The History of the Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग -१
महाभारात कृष्णाने अर्जुनाला विश्वरूप दर्शन दाखवले होते अशी नोंद आहे. अर्जुन विश्वाचे अफाट आणि विराट स्वरूप बघून भयग्रस्त झाला होता. आज आपली स्थितीही अर्जुनाहून वेगळी काय आहे ? विशाल तारे, दीर्घिका (galaxies), तेजोमेघ (nebula), कृष्णविवरे (black holes), क्वेसार (quasi stellar objects), डार्क मॅटर आणि डार्क एनर्जी…एक ना अनेक स्वरूपात विश्व आपले एक एक अंग उलगडून दाखवत आहे आणि हे सर्व पाहून अक्षरशः स्तिमित व्हायला होते. जसजसे आपण विश्वासंबंधी अधिक माहिती मिळवण्याचा प्रयत्न करतो आणि विश्वाचे स्वरूप आपल्या बुद्धीच्या आवाक्यात आहे असे वाटू लागते, तसतसे विश्वाचा एखादा नवीनच पैलू समोर येऊन आपली मती कुंठित होते. विश्वातील अंतराचा अंदाज लावताना आपली परिमाणे कमी पडू लागतात. नवीन परिमाणे शोधावी लागतात. विश्वाचे स्वरूप समजवून घेताना परिपूर्ण वाटणारे सिद्धांत सोडून नवीन सिद्धांत शोधावे लागतात.
आपले विश्व किती विराट आहे ? नुकत्याच हबल दुर्बिणीने नोंद केलेल्या ज्ञात दीर्घिकांची संख्या २ महापद्म (2 trillion) झाली आहे. प्रत्येक दीर्घिकेत अब्जावधी तारे आहेत. आपली आकाशगंगा ह्या महापद्म दीर्घिकांपैकी एक आणि आपला सूर्य आकाशगंगेतील अब्जावधी ताऱ्यांपैकी एक अतिसामान्य तारा. हे सर्व आकडे पाहून आपल्याला अफाट विश्वातील आपल्या नगण्य स्थानाची जाणीव झाल्याशिवाय रहात नाही. तरीही मानवाने अल्पावधीत विश्वाचे स्वरूप जाणून घेण्यासाठी कंबर कसली आहे. गेल्या शंभर, दीडशे वर्षात आपण ह्या बाबतीत मोठीच मजल मारली आहे. व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत (general theory of relativity), पुंजावाद (quantum mechanics) , तंतूसिद्धांत आणि त्याच्या सुधारित आवृत्या (string, super-string, M theory) यावर आपला विश्वरचनेचा (cosmology) अभ्यास अवलंबून आहे. अर्थात भविष्यात एखादा नवीन परिपूर्ण सिद्धांतही मांडला जाईल.
आपले विश्व निर्माण कसे झाले, त्याला आदी आणि अंत आहे का, ते सतत प्रसारणशील राहील का, विश्वाचा अंत असेल तर तो कसा असेल…एखाद्या बिंदूत एकवटून जाणारा प्रलयंकारी की सतत प्रसरण पावल्यामुळे थंड आणि शांत. एक ना अनेक, असे प्रश्न आपल्याला पूर्वीपासून पडत आहेत. या प्रश्नांची उत्तरे शोधण्यासाठी जीनेव्हा, स्वित्झलँड येथे १० सप्टेंबर २००८ पासून शास्त्रज्ञानी एक महाप्रयोगाचा आरंभ केला आहे. मानवाच्या इतिहासातील सर्वात मोठे यंत्र LHC म्हणजेच Large Hydron Collider हा सूक्ष्मकण त्वरक (particle accelerator) या दिवसापासून कार्यरत झाला. या प्रयोगामध्ये ८५ देशातील सुमारे ८ हजार शास्त्रज्ञ एकत्र आले आहेत. विश्वाच्या निर्मितीवेळेची भौतिक परिस्थिती अतिशय सूक्ष्म स्वरूपात निर्माण करून त्याद्वारे विश्वरचनेचा अभ्यास प्रत्यक्ष प्रयोगातून करायचा असे एकंदरीत या महाप्रयोगाचे स्वरूप आहे.
विश्वाची निर्मिती कशी झाली असावी? याची सुरवात झाली १९२० च्या दशकात.एडविन हबल याने अमेरिकेतील माउंट विल्सन वेधशाळेतील दुर्बिणीतून निरनिराळे तारकापुंज पाहिले. हे सर्व तारकापुंज म्हणजेच आपल्या आकाशगंगेसारख्याच विविध दीर्घिका असल्या पाहिजे हे त्याच्या लक्षात आले. तेव्हापर्यंत आपले विश्व म्हणजेच आपली आकाशगंगा असेच समजले जात होते. हबलच्या या संशोधनामुळे विश्वाची व्याप्ती अचानक वाढून आकाशगंगारूपी असंख्य बेट असलेला महासागर अशी झाली. हबल एवढ्यावरच थांबला नाही, ह्या अनेक दीर्घिकांचे सतत निरीक्षण करून त्याच्या असे लक्षात आले की या दीर्घिकांचे ताम्रस्मृती म्हणजेच red shift जास्त आहे. प्रकाशकिरण लोलकातून गेले असता त्यांचे सात रंगात विभाजन होते असे न्यूटनने दाखवून दिले होते. या दीर्घिकांच्या प्रकाशाचा वर्णपट (spectrum) काढला असता त्यातील रेषा लाल रंगाकडे सरकलेल्या दिसल्या. याचाच अर्थ या दीर्घिकातून निघालेल्या प्रकाशलहरींची तरंगलांबी (wave length) वाढली होती म्हणजेच या दीर्घिका एकमेकांपासून दूर जात होत्या. विश्व चक्क प्रसारण पावत होते. खूप ठिपके असलेल्या एका फुग्याची कल्पना करा. जसजशी त्यात हवा भरत जाईल आणि तो फुगत जाईल आणि आधी जवळ असलेले ठिपके एकमेकांपासून दूर जातील. विश्वाचे हे असेच काहीतरी होत आहे. विश्व प्रसरण पावत आहे असा एक महत्वपूर्ण शोध एडविन हबल ने लावला. हबल च्या याच संशोधनाचा आधार घेऊन जॉर्ज लॅमेत्रा या बेल्जीयन धर्मगुरुने जर आता विश्व प्रसारण पावत असेल तर फार पूर्वी ते एका प्राथमिक अणूसदृश्य बिंदूत एकवटले असले पाहिजे असा सिद्धांत मांडला. पुढे विकसित होणाऱ्या big bang theory ची ही सुरवात होती.
क्रमश:
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग २
जॉर्ज लेमात्रा याने १९२७ साली एडविन हबल च्या प्रसारणशील विश्वाच्या अनुषंगाने असे मांडले की विश्व हे एक सुपरऑटम मधून निर्माण झाले असावे. या सुपरऑटम ची घनता आणि तापमान प्रचंड असले पाहिजे. (वायूचे तापमान खूप दाबाखाली वाढते) या सुपरऑटमचाच स्फोट होऊन आजचे विश्व अस्तित्वात आले असावे. अर्थात या संकल्पनेवर आक्षेप घेणारेही बरेच होते. प्रसिद्ध ब्रिटिश शास्त्रज्ञ ऑर्थर एडिंगटन यांचा या संकल्पनेला विरोध होता. कालांतराने एक larger than life व्यक्तिमत्व या थिअरी च्या समर्थनासाठी पुढे आले ते म्हणजे जॉर्ज गॅमॉव्ह.
गॅमॉव्हने दाखवून दिले की बिग बँग च्या वेळी जे प्रचंड तापमान होते त्यातूनच मूलद्रव्यांची निर्मिती झाली असावी. गॅमॉव्ह गमतीने या प्रकाराला “विश्वाचे प्रागैतिहासिक स्वयंपाकघर” (Pre-historic kitchen of the universe) असे म्हणत असे. सध्या ह्या प्रक्रियेला nucleosynthesis म्हणून ओळखले जाते. गॅमॉव्ह च्या कल्पनेप्रमाणे बिग बँगच्या वेळी असणाऱ्या प्रचंड तापमानामुळे एक अखंड साखळीप्रक्रिया होऊन हायड्रोजन ची निर्मिती आणि हायड्रोजनच्या अणूपासून इतर मूलद्रव्यांची झाली. मेंडेलीफच्या आवर्तसारणीत असलेल्या सर्व रासायनिक मूलद्रव्यांची निर्मिती बिग बँगच्या प्रचंड तापमानामुळे झाली असे गॅमॉव्हचे म्हणणे होते. बिग बँगच्या वेळी विश्व अतितप्त प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन कणांचा संग्रह होता. त्यात सन्मिलन (fusion) होऊन हायड्रोजन आणि हेलियम ही प्राथमिक मूलद्रव्ये निर्माण झाली. हीच प्रक्रिया पुढे सुरू राहून लिथियम आणि बेरिलियम ही पुढची मूलद्रव्येही तयार झाली. आशा पद्धतीने अणुकेंद्रात जास्तीत जास्त मूलकणांचे fusion होऊन जड मूलद्रव्यांची निर्मिती झाली.
गॅमॉव्हने या संकल्पनेच्या प्राथमिक रुपरेषेवर काम केले आणि आपला Ph.D चा विद्यार्थी राल्फ आल्फर याला त्याचे detailing करायला सांगितले. पुढे ही थिअरी मांडताना एक प्रॅक्टिकल जोक करण्याचा मोह गॅमॉव्हला आवरला नाही. हॅन्स बेथे या आपल्या शास्त्रज्ञ मित्राचे नावही त्याने बेथेच्या परवानगी शिवाय या प्रबंधला जोडून या थिअरी चे नाव अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी ठेवले.
या अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी ला मर्यादा होत्याच. हलक्या मूलद्रव्यांसाठी ही थिअरी एकदम अचूक होती, पण ५ आणि ८ प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन असणाऱ्या मूलद्रव्यांच्या बाबतीत तितकीशी योग्य नव्हती. या जड मूलद्रव्यांच्या निर्मितीचा प्रश्न सोडवला तो बिग बँग थिअरीचा कट्टा विरोधक आणि गॅमॉव्ह सारखेच larger-than-life व्यक्तिमत्व असणाऱ्या फ्रेड हॉयल ने.
क्रमश:
__________
The History of the Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ३
बिग बँग आणि मूलद्रव्यांची निर्मिती यविषयी जॉर्ज गॅमॉव्ह ने उल्लेखनीय संशोधन केले. पण त्याची अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी वस्तुमान क्र. ५ आणि ८ पुढील मूलद्रव्यांच्या निर्मितीविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण देत नव्हती. या बिग बँग थिअरीला विरोधकही होतेच. या विरोधकात सर्वात अग्रणी असणारे नाव म्हणजे फ्रेड हॉयल. गंमत म्हणजे बिग बँग थिअरीला असणारे “बिग बँग” हे नाव फ्रेड हॉयल यानेच एकदा BBC वरील भाषणात उपहासाने वापरले होते. ते इतके लोकप्रिय झाले की ही थिअरी आजही बिग बँग म्हणूनच ओळखली जाते.
फ्रेड हॉयलचा या थिअरीला विरोध असण्याचे कारण म्हणजे एडविन हबलने दूरच्या दीर्घिकातून येणाऱ्या प्रकाशाचे केलेले चुकीचे गणित. अर्थात त्यावेळी ही चूक हबलच्या लक्ष्यात आली नव्हती. या चुकीच्या मोजमापामुळे विश्वाचे वय सुमारे १.८ अब्ज वर्षे येत होते. पण काही भूगर्भशास्त्रज्ञाचा दावा होता की पृथ्वी आणि सूर्य त्याहून जुने आहेत. पृथ्वीवर आढळणाऱ्या काही प्राचीन खडकांच्या अध्ययनावरून त्यांनी हा निष्कर्ष काढला होता. विश्व हे त्यातील घटकांपेक्षा तरुण कसे असू शकते हा एक मोठा प्रश्न होता आणि हॉयलच्या बिग बँग थिअरीच्या विरोधाचे प्रमुख कारण होते. हॉयलने पुढे थॉमस गोल्ड आणि हर्मन बॉन्डी या आपल्या मित्रांसमवेत बिग बँग थिअरीच्या विरोधात स्वतःची थिअरी मांडली. स्थिरस्थिती किंवा स्टेडीस्टेट थिअरी असे त्या थिअरीचे नाव.
या स्टेडीस्टेट थिअरीनुसार विश्वाला सुरवात आणि शेवट नव्हता. विश्व प्रसरण पावत होते पण नवीन पदार्थ पोकळीत (empty space) निर्माण होत होता त्यामुळे विश्वाची एकूण घनता कायम रहात होती. हॉयल आणि प्रभूती या पदार्थनिर्मितीविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण देऊ शकली नाहीत तरी बिग बँग थिअरीच्या विरोधकांनी ही स्टेडिस्टेट थिअरी उचलून धरली. याच थिअरीच्या नवीन आवृत्ती वर काम करताना हॉयलने गॅमॉव्ह ला न सुटलेला जड मूलद्रव्य निर्मितीचा प्रश्न सोडवला. हॉयला आढळून आले की जड मूलद्रव्ये ही बिग बँगच्या वेळी निर्माण झाली नसून ती बिग बँग नंतर ताऱ्यांच्या अंतर्भागात तयार झाली असावीत. जर ताऱ्यांच्या अंतर्भागात मूलद्रव्यांची निर्मिती होत असेल तर मग बिग बँग ची आवश्यकताच नाही असे त्याचे म्हणणे होते.
१९४० ते १९५० च्या दशकात हॉयलने प्रसिद्ध केलेल्या प्रबंधाच्या मालिकेत त्याने ताऱ्यांच्या अंतर्भागात होत असलेल्या मूलद्रव्यनिर्मितीचे सविस्तर विवेनचं केले.ताऱ्यांच्या अंतर्भागात अणुकेंद्रात जास्तीत जास्त प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन मिसळून जड मूलद्रव्ये तयार होतात, कमीत कमी लोखंडापर्यंत तरी. हॉयल ने दाखवून दिले की पूर्वी जो अस्थिर कार्बन होता (जो तीन हेलियम च्या अणुकेंद्रापासून बनला होता) तो वस्तुमान क्र. ५ आणि ८ च्या पुढच्या मूलद्रव्यांच्या निर्मितीसाठी एक पुलाचे काम करतो. असे असले तरी लोखंडच्या पुढच्या मूलद्रव्यांच्या निर्मितीसाठी आवश्यक उष्णता ताऱ्यांच्या अंतर्भागात नसते. यासाठी जास्त ऊर्जेची आवश्यकता असते. ही अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करतात ते सुपरनोव्हा आणि हायपरनोव्हा. सूर्याच्या कित्येक पट वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्यांचे इंधन म्हणजेच हायड्रोजन संपले की ते तारे स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडून त्यांचा प्रचंड स्फोट होतो आणि खूप मोठ्या प्रमाणात ऊर्जेचे उत्सर्जन होते. या प्रचंड उर्जेतूनच अधिक जड मूलद्रव्यांची निर्मिती होते. आपण दागिन्यांत जे सोने वापरतो ते अशाच एखाद्या supernova explosion मध्ये निर्माण झालेय. किंबहुना आपल्या शरीरातील मूलद्रव्यांची निर्मिती ही ताऱ्यांच्या अंतर्भागात किंवा सुपरनोव्हा च्या स्फोटात झाली आहे. एका अर्थाने आपण ताऱ्यांचे वंशज आहोत.
स्टेडीस्टेट थिअरीने बिग बँग थिअरीला चांगलीच लढत दिली. पण गॅमॉव्हने बिग बँग थिअरिसबंधी वर्तवलेली एक शक्यताच या लढतीत निर्णायक ठरणार होती.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ४
स्टेडीस्टेट थिअरीने बिग बँग थिअरी समोर चांगलेच आव्हान निर्माण केले होते. पण बऱ्याचश्या निरीक्षणात्मक गोष्टी स्टेडीस्टेट थिअरीच्या विरोधात जात होत्या. हॉयल ला जाणवत होते की तो एक हरणारी लढाई लढत होता. स्टेडीस्टेट थिअरी नुसार विश्वातील रिकाम्या जागी नवीन पदार्थ निर्माण होत होता. याविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण हॉयल आणि त्याचे सहकारी देऊ शकत नव्हते. पुढे १९६० च्या दशकात आढळून आलेल्या रहस्यमय क्वेसार (Quasi Stellar Objects) ने स्टेडीस्टेट थिअरीसमोर आव्हान उभे केले. स्टेडीस्टेट थिअरी नुसार क्वेसार विश्वात सगळीकडे समप्रमाणात आढळून यायला पाहिजे होते. पण प्रत्यक्ष निरीक्षणांती क्वेसार हे अब्जावधी प्रकाशवर्ष दूर आढळून आले. आपल्या जवळपास एकही क्वेसार आढळत नाही. याचाच अर्थ क्वेसारची निर्मिती विश्वाच्या निर्मितीच्या काही कालावधीनंतर झाली असावी. दुसरे म्हणजे शास्त्रज्ञांच्या मते विश्वात हेलियमचे प्रमाण जास्त होते. विश्वातील एकूण अणूंपैकी २५% अणू हे हेलियमचे आहे आणि ते हायड्रोजन नंतर दुसऱ्या क्रमांकाचे विपुल मूलद्रव्य आहे. स्टेडीस्टेट थिअरीनुसार हेलियमची निर्मिती ताऱ्यांच्या अंतर्भागात होत असेल तर विश्वात सर्वदूर असणारे हेलियम कुठून आले. इथे गॅमॉव्हच्या nucleosynthesis चे स्पष्टीकरण योग्य होते.
बिग बँग थिअरी आणि स्टेडीस्टेट थिअरी यांच्या लढतीत गॅमॉव्हने वर्तवलेली एक शक्यता निर्णायक ठरणार होती. गॅमॉव्हच्या मतानुसार जर बिग बँगच्या वेळी विश्व अतितप्त असेल तर त्यावेळची उष्णता आजही प्रारणाच्या स्वरूपात विश्वात आढळून येईल. हे एकप्रकारे विश्वनिर्मितीचे जीवाश्म (fossil) असेल. गॅमॉव्हने असे मानले की बिग बँगची सुरवात अतितप्त न्यूट्रॉनच्या गाभ्यापासून झाली. जर आपण ह्या गाभ्याचे तापमान मोजू शकलो तर ह्या गाभ्याने उत्सर्जित केलेल्या प्रारणाचे प्रमाण आणि स्वरूप आपण मोजू शकू. पुढे गॅमॉव्हने दाखवून दिले की ह्या अतितप्त गाभ्याने उत्सर्जित केलेले प्रारण हे black body radiation या स्वरूपाचे असतात. ह्या प्रकारचे प्रारण खूप तप्त अश्या स्रोतातून निघतात, स्रोतातून निघालेला प्रकाश शोषून घेतात आणि विशिष्ट पध्द्तीने प्रारण उत्सर्जित करतात. जर या स्रोतांचा रंग कळला तर त्या स्रोताचे अंदाजे तापमान निश्चित करता येते. याबाबतीत गणिती समीकरण प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ मॅक्स प्लॅन्क याने मांडले होते. (यातूनच पुढे पुंजवादाची म्हणजेच quantum mechanics ची सुरवात झाली होती). गॅमॉव्ह चे Ph. D चे शिष्य राल्फ आल्फर आणि रॉबर्ट हर्मन यांनी गॅमॉव्ह च्या संकल्पनेवर काम करून विश्वाने बाल्यावस्थेत असताना उत्सर्जित केलेल्या प्रारणाचे तापमान मोजण्याचा प्रयत्न केला आणि ते निरपेक्ष शून्याच्या ५ अंश वरती असे निश्चित केले. (आधुनिक साधनांच्या सहाय्याने त्याची value निरपेक्ष शून्याच्या २.७ अंश वरती आहे). खूपशी वर्ष विश्वाचे तापमान इतके प्रचंड होते की अणूनिर्मिती शक्य नव्हती. अणूनिर्माण व्हायला लागले की प्रचंड तापमानामुळे त्याचे तुकडे व्हायचे आणि खूपसे इलेट्रॉन विखुरले जायचे. कोणताही प्रकाश या अतितप्त विश्वात काही अंतरावरच शोषला जायचा त्यामुळे विश्व त्यावेळी अपारदर्शी होते. सुमारे ३ लाख ८० हजार वर्षांनी, तापमान ३००० अंशांनी कमी झाल्यावर अणूनिर्मिती शक्य झाली, प्रकाश अवकाशात विखरला आणि अपारदर्शी विश्व पारदर्शी झाले. जे प्रारण त्यावेळी उत्सर्जित झाले आणि जे शोषून घेतले गेले नाही ते प्रारण गॅमॉव्हच्या मते आजही विश्वात विखुरलेले असेल. इतक्या वर्षांच्या कालावधीनंतर ते प्रारण सुक्ष्मकिरणांच्या स्वरूपात आढळून येईल. यालाच cosmic microwave background radiation असे म्हणतात. गॅमॉव्ह ने १९४८ साली या cosmic microwave background radiation ची शक्यता वर्तवली होती. पुढे १९६५ साली अर्नो पेंझियाज} आणि रॉबर्ट विल्सन या जोडगोळीला हे प्रारण सापडले. स्टेडीस्टेट थिअरीला हा मोठाच धक्का होता. बिग बँग थिअरीच्या बाजूने हा निर्णायक पुरावाच होता.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ५
गॅमॉव्ह आणि हॉयल यांच्या वैचारिक लढ्याचा एक फायदा म्हणजे आपल्याला ताऱ्यांच्या जीवनपटाविषयी मिळालेली माहिती. बिग बँग थिअरी आणि स्टेडीस्टेट थिअरी च्या वादामध्ये जरी CMB च्या शोधामुळे बिग बँग थिअरी ने बाजी मारली तरी, काही प्रश्नांची समाधानकारक उत्तरे ही थिअरी देत नव्हती. ते प्रश्न होते फ्लॅटनेस प्रॉब्लेम, होरायझन प्रॉब्लेम आणि मोनोपोल प्रॉब्लेम.
१. फ्लॅटनेस प्रॉब्लेम : विश्व इतके सपाट का आहे या प्रश्नाचे उत्तर बिग बँग थिअरी कडे नव्हते. विश्वातील पदार्थाच्या घनतेसाठी Omega अशी संज्ञा वापरतात. याची किंमत १ च्या आसपास येते. त्यामुळे आपले विश्व हे सपाट स्वरूपाचे आहे. अशा विश्वाचे घनफळ अमर्याद असेल पण त्याचे अवकाश वक्र असणार नाही.
२. होरायझन प्रॉब्लेम : विश्व सर्वदूर एकसारखे दिसते असे का ? ज्या अंतरापर्यंत विश्वाचे निरीक्षण करता येते त्या अंतराला विश्वाचे क्षितिज म्हणतात. आपल्या निरीक्षणाच्या मर्यादेच्या दोन विरुद्ध बाजुकडील दोन बिंदू एकमेकांवर प्रभाव टाकू शकणार नाहीत कारण विश्व प्रसारण पावतेय आणि कोणतीही गोष्ट प्रकाशाच्या वेगापेक्षा जास्त वेगाने नाही जाऊ शकत हा आईन्स्टाईनच्या विवंक्षित सापेक्षता सिद्धांताचा नियम आहे. तरी विश्वात सर्व दिशांना अब्जावधी प्रकाशवर्षे अंतरापर्यंत समानता आढळते ती का याचे स्पष्टीकरण बिग बँग थिअरी नाही देऊ शकत.
३. मोनोपोल प्रॉब्लेम : विश्वात मोनोपोल आढळत नाहीत. मोनोपोल म्हणजे एकच चुंबकीय ध्रुव. जरी चुम्बकाचे दोन तुकडे केले तरी त्यात दोन ध्रुव आढळतात. मोनोपोल आपल्या ज्ञात विश्वात आढळून येत नाहीत. असे का याचे स्पष्टीकरण बिग बँग थिअरी देत नाही.
बिग बँग थिअरीत सुधारणा घडवून आणून त्याद्वारे वरील प्रश्न सोडवण्याचा प्रयत्न केला तो अॅलन गुथ ने आपली प्रसिद्ध inflation थिअरी मांडून. अॅलन गुथ ने १९८१ साली असे प्रतिपादन केले की विश्वाचे वय १०^-३६ सेकंद असताना विश्वाला फुगवटा येऊन त्याचा व्यास अचानक १०^५० पटीने वाढला असावा. हा प्रकार विश्व १०^-३४ सेकंदाचे होईपर्यंत सुरू होता. एक अतिसूक्ष्म प्रोटॉन ची कल्पना करा जो सूक्ष्मदर्शकातूनही दिसत नाही. सेकंदाच्या अत्यल्प भागात ह्या प्रोटॉनचा आकार वाढून क्रिकेटच्या बॉल एवढा झाला. हे असे कसे झाले असावे हे समजवून घेण्यासाठी आपल्याला पदार्थाचे transformation आणि थोडे quantum mechanics समजवून घ्यावे लागेल.
आपल्याला पाण्याच्या बर्फ, पाणी आणि वाफ ह्या तीन अवस्था माहीत आहेत. शून्य अंश सेल्सियस ला पाण्याचे बर्फात रूपांतर होते आणि १०० अंश सेल्सियस ला वाफेत. आता शून्य अंश सेल्सियस तापमानाखाली पण पाण्याला द्रवरूप अवस्थेत काहीकाळ ठेवणे शक्य आहे. या अवस्थेला सुपरकूल स्टेट म्हणतात. अशा अवस्थेत पाणी फार काळ टिकाव धरू शकत नाही. बाह्य स्थितीत किंचित जरी बदल झाला तरी पाण्याचे लगेच बर्फ होते आणि या transformation मध्ये कृत्रिमरीत्या दाबून ठेवलेली ऊर्जा मुक्त होते. तापमान कमी होत असताना विश्व एक विशिष्ट क्षणी सुपरकूल अवस्थेत गेले. कोणत्याही स्थितीत न्यूनतम ऊर्जा अवस्थेला पोहोचणे हा विश्वाचा एक गुणधर्म आहे. विश्वाचा विस्तार होत असताना quantum mechanics मधील tunnel effect घडला असावा आणि गाडी ज्याप्रमाणे बोगद्यातून आरपार निघून जाते त्याप्रमाणे प्रसरण पावणाऱ्या विश्वाचा बुडबुडा false vacuum (ऊर्जेची उच्च स्थिती) अवस्थेतून true vacuum (ऊर्जेची नीचतम स्थिती) अवस्थेत रूपांतरित झाला. आपले विश्व false vacuum मधून निर्माण झाले तेव्हा विद्युतचुंबकीय, मंद आणि तीव्र अशी तीन बले एकच होती (गुरुत्वाकर्षण आधीच प्लॅन्क युगात इतर बलांपासून वेगळे झाले होते). या true vacuum च्या tunnel effect द्वारे transformation मुळे सममिती भंग (symmetry breaking) होऊन ही बले वेगवेगळी झाली. ज्याप्रमाणे पाण्याचे स्थित्यंतर बर्फात होताना सममिती भंग होतो आणि बर्फ पाण्याप्रमाणे नितळ रहात नाही तसेच काहीसे विश्वाचे झाले असावे. विश्वाला आलेल्या ह्या फुगवट्यामळे विश्वातील दोन कण एकमेकांपासून प्रकाशपेक्षा जास्त वेगाने दूर झाले. अर्थात ह्याने आईनस्टाइन च्या विवक्षित सापेक्षतेचा भंग होत नाही कारण प्रकाश ज्या अवकाशातून प्रवास करतो ते अवकाशच प्रचंड वेगाने प्रसरण पावत होते. एखादा फुगा क्षणार्धात पुरेसा फुगवला तर त्याच्या पृष्ठभागाच्या फुगीर पणा जाऊन एक प्रकारचा सपाटपणा येतो तसाच सपाटपणा विश्वाला आला आहे.
ह्या inflation थिअरीने बिग बँग थिअरी देऊ शकत नसलेल्या प्रश्नांची उत्तरे दिली…आजही WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेली निरीक्षणे या inflation थिअरीशी सुसंगत आहेत.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ६
अॅलन गुथ च्या inflation थिअरी ने बिग बँग थिअरीला पडलेले बरेचसे प्रश्न सोडवण्यास मदत केली. बिग बँग च्या सुमारास विश्वात आज वेगवेगळ्या आढळणाऱ्या चार बलांचे (forces) स्वतंत्र अस्तित्व नव्हते. एकच असे सुपरफोर्स असून कालांतराने विश्वाचे phase transition होत असताना, सममिती भंग होऊन (symmetry breaking) विश्वाला आलेल्या फुगवट्या (inflation) दरम्यान एक एक बल वेगवेगळे झाले. त्यापैकी गुरुत्वाकर्षण हे inflation आधीच प्लॅन्क काळात इतर बलांपासून सर्वप्रथम वेगळे झाले होते. बिग बँग पासून १०^-४३ सेकंदाच्या काळाला प्लॅन्क टाईम म्हणतात. यावेळी विश्वाचे वस्तुमान २×१०^-५ ग्रॅम एवढे असून विश्वाचा आकार २×१०^-३३ सेंटीमीटर होता. आपल्या कल्पनेच्या पलीकडचे हे अति अति सूक्ष्म आकडे आहेत. ही मोजमापे असणाऱ्या वस्तूला क्वांटम ब्लॅक होल असे नाव आहे. प्लॅन्क काळात अनेक सूक्ष्म कृष्णविवरे (mini black holes) असावीत. त्यापैकी काही आजही शिल्लक असावीत पण अजून त्यांचा शोध लागलेला नाहीये. विश्वातील इतर बले म्हणजे विद्युतचुंबकीय बल, तीव्र बल आणि मंद बल हे inflation दरम्यान वेगवेगळे झाले असावे. अॅलन गुथची inflation थिअरी बिग बँग चे प्रश्न सोडवत असली तरी एका प्रश्नाचे समाधानकारक उत्तर देत नव्हती, तो प्रश्न म्हणजे inflation बंद का झाले असावे.
एक भांड्यात उत्कलन बिंदूपर्यंत उकळणाऱ्या पाण्याची कल्पना करा. उकळून वाफ होण्यापूर्वी पाणी अति ऊर्जेच्या पातळीवर असते पण त्याची वाफ होत नाही कारण त्यासाठी एखादा बुडबुडा निर्माण व्हायला लागतो. आणि एकदा बुडबुडा निर्माण झाला की लगेच पाणी नीच्चतम ऊर्जा पातळीवर म्हणजेच true vacuum मध्ये जाते आणि भांडे बऱ्याचश्या बुडबुडयांनी भरून जाते. हे बुडबुडे मोठे होऊन एकमेकात मिसळून जातात आणि भांडे वाफेने भरून जाते. पाण्याचे वाफेत phase transition पूर्ण होते. अॅलन गुथने प्रतिपादन केलेलं inflation हे या भांड्यातील बुडबुड्याप्रमाणे आहे. पण यात एक समस्या होती की बुडबुडे एकमेकात मिसळण्यापूर्वीच त्यातील अवकाश हे प्रसरण पावून बुडबुडे एकमेकांपासून दूर जात होते.
१९८१ साली आंद्रे लिंद ह्याने या बुडबुडे एकत्र न येण्याचा तोडगा सुचवला. बुडबुडे इतके मोठे पाहिजेत की संपूर्ण विश्वच त्यात सामावले पाहिजे. हे साधण्यासाठी सममितीचा (symmetry) चा सममिती भंगाकडे (symmetry breaking) होणारा बुडबुड्यातील प्रवास फारच सावकाश व्हायला हवा. काही महिन्यांनी पॉल स्टाइनहार्ट आणि ल अन्ड्रीअस अल्ब्रेख्ट यांनी लिंद सारखीच कल्पना स्वतंत्रपणे मांडली. एखाद्या धरणाची स्थिती false vacuum सारखी असते. धरण जेवढे जास्त रुंद तितके पाण्याला त्यातून कालव्यावाटे बाहेर पडण्यास वेळ लागणार. हा tunnel effect जर लांबला तर एकच बुडबुडा inflation चे समर्थन करण्यास पुरेसा आहे. या वैश्विक बुडबुड्या (cosmic bubble) पासूनच्या inflation ला graceful exit problem असे गमतीशीर नाव आहे.
१९८३ साली लिंद ने या new inflation मॉडेल मध्ये सुधारणा करून chaotic inflation असे सुधारित मॉडेल विकसित केले. यात अवकाशाच्या कोणत्याही भागात तत्काल भग्नता येऊन थोडे inflation असणारी विश्वनिर्मिती होते. यात अवकाशाला फुगवटे येऊन प्रत्येक फुगवटा म्हणजे एक विश्व असते. आपले विश्व हे असेच एक मूळ विश्वाला आलेला फुगवटा असून अशी बरीचशी विश्वे अस्तित्वात आहेत. काही विश्वात ओमेगा जास्त असल्यामुळे अशी विश्वे जन्मताच त्यांचा big crunch द्वारे विनाश होत असावा. त्याउलट काही विश्वात ओमेगा अत्यल्प असल्याने ती निरंतर प्रसरणशील असतील. अशा प्रकारे समांतर विश्वाचे अस्तित्व असू शकेल. जर विश्व सुरवातीला अतिसूक्ष्म असेल तर त्याला quantum mechanics चे नियम लावले लागतील आणि हायझेनबर्ग च्या अनिश्चितता तत्वानुसार ज्याप्रमाणे अणूकेंद्राभोवती फिरणारा इलेक्ट्रॉन एकाच वेळी सर्व संभाव्य जागी असू शकतो तसेच एकाच वेळी अनेक विश्वाचे अस्तित्व असू शकते. सध्यातरी अशी शक्यताच आपण वर्तवू शकतो.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ७
बिग बँग ते प्लँक काळापर्यंत एकच सुपर फोर्स चे अस्तित्व होते आणि विश्वाचे अवस्थांतरण (phase transition) होताना एक एक फोर्स अथवा बल वेगवेगळे होऊन सध्या अस्तित्वात असलेली चार बले वेगळी झाली. गुरुत्वाकर्षण, विद्युतचुंबकीय, मंद आणि तीव्र अशी ही चार बल आहेत. सामर्थ्याच्या बाबतीत या बलांपैकी गुरुत्वाकर्षण बल सर्वात क्षीण आहे, त्यानंतर मंद बल, विद्युतचुंबकीय बल आणि तीव्र बल असा क्रम आहे. तीव्र बल सर्वात सशक्त बल आहे.
गुरुत्वाकर्षण जरी सर्व बलात क्षीण बल असले तरी विश्वातील सर्वात प्रभावशाली बल आहे. ग्रॅव्हीटॉन्स नावाचे मूलकण या बलाचे वाहक आहेत असे मानले जाते. विद्युतचुंबकीय बलांचे वाहक हे फोटॉन कण आहेत. दृश्य प्रकाश हा एक विद्युतचुंबकीय लहरींचाच प्रकार आहे, फोटॉन कण हे एकच वेळी कण आणि लहर या दोन्हींचे गुणधर्म दर्शवतात. यास वेव्ह पार्टीकल ड्युयालिटी असे म्हणतात. मंद बल हे रेडिओक्टिव्ह डिके ला कारणीभूत ठरते. W आणि Z बोसॉन हे मंद बलाचे वाहक आहेत. अणूकेंद्रातील प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांना एकत्र ठेवण्याचे काम तीव्र बल करते.ग्लुऑन कण या बलाचे वाहक आहेत.
या चारही बलांना एक करणारा सिद्धांत मांडणे हा शास्त्रज्ञांपुढील एक गहन प्रश्न आहे. आईन्स्टाईन ह्यांनी आपल्या आयुष्याची तीस वर्षे हा सिद्धांत शोधण्यात खर्च केली पण त्यांना यश आले नाही. १९६७ साली स्टीवन वाईनबर्ग आणि अब्दुस सलाम यांनी मंद बल आणि विद्युतचुंबकीय बल यांच्या एकीकरणाचा सिद्धांत मांडला. इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनो कण (ज्यांना लेप्टोन म्हणतात) हे एकमेकांशी W आणि Z बोसॉन तसेच फोटॉन कण यांची देवाणघेवाण करतात असे काहीसे या थिअरीचे स्वरूप आहे. या थिअरीत पुढे ग्लुऑन कण जोडून तीव्र बलाची क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स ही थिअरी मांडता येते.
या चार बलांच्या एकीकरणात एक अडचण होती. गुरुत्वाकर्षण काही त्यात बसत नव्हते. काही शास्त्रज्ञांच्या मते गुरुत्वाकर्षण हे बल नसून अवकाशकाळातील वक्रतेचा परिणाम आहे. यासम्बधी अजून निश्चित काहीच सांगता येत नाही. कदाचित सुपरस्ट्रिंग थिअरी आणि क्वांटम ग्रॅव्हिटीची सांगड घालून पुढे आपल्या हाती काहीतरी लागू शकेल. या गुरुत्वाकर्षण सोडून इतर तीन बलांच्या एकीकरणाला स्टॅण्डर्ड मॉडेल असे नाव आहे. या थिअरीच्या अनुषंगाने शास्त्रज्ञानी अजून एक थिअरी मांडण्याचा प्रयत्न केला तो म्हणजे जीयुटी म्हणजेच ग्रँट युनिफिकेशन थिअरी. पण यात गुरुत्वाकर्षण बसवणे भलतेच अवघड काम आहे त्यामुळे सध्याची जीयुटी ही परिपूर्ण जीयुटी नाही. यासाठी ग्रॅव्हीटॉन कणांचे अस्तित्व सिद्ध करून त्यांचे फोटॉन, ग्लुऑन, इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो, W आणि Z बोसॉन या कणाबरोबरचे परस्परसंबंध सिद्ध करावे लागतील.
सामान्यतः कणांचे दोन प्रकारात वर्गीकरण करतात. पदार्थांचे कण आणि बलवाहक कण. साधारणत: ज्याची गिरकी किंवा स्पिन १/२ आहे त्यांना पदार्थकण (matter particles) म्हणतात. आणि ज्यांची गिरकी ०,१,२ आहे त्यांना बलवाहक कण (force particles) म्हणतात. त्यातही इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन कण हे फर्मीयॉन म्हणून ओळखले जातात. हे पदार्थकण आहेत तर ०,१,२ गिरकी असणारे कण बोसॉन या नावाने ओळखले जातात. भारतीय शास्त्रज्ञ सत्येंद्रनाथ बोस यांच्या स्मरणार्थ बोसॉन असे नामकरण करण्यात आलेले आहे. याव्यतिरिक्त मूलकणांचे हॅड्रोन आणि लेप्टोन असेही वर्गीकरण करणयात येते. प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, लॅम्डा कण हॅड्रोन आहेत तर इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो हे कण लेप्टोन आहेत. तसेच या कणांचे प्रतिकण ही आहेत. एकंदरीत या मूलकणांचे जग खूपच गुंतागुंतीचे आणि अनिश्चित आहे.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ८
फर्मीयॉन,लेप्टोन, बॅरिऑन, हॅड्रॉन….कोणताही मूलकण असो, आपल्याला ज्ञात असणाऱ्या विश्वाचा फक्त ३% भाग आहे. याचाच अर्थ ९७% विश्व आपल्याला अजून अज्ञात आहे. २३% विश्व व्यापलय ते डार्क मॅटर ने आणि ७४% विश्व व्यापलय ते डार्क एनर्जी ने. दोन्ही बाबतीत आज आपण नक्की काहीच सांगू शकत नाही.
याची सूरवात झाली १९३० पासून. स्विस शास्त्रज्ञ फ्रिट्झ झ्विकी याला आढळून आले कोमा दीर्घिकांच्या समूहातील दीर्घिका न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमानुसार काम न करता इतक्या वेगाने फिरत आहेत की गुरुत्वाकर्षणला न जुमानता त्या विखरून जायला हव्यात. एकतर न्यूटनचा नियम चुकीचा आहे नाहीतर या दीर्घिकांमध्ये काही अदृश्य पदार्थ आहे जो या दीर्घिकाना एकत्र जोडून ठेवतो. झ्विकीच्या संशोधनाकडे इतरांनी दुर्लक्ष्य केले. पुढे १९६२ साली व्हेरा रुबिन हीलाही आपल्या आकाशगंगेचे निरीक्षण करताना तोच प्रश्न जाणवला. आपल्या आकाशगंगेतील केंद्रापासून दूर असणाऱ्या काही निळ्या ताऱ्यांचे निरीक्षण करताना तिला आढळले की दूर असूनही ह्या ताऱ्यांचा वेग समान आहे, इतक्या वेगाने जर हे तारे आकाशगंगेच्या केंद्राभोवती फिरत असतील तर ते केव्हाच आकाशगंगेच्या गुरुत्वकर्षणातुन मुक्त व्हायला हवे होते. आपल्या आकाशगंगेत जेवढे तारे आहेत तेवढे गुरुत्वाकर्षणाने बद्ध करायला, आकाशगंगेचे वस्तुमान आताच्या वस्तुमानाच्या सुमारे १० पट असायला हवे होते. याचाच अर्थ आकाशगंगेचे ९०% वस्तुमान आपल्याला माहीत नाही अश्या कणांपासून बनलंय. यालाच पुढे डार्क मॅटर असे नाव दिले गेले.
काही शास्त्रज्ञ गटांचे मत आहे की डार्क मॅटर हा अज्ञात पदार्थ नसून ज्ञात पदार्थाचाच भाग आहे, ज्याला बेरियोनिक पदार्थ म्हणतात आणि ते बेरीयॉन या मूलकणांपासून बनलेले असतात.
ब्राऊन ड्वार्फ, न्यूट्रॉन तारे, कृष्णविवरे अश्या जवळजवळ अदृश्य वस्तूं म्हणजेच डार्क मॅटर ज्याला MACHOs (Massive Compact Halo Object) असे म्हणतात.
काही शास्त्रज्ञांचे असे मत आहे की डार्क मॅटर हे अतितप्त नॉन बेरियोनिक पदार्थांपासून, न्यूट्रिनोस पासून बनलेले आहेत, ज्याला हॉट डार्क मॅटर म्हणतात. काहींच्या मते डार्क मॅटर नवीनच आशा WIMPS (Weakly Interacting Massive Particle) पासून बनलेले आहे. यालाच कोल्ड डार्क मॅटर म्हणतात..LHC मध्ये प्रयोग सुरू आहेत. भविष्यात डार्क मॅटर चे निश्चित स्वरूप स्पष्ट होईल.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ९
१९१७ साली आईन्स्टाईनने लिहिलेल्या ‘कॉम्सोलॉजिकल कन्सिडरेशन ऑफ जनरल थिअरी ऑफ रिलेटीव्हीटी’ या निबंधात त्याने एक नव्या बलाचे अस्तित्व गृहीत धरले होते. विश्वाला स्थिरता देण्यासाठी आणि गुरुत्वकर्षणामुळे होणारा विश्वाचा अवपात टाळण्यासाठी गुरुत्वाकर्षणाला विरोध करणारे एक बल असावे असे आईन्स्टाईनने गृहीत धरले. याला वैश्विक अपकर्षण बल असे नाव दिले गेले. या बलाच्या अनुषंगाने एक नवीन संकल्पना गणिती सूत्राद्वारे आईन्स्टाईननी गृहीत धरली. ती म्हणजे कॉस्मॉलॉजिकल कॉन्स्टंट म्हणजेच वैश्विक स्थिरांक. आईन्स्टाईनच्या मते स्थिरांकाची किंमत फारच कमी असल्यामुळे कोट्यवधी प्रकाशवर्षे अंतरावरूनच अपकर्षणाचा परिणाम दिसू शकेल. पुढे १९२६ साली एडविन हबलने विश्व प्रसरण पावतेय हे सिद्ध केल्यावर आईन्स्टाईनने आपण उगाच वैश्विक स्थिरांक आपल्या गणिती सूत्रात घालून आपण फार मोठी चूक केली असे मान्य केले.
त्यावेळी जरी वैश्विक स्थिरांकाचा आईन्स्टाईन आणि जगाच्या दृष्टीने अंत झाला असला तरी भविष्यात या वैश्विक स्थिरांकाचे भूत विश्वाला झपाटणार होते. नुसतेच झपाटणार नसून विश्वाचा चेहरामोहरच बदलणार होते. विश्वाच्या भवितव्याची सारी सूत्रे या वैश्विक स्थिरांकाच्या भुताच्या हाती येणार होती. विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग मोजण्यासाठी शास्त्रज्ञानी निरीक्षण नोंदवून त्याचे अध्ययन केले असता एक विचित्र गोष्ट आढळून आली. विश्व नुसतेच प्रसरण पावत नव्हते तर त्याचा प्रसरणाचा वेग वाढत होता. भयानक वाढत्या वेगाने विश्व प्रसारण पावतेय असे आढळून आले. कोणतीतरी अज्ञात ऊर्जा हा वेग वाढवत असावी आणि या ऊर्जेचे स्वरूप निश्चित नसल्याने शास्त्रज्ञानी या ऊर्जेला डार्क एनर्जी असे नाव दिले. सध्या ह्या डार्क एनर्जी चे प्रमाण विश्वात ७४% आहे.
विश्वरचनाशास्त्रात (cosmology) फ्रीडमन ह्यांनी सुचवलेली प्रतिकृती प्रसिद्ध आहे. या प्रतिकृतीत लॅमडा म्हणून एक संकल्पना आहे जी निर्वात पोकळीच्या उर्जेशी संबंधित आहे. ज्याला आपण निर्वात पोकळी समजतो ती निर्वात नसते, त्यात भासमान कणांची (virtual particles)रेलचेल असते. हे virtual particles भासमान असतात कारण ते जोड्यानी निर्माण होऊन लगेच नष्ट होतात. निर्वात पोकळीत क्वांटम फ्लक्चुएशन मुळे या भासमान कणांची निर्मिती होत असावी. यांचे अस्तित्व अत्यल्प म्हणजेच १०^-२४ सेकंद एवढेच मर्यादित असते. हे कण अतिअल्प काळासाठी गुरुत्वाकर्षणाचे क्षेत्र उत्पन्न करतात. Casimir Effect या नावाने हा सिद्धांत प्रसिद्ध आहे. यातील एक कण जर काही कारणाने नष्ट झाला, आणि दुसरा कण नष्ट न होता तसाच राहिला तर तो दुसरा कण खऱ्या कणात (real particle) परावर्तित होतो. म्हणजेच अक्षरशः शून्यातून कणांची निर्मिती होते. याला व्हॉक्यूम एनर्जी म्हणतात. कदाचित निर्वात पोकळीतील ऋण ऊर्जा (negative energy) याला कारणीभूत असावी...हीच पुढे डार्क एनर्जी म्हणून काम करत असावी.
सध्या विश्वात डार्क एनर्जी चे प्राबल्य आहे. बिग बँग सिंग्युलॅरिटी पासून होण्यास ठरण्यास हीच डार्क एनर्जी कारणीभूत असावी असा काही शास्त्रज्ञांचा कयास आहे. विश्वाचे भवितव्य ही डार्क एनर्जीच ठरवणार आहे. हळूहळू डार्क एनर्जी आपल्याला बिग फ्रीझ कडे घेऊन जात आहे.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freez
भाग १०
बिग बँग थिअरीनुसार सुमारे १३.७ अब्ज वर्षांपूर्वी एका विशेषावस्थेतून विश्वाची निर्मिती झाली आणि आजही हे विश्व प्रसरण पावत आहे. शास्त्रज्ञांनी विश्वाच्या या आयुष्याचे ढोबळमानाने ८ भाग किंवा टप्पे केलेत. WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेल्या निरीक्षणांचे विश्लेषण केले असता विश्वाच्या इतिहासाचे आणि स्थित्यंतराचे पुढीक ८ टप्पे आहेत –
१. प्लँक काळ : बिग बँग पासून ते १०^-४३ सेकंद पर्यंतच्या काळाला प्लँक काळ असे संबोधले जाते. १०^-४३ सेकंद म्हणजे दशांश चिन्हानंतर ४२ शून्य आणि त्यांनतर एक एवढा सेकंदाचा भाग (०. नंतर ४२ वेळा ० आणि नंतर १). या प्लँक काळात एकाच सुपरफोर्स चे अस्तित्व होते. कदाचित यावेळी विश्व बहूआयमी अवकाशात (higher dimensional space) होते त्यामुळे विश्वात खूपच जास्तीची सममिती (super symmetry) होती. कदाचित क्वांटम फ्लक्चुएशन्स मुळे या सममितीचा भंग झाला असावा. या प्लँक काळात विश्वाचा आकार १०^-३३ सेंटीमीटर एवढा होता. या आकारमानाला प्लँक लांबी असे म्हणतात
२. जीयुटी काळ : विश्वातील सममिती च्या भंगामुळे फेज ट्रान्झिशन होऊन विश्वाला फुगवटा आला. हा कालावधी सुमारे १०^-४३ सेकंद ते १०^-३४ सेकंद एवढा होता. विश्वाला आलेल्या फुगवट्यामुळे विश्वाचा आकार या कालावधीत सुमारे १०^५० पटींनी वाढला. या काळातच गुरुत्वाकर्षण बल इतर बलांपासून वेगळे झाले. या काळात विद्युतचुंबकीय, तीव्र आणि मंद बल एकत्र होते त्यामुळे या काळाला जीयुटी युग (grand unification theory) म्हणतात.
३. वैश्विक फुगवट्याचा अंत – विश्वाच्या इतिहासातला तिसरा टप्पा १०^-३४ सेकंदापासून ते ३ मिनीटा पर्यंत मानला जातो. या काळातच क्वार्क कण एकत्र येऊन त्यांच्यापासून प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन तयार झाले. या काळात तीव्र बल इतर दोन बलांपासून वेगळे झाले. वैश्विक फुगवट्याचा अंत झाला. या काळात विश्व म्हणजे क्वार्क, ग्लुऑन आणि लेप्टोन कणांचा तप्त प्लाझ्मा होते. विश्वाचा आकार साधारणपणे आपल्या सूर्यमालेएवढा होता. कण (matter) आणि प्रतिकणांचे (anti-matter) युद्ध समाप्त होऊन कणांच्या संख्येच्या अल्पशा प्राबल्याने कणांनी प्रतिकणांवर विजय मिळवला. या कणांच्या प्रतिकणांवरील विजयामुळेच जे काही कण शिल्लक उरले त्यातूनच आपली निर्मिती झाली.
४. अणूकेंद्रकांची निर्मिती : साधारणपणे तीन मिनिटांपासून ते ३ लाख ८० हजार वर्षांपर्यंतचा हा काळ आहे. विश्वाचे तापमान झपाटयाने कमी झाल्यामुळे अणूकेंद्रकांची निर्मिती शक्य झाली. ७५% हायड्रोजन आणि २५% हेलियम ची निर्मिती झाली.
५. अणूंची निर्मिती : पाचव्या टप्प्याचा काळ आहे ३ लाख ८० हजार वर्षे ते १०० कोटी वर्षे. या काळात विश्वाचे तापमान ३००० अंश केल्व्हीन ने कमी झाले. अणूकेंद्रकाभोवती ५ पेक्षा जास्त इलेक्ट्रॉन फिरू लागून अणू स्थिर झाले. याच काळात फोटॉन कण मुक्त संचार करायला लागून विश्व पारदर्शी झाले आणि विश्वात प्रकाश पसरायला सुरवात झाली. हाच सूक्ष्म तरंगलांबी असलेला प्रकाश COBE आणि WMAP उपग्रहांनी पकडला होता आणि बिग बँग थिअरी ला पुष्टी मिळाली होती.
६. तारे आणि दीर्घिकांची निर्मिती : विश्वाच्या जन्मापासून १०० कोटी ते ६५० कोटी वर्षांचा काळ म्हणजेच विश्वाच्या वाढीचा सहावा टप्पा. याच काळात क्वेसार, दीर्घिका, तेजोमेघ यांची निर्मिती झाली. कार्बन, ऑक्सीजन आणि नायट्रोजन ही मूलद्रव्ये तयार झाली. हबल दुर्बीण साधारणपणे या कालावधीपर्यंतचा प्रकाश बघू शकते.
७. डी सीटर प्रसरण : विश्वाच्या जन्मापासून सुमारे ६५० कोटी वर्षांनी विश्वाने तारुण्यात प्रवेश केला असे आपण म्हणू शकतो. विल्यम डी सीटर या शास्त्रज्ञाने मांडल्याप्रमाणे वेगवेगळ्या घटकांमध्ये असलेले गुरुत्वीय बल झुगारून विश्वाच्या प्रसारणातील त्वरणाला (acceleration) सुरवात झाली.
८. आजचे विश्व : विश्वाच्या इतिहासातील आठवा टप्पा म्हणजेच १३.७ अब्ज वर्षानंतरचा आजचा वर्तमानकाळ. या काळातच आपली आकाशगंगा आहे, आकाशगंगेतील अब्जावधी ताऱ्यामध्ये आपला सूर्य आहे, सूर्याभोवती फिरणारा तीसरा ग्रह..आपली पृथ्वी आहे आणि त्यावर आपले मानवा चे अस्तित्व आहे आणि आपण कूपमंडूक वृत्तीने जाती, धर्म यात गुरफटून आपल्या ज्ञानाच्या कक्षा मर्यादित करतो आहोत.
विश्वाचे भवितव्य काय असेल..? विश्वाचा शेवट कसा असेल ? की विश्वाला शेवटचं नसेल ? सध्या हे प्रश्न आपल्यासमोर आहेत. या प्रश्नावर पुढील भागात सविस्तर विवेंचन करूया.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freez
भाग ११
विश्वाचा शेवट कसा असेल ? विश्वाला शेवट असेल का ? प्रसरण पावणारे विश्व पुन्हा आकुंचन पाऊन त्याचा महाविलय होईल की विश्व निरंतर प्रसरण पावतच राहील ? बिग बँग थिअरीमुळे विश्वाच्या भवितव्यासंबंधी हे असे प्रश्न आज आपल्यासमोर आहेत. बिग बँग थिअरीला अलीकडच्या काळातील विश्वनिर्मितीसंबंधी इतर काही सिद्धांतांनी आव्हान दिले आहे. ब्रेनवर्ल्ड थिअरी, बिग बाऊन्स थिअरी, सुपरफ्लुईड स्पेसटाईम हे काही सिद्धांत त्यात अग्रणी आहेत.
विश्वाचे भवितव्य ठरवण्यासाठी तीन संकल्पनांचे अचूक मूल्य आपल्याला माहिती व्हायला पाहिजे. त्या तीन संकल्पना म्हणजे ओमेगा, H (हबल स्थिरांक) आणि लॅम्डा.
ओमेगा आपल्या विश्वातील पदार्थाची सरासरी घनता दर्शवतो. H किंवा हबल स्थिरांक आपल्या विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग दर्शवतो आणि लॅम्डा रिकाम्या पोकळीतील ऊर्जा दर्शवते (म्हणजेच डार्क एनर्जी). या तीघांचे निश्चित मूल्य काढण्यासाठी शास्त्रज्ञांचे प्रयत्न सुरू आहेत. विश्वाच्या प्रसरणाला ओमेगाची मर्यादा आहे. जर ओमेगाचे मूल्य १ पेक्षा कमी असेल आणि लॅम्डा चे मूल्य ० असेल तर विश्वात पदार्थाचे प्रमाण इतके कमी असेल की ते विश्वाचे प्रसरण थांबवू शकत नाही. असे विश्व निरंतर प्रसरण पावत राहील. ओमेगा चे प्रमाण कमी, H आणि लॅम्डा चे मूल्य जास्त असेल तरी अशीच परिस्थिती होईल. अश्या विश्वाचे तापमान विश्व जसजसे प्रसरण पावेल तसतसे कमीकमी होत जाईल. यालाच बिग फ्रीझ असे म्हणतात. बिग फ्रीझ मध्ये विश्व निरंतर प्रसारण पावत राहील, दीर्घिका एकमेकांपासून लांब जातील, ताऱ्यांचा जीवनक्रम संपल्यावर नवीन तारे निर्मितीची पदार्थ विखुरला गेल्याने काहीच शक्यता नसेल. विश्वात हळूहळू अंधार होईल.
जर ओमेगा चे मूल्य १ पेक्षा जास्त असेल, लॅम्डा शून्य असेल आणि H कमी असेल तर विश्वाच्या प्रसारणाला पदार्थ मर्यादा घालून विश्वाचे आकुंचन सुरू होईल. विश्वाचे तापमान झपाट्याने वाढेल आणि सर्व विश्व एका विशेषवस्थेत (singularity) एकवटेल. यालाच बिग क्रंच असे म्हणतात.
ओमेगाचे मूल्य जर १ असेल, लॅम्डा शून्य असेल तर विश्वातील पदार्थांची घनता सुमारे १० हायड्रोजन अणू प्रति घन मीटर एवढी असेल. या परिस्थितीत विश्व स्थिर पणे प्रसरण पावत राहील. गुरुत्वाकर्षण आणि डार्क एनर्जी मध्ये रस्सीखेच चालू राहील.
याव्यतिरिक्त आणखीन एक शक्यता आहे. डार्क एनर्जी चे प्रमाण मर्यादेपेक्षा जास्त असेल तर विश्व इतक्या वेगाने प्रसरण पावेल की पदार्थाचे अपकर्षण होऊन त्यातील अणूंचे, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन चे तुकडे होतील…एखाद्या कागदाला दोन्ही बाजूंनी ताणून खेचला असता जसा कागद फाटतो तसेच काहीसे पदार्थांचे होईल. या प्रकाराला बिग रिप म्हणतात. डार्क एनर्जी चा दाब आणि ऊर्जेची घनता जर -१ पेक्षा कमी असेल तर निर्माण होणाऱ्या व्हॉक्यूम ऊर्जेला फँन्टम एनर्जी अशी संज्ञा आहे. बिग रिप साठी ही फँन्टम एनर्जी (डार्क एनर्जी चे extreme रूप) कारणीभूत ठरेल.
सध्या तरी ओमेगा, H आणि लॅम्डा चे निश्चित मूल्य माहीत नाही. पण अलीकडेच WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेल्या निरीक्षणांचे विश्लेषण करून असा निष्कर्ष निघतोय की ओमेगा आणि लॅम्डा चे एकत्रित मूल्य १ च्या आसपास आहे. म्हणजेच विश्व सपाट आहे जे इनफ्लेशन थिअरीशी सुसंगत आहे. आपण जवळजवळ बिग फ्रीझ कडे वाटचाल करत आहोत. खरेतर आपण सध्या विश्वाच्या खूप चांगल्या कालखंडात आहोत. आपल्याला निरीक्षणासाठी दीर्घिका, क्वेसार, तेजोमेघ उपलब्ध आहेत. भविष्यात आपल्या भावी पिढ्यांच्या नशिबी एवढे सुख नसेल. दीर्घिका दूर निरीक्षणापलीकडे जातील, जुने तारे नष्ट होतील. नवीन तारे निर्माण होणार नाहीत. कृष्णविवरे क्ष किरणांचे उत्सर्जन करून विरून जातील. विश्वात अंधार पसरेल.विश्वाचा हळूहळू थंड आणि शांत अंत होईल.
समाप्त
©जयेश चाचड
भाग -१
महाभारात कृष्णाने अर्जुनाला विश्वरूप दर्शन दाखवले होते अशी नोंद आहे. अर्जुन विश्वाचे अफाट आणि विराट स्वरूप बघून भयग्रस्त झाला होता. आज आपली स्थितीही अर्जुनाहून वेगळी काय आहे ? विशाल तारे, दीर्घिका (galaxies), तेजोमेघ (nebula), कृष्णविवरे (black holes), क्वेसार (quasi stellar objects), डार्क मॅटर आणि डार्क एनर्जी…एक ना अनेक स्वरूपात विश्व आपले एक एक अंग उलगडून दाखवत आहे आणि हे सर्व पाहून अक्षरशः स्तिमित व्हायला होते. जसजसे आपण विश्वासंबंधी अधिक माहिती मिळवण्याचा प्रयत्न करतो आणि विश्वाचे स्वरूप आपल्या बुद्धीच्या आवाक्यात आहे असे वाटू लागते, तसतसे विश्वाचा एखादा नवीनच पैलू समोर येऊन आपली मती कुंठित होते. विश्वातील अंतराचा अंदाज लावताना आपली परिमाणे कमी पडू लागतात. नवीन परिमाणे शोधावी लागतात. विश्वाचे स्वरूप समजवून घेताना परिपूर्ण वाटणारे सिद्धांत सोडून नवीन सिद्धांत शोधावे लागतात.
आपले विश्व किती विराट आहे ? नुकत्याच हबल दुर्बिणीने नोंद केलेल्या ज्ञात दीर्घिकांची संख्या २ महापद्म (2 trillion) झाली आहे. प्रत्येक दीर्घिकेत अब्जावधी तारे आहेत. आपली आकाशगंगा ह्या महापद्म दीर्घिकांपैकी एक आणि आपला सूर्य आकाशगंगेतील अब्जावधी ताऱ्यांपैकी एक अतिसामान्य तारा. हे सर्व आकडे पाहून आपल्याला अफाट विश्वातील आपल्या नगण्य स्थानाची जाणीव झाल्याशिवाय रहात नाही. तरीही मानवाने अल्पावधीत विश्वाचे स्वरूप जाणून घेण्यासाठी कंबर कसली आहे. गेल्या शंभर, दीडशे वर्षात आपण ह्या बाबतीत मोठीच मजल मारली आहे. व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत (general theory of relativity), पुंजावाद (quantum mechanics) , तंतूसिद्धांत आणि त्याच्या सुधारित आवृत्या (string, super-string, M theory) यावर आपला विश्वरचनेचा (cosmology) अभ्यास अवलंबून आहे. अर्थात भविष्यात एखादा नवीन परिपूर्ण सिद्धांतही मांडला जाईल.
आपले विश्व निर्माण कसे झाले, त्याला आदी आणि अंत आहे का, ते सतत प्रसारणशील राहील का, विश्वाचा अंत असेल तर तो कसा असेल…एखाद्या बिंदूत एकवटून जाणारा प्रलयंकारी की सतत प्रसरण पावल्यामुळे थंड आणि शांत. एक ना अनेक, असे प्रश्न आपल्याला पूर्वीपासून पडत आहेत. या प्रश्नांची उत्तरे शोधण्यासाठी जीनेव्हा, स्वित्झलँड येथे १० सप्टेंबर २००८ पासून शास्त्रज्ञानी एक महाप्रयोगाचा आरंभ केला आहे. मानवाच्या इतिहासातील सर्वात मोठे यंत्र LHC म्हणजेच Large Hydron Collider हा सूक्ष्मकण त्वरक (particle accelerator) या दिवसापासून कार्यरत झाला. या प्रयोगामध्ये ८५ देशातील सुमारे ८ हजार शास्त्रज्ञ एकत्र आले आहेत. विश्वाच्या निर्मितीवेळेची भौतिक परिस्थिती अतिशय सूक्ष्म स्वरूपात निर्माण करून त्याद्वारे विश्वरचनेचा अभ्यास प्रत्यक्ष प्रयोगातून करायचा असे एकंदरीत या महाप्रयोगाचे स्वरूप आहे.
विश्वाची निर्मिती कशी झाली असावी? याची सुरवात झाली १९२० च्या दशकात.एडविन हबल याने अमेरिकेतील माउंट विल्सन वेधशाळेतील दुर्बिणीतून निरनिराळे तारकापुंज पाहिले. हे सर्व तारकापुंज म्हणजेच आपल्या आकाशगंगेसारख्याच विविध दीर्घिका असल्या पाहिजे हे त्याच्या लक्षात आले. तेव्हापर्यंत आपले विश्व म्हणजेच आपली आकाशगंगा असेच समजले जात होते. हबलच्या या संशोधनामुळे विश्वाची व्याप्ती अचानक वाढून आकाशगंगारूपी असंख्य बेट असलेला महासागर अशी झाली. हबल एवढ्यावरच थांबला नाही, ह्या अनेक दीर्घिकांचे सतत निरीक्षण करून त्याच्या असे लक्षात आले की या दीर्घिकांचे ताम्रस्मृती म्हणजेच red shift जास्त आहे. प्रकाशकिरण लोलकातून गेले असता त्यांचे सात रंगात विभाजन होते असे न्यूटनने दाखवून दिले होते. या दीर्घिकांच्या प्रकाशाचा वर्णपट (spectrum) काढला असता त्यातील रेषा लाल रंगाकडे सरकलेल्या दिसल्या. याचाच अर्थ या दीर्घिकातून निघालेल्या प्रकाशलहरींची तरंगलांबी (wave length) वाढली होती म्हणजेच या दीर्घिका एकमेकांपासून दूर जात होत्या. विश्व चक्क प्रसारण पावत होते. खूप ठिपके असलेल्या एका फुग्याची कल्पना करा. जसजशी त्यात हवा भरत जाईल आणि तो फुगत जाईल आणि आधी जवळ असलेले ठिपके एकमेकांपासून दूर जातील. विश्वाचे हे असेच काहीतरी होत आहे. विश्व प्रसरण पावत आहे असा एक महत्वपूर्ण शोध एडविन हबल ने लावला. हबल च्या याच संशोधनाचा आधार घेऊन जॉर्ज लॅमेत्रा या बेल्जीयन धर्मगुरुने जर आता विश्व प्रसारण पावत असेल तर फार पूर्वी ते एका प्राथमिक अणूसदृश्य बिंदूत एकवटले असले पाहिजे असा सिद्धांत मांडला. पुढे विकसित होणाऱ्या big bang theory ची ही सुरवात होती.
क्रमश:
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग २
जॉर्ज लेमात्रा याने १९२७ साली एडविन हबल च्या प्रसारणशील विश्वाच्या अनुषंगाने असे मांडले की विश्व हे एक सुपरऑटम मधून निर्माण झाले असावे. या सुपरऑटम ची घनता आणि तापमान प्रचंड असले पाहिजे. (वायूचे तापमान खूप दाबाखाली वाढते) या सुपरऑटमचाच स्फोट होऊन आजचे विश्व अस्तित्वात आले असावे. अर्थात या संकल्पनेवर आक्षेप घेणारेही बरेच होते. प्रसिद्ध ब्रिटिश शास्त्रज्ञ ऑर्थर एडिंगटन यांचा या संकल्पनेला विरोध होता. कालांतराने एक larger than life व्यक्तिमत्व या थिअरी च्या समर्थनासाठी पुढे आले ते म्हणजे जॉर्ज गॅमॉव्ह.
गॅमॉव्हने दाखवून दिले की बिग बँग च्या वेळी जे प्रचंड तापमान होते त्यातूनच मूलद्रव्यांची निर्मिती झाली असावी. गॅमॉव्ह गमतीने या प्रकाराला “विश्वाचे प्रागैतिहासिक स्वयंपाकघर” (Pre-historic kitchen of the universe) असे म्हणत असे. सध्या ह्या प्रक्रियेला nucleosynthesis म्हणून ओळखले जाते. गॅमॉव्ह च्या कल्पनेप्रमाणे बिग बँगच्या वेळी असणाऱ्या प्रचंड तापमानामुळे एक अखंड साखळीप्रक्रिया होऊन हायड्रोजन ची निर्मिती आणि हायड्रोजनच्या अणूपासून इतर मूलद्रव्यांची झाली. मेंडेलीफच्या आवर्तसारणीत असलेल्या सर्व रासायनिक मूलद्रव्यांची निर्मिती बिग बँगच्या प्रचंड तापमानामुळे झाली असे गॅमॉव्हचे म्हणणे होते. बिग बँगच्या वेळी विश्व अतितप्त प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन कणांचा संग्रह होता. त्यात सन्मिलन (fusion) होऊन हायड्रोजन आणि हेलियम ही प्राथमिक मूलद्रव्ये निर्माण झाली. हीच प्रक्रिया पुढे सुरू राहून लिथियम आणि बेरिलियम ही पुढची मूलद्रव्येही तयार झाली. आशा पद्धतीने अणुकेंद्रात जास्तीत जास्त मूलकणांचे fusion होऊन जड मूलद्रव्यांची निर्मिती झाली.
गॅमॉव्हने या संकल्पनेच्या प्राथमिक रुपरेषेवर काम केले आणि आपला Ph.D चा विद्यार्थी राल्फ आल्फर याला त्याचे detailing करायला सांगितले. पुढे ही थिअरी मांडताना एक प्रॅक्टिकल जोक करण्याचा मोह गॅमॉव्हला आवरला नाही. हॅन्स बेथे या आपल्या शास्त्रज्ञ मित्राचे नावही त्याने बेथेच्या परवानगी शिवाय या प्रबंधला जोडून या थिअरी चे नाव अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी ठेवले.
या अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी ला मर्यादा होत्याच. हलक्या मूलद्रव्यांसाठी ही थिअरी एकदम अचूक होती, पण ५ आणि ८ प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन असणाऱ्या मूलद्रव्यांच्या बाबतीत तितकीशी योग्य नव्हती. या जड मूलद्रव्यांच्या निर्मितीचा प्रश्न सोडवला तो बिग बँग थिअरीचा कट्टा विरोधक आणि गॅमॉव्ह सारखेच larger-than-life व्यक्तिमत्व असणाऱ्या फ्रेड हॉयल ने.
क्रमश:
__________
The History of the Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ३
बिग बँग आणि मूलद्रव्यांची निर्मिती यविषयी जॉर्ज गॅमॉव्ह ने उल्लेखनीय संशोधन केले. पण त्याची अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरी वस्तुमान क्र. ५ आणि ८ पुढील मूलद्रव्यांच्या निर्मितीविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण देत नव्हती. या बिग बँग थिअरीला विरोधकही होतेच. या विरोधकात सर्वात अग्रणी असणारे नाव म्हणजे फ्रेड हॉयल. गंमत म्हणजे बिग बँग थिअरीला असणारे “बिग बँग” हे नाव फ्रेड हॉयल यानेच एकदा BBC वरील भाषणात उपहासाने वापरले होते. ते इतके लोकप्रिय झाले की ही थिअरी आजही बिग बँग म्हणूनच ओळखली जाते.
फ्रेड हॉयलचा या थिअरीला विरोध असण्याचे कारण म्हणजे एडविन हबलने दूरच्या दीर्घिकातून येणाऱ्या प्रकाशाचे केलेले चुकीचे गणित. अर्थात त्यावेळी ही चूक हबलच्या लक्ष्यात आली नव्हती. या चुकीच्या मोजमापामुळे विश्वाचे वय सुमारे १.८ अब्ज वर्षे येत होते. पण काही भूगर्भशास्त्रज्ञाचा दावा होता की पृथ्वी आणि सूर्य त्याहून जुने आहेत. पृथ्वीवर आढळणाऱ्या काही प्राचीन खडकांच्या अध्ययनावरून त्यांनी हा निष्कर्ष काढला होता. विश्व हे त्यातील घटकांपेक्षा तरुण कसे असू शकते हा एक मोठा प्रश्न होता आणि हॉयलच्या बिग बँग थिअरीच्या विरोधाचे प्रमुख कारण होते. हॉयलने पुढे थॉमस गोल्ड आणि हर्मन बॉन्डी या आपल्या मित्रांसमवेत बिग बँग थिअरीच्या विरोधात स्वतःची थिअरी मांडली. स्थिरस्थिती किंवा स्टेडीस्टेट थिअरी असे त्या थिअरीचे नाव.
या स्टेडीस्टेट थिअरीनुसार विश्वाला सुरवात आणि शेवट नव्हता. विश्व प्रसरण पावत होते पण नवीन पदार्थ पोकळीत (empty space) निर्माण होत होता त्यामुळे विश्वाची एकूण घनता कायम रहात होती. हॉयल आणि प्रभूती या पदार्थनिर्मितीविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण देऊ शकली नाहीत तरी बिग बँग थिअरीच्या विरोधकांनी ही स्टेडिस्टेट थिअरी उचलून धरली. याच थिअरीच्या नवीन आवृत्ती वर काम करताना हॉयलने गॅमॉव्ह ला न सुटलेला जड मूलद्रव्य निर्मितीचा प्रश्न सोडवला. हॉयला आढळून आले की जड मूलद्रव्ये ही बिग बँगच्या वेळी निर्माण झाली नसून ती बिग बँग नंतर ताऱ्यांच्या अंतर्भागात तयार झाली असावीत. जर ताऱ्यांच्या अंतर्भागात मूलद्रव्यांची निर्मिती होत असेल तर मग बिग बँग ची आवश्यकताच नाही असे त्याचे म्हणणे होते.
१९४० ते १९५० च्या दशकात हॉयलने प्रसिद्ध केलेल्या प्रबंधाच्या मालिकेत त्याने ताऱ्यांच्या अंतर्भागात होत असलेल्या मूलद्रव्यनिर्मितीचे सविस्तर विवेनचं केले.ताऱ्यांच्या अंतर्भागात अणुकेंद्रात जास्तीत जास्त प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन मिसळून जड मूलद्रव्ये तयार होतात, कमीत कमी लोखंडापर्यंत तरी. हॉयल ने दाखवून दिले की पूर्वी जो अस्थिर कार्बन होता (जो तीन हेलियम च्या अणुकेंद्रापासून बनला होता) तो वस्तुमान क्र. ५ आणि ८ च्या पुढच्या मूलद्रव्यांच्या निर्मितीसाठी एक पुलाचे काम करतो. असे असले तरी लोखंडच्या पुढच्या मूलद्रव्यांच्या निर्मितीसाठी आवश्यक उष्णता ताऱ्यांच्या अंतर्भागात नसते. यासाठी जास्त ऊर्जेची आवश्यकता असते. ही अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करतात ते सुपरनोव्हा आणि हायपरनोव्हा. सूर्याच्या कित्येक पट वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्यांचे इंधन म्हणजेच हायड्रोजन संपले की ते तारे स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडून त्यांचा प्रचंड स्फोट होतो आणि खूप मोठ्या प्रमाणात ऊर्जेचे उत्सर्जन होते. या प्रचंड उर्जेतूनच अधिक जड मूलद्रव्यांची निर्मिती होते. आपण दागिन्यांत जे सोने वापरतो ते अशाच एखाद्या supernova explosion मध्ये निर्माण झालेय. किंबहुना आपल्या शरीरातील मूलद्रव्यांची निर्मिती ही ताऱ्यांच्या अंतर्भागात किंवा सुपरनोव्हा च्या स्फोटात झाली आहे. एका अर्थाने आपण ताऱ्यांचे वंशज आहोत.
स्टेडीस्टेट थिअरीने बिग बँग थिअरीला चांगलीच लढत दिली. पण गॅमॉव्हने बिग बँग थिअरिसबंधी वर्तवलेली एक शक्यताच या लढतीत निर्णायक ठरणार होती.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ४
स्टेडीस्टेट थिअरीने बिग बँग थिअरी समोर चांगलेच आव्हान निर्माण केले होते. पण बऱ्याचश्या निरीक्षणात्मक गोष्टी स्टेडीस्टेट थिअरीच्या विरोधात जात होत्या. हॉयल ला जाणवत होते की तो एक हरणारी लढाई लढत होता. स्टेडीस्टेट थिअरी नुसार विश्वातील रिकाम्या जागी नवीन पदार्थ निर्माण होत होता. याविषयी समाधानकारक स्पष्टीकरण हॉयल आणि त्याचे सहकारी देऊ शकत नव्हते. पुढे १९६० च्या दशकात आढळून आलेल्या रहस्यमय क्वेसार (Quasi Stellar Objects) ने स्टेडीस्टेट थिअरीसमोर आव्हान उभे केले. स्टेडीस्टेट थिअरी नुसार क्वेसार विश्वात सगळीकडे समप्रमाणात आढळून यायला पाहिजे होते. पण प्रत्यक्ष निरीक्षणांती क्वेसार हे अब्जावधी प्रकाशवर्ष दूर आढळून आले. आपल्या जवळपास एकही क्वेसार आढळत नाही. याचाच अर्थ क्वेसारची निर्मिती विश्वाच्या निर्मितीच्या काही कालावधीनंतर झाली असावी. दुसरे म्हणजे शास्त्रज्ञांच्या मते विश्वात हेलियमचे प्रमाण जास्त होते. विश्वातील एकूण अणूंपैकी २५% अणू हे हेलियमचे आहे आणि ते हायड्रोजन नंतर दुसऱ्या क्रमांकाचे विपुल मूलद्रव्य आहे. स्टेडीस्टेट थिअरीनुसार हेलियमची निर्मिती ताऱ्यांच्या अंतर्भागात होत असेल तर विश्वात सर्वदूर असणारे हेलियम कुठून आले. इथे गॅमॉव्हच्या nucleosynthesis चे स्पष्टीकरण योग्य होते.
बिग बँग थिअरी आणि स्टेडीस्टेट थिअरी यांच्या लढतीत गॅमॉव्हने वर्तवलेली एक शक्यता निर्णायक ठरणार होती. गॅमॉव्हच्या मतानुसार जर बिग बँगच्या वेळी विश्व अतितप्त असेल तर त्यावेळची उष्णता आजही प्रारणाच्या स्वरूपात विश्वात आढळून येईल. हे एकप्रकारे विश्वनिर्मितीचे जीवाश्म (fossil) असेल. गॅमॉव्हने असे मानले की बिग बँगची सुरवात अतितप्त न्यूट्रॉनच्या गाभ्यापासून झाली. जर आपण ह्या गाभ्याचे तापमान मोजू शकलो तर ह्या गाभ्याने उत्सर्जित केलेल्या प्रारणाचे प्रमाण आणि स्वरूप आपण मोजू शकू. पुढे गॅमॉव्हने दाखवून दिले की ह्या अतितप्त गाभ्याने उत्सर्जित केलेले प्रारण हे black body radiation या स्वरूपाचे असतात. ह्या प्रकारचे प्रारण खूप तप्त अश्या स्रोतातून निघतात, स्रोतातून निघालेला प्रकाश शोषून घेतात आणि विशिष्ट पध्द्तीने प्रारण उत्सर्जित करतात. जर या स्रोतांचा रंग कळला तर त्या स्रोताचे अंदाजे तापमान निश्चित करता येते. याबाबतीत गणिती समीकरण प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ मॅक्स प्लॅन्क याने मांडले होते. (यातूनच पुढे पुंजवादाची म्हणजेच quantum mechanics ची सुरवात झाली होती). गॅमॉव्ह चे Ph. D चे शिष्य राल्फ आल्फर आणि रॉबर्ट हर्मन यांनी गॅमॉव्ह च्या संकल्पनेवर काम करून विश्वाने बाल्यावस्थेत असताना उत्सर्जित केलेल्या प्रारणाचे तापमान मोजण्याचा प्रयत्न केला आणि ते निरपेक्ष शून्याच्या ५ अंश वरती असे निश्चित केले. (आधुनिक साधनांच्या सहाय्याने त्याची value निरपेक्ष शून्याच्या २.७ अंश वरती आहे). खूपशी वर्ष विश्वाचे तापमान इतके प्रचंड होते की अणूनिर्मिती शक्य नव्हती. अणूनिर्माण व्हायला लागले की प्रचंड तापमानामुळे त्याचे तुकडे व्हायचे आणि खूपसे इलेट्रॉन विखुरले जायचे. कोणताही प्रकाश या अतितप्त विश्वात काही अंतरावरच शोषला जायचा त्यामुळे विश्व त्यावेळी अपारदर्शी होते. सुमारे ३ लाख ८० हजार वर्षांनी, तापमान ३००० अंशांनी कमी झाल्यावर अणूनिर्मिती शक्य झाली, प्रकाश अवकाशात विखरला आणि अपारदर्शी विश्व पारदर्शी झाले. जे प्रारण त्यावेळी उत्सर्जित झाले आणि जे शोषून घेतले गेले नाही ते प्रारण गॅमॉव्हच्या मते आजही विश्वात विखुरलेले असेल. इतक्या वर्षांच्या कालावधीनंतर ते प्रारण सुक्ष्मकिरणांच्या स्वरूपात आढळून येईल. यालाच cosmic microwave background radiation असे म्हणतात. गॅमॉव्ह ने १९४८ साली या cosmic microwave background radiation ची शक्यता वर्तवली होती. पुढे १९६५ साली अर्नो पेंझियाज} आणि रॉबर्ट विल्सन या जोडगोळीला हे प्रारण सापडले. स्टेडीस्टेट थिअरीला हा मोठाच धक्का होता. बिग बँग थिअरीच्या बाजूने हा निर्णायक पुरावाच होता.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ५
गॅमॉव्ह आणि हॉयल यांच्या वैचारिक लढ्याचा एक फायदा म्हणजे आपल्याला ताऱ्यांच्या जीवनपटाविषयी मिळालेली माहिती. बिग बँग थिअरी आणि स्टेडीस्टेट थिअरी च्या वादामध्ये जरी CMB च्या शोधामुळे बिग बँग थिअरी ने बाजी मारली तरी, काही प्रश्नांची समाधानकारक उत्तरे ही थिअरी देत नव्हती. ते प्रश्न होते फ्लॅटनेस प्रॉब्लेम, होरायझन प्रॉब्लेम आणि मोनोपोल प्रॉब्लेम.
१. फ्लॅटनेस प्रॉब्लेम : विश्व इतके सपाट का आहे या प्रश्नाचे उत्तर बिग बँग थिअरी कडे नव्हते. विश्वातील पदार्थाच्या घनतेसाठी Omega अशी संज्ञा वापरतात. याची किंमत १ च्या आसपास येते. त्यामुळे आपले विश्व हे सपाट स्वरूपाचे आहे. अशा विश्वाचे घनफळ अमर्याद असेल पण त्याचे अवकाश वक्र असणार नाही.
२. होरायझन प्रॉब्लेम : विश्व सर्वदूर एकसारखे दिसते असे का ? ज्या अंतरापर्यंत विश्वाचे निरीक्षण करता येते त्या अंतराला विश्वाचे क्षितिज म्हणतात. आपल्या निरीक्षणाच्या मर्यादेच्या दोन विरुद्ध बाजुकडील दोन बिंदू एकमेकांवर प्रभाव टाकू शकणार नाहीत कारण विश्व प्रसारण पावतेय आणि कोणतीही गोष्ट प्रकाशाच्या वेगापेक्षा जास्त वेगाने नाही जाऊ शकत हा आईन्स्टाईनच्या विवंक्षित सापेक्षता सिद्धांताचा नियम आहे. तरी विश्वात सर्व दिशांना अब्जावधी प्रकाशवर्षे अंतरापर्यंत समानता आढळते ती का याचे स्पष्टीकरण बिग बँग थिअरी नाही देऊ शकत.
३. मोनोपोल प्रॉब्लेम : विश्वात मोनोपोल आढळत नाहीत. मोनोपोल म्हणजे एकच चुंबकीय ध्रुव. जरी चुम्बकाचे दोन तुकडे केले तरी त्यात दोन ध्रुव आढळतात. मोनोपोल आपल्या ज्ञात विश्वात आढळून येत नाहीत. असे का याचे स्पष्टीकरण बिग बँग थिअरी देत नाही.
बिग बँग थिअरीत सुधारणा घडवून आणून त्याद्वारे वरील प्रश्न सोडवण्याचा प्रयत्न केला तो अॅलन गुथ ने आपली प्रसिद्ध inflation थिअरी मांडून. अॅलन गुथ ने १९८१ साली असे प्रतिपादन केले की विश्वाचे वय १०^-३६ सेकंद असताना विश्वाला फुगवटा येऊन त्याचा व्यास अचानक १०^५० पटीने वाढला असावा. हा प्रकार विश्व १०^-३४ सेकंदाचे होईपर्यंत सुरू होता. एक अतिसूक्ष्म प्रोटॉन ची कल्पना करा जो सूक्ष्मदर्शकातूनही दिसत नाही. सेकंदाच्या अत्यल्प भागात ह्या प्रोटॉनचा आकार वाढून क्रिकेटच्या बॉल एवढा झाला. हे असे कसे झाले असावे हे समजवून घेण्यासाठी आपल्याला पदार्थाचे transformation आणि थोडे quantum mechanics समजवून घ्यावे लागेल.
आपल्याला पाण्याच्या बर्फ, पाणी आणि वाफ ह्या तीन अवस्था माहीत आहेत. शून्य अंश सेल्सियस ला पाण्याचे बर्फात रूपांतर होते आणि १०० अंश सेल्सियस ला वाफेत. आता शून्य अंश सेल्सियस तापमानाखाली पण पाण्याला द्रवरूप अवस्थेत काहीकाळ ठेवणे शक्य आहे. या अवस्थेला सुपरकूल स्टेट म्हणतात. अशा अवस्थेत पाणी फार काळ टिकाव धरू शकत नाही. बाह्य स्थितीत किंचित जरी बदल झाला तरी पाण्याचे लगेच बर्फ होते आणि या transformation मध्ये कृत्रिमरीत्या दाबून ठेवलेली ऊर्जा मुक्त होते. तापमान कमी होत असताना विश्व एक विशिष्ट क्षणी सुपरकूल अवस्थेत गेले. कोणत्याही स्थितीत न्यूनतम ऊर्जा अवस्थेला पोहोचणे हा विश्वाचा एक गुणधर्म आहे. विश्वाचा विस्तार होत असताना quantum mechanics मधील tunnel effect घडला असावा आणि गाडी ज्याप्रमाणे बोगद्यातून आरपार निघून जाते त्याप्रमाणे प्रसरण पावणाऱ्या विश्वाचा बुडबुडा false vacuum (ऊर्जेची उच्च स्थिती) अवस्थेतून true vacuum (ऊर्जेची नीचतम स्थिती) अवस्थेत रूपांतरित झाला. आपले विश्व false vacuum मधून निर्माण झाले तेव्हा विद्युतचुंबकीय, मंद आणि तीव्र अशी तीन बले एकच होती (गुरुत्वाकर्षण आधीच प्लॅन्क युगात इतर बलांपासून वेगळे झाले होते). या true vacuum च्या tunnel effect द्वारे transformation मुळे सममिती भंग (symmetry breaking) होऊन ही बले वेगवेगळी झाली. ज्याप्रमाणे पाण्याचे स्थित्यंतर बर्फात होताना सममिती भंग होतो आणि बर्फ पाण्याप्रमाणे नितळ रहात नाही तसेच काहीसे विश्वाचे झाले असावे. विश्वाला आलेल्या ह्या फुगवट्यामळे विश्वातील दोन कण एकमेकांपासून प्रकाशपेक्षा जास्त वेगाने दूर झाले. अर्थात ह्याने आईनस्टाइन च्या विवक्षित सापेक्षतेचा भंग होत नाही कारण प्रकाश ज्या अवकाशातून प्रवास करतो ते अवकाशच प्रचंड वेगाने प्रसरण पावत होते. एखादा फुगा क्षणार्धात पुरेसा फुगवला तर त्याच्या पृष्ठभागाच्या फुगीर पणा जाऊन एक प्रकारचा सपाटपणा येतो तसाच सपाटपणा विश्वाला आला आहे.
ह्या inflation थिअरीने बिग बँग थिअरी देऊ शकत नसलेल्या प्रश्नांची उत्तरे दिली…आजही WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेली निरीक्षणे या inflation थिअरीशी सुसंगत आहेत.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ६
अॅलन गुथ च्या inflation थिअरी ने बिग बँग थिअरीला पडलेले बरेचसे प्रश्न सोडवण्यास मदत केली. बिग बँग च्या सुमारास विश्वात आज वेगवेगळ्या आढळणाऱ्या चार बलांचे (forces) स्वतंत्र अस्तित्व नव्हते. एकच असे सुपरफोर्स असून कालांतराने विश्वाचे phase transition होत असताना, सममिती भंग होऊन (symmetry breaking) विश्वाला आलेल्या फुगवट्या (inflation) दरम्यान एक एक बल वेगवेगळे झाले. त्यापैकी गुरुत्वाकर्षण हे inflation आधीच प्लॅन्क काळात इतर बलांपासून सर्वप्रथम वेगळे झाले होते. बिग बँग पासून १०^-४३ सेकंदाच्या काळाला प्लॅन्क टाईम म्हणतात. यावेळी विश्वाचे वस्तुमान २×१०^-५ ग्रॅम एवढे असून विश्वाचा आकार २×१०^-३३ सेंटीमीटर होता. आपल्या कल्पनेच्या पलीकडचे हे अति अति सूक्ष्म आकडे आहेत. ही मोजमापे असणाऱ्या वस्तूला क्वांटम ब्लॅक होल असे नाव आहे. प्लॅन्क काळात अनेक सूक्ष्म कृष्णविवरे (mini black holes) असावीत. त्यापैकी काही आजही शिल्लक असावीत पण अजून त्यांचा शोध लागलेला नाहीये. विश्वातील इतर बले म्हणजे विद्युतचुंबकीय बल, तीव्र बल आणि मंद बल हे inflation दरम्यान वेगवेगळे झाले असावे. अॅलन गुथची inflation थिअरी बिग बँग चे प्रश्न सोडवत असली तरी एका प्रश्नाचे समाधानकारक उत्तर देत नव्हती, तो प्रश्न म्हणजे inflation बंद का झाले असावे.
एक भांड्यात उत्कलन बिंदूपर्यंत उकळणाऱ्या पाण्याची कल्पना करा. उकळून वाफ होण्यापूर्वी पाणी अति ऊर्जेच्या पातळीवर असते पण त्याची वाफ होत नाही कारण त्यासाठी एखादा बुडबुडा निर्माण व्हायला लागतो. आणि एकदा बुडबुडा निर्माण झाला की लगेच पाणी नीच्चतम ऊर्जा पातळीवर म्हणजेच true vacuum मध्ये जाते आणि भांडे बऱ्याचश्या बुडबुडयांनी भरून जाते. हे बुडबुडे मोठे होऊन एकमेकात मिसळून जातात आणि भांडे वाफेने भरून जाते. पाण्याचे वाफेत phase transition पूर्ण होते. अॅलन गुथने प्रतिपादन केलेलं inflation हे या भांड्यातील बुडबुड्याप्रमाणे आहे. पण यात एक समस्या होती की बुडबुडे एकमेकात मिसळण्यापूर्वीच त्यातील अवकाश हे प्रसरण पावून बुडबुडे एकमेकांपासून दूर जात होते.
१९८१ साली आंद्रे लिंद ह्याने या बुडबुडे एकत्र न येण्याचा तोडगा सुचवला. बुडबुडे इतके मोठे पाहिजेत की संपूर्ण विश्वच त्यात सामावले पाहिजे. हे साधण्यासाठी सममितीचा (symmetry) चा सममिती भंगाकडे (symmetry breaking) होणारा बुडबुड्यातील प्रवास फारच सावकाश व्हायला हवा. काही महिन्यांनी पॉल स्टाइनहार्ट आणि ल अन्ड्रीअस अल्ब्रेख्ट यांनी लिंद सारखीच कल्पना स्वतंत्रपणे मांडली. एखाद्या धरणाची स्थिती false vacuum सारखी असते. धरण जेवढे जास्त रुंद तितके पाण्याला त्यातून कालव्यावाटे बाहेर पडण्यास वेळ लागणार. हा tunnel effect जर लांबला तर एकच बुडबुडा inflation चे समर्थन करण्यास पुरेसा आहे. या वैश्विक बुडबुड्या (cosmic bubble) पासूनच्या inflation ला graceful exit problem असे गमतीशीर नाव आहे.
१९८३ साली लिंद ने या new inflation मॉडेल मध्ये सुधारणा करून chaotic inflation असे सुधारित मॉडेल विकसित केले. यात अवकाशाच्या कोणत्याही भागात तत्काल भग्नता येऊन थोडे inflