक्रमे अंदाजे उणे ५, उणे २० व उणे ३० अंश सेल्सिअस पर्यंत आढळले. उंची कमी करत गेले असता हा फरक कमीकमी होत जाऊन १५ किमी उंचीदरम्यान तिघांचेही तापमान जवळपास उणे ६५ पर्यंत आढळले. इथपर्यंत जास्त कॉन्सेन्ट्रेशनच्या कार्बनडायऑक्साइडचे तापमान कमी होते, मात्र त्यानंतर हा ट्रेंड बदलून शून्य उंचीवर कमी कॉन्सेन्ट्रेशनच्या कार्बनडायऑक्साइडचे तापमान कमी व जास्त कॉन्सेन्ट्रेशनचे जास्त आढळले. याचा अर्थ कार्बनडायऑक्साइडचे वाढलेले प्रमाण वरच्या वातावरणाचे तापमान घटवते तर खालच्या वातावरणाचे तापमानवाढवते. या अभ्यासाअंती त्यांनी निष्कर्ष काढला की तापमानवाढ सभोवतालीच्या वाढलेल्या कार्बनडायऑक्साइडच्या प्रमाणामुळे होते. त्यांचे हे संशोधन १९६७ साली जर्नल ऑफ अॅटमॉसफेरीक सायन्सेसमध्ये प्रसिद्ध झाले आहे.

हसलमन यांनीदेखील संशोधन करून वातावरणाचे मॉडेल मांडले. त्यांचे कार्य समजून घेण्याआधी वेदर व क्लायमेट या समानार्थी वाटणाऱ्या इंग्रजी शब्दांचा अर्थ समजून घ्यावा लागेल. सामान्यतः आपण हवामान या अर्थाने वेदर व क्लायमेट हे शब्द पर्यायी शब्द म्हणून वापरतो पण त्यांच्यात फरक आहे. तात्कालिक वातावरणिय परिस्थितीला वेदर म्हणतात तर ठराविक ठिकाणच्या दीर्घकालीन वातावरणिय परिस्थितीला क्लायमेट म्हणतात. उदाहरणार्थ एखाद्या ठिकाणी आज पाऊस पडला हे म्हणजे वेदर पण तिथे नेहमी प्रखर ऊन असतं हे तिथलं क्लायमेट! हसलमन यांनी 1970 दरम्यान वेदर व क्लायमेट या दोहोंचे एकत्रित मॉडेल तयार केले. त्यात त्यांनी नेहमी बदलत राहणाऱ्या व गुंतगुतीच्या वेदरमध्ये क्लायमेट मॉडेलची विश्वासार्हता दाखवून दिली. शिवाय त्यांनी वातावरणावर प्रभाव पाडणारी नैसर्गिक व मानवनिर्मित कारणे शोधण्याची/ओळखण्याची पद्धत शोधून काढली. त्या पद्धतीनुसार, आपण निसर्गात उत्सर्जित केलेल्या कार्बनडायऑक्साइडमुळे तापमानवाढ झाल्याचे सिद्ध झाले आहे. त्यांच्या अभ्यासामागे तापमानवाढीचे मुळ कारण शोधून काढणे हा उद्देश होता. त्यांनी मांडलेल्या मॉडेलनुसार केवळ नैसर्गिक तापमानवाढ खूप कमी आहे पण नैसर्गिक व मानवनिर्मित कारणांमुळे झालेली एकत्रित तापमानवाढ व प्रत्यक्ष तापमानवाढ यांची तुलना करता तापमानवाढीत मानवी हस्तक्षेप जास्त आढळतो.

पारिसी यांचं संशोधन अव्यवस्थित व जटिल पदार्थ/प्रणाली संदर्भात आहे. अव्यवस्थित व जटिलपणातील अदृश्य आकृतिबंध त्यांनी शोधून काढला. त्यांचे संशोधन जटिल प्रणालींच्या सैद्धांतिक कार्यात महत्त्वाचे मानले जाते. अव्यवस्थित-जटिल प्रणालीचं एक उदाहरण दिलं जातं. जेव्हा वायुला थंड केलं जातं तेव्हा तो द्रव व शेवटी स्थायु बनतो. ही प्रक्रिया जर अचानक केली गेली स्थायुतील कणरचना अव्यवस्थित होते. सर्व भौतिक अवस्था सारख्या ठेऊन हाच प्रयोग वारंवार केला तर प्रत्येकवेळी आपल्याला कणांची वेगवेगळी रचना पाहायला मिळते. यालाच जटिल प्रणाली म्हटलं जातं. जटिल प्रणाली व त्यातील अव्यवस्थितपणा आणखी समजून घ्यायचा झाला तर आपण आपल्या घरात पुढच्या दारापासून मागच्या दारापर्यंत चालण्याचा प्रयोग करून पाहू शकतो. हे अंतर कितीही कमी असलं तरी आपली पावलं बरोबर पूर्वीच्याच ठिकाणी पडतील याची खात्री आपण देऊ शकत नाही, त्यात थोडा तरी फरक पडतोच. आपण फक्त चार पाऊले चालण्यात अव्यवस्थितपणा येतो तर संपूर्ण विश्वात किती अव्यवस्थितपणा असेल व ती प्रणाली समजून घ्यायला किती जटिल असेल? याचा अंदाजदेखील न केलेलाच बरा!

पारिसी यांचं जटिल प्रणाली समजून सांगण्याचं संशोधन कार्य स्पिन ग्लास या पदार्थासंदर्भात होतं. या पदार्थात लोह व तांबे असते. यातील लोहाचा प्रत्येक अणू चुंबकाप्रमाणे कार्य करतो. त्यात लोह अणू प्रमाणात कमी असले तरी त्यांचा पदार्थाच्या चुंबकीय गुणधर्मावर मोठा परिणाम होतो. साधारण चुंबकात मॅग्नेटीक स्पिन एकाच दिशेत असतात, पण स्पिन ग्लासच्या बाबतीत ते कसेही असतात. पारिसी यांनी त्यांच्या स्पिनग्लासवरील पुस्तकात लिहलंय की स्पिन ग्लासचा अभ्यास करणे म्हणजे शेक्सपियरचे भावनिक नाटक पाहण्यासारखे आहे. आपण जर एकमेकांचा तिरस्कार करणाऱ्या व्यक्तिंसोबत मैत्री केली असेल किंवा आपले भावनिक भावनिक मित्र आणि त्यांचे कट्टर शत्रू एकाच ठिकाणी भेटतात त्यावेळी जशी परिस्थिति असते अगदी तशीच परिस्थिति स्पिन ग्लासमधल्या चुंबकीय अणूंबाबत असते असे मानायला हरकत नाही, कारण ते कधी कसे वागतील सांगता येत नाही.

स्पिन ग्लास व त्याच्या अनोख्या गुणधर्मांच्या जटिल प्रणालीवर अनेक भौतिकशास्त्रज्ञांनी काम केलं. काहींनी गणितातील रिप्लिका पद्धत वापरुन स्पिन ग्लासचा प्रश्न सोडवण्याचा प्रयत्न केला, पण त्याचे परिपूर्ण उत्तर मिळाले नाही. पण १९७९ मध्ये पारिसी यांनी तीच रिप्लिका पद्धत कल्पकतेने वापरुन स्पिन ग्लासची समस्या सोडवून दाखवली. त्यांनी त्यातील आकृतिबंध शोधून काढून तो गणिताच्या साह्याने स्पष्टही केला.

त्यांनी त्या समस्येचे निराकरण जरी केले असले तरी त्यांनी वापरलेली पद्धत गणितीयदृष्ट्या सिद्ध व्हायला अनेक वर्षे गेली. पण त्यानंतर हीच पद्धत अनेक अव्यवस्थित व जटिल प्रणालींचे आकलन करण्यास उपयोगी पडली आहे.

पारिसी यांची जटिल प्रणाली समजून घ्यायची सुरवात स्पिन ग्लास या पदार्थापासून झाली असली तरी त्यांनी मांडलेला त्यामागचा सिद्धांत आता खूप पुढे गेलाय. पारिसी यांनी स्वतः हा सिद्धांत हिमयुगाचे आवर्तन, पक्षांचा थवा वगैरे गोष्टींना लावून अभ्यास केला आहे. पारिसी यांनी दिलेला सिद्धांत आता फक्त भौतिकशास्त्रापुरता मर्यादित राहिला नाही. त्याचा उपयोग आता गणित, जीवशास्त्र, न्यूरोसायन्स, मशीन लर्निंग इत्यादी मधल्या जटिल समस्या सोडवण्यात देखील होऊ लागलाय.

भौतिकशास्त्र नोबेल समितीचे अध्यक्ष थोर्स हॅन्स हॅनसन यांनी म्हटलंय "यावर्षीच्या पुरस्कारविजेत्यांनी भौतिक जटिल प्रणाली समजून घेण्यात व त्यांचा सखोल अभ्यास करण्यात योगदान दिले आहे." प्रथमदर्शनी हवामान, तापमानवाढ, पदार्थातील अव्यवस्थितपणा इत्यादी गोष्टी कदाचित जटिल वाटणार नाहीत पण जेव्हा त्यांच्या जवळ जाऊन त्यांचा अभ्यास केला जातो तेव्हाच त्याची जटिलता कळते. मानाबे आणि हसलमन यांनी हवामानासंदर्भात मॉडेल मांडले म्हणून आपण आज वैज्ञानिक पद्धतीने त्याचे संवर्धन करू शकतो. स्पिन ग्लास संदर्भात पारिसी यांनी रुची दाखवली म्हणून अनेक जटिल प्रणाली उलघडल्या, आज त्यांच्याच संशोधनाचा उपयोग करून न्यूरोसायन्स मधल्या मानवी मेंदूशी निगडीत समस्या सोडवणे सोपे झाले आहे.

सूरज मडके व प्रा. (डॉ.) केशव राजपुरे