शुक्रवार, १२ फेब्रुवारी, २०१६

गुरुत्वीय लहरी

अक्षरशः बरोबर एका शतकाआधी आईनस्टाईन नावाचा एक अवलिया जगाला कोड्यात पाडणाऱ्या प्रश्नाच्या उत्तराचं भाकीत करून गेला, त्याच्या सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतातून. बऱ्याचदा, या सिद्धांताच्या पूर्वार्धात मांडलेल्या विशेष सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताबद्दल जे काही बोललं जातं, ते सांगताना केवळ वेळेच्या सापेक्षतेबद्दल सांगितलं जातं, पण ह्या सगळ्या प्रश्नांची व्याप्ती फार मोठी आहे. या सगळ्या विषयात वेळेची व्याप्ती, अवकाशाची व्याप्ती अतिप्रचंड स्वरुपाची आहे. म्हणजे वेळेच्या किंवा काळाच्या मोजमापाची व्याप्ती विश्वाच्या वयाच्या तुलनेची (विश्वाचे अंदाजे वय १३.७ ×१०^९ वर्षे ) आणि याची जागेची म्हणजे अवकाशाच्या मोजमापाची व्याप्ती विश्वाच्या पसाऱ्याच्या तुलनेची आहे (अंदाजे १०० हजार प्रकाशवर्षे).

तर, न्युटनच्या सफरचंदाच्या ख्यातनाम गोष्टीवरून जगाची अशी समजूत होती किंवा आहे की "गुरुत्वाकर्षण" म्हणजे दोन वस्तूंमधले परस्परांना आकर्षित करून घेण्याचे बल. पण आईनस्टाईनच्या सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतात हीच गोष्ट पूर्णतः वेगळा आयाम घेते. तो असे म्हणतो, की मुळात अवकाश आणि काळ हे परस्परांपासून विभक्त नाहीत तर एकमेकांशी संलग्न असून एक बहुमितीय पटलाची निर्मिती करतात. आणि अवकाशात कोणतीही वस्तू तिच्या आजूबाजूच्या त्रिमितीय अवकाश आणि काळ मिळून बनलेल्या या बहुमितीय पटलावर स्वत: भोवती एक उतार निर्माण करते. म्हणजे एखाद्या ताणलेल्या दोऱ्यावर कुठेतरी बोट ठेवून दाब दिल्यास जसे दोर खाली वाकेल त्याप्रमाणे. किंवा ताणलेल्या कापडावर एखादा जड चेंडू फेकल्यास तो जसे कापडाला एक खोबण निर्माण करेल तसेच काहीसे. अर्थात, या उताराची व्याप्ती त्या वस्तूच्या वस्तुमानावर अवलंबून असते, ज्याला आपण त्याचे गुरुत्वाकर्ष्णाचे क्षेत्र (field) म्हणू शकतो. आणि, त्यावर एखादी दुसरी वस्तू आल्यास (जिला स्वत: चे असे सीमित गुरुत्वाकर्ष्णाचे क्षेत्र असेल) ती आपोआप या उतारावरून घरंगळत जाते. अशा वक्राकार बहुआयामी अवकाशात दोन बिंदूमधील किमान अंतर सरळ रेषेत न राहता ते सुद्धा वक्राकार होते. त्यामुळे अशी लहान वस्तू आपल्याला त्या मोठ्या वस्तू भोवती वर्तुळाकार किंवा लंब वर्तुळाकार रित्या फिरत असल्याचा भास होतो, आणि याला वस्तुमान नसलेले प्रकाशकिरणही अपवाद नाहीत.

सौजन्य विकिपीडिया 

गुरुत्वीय लहरी (Gravitational Waves) याच अवकाश - काळ यांच्या बहुमितीय पटलावर उमटतात. एखाद्या महाकाय खगोलीय वस्तूंच्या वेगातील बदल किंवा एका अजस्त्र म्हाताऱ्या ताऱ्याचा महास्फोट अशा गुरुत्वीय लहरीना निर्माण करतो आणि या पुढे त्या अवकाश - काळाच्या पटलावर प्रवास करतात. पण प्रकाशाच्या लहरीप्रमाणे त्याचे इतर कोणत्याही पदार्थासोबत विनिमय न होता त्या अखंडित अवस्थेत मार्गक्रमण करतात. आणि म्हणूनच, त्याच्या निर्मिकाबद्दलची माहिती त्यात अबाधित राहते. म्हणून त्यांचा अभ्यास करणे आपल्या या विश्वाच्या बद्दलच्या ज्ञानात अमुल्य भर घालू शकते. 

कालच्या जगभरात कौतुकाचा वर्षाव केल्या जाणाऱ्या घटनेत अशाच गुरुत्वीय लहरीचा प्रत्यक्ष पुरावा शास्त्रज्ञाना सापडला आणि म्हणून हा लेख प्रपंच. अशा गुरुत्वीय लहरीचा शोध घेणं तसे अवघड असते आणि Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ने त्यासाठी तयार केलेले अजस्त्र लेझर वर आधारित उपकरण केवळ मोठ्या तीव्रतेच्या लहरीचा शोध घेऊ शकत होते. आणि ही काल शोधलेली लहर सुद्धा अशाच दुर्मिळ खगोलशास्त्रीय घटनेचा परिणाम आहे. दोन परस्पराभोवती फिरणारी कृष्णविवरे (black holes) एकमेकात विलीन होऊन त्या संयोगाक्षणी ह्या लहरींचा जन्म झाला. “LIGO” ने त्यासाठी वापरलेल्या उपकरणात एका लेझर लहरींचा एका द्विभाजक आरशाच्या सहाय्याने मोठ्या "L" आकाराच्या दोन किरणांमध्ये विभाजन होते. जे अशाच ठराविक अंतरावरील (४ किमी) आरशाच्या सहाय्याने पुन्हा परावर्तीत होऊन पुन्हा उगमाच्या ठिकाणी येऊन एकमेकांना छेदतात, ज्यायोगे त्यांचे व्यतिकरण (interference) होते.

(छायाचित्र सौजन्य  Image courtesy space.com)

अशात गुरुत्वीय लहरी जिथून जातात तिथे अवकाश एका दिशेने किंचित आकुंचन पावते, तर त्याच्या काटकोनाच्या दिशेत किंचित प्रसारण पावते. मग या उपकरणाच्या एका बाजूच्या प्रकाशाची लांबी दुसऱ्या बाजूपेक्षा किंचित कमी होते, जी त्याच्या व्यतिकरण प्रक्रियेवरून मोजली जाऊ शकते. केवळ एवढेच नव्हे तर कोणत्या दिशेला लांबी कमी / जास्त झाली आहे यावरून सदर खगोलीय घटना कोणत्या दिशेला झाली आहे, याचाही अंदाज बांधता येतो. वर दाखवलेल्या छायाचित्राप्रमाणे इतक्या मोठ्या अंतराच्या प्रमाणावर प्रयोग करून देखील त्याच्यातल्या मोजमापाच्या अचूकतेचे विशेष कौतुक आहे, कारण यात निर्माण झालेला अंतराचा बदल हा फक्त अणुच्या केंद्राकाच्या लांबीइतका होता, जो मोजण्यात त्यांना यश आले. तुलनाच करायची झाली तर जर हे उपकरण सूर्यापासून आपल्या दुसऱ्या सगळ्यात जवळच्या ताऱ्यापर्यंत पसरले असते, तर हा लांबीबदल केवळ आपल्या मानवी केसाच्या जाडी इतका भरेल. हे सगळं खरंच भारावून टाकणारं आहे, या सगळ्या अफाट पसरलेल्या विश्वाच्या पसाऱ्याची लांबी थक्क करून सोडणारी आहे. त्यात अश्या एखाद्या दुर्मिळातील दुर्मिळ घटना जगाच्या इतिहासात फार मोठ्या पाऊलखुणा सोडून जातात. 

-डॉ विनायक कांबळे 

९ टिप्पण्या:

  1. मराठीत ही माहिती वाचायला मिळाल्याबद्दल धन्यवाद. मला काही प्रश्न आहेत- ते एक-एक करून विचारतो.

    १. गुरुत्वाकर्षण हे त्या बहुमितीय पटलाला मिळालेल्या उतारावर अवलंबून असेल, तर ज्याप्रमाणे वस्तू अवकाशात वेग-वेगळ्या अंतरावर असल्या तर त्यांच्यावर गुरुत्वीय बल वेगवेगळे असते त्याप्रमाणे त्याच वस्तू अवकाशात ठराविकच अंतरावर परंतु वेगवेगळ्या वेळी असतील तर त्यांच्या मधील गुरुत्वीय बल वेगवेगळे असते का? उदाहरणार्थ 'आजचा सूर्य आणि आजची पृथ्वी' ह्यात जेवढे अंतर आहे, तेवढेच अंतर 'आजचा सूर्य आणि १ वर्ष पूर्वीची पृथ्वी (फिरून त्याच ठिकाणी आलेली)' असेल, तरी 'काल' ह्या मितीमध्ये फरक पडला असल्याने त्या बहुमितीय पटलावर वेगवेगळ्या ठिकाणी असतील. मग पृथ्वीवरचे जाणवणारे गुरुत्वीय बल बदलेल का? मग पृथ्वीवरचे रोजचे जाणवणारे गुरुत्वीय बल हे सूर्याच्या आजच्या, पूर्वीच्या व पुढच्या कालसापेक्ष स्थितीचा परिपाक असेल का? (अवकाश-सापेक्ष स्थितीचा परिपाक असतो एवढे न्यूटनमुळे माहित आहे).

    प्रत्युत्तर द्याहटवा
    प्रत्युत्तरे
    1. शंतनु: गुरुत्वाकर्षण ही प्रक्रीया वाढत्या वस्तूमानासोबत अधिकाधिक जटील होत जाते. माझा त्याचा अभ्यास फार मर्यादीत आहे. म्हणून जमेल तेवढा प्रयत्न करतो. पण, या बाबतीत मी जाणकारांशी चर्चा करुन उत्तराचा पडताळा करुन नक्की घेईन आणि ते कळवेन सुद्धा.
      माझ्या माहीतीप्रमाणे, जेव्हा आपण म्हणतो की अवकाश-काळ वक्राकार होतात, त्याचा अर्थ काळ ही सुदधा एक सापेक्ष मिती आहे. म्हणून सर्वसाधारणपणे एकाच भुमितीय ठिकाणी पण, वेगवेगळ्या वेळी वस्तूंच्या गुरुत्वीय क्षेत्राच्या परिमाणात फरक असू शकतो आणि असायला हवा. पण, एक मोजण्याइतका फरक पडण्यासाठी वस्तूंचे वस्तूमान अतिप्रचंड असायला हवे. सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतात म्हटल्याप्रमाणे काळ हा सुद्धा सापेक्ष अाहे. जास्त वस्तूमान असलेल्या वस्तूंच्या गुरुत्वीय क्षेत्रात काळ जलद जातो तर हलक्या वस्तूमान असलेल्या वस्तूंच्या गुरुत्वीय क्षेत्रात काळ तुलनेने संथ होतो. कृष्णविवरात काळ गोठतो असा कयास अाहे.
      अाता पृथ्वीवरच्या गुरुत्वीय क्षेत्राविषयी: कमी वस्तूमानाच्या मर्यादेत, सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताची भाकीते न्युटनच्या गुरुत्वाकर्षण सिद्धांताशी बरोबर जुळतात. फरक इतकाच की न्युटन त्याच्याकडे बल म्हणून बघतो, तर आईनस्टाईन गुरुत्वीय क्षेत्र म्हणून ( विद्युतचुंबकीय क्षेत्राप्रमाणे).

      हटवा