அணுக்கரு கடிகாரம்: பிரபஞ்சத்தின் மர்மங்களை கட்டவிழ்க்கும் வழியை கண்டுபிடித்த விஞ்ஞானிகள்

[ஏராளன்]

பட மூலாதாரம்,TU VIENNA, O. DIEKMANN

படக்குறிப்பு, அணுக்கரு கடிகாரங்கள், அணுக் கடிகாரங்களைக் காட்டிலும் துல்லியமானதாக இருக்கும் (சித்தரிப்பு படம்)

• எழுதியவர், அலெஹாண்ட்ரா மார்டின்ஸ்
• பதவி, பிபிசி நியூஸ்

“கோடிக்கணக்கான ஆண்டுகள் ஓடினாலும் ஒரு நொடியைக்கூட தவறவிடாத கைக்கடிகாரத்தைக் கற்பனை செய்து பாருங்கள்.”

“இன்னும் நாங்கள் அந்த அளவுக்குத் துல்லியமான ஒன்றைக் கண்டுபிடிக்கவில்லை என்றாலும் இந்த ஆராய்ச்சியின் மூலம் நாங்கள் அதை நெருங்கிவிட்டோம்,” என்று அமெரிக்காவிலுள்ள தேசிய தரநிலைகள் மற்றும் தொழில்நுட்ப நிறுவனத்தின் (NIST) ஆராய்ச்சியாளரும், போல்டரில் உள்ள கொலராடோ பல்கலைக் கழகத்தின் பேராசிரியருமான இயற்பியலாளர் ஜன் யே தெரிவித்துள்ளார்.

இங்கு அவர் குறிப்பிடும் கடிகாரம், அணுக்கரு கடிகாரம் (Nuclear clock).

 

சமீபத்தில் நேச்சர் என்ற இதழில் வெளியான ஆய்வுக் கட்டுரையில் ஜன் யேவும் சர்வதேச விஞ்ஞானிகளின் குழுவும் இந்தக் கடிகாரத்தின் முதல் முன்மாதிரியை விவரித்தனர். மேலும் இப்படிபட்ட ஒரு கடிகாரத்தை உருவாக்கத் தேவையான அனைத்து சாதனங்களும் இப்போது நமக்கு நேரடியாகக் கிடைப்பதாகவும் தெரிவித்தனர்.

தற்போது காலத்தை அளவிட உலகெங்கிலும் பயன்படுத்தப்படும் தரநிலையாக, அணுக் கடிகாரங்கள் (Atomic clock) உள்ளன.

அணுக்கரு கடிகாரங்கள், அணுக் கடிகாரத்தைவிட மிகவும் துல்லியமாக இருக்கும். மேலும் இதன் வழியாக பிரபஞ்சத்திலுள்ள கரும்பொருள் (Dark matter) போன்ற பல்வேறு மர்மங்களை அறிஞர்களால் கண்டறிய முடியும்.

அணுக்கரு கடிகாரங்களின் வளர்ச்சியைப் பற்றி பேசத் தொடங்கிப் பல ஆண்டுகள் ஆகிவிட்டன. இந்நிலையில், சமீபத்தில் நேச்சர் இதழில் இதைப் பற்றி வெளியான கட்டுரை மிகவும் முக்கியமானதாகப் பார்க்கப்பட்டது? அணுக் கடிகாரத்துக்கும் அணுக்கரு கடிகாரத்துக்கும் என்ன வித்தியாசம்?

 

அணுக் கடிகாரம் என்றால் என்ன?

பட மூலாதாரம்,GETTY IMAGES

படக்குறிப்பு, கணினிகள், செல்போன்கள் மற்றும் விண்வெளி ஆராய்ச்சி போன்ற பல தொழில்நுட்பங்களில் அணுக் கடிகாரங்களின் பங்கு உள்ளது.

அணுக் கடிகாரங்கள் எலக்ட்ரான்களில் இருந்து வரும் சமிக்ஞைகளைப் பதிவு செய்து அதன் ஆற்றலை மாற்றுகிறது. இதைத்தான் குவாண்டம் லீப் எனக் குறிப்பிடுவர்.

"எந்தவொரு கடிகாரத்திற்கும், டிக் என்று சுழலும் பெண்டுலம் போன்ற ஒன்று, அதுபோக இந்த ஊசலைக் கணக்கிடும் ஓர் அமைப்பு என இரண்டு அமைப்புகள் இருக்கும்,” என்று கொலம்பியாவின் விஞ்ஞானி ஆனா மரியா ரே கூறினார்.

இவர் என்.ஐ.எஸ்.டி-இல் அணு இயற்பியலாளராகவும், போல்டரில் உள்ள கொலராடோ பல்கலைக்கழகத்தின் பேராசிரியராகவும், அணுக் கடிகாரங்களைப் பற்றிய ஆராய்ச்சியில் நிபுணராகவும் இருக்கிறார்.

“ஒரு சாதாரண கடிகாரத்தில் ஒரு பெண்டுலம் இருக்கும். அதை இயக்கவும், எத்தனை முறை அந்த பெண்டுலம் நகர்ந்தது என்று நமக்குச் சொல்லவும் ஓர் இயக்கமுறை இருப்பதைப் பார்த்திருப்பீர்கள்” என்கிறார் ரே.

“அணுக் கடிகாரத்தைப் பொறுத்தவரை, அலைவுறுவது (ஊசலுக்குச் சமமானது) ஒளியின் மின்காந்த அலையாகும். ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்களில் வழக்கமாக லேசர் இருக்கும். அதில் அலைவுகளைக் கணக்கிடுவது அணுக்களின் எலக்ட்ரான்கள்” என்கிறார் ரே.

“அணுக் கடிகாரத்தின் அலைவுகளை (Oscillation) சாதாரண எலக்ட்ரான்களால் அளவிட முடியாது. ஏனென்றால் அது மிகவும் வேகமாக அசையும். எலக்ட்ரான்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட அதிர்வலையில்தான் ஆற்றலை உள்வாங்குகிறது. இதைத்தான் எலக்ட்ரானின் அதிர்வெண் என்று கூறுவர். இந்த நிலையில்தான் எலக்ட்ரான்கள் தூண்டப்படும்” என்று ரே விளக்கினார்.

“லேசர் ஒரு குறிப்பிட்ட நேரத்தில் குறிப்பிட்ட அளவிலான அலைவுகளைக் கொண்டுள்ளதால், உலகம் முழுக்க நேரத்தைக் கணக்கிட இது சிறந்த வழியாகப் பார்க்கப்படுகிறது” என்கிறார்.

பட மூலாதாரம்,GETTY IMAGES

படக்குறிப்பு, ஜிபிஎஸ் பயன்படுத்தி, ஓர் இடத்திலிருந்து மற்றோர் இடத்திற்கு எவ்வாறு செல்வது என்பதற்கான வழிகளைக் கேட்கும்போது, நாம் அணுக் கடிகாரங்களையே சார்ந்துள்ளோம்.

கணினிகள், செல்போன்கள், விண்வெளி ஆய்வு உள்படப் பல தொழில்நுட்பங்களில் குறைந்தபட்சம் 16வது இலக்க துல்லியத்துடன் (Sixteenth digit accuracy) தற்போதைய உலகளாவிய ஒத்திசைவுக்கு அணுக் கடிகாரங்களே பொறுப்பாகும்.

'பதினாறாவது இலக்க துல்லியம்' என்பது குறைந்தபட்சம் நேரத்தைக் கணிப்பதில், இந்தக் கடிகாரம் 16 தசம இடங்களுக்குத் துல்லியமாக இருக்கும் என்று பொருள். இந்த நிலை என்பது நம்ப முடியாத அளவிற்குத் துல்லியமானது. அதாவது, ஒரு நொடியின் ஒரு பின்னம் வரை நம்மால் நேரத்தைத் துல்லியமாக அளவிட முடியும். அது பில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகளில் ஒரு விநாடியை அளவிடுவதற்குச் சமமாக இருக்கும்.

“அனைத்து அளவீடுகளுமே நேரத்தைக் கொண்டுதான் கணக்கிடப்படுகிறது. உதாரணமாக ஒளியின் வேகத்தை அறிந்ததால்தான் நம்மால் தூரத்தின் அளவைக் கணக்கிட முடிகிறது” என்கிறார் ரே.

