ஐன்ஸ்டீனின் ஈர்ப்பு அலைகள் – ஒரு எளிய விளக்கம்

சுமார் நூறாண்டுகளுக்கு முன்னர் ஐன்ஸ்டீன் தனது புகழ் பெற்ற பொது சார்பியல் கோட்பாட்டில் முன்வைத்த கருதுகோளான ஈர்ப்பு அலைகள் தற்போது கண்டறியப்பட்டு துல்லியமாக அளவிடப் பட்டுள்ளது.

ஆப்பிள் கீழே விழுவதைப் பார்த்து நியூட்டன் ஈர்ப்பு விசையைக் கண்டுபிடித்தார் என்று நாம் இயற்பியல் பாடத்தில் படித்திருக்கிறோம். எனில் ஈர்ப்பு அலைகள் என்றால் என்ன? ஈர்ப்பு அலைகளை புரிந்து கொள்வதற்கு நாம் நியூட்டனிடம் இருந்து துவங்குவோம்.

1687-ம் ஆண்டு நியூட்டன் தனது புகழ் மிக்க இயற்கை தத்துவத்தின் கணிதக் கோட்பாடுகள் (பிரின்ஸ்சிபியா) புத்தகத்தைவெளியிட்டார். பிரின்ஸ்சிபியாவில் வெளியான நியூட்டனின் மூன்று இயக்க விதிகள் மற்றும் பிரபஞ்ச ஈர்ப்பு விசையின் விதிகள் அக்கால அறிவியலில் புரட்சியை ஏற்படுத்தின.

முன்னதாக, 17-ம் நூற்றாண்டின் துவக்கத்தில் ஜோனாதன் கெப்ளர் கோள்கள் சூரியனை நீள்வட்டப் பாதையில் சுற்றிவருவதை கணக்கிடும் கோள்களின் இயக்க விதிகளை வெளியிட்டார். இவ்விதிகள் அரிஸ்ட்டாடில் காலம் தொட்டு நிலவி வந்த புவி மையக் கோட்பாட்டை தவறென்றும், கோபர்நிகசும் கலிலியோவும் முன்வைத்த சூரிய மையக் கோட்பாடே சரியென்றும் நிரூபணம் செய்தன.

நியூட்டனின் முதல் விதியின் படி ஒரு பொருளின் மீது வெளிப்புறவிசையொன்று செயல்படாத வரை தனது ஓய்வு நிலையையோ அல்லது நேர்க்கோட்டிலான சீரான இயக்க நிலையையோ மாற்றிக்கொள்ளாது. இதை மரத்திலிருந்து விழும் ஆப்பிளுக்கும், கெப்ளர் முன்வைத்த கோள்களின் இயக்க விதிகளுக்கும் பொருத்துகிறார் நியூட்டன். ஆப்பிள் மரத்திலிருந்து கீழே விழுவதற்கு அதன் மீது ஒரு விசை செயல் பட்டிருக்க வேண்டும். இந்த விசைக்கு “ஈர்ப்பு விசை” எனப் பெயரிட்டார்.

ஆப்பிளைப் போலவே, நிலவின் மீதும் பூமி ஒரு இழு விசையை செலுத்துகிறது, இவ்விசை இல்லையெனில் நிலவு அண்டத்தில் தெடர்ந்து நகர்ந்து செல்லும். அதாவது நிலவு பூமியின் ஈர்ப்பு புலத்திற்குள் இருக்கிறது, ஆனால் அவற்றுக்கிடையிலான தூரம் அதிகமாக இருப்பதால் இவ்விசை நிலவு பூமியின் மீது விழாமல் புவியைச் சுற்றி நீள்வட்டப்பாதையில் சுற்றி வரச்செய்கிறது. இதையே பூமி – சூரியனுக்கும், மற்ற கோள்களுக்கும் பொருத்தி மொத்த சூரியக் குடும்பத்த்தின் இயக்கத்தையும் விளக்கி கெப்ளரின் விதிகள் சரியென நிறுவினார் நியூட்டன். இயற்கையின் இயக்கத்தை இப்படி ஒரு பகுதியிலிருந்து புரிந்து கொண்டு அதை முழுமைக்கும் பொருத்தி புரிந்து கொள்ள முடியும். சமூகத்தின் இயக்கத்தை தனியானதிலிருந்து முழுமையை பொருத்தி புரிந்து கொள்வதற்கும் இந்த ஆய்வு முறை பொருந்தும். இதில் கண்டறியப்படும் சரி தவறுகள் மீண்டும் ஆய்வு செய்யப்பட்டு நாம் இயக்கத்தின் விதிகளை மேன்மேலும் அறிகிறோம்.

அண்டத்தில் நிறையுள்ள எல்லா பருப்பொருளும் மற்ற பொருட்களின் மீது இழுவிசையை செலுத்துகிறது; இவ்விசை பருப்பொருளின் நிறைக்கு நேர் விகித்தத்திலும், அவற்றிற்கிடையிலான தூரத்திற்கு எதிர் விகிதத்திலும் இருக்கும் என்ற பிரபஞ்ச ஈர்ப்பு விசையின் விதியை வெளியிட்டார் நியூட்டன். ஆனால், நியூட்டனின் விதிகள் ஈர்ப்பு விசையின் தோற்றுவாயை கண்டறிந்து கூறவில்லை.

நியூட்டனின் இந்த விதிகள் கேள்விக்கு இடமில்லாத வகையில் சுமார் 220 ஆண்டுகளாக ஏற்றுக் கொள்ளப்பட்டு வந்தது.

நியூட்டனின் விதிகள் ஒரு குறிப்பிட்ட நிலைமச் சட்டத்திற்குள் (Inertial Reference Frame) சரியாக இருப்பதையும், வெவ்வேறு நிலைமச் சட்டங்களின் நோக்கு நிலைகளில் தவறாகிவிடுவதையும், மேக்ஸ்வெல்லின் மின்காந்த அலை விதிகளுடன் முரண்படுவதையும் கண்டு கொண்ட ஐன்ஸ்டீன், இயற்கை விதிகள் எல்லா நிலைமச் சட்டங்களுக்கும் பொதுவானவையாக, பொருந்தக் கூடியவையாக இருக்கவேண்டும் என்று நினைத்தார்.

இந்நிலையில் தான் ஐன்ஸ்டீன் 1905-ம் ஆண்டில் ‘சிறப்பு சார்பியல் கேட்பாட்டையும்’ 1915-ம் ஆண்டில் ‘பொது சார்பியல் கோட்பாட்டையும்’ முன்வைத்தார்.

இடம் (வெளி), காலம், பருப்பொருளின் நிறை அனைத்தும் அறுதியான மாறிலிகள் என்ற நியூட்டனின் இயக்க விதிகள் குறைவான வேகத்தில் சரியாகவும், ஒளியின் வேகத்தை நெருங்க நெருங்க தவறாகிவிடுவதையும்; பிரபஞ்ச ஈர்ப்பு விதிகள், குறை வலுவுள்ள ஈர்ப்பு புலத்தில் சரியாகவும், மிக மிக வலுவான ஈர்ப்பு புலங்களில் தவறாகிவிடுவதையும் தனது சார்பியல் கோட்பாடுகளில் நிறுவினார் ஐன்ஸ்டீன்.

ஐன்ஸ்டீன் தனது பொது சார்பியல் கோட்பாட்டில் இடம் (வெளி), காலம், பருப்பொருளின் நிறை அனைத்தும் அறுதியான மாறிலிகள் அல்ல என்றார். குறிப்பாக வெளி, காலம் இவை இரண்டும் தனித்தனியான அறுதியான மாறிலிகள் அல்ல, அவை ஒன்றோடு ஒன்று பின்னிப்பிணைந்தவை என்றார்.

நாம் புற உலகை நீள, அகல, உயரமாக (x, y, z) முப்பரிமாணத்தில் தான் பார்க்கிறோம். அண்டவெளி என்பது இந்த முப்பரிமாண வெளி தான். இந்த முப்பரிமாணத்தையும் ஒரு நூலாக உருவகம் செய்து கொள்வோம். இரண்டு இயக்கங்களுக்கு இடையிலான இடைவெளி தான் காலம். காலத்தை மற்றொரு நூலாக உருவகம் செய்து கொள்வோம். இந்த இரு நூல்களையும் கொண்டு குறுக்கும் நெடுக்குமாக (நீள வாக்கிலும், அகலவாக்கிலும்) துணி நெய்தால், அது தான் நான்கு பரிமாண கால-வெளி தொடர்-பத்தை (Space-Time Continuum).

நாற்புறமும் இழுத்துக்கட்டிய இத்துணியின் மீது நிறை அதிகமுள்ள பருப்பொருளை வைத்தால், பொருளின் நிறைக்கு ஏற்றவாறு துணி வளைகிறது. அதாவது வெளி வளைகிறது. வெளி வளைவதால், அதன் மீதான பருப்பொருளின் இயக்கம் மாறுதல் அடைகிறது. இயக்க மாற்றம், இயக்கங்களுக்கு இடையிலான இடைவெளியை (காலத்தை) நீட்டிக்கிறது அல்லது குறுக்குகிறது. இவ்விதம் காலமும் வெளியும் ஒன்றோடொன்று பிணைந்துள்ளன.

பிரபஞ்சம் முழுவதும் பரவியுள்ள இந்த கால-வெளி துணியின் மீதுதான் நமது பூமி முதல் சூரியன் ஈராக விண்மீன்கள் அனைத்தும் இருக்கின்றன. அவை தனது நிறைக்கேற்றவாறு துணியில் வளைவை (பள்ளத்தை) ஏற்படுத்துகிறது. இந்த வளைவுகள் தான் ஈர்ப்பு புலம், பொருட்கள் ஒன்றை ஒன்று ஈர்ப்பதன் தோற்றுவாய். புலத்தின் வலிமை (பள்ளத்தின் அளவு) பொருளின் நிறையை மட்டுமின்றி, அதனுள் இருக்கும் ஆற்றல், அழுத்தத்தையும் பொறுத்தது என்றார். இந்தப்புலம் மிக வலிமையாக இருக்கும் பட்சத்தில் ஒளியையும் வளைக்கவல்லது, ஈர்க்கவல்லது என்றார் ஐன்ஸ்டீன்.

மேலும், இம்மேடு பள்ளங்களில், ஒரு பனிச்சறுக்கு வீரனைப் போல கோள்களும், நட்சத்திரங்களும் சுற்றிவருகின்றன, ஒட்டு மொத்த பிரபஞ்சமும் இயங்குகிறது என்று முன்வைத்தார் ஐன்ஸ்டீன். இந்த இயக்கங்கள் துணியில் அலையை ஏற்படுத்துகின்றன. அவை ஒளியின் வேகமான வினாடிக்கு சுமார் 3 லட்சம் கிலோமீட்டர் வேகத்தில் பிரபஞ்சம் முழுவதற்கும் பரவிவருகின்றன என்றார் ஐன்ஸ்டீன்.

விளக்கமெல்லாம் சரிதான் நடமுறைச் சான்று எங்கே?

நமது சூரியனை விட மிக அதிக நிறை கொண்ட விண்மீன்களிலிருந்து வெளியாகும் ஒளியின் அலைநீளம் (Wave Length), அவ்விண்மீன்களின் ஈர்ப்பால் மாற்றமடைந்து சிகப்பு விலகலடைவதை (Red Shift) விஞ்ஞானிகள் கண்டறிந்தனர்.

சூரியனை விட பல மடங்கு நிறை கொண்ட விண்மீன்களின் எரிபொருள் தீர்ந்து (அதாவது அவற்றின்  ஹைட்ரஜன், ஹீலியம் வாயுக்கள் அனைத்தும் அணுக்கரு பிணைப்பின் மூலம் கனமான தனிம அணுக்களாக மாறி) அவற்றின் உளழுத்ததினால் சுருங்கி ‘கருந்துளையாக’ மாறும். இந்தக் கருந்துளைகள் ஒளியையும் ஈர்க்குமளவு ஈர்ப்பு வலிமை கொண்டவை. அதனால், இவற்றை காணமுடியாது.

கருந்துளைகளும், அதிநிறை கொண்ட நட்சத்திர எச்சங்களும், ஒளியை வளைப்பதை விஞ்ஞானிகள் கண்டறிந்தனர். எனில், ஐன்ஸ்டீனின் ஈர்ப்பு அலைகளும் பிரபஞ்சத்தில் இருக்க வேண்டும், பரவ வேண்டும் என அவற்றை கண்டும் விண்டும் சொல்ல ஆய்வுகள் துவக்கப்பட்டன.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

1960-களில் துவக்கப்பட்ட ஈர்ப்பு அலைகளை உணர்ந்து, அளவிடும் கருவியை உருவாக்கும் ஆய்வுகள், பல படிநிலைகளையும், நிதிசார் இன்னல்களையும் தாண்டி 2000-களில் முடிவுற்றது.

லிகோ (LIGO) பெயரிடப்பட்ட இக்கருவியில் லேசர் ஒளிக்கற்றை ஒன்று முதலில் உருவாக்கப்படும், அது பின்னர் இரண்டாக பிரிக்கப்பட்டு, ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தான இரண்டு சுரங்கக் குழாய்களில் அனுப்பப்படும். இரண்டும் துல்லியமாக சமதூரம் (4 கிலோமீட்டர்) சென்று அங்குள்ள கண்ணாடியில் பட்டு மீண்டும் ஒரு இடத்திற்கு வரும். பல முறை இவ்வாறு பயணப்பட்ட பின் இரு கற்றைகளும் ஒப்பு நோக்கப்படும். இரண்டு ஒளிக்கற்றைகளும் பயணித்த தூரம் ஒன்றாக இருந்தால், இரண்டு ஒளிக்கற்றைகளின் அதிர்வெண் – அலைநீளம் ஒன்றை ஒன்று சமன் செய்துவிடும். இரண்டு ஒளிக்கற்றைகளின் அதிர்வெண் – அலைநீளம் சமமாக இல்லையெனில், இரண்டும் பயணித்த தூரத்தில் மாற்றம் இருப்பதை உணரலாம். இந்த மாறுபாட்டை LIGO கருவி கண்டறியும்.

LIGO கருவியில் 2002 முதல் 2010 வரை முதல் சோதனைகள் நடத்தப்பட்டன. அதில் குறிப்பிடத்தகுந்த வெற்றி கிடைக்கவில்லை. பின்னர், கருவி மேம்படுத்தப்பட்டு 2015-ல் மீண்டும் தனது சோதனைகளை துவக்கியது.

நிறையுடன் கூடிய இரு பருப்பொருட்கள் கால-வெளி துணியில் ஒன்றை ஒன்று சுற்றி வருவதாக உருவகம் செய்து கொள்வோம். அவை ஒன்றை ஒன்று சுற்றுவதால் அவற்றின் பள்ளங்கள் (வளைவுகள்), அலை போன்ற அதிர்வுகளை துணியில் ஏற்படுத்தும். இந்த அலைகள் வேறொரு பொருளை கடந்து செல்லும் போது, அப்பொருளின் காலம், வெளியில் ஏற்றத்தாழ்வை உருவாக்கும். அதாவது காலமும் வெளியும் ஒரு புறம் விரியும், அதன் செங்கோட்டு எதிர்த் திசையில் குறுகும்.

காலத்திலும், வெளியிலும் (தூரத்திலும்) ஏற்படும் இம்மாற்றம், LIGO-வின் இரண்டு செங்குத்துக் குழாய்களில் ஒன்றை நீட்டும், மற்றொன்றை சுருக்கும். அணுவின் அளவில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு அளவிற்கே இருக்கும் மிக மிகச் சிறியதான இம்மாற்றத்தைக் கைப்பற்றி அளவிடுவது எளியதல்ல.

LIGO-வின் சுரங்கப்பாதைகளில் பயணித்த லேசர் ஒளிக்கற்றைகளுக்கு இடையில் மிகச் சிறிய வேறுபாடு தெரியும். இந்த வேறுபாட்டைத்தான் 14-09-2015 அன்று முதல் முறையாக கண்டறிந்து அளவிட்டுள்ளதாக, பிப்ரவரி 11, 2016அன்று விஞ்ஞானிகள் அறிவித்துள்ளனர்.

மட்டுமின்றி அவ்வலைகளின் தோற்றுவாயையும் கணக்கிட்டுள்ளனர். பூமியிலிருந்து 130 கோடி (1.3 பில்லியன்) ஒளியாண்டுகள் தொலைவில் நமது சூரியனைப்போல முறையே 36 மடங்கு நிறையும், 29 மடங்கு நிறையும் கொண்ட இரண்டு கருந்துளைகள் ஒன்றை ஒன்று சுற்றிச் சுழன்று கொண்டிருந்தன. அவை படிப்படியாக நெருங்கி ஒன்றோடொன்று மோதி சூரியனைப் போல 62 மடங்கு நிறை கொண்ட கருந்துளையாக மாறின. அவற்றிலிருந்து வெளியான ஆற்றல் ஈர்ப்பு அலைகளாக பரவின. அதாவது, தொலைதூரத்தில் சுமார் 130 கோடி ஆண்டுகளுக்கு முன்னால் இரண்டு கருந்துளைகள் ஒன்றோடு ஒன்று இணைந்ததால் வெளியான ஈர்ப்பு அலைகள் ஒளியின் வேகத்தில் பயணித்து 14-09-2015 அன்று நமது பூமியைக் கடந்து சென்றன.

இந்த நூற்றாண்டின் சிறந்த சாதனை கண்டுபிடிப்பாக இதை கொண்டாடுகின்றனர் விஞ்ஞானிகள்.

ஒவ்வொரு பொருளையும் நாம் எப்படி பார்க்கிறோம்?
ஒரு பொருள் வெளியிடும் ஒளி அல்லது பொருளின் மீது பட்டு பிரதிபலிக்கும் ஒளியைக் கொண்டு தான் நாம் எல்லா பொருட்களையும் கண்களால் காண்கிறோம். கலிலியோவின் தொலைநோக்கியால் நட்சத்திரங்கள் வெளியிடுகிற கண்ணால் காணும் ஒளியையும், ஒளியை பிரதிபலிக்கும் கோள்களையும் மட்டுமே காணமுடிந்தது.

பின்னர் அறிவியலும், தொழில்நுட்பமும் வளர்ந்து, ஈர்ப்பு விசையால் அதிர்வெண்ணும், அலை நீளமும் மாற்றப்பட்டு இதர மின் காந்த அலைகளான அகச்சிவப்பு, புற ஊதா, நுண்ணலை, ரேடியோ அலைகள், எக்ஸ் கதிர்கள் (X-Ray) போன்றவற்றை வெளியிடும் அல்லது பிரதிபலிக்கும் பொருட்களை காணவும், ஆராயவும் முடிந்தது.

சரி, ஒளி – மின் காந்த அலைகளை வெளியிடாத, அவற்றையும் ஈர்க்கக்கூடிய கருந்துளைகளை எப்படி பார்ப்பது, ஆய்வு செய்வது? பெரு வெடிப்பு நிகழ்ந்ததிலிருந்து 3,78,000 ஆண்டுகளுக்கு பின்னர் தான் நாம் காணக்கூடிய ஒளியும், மின்காந்த அலைகளும் தோன்றி பரவ ஆரம்பித்தன. அந்த முதல் மூன்று இலட்சத்தி எழுபத்தெட்டாயிரம் ஆண்டுகளை எப்படி ஆய்ந்தறிவது?

மின் காந்த அலைகள் தவிர்த்த வேறு அலைகள் இருக்கும் பட்சத்தில், அவற்றை உணர்ந்து கணக்கிட முடிந்தால், அவற்றைக் கொண்டு கருந்துளைகளையும், முதல் மூன்று லட்சம் ஆண்டுகளின் விண்பொருட்களை காணவும், ஆராயவும் முடியலாம். மின் காந்த அலைகளை தவிர்த்து வேறு அலை ஒன்று இருப்பதை தான் ஐன்ஸ்ட்டின் தனது பொது சார்பியல் கோட்பாட்டில் விளக்கி அதற்கு ஈர்ப்பு அலைகள் எனப் பெயரிட்டார்.

அந்த வகையில் தற்போது கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ள ஈர்ப்பு அலைகளின் இருப்பு, இப்பிரபஞ்சத்தை மேலும் புதிய கோணத்தில் ஆய்ந்தறிய உதவி செய்யும். உதாரணமாக, தற்போது கண்டறியப்பட்ட ஈர்ப்பு அலைகளைக் கொண்டு அதன் தோற்றுவாயான கருந்துளை இணைவை கணக்கிட்டுள்ளனர்.

இந்த ஈர்ப்பலை சோதனைகளை மேலும் மேம்படுத்திச் செல்லும் போது, இது வரை நாம் கண்டிராத விண்பொருட்களை தெரிந்து கொள்ளமுடியும், அது விடை தெரியாத புதிர்களை அவிழ்க்கும். இன்றளவிலும் கருதுகோள் நிலையிலேயே உள்ள பெருவெடிப்பின் மூலம் பிரபஞ்சம் தோன்றிய ஆரம்பக் கட்டங்களை தெரிந்து கொள்ள உதவும். நமது ஒட்டு மொத்த பார்வை கோணத்தை விரிவும் ஆழமும் கொண்டதாக மாற்றும் தன்மையுள்ளது இக்கண்டுபிடிப்பு.

நூற்றாண்டுகால தேடலுக்கு விடை கிடைத்துவிட்டது, ஆனால் பேரண்ட ஆய்வுகள் புத்தம் புதிய திசையில் முதல் அடியெடுத்து வைக்க தொடங்கி விட்டது.

இந்த உலகை படைத்தவன் ஒருவன் இருக்கிறான், அவன் படைப்பு பேரகசியத்தை யாரும் அறிய முடியாது என்றபடி ஆத்திகர்களும், யாரும் எதையும் முழுமையாக அறியமுடியாது – அறியமுடியும் என்று சொல்வதே அறியாமை என்று தத்துவம் பேசியவர்களும் இந்த முறையும் நிறையவே வெட்கப்பட வேண்டும்.

– மார்ட்டின்.

மேலும் ஈர்ப்பு அலைகளை பற்றி தெரிந்துக் கொள்ள :

ஐன்ஸ்டீனின் இரு சார்பியல் கோட்பாடுகளை அறிந்து கொள்ள :

http://www.einstein-online.info/

http://www.relativity.li/en/epstein2/read/a0_en/