அனைத்திலுமே அணுக் கடிகாரங்களின் பங்கு உள்ளதாகக் குறிப்பிடும் ரே, “ஜிபிஎஸ்-ஐ கட்டுப்படுத்தும் செயற்கைக்கோள்களில்கூட அணுக் கடிகாரம் இடம்பெற்றுள்ளது. அதுதான் நாம் ஜிபிஎஸ் பயன்படுத்தி, ஓர் இடத்தில் இருந்து மற்றோர் இடத்திற்குச் செல்லும் வழியைக் காண்பிக்க உதவுவதாக” ரே தெரிவிக்கிறார்.

அணுக்கரு கடிகாரம் எவ்வாறு செயல்படுகிறது?

அணுக்கரு கடிகாரத்தைப் பொறுத்தவரை, அணுவின் உட்கருவில் இருந்து வரும் சமிக்ஞைகள் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை, மாறாக எலக்ட்ரான்களில் இருந்து வரும் சமிக்ஞைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

“அணுக் கடிகாரங்களைப் பொறுத்தவரை அவை அணுவிலுள்ள எலக்ட்ரான்களை தூண்டும். ஆனால் ஓர் அணு என்றால் அதில் எலக்ட்ரான், அணுவின் கருவில் நியூட்ரான் மற்றும் ப்ரோடோன் இருக்கும். அதனால் இவையும் சேர்த்துத் தூண்டப்படலாம்,” என்றார் ரே.

“ஆனால் இந்தத் தூண்டுதலுக்கு அதிக அளவிலான ஆற்றல் தேவைப்படும். தோரியம் போன்ற மிகக் குறைந்த அளவிலான அணுக்களிலே இந்தத் தூண்டுதலுக்கான ஆற்றல் குறைவாகத் தேவைப்படுகிறது."

இதன் மையப்பகுதி லேசரில் இருந்து குறைந்த அளவிலான அதிர்வலைகளை மட்டுமே உள்வாங்கும். மையப்பகுதியை மாற்றியமைக்கத் தேவைப்படும் மிகத் துல்லியமான லேசர் அதிர்வலைகளைக் கண்டுபிடிக்கும் ஆராய்ச்சி பல ஆண்டுகளாகத் தொடர்ந்து கொண்டு வரும் முயற்சியாகவே இருக்கிறது.

இந்த மாற்றம் 70களில் கணிக்கப்பட்டு இருந்தாலும் இது "வைக்கோல் போரில் ஓர் ஊசியைக் கண்டுபிடிப்பதைப்" போன்றது என்பதால் அது கண்டுபிடிக்கப்படவில்லை என்று ரே சுட்டிக்காட்டுகிறார்.

திடமான ஒரு படிகத்தில் பொறிக்கப்பட்ட தோரியத்தின் கருவில் ஏற்பட்ட ஆற்றல் மாற்றத்தைப் புறஊதா கதிர்களைக் கொண்டு அதன் அதிர்வெண்ணை துல்லியமாகக் கணக்கிட்டதைத்தான் நேச்சர் இதழில் வெளியான ஆய்வு முடிவுகளில் ஆராய்ச்சியாளர்கள் குறிப்பிட்டுள்ளனர்.

"ஓர் அணுவைவிட ஆயிரம் மடங்கு சிறியதாக இருக்கும் அணுவின் கருவில்தான் அணுக்கரு கடிகாரத்தின் குவாண்டம் ஜம்ப் நிகழும். முதல்முறையாக எங்களின் செயல் இதை நிரூபித்துள்ளது" என்று ஜெர்மன் விஞ்ஞானியும் வியன்னா தொழில்நுட்ப பல்கலைக்கழகத்தின் ஆராய்ச்சியாளரும், இந்த ஆய்வின் ஆசிரியருமான தோர்ஸ்டன் ஷாம் கூறுகிறார். அவர், இதைப் பற்றிக் கூறுகையில் “இந்த நிலையில் நியூட்ரான்தான், ஒரு ஆற்றல் நிலையில் இருந்து மற்றொரு ஆற்றல் நிலைக்கு மாறுவதாகத்,” தெரிவித்தார்.

 

பட மூலாதாரம்,TU VIENNA, O. DIEKMANN

படக்குறிப்பு, அணுக்கரு கடிகாரத்தில், அதி-துல்லியமான லேசர் ஒன்று ஒரு படிகத்தில் உள்ள அணுவின் கருவைத் தூண்டுகிறது (சித்தரிப்பு படம்)

அணுக்கரு கடிகாரங்கள் மிக விரைவில் பயன்பாட்டுக்கு வரும் என்று ஷாம் நம்புகிறார்.

“இனி எல்லாமே மிக விரைவில் நடக்கும். இந்த ஒரு ஆண்டிலேயே பல முன்னேற்றங்களைப் பார்த்துவிட்டோம். லேசரில்தான் பெரும்பான்மையான முன்னேற்றங்கள் தேவைப்படுகின்றன. அதைச் செய்து முடிக்க ஐந்து ஆண்டுகள் மட்டுமே போதும்” என்கிறார்.

மேலும், “முதல் மாதிரியின் மூலம் தோரியத்தை கொண்டு மிகத் துல்லியமான அளவீடுகளுக்காக அதை ஒரு குரோனோமீட்டராக பயன்படுத்தலாம். இன்னும் சில தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்கள்தான் தேவைப்படுகிறதே தவிர வேறெந்தத் தடையும் கிடையாது” என்றும் ஷாம் தெரிவித்தார்.

‘பிரபஞ்சத்திற்கான ஒரு புதிய பாதை’

அணுக்கரு கடிகாரம், அணுக் கடிகாரத்தைவிடத் துல்லியமாக இருந்தாலும், அது அதிகமாக அறியப்படுவது அதன் செயல் திறனால் அல்ல, அதன் நிலைத் தன்மையால்தான்.

“ஏனென்றால் இதன் மையம் மிகவும் சிறியதாக உள்ளதால், இதில் ஈடுபடும் அணுக்கரு ஆற்றல் அதிகம். வெப்பநிலை, காந்தம் புலம் போன்ற வெளிப்புறக் காரணிகளால் இந்தக் கரு பாதிப்படையாது” என்கிறார் ஷாம்.

“மிகவும் எளிமையான கண்ணாடி போன்ற பொருட்களில் நிறைய எண்ணிக்கையிலான மையங்களை அதன் செயல்திறனைக் குறைக்காமல் பொறிக்க முடியும்” என்கிறார்.

தொழில்நுட்பத்தில் இந்த அணுக்கரு கடிகாரங்களின் பயன்பாட்டைவிட, விஞ்ஞானிகள் இந்த விஷயத்தில் அதிகம் உற்சாகமடையைக் காரணம், இனி பிரபஞ்சத்தைப் பற்றி ஆய்வு செய்ய நிறைய புதிய பாதைகள் திறக்கப்படும் என்பதுதான்.

“இந்த அணுக்கரு கடிகாரம் வெளிப்புறக் காரணிகளால் பாதிப்படையவில்லை என்றாலும் உட்புறக் காரணிகளால் பாதிப்படையும். மின்காந்த சக்தியும் அணுக்கருவின் சக்தியும்தான் இந்தக் கருவைப் பாதுகாக்கிறது. இதைப் பற்றி ஆராய்வது மிகவும் கடினமான ஒன்று. அதனால் இந்த அணுக்கரு கடிகாரம் சில இயற்கையான சக்திகளுக்கு சென்சாராக செயல்படுகிறது” என்று விளக்குகிறார் ஷாம்.

பட மூலாதாரம்,WILKE PHOTO

படக்குறிப்பு, அணுக்கரு கடிகாரம் எதிர்காலத்தில் உருவாக்கப்படும் என்று ஷாம் நம்புகிறார்

எந்தெந்த கேள்விகளுக்கு அணுக்கரு கடிகாரத்தால் பதிலளிக்க முடியும்?

“இந்தப் பிரபஞ்சத்தில் நம்மால் புரிந்துகொள்ள முடியாத பல அம்சங்கள் உள்ளன,” என்கிறார் ரே.

“உதாரணமாக, இந்த பிரபஞ்சத்தில் உள்ள 80% ஆக்கக் கூறுகள் கரும்பொருள் என்று நமக்குத் தெரியும், ஆனால் நம்மால் அதைப் புரிந்துகொள்ள முடியாது. அணுக் கடிகாரத்தால் உணரப்படாத பல விளைவுகள் அணுக்கரு கடிகாரங்களில் உணரப்படுவதால், கரும்பொருளின் மூலப்பொருளைப் பற்றி நம்மால் அறிந்துகொள்ள முடியும்” என்கிறார்.

அணுக்கரு கடிகாரங்களை, அணுக் கடிகாரங்களுடன் ஒப்பிடுகையில் ஒளியின் வேகம் போன்ற உலகளாவிய மாறிலிகள் நேரம் மற்றும் வெளியில்கூட மாறுபாடின்றி செயல்படுமா என்பதை ஆராய்ச்சியாளர்களால் கண்டுபிடிக்க முடியும்.

"எங்களுக்கே இன்னும் தெரியாத பல கேள்விகள் உள்ளன" என்று ரே கூறுகிறார்.

"எனவே இது எதிர்கால ஆராய்ச்சிக்கான புதியதொரு வழி. இது பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய கூடுதல் விஷயங்களைக் கண்டறிய அனுமதிக்கும். இது நிகழும்போதெல்லாம், நமக்குச் சிறந்த தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்கள் கிடைக்கும்” என்கிறார்.

‘இயற்பியலின் அழகை உணர்ந்தேன்’

தோரியத்தின் அணுக்கரு நிலையை மாற்றும் மிகத் துல்லியமான அதிர்வலையைக் கண்டுபிடித்தது எத்தகைய உணர்வை அளித்தது என்பது குறித்து பிபிசியிடம் ஷாம் பகிர்ந்து கொண்டார்.

“இது மிகவும் அருமையான உணர்வு. பெரும்பாலான நேரத்தை நாங்கள் உடைந்துபோன விஷயங்களை சரி செய்வதில்தான் செலவிடுவோம், அப்பொழுதில் இதை நாங்கள் சரியாகச் செய்து முடித்தால் எவ்வளவு சிறப்பாக இருக்கும் என்று நினைத்துக் கொள்வோம்.

இறுதியாக அதைச் செய்து முடித்துவிட்டோம். சில ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு மட்டுமே இந்தச் சிறந்த தருணத்தில் பங்குபெற வாய்ப்பு கிடைத்தது. என்னுடைய குழுவினருக்கும், கூட்டுப் பணியாளர்களுக்கும் இந்த நீண்ட பயணத்தில் துணை நின்றதற்காக நன்றி தெரிவித்துக் கொள்கிறேன்.”

பட மூலாதாரம்,GETTY IMAGES

அணுக் கடிகாரங்களும் அணுக்கரு கடிகாரங்களும், கோட்பாட்டு இயற்பியலில் நடத்தப்படும் ஆராய்ச்சிகள் எப்படி கோடிக்கணக்கான மக்களின் வாழ்க்கையில் மாற்றத்தை ஏற்படத்துகின்றன என்பதை உணர்த்துகின்றன.

“கோட்பாட்டு இயற்பியலைக் கொண்டு இந்த பிரபஞ்சம் செயல்படும் விதத்தைப் பல ஆய்வுகளின் மூலம் நம்மால் அறிய முடியும்,” என்கிறார் ஆனா மரியா ரே.

“உதாரணமாக எல்லாக் கணினிகளும் டிரான்சிஸ்டர்களை கொண்டுதான் செயல்படுகின்றன. குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸ் தெரிந்தால்தான் நம்மால் டிரான்சிஸ்டர்களை பயன்படுத்த முடியும். ஓர் உலோகத்தில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் எவ்வாறு அசைகின்றன என்பதை அறியவும் குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸ் பற்றிய புரிதல் மிக அவசியம்” என்கிறார் ரே.

“இயற்கை புதிய வழிகளில் எவ்வாறு செயல்படும் என்பதை அறியவும், அதை விவரிக்கவும், விவாதிக்கவும் கோட்பாட்டு இயற்பியல் வழிவகுக்கிறது. இதன் விளைவாகவே மின்னணுவியல், தொடர்பியல், போக்குவரத்து எனப் பல்வேறு துறைகளில் அனுதினமும் புதிய தொழில்நுட்ப வளர்ச்சிகள் நடந்துகொண்டே உள்ளன. இதுவும் குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸ் புரிதலின் அடிப்படையிலேயே நிகழ்கிறது” என்றும் கூறுகிறார்.

மேலும், “அணுக்கரு கடிகாரங்களின் மூலம் குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸை புரிந்துகொள்வதற்கான மற்றொரு புதிய வழியை நம்மால் தெரிந்துகொள்ள முடியும். என்கிறார் ரே.

 

பட மூலாதாரம்,MACARTHUR FOUNDATION

படக்குறிப்பு, இது பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய கூடுதல் விஷயங்களைக் கண்டறிய அனுமதிக்கும் என்று ரே கூறுகிறார்

அறிவியல் முன்னேற்றங்களை ஊக்குவிக்கும் அமெரிக்க நிறுவனமான ‘ஆப்டிகாவுடனான’ நேர்காணலில், ஆனா மரியா ரே தனது முதல் இயற்பியல் வகுப்பில் நிகழ்ந்த ‘யுரேகா தருணத்திற்கு’ பிறகு தன்னுடைய வாழ்க்கைத் தொழில் எதுவென்பதைக் கண்டுகொண்டதை நினைவுகூர்ந்தார்.

“என் மனதில் இருந்த அனைத்து சிந்தனைகளும் உயிர்பெற்றன. இயற்பியலின் அழகை உணர்ந்தேன். இதுதான் நமது பிரபஞ்சத்தை வழிநடத்துகிறது. ஓர் அணுவிலுள்ள எலக்ட்ரான் நகர்வு முதற்கொண்டு கருந்துளைகளின் செயல்பாடு வரை அனைத்துமே இயற்பியலால்தான் செயல்படுகிறது” என்று கூறினார்.

“உலகத்தைப் பற்றிய அனைத்தையும் சொல்லும் புதிராக இது இருந்தது, அதைத் தீர்க்க முடிந்ததால் நான் அதன் பக்கம் ஈர்க்கப்பட்டேன்” என்கிறார் ரே.

தற்போது ஈடுபட்டிருக்கும் கடிகாரங்களின் ஆராய்ச்சியிலும் அதே அழகை உணர்கிறாரா ரே?

இந்தக் கேள்விக்கு, “ஆம், நிச்சயமாக, ஒவ்வொரு நாளுமே,” என்று பிபிசியிடம் அவர் பதிலளித்தார்.

“தினமும் வேலைக்கு வரும்போது மிகுந்த உற்சாகத்துடன் வருவேன். இயற்பியலின் சமன்பாடு மூலமாக இந்தப் பிரபஞ்சம் செயல்படும் விதத்தைக் கண்டுபிடிப்பது எனக்கு ஆச்சரியமாக இருக்கிறது.”

“கணித மாதிரிகளைக் கொண்டு அடுத்தடுத்து என்ன நடக்கப் போகிறது என்று கணிப்பது மாயாஜாலத்தை போன்றது. அதுதான் எனக்கு உற்சாகமாக இருந்தது. எனது கோட்பாட்டைக் கொண்டு ஒரு பரிசோதனையாளரிடம் ‘இதைப் பயன்படுத்துங்கள், அதை அளவிடுங்கள், நீங்கள் இதைக் கண்டுபிடிப்பீர்கள், நீங்கள் அதைக் கண்டுபிடிப்பீர்கள்’ என்று என்னால் சொல்ல முடிந்தால், அதுதான் எனக்கு நடக்கக்கூடிய மிகச் சிறந்த விஷயம்" என்கிறார் ரே.

-இது, பிபிசிக்காக கலெக்டிவ் நியூஸ்ரூம் வெளியீடு

https://www.bbc.com/tamil/articles/cdrd4yzl30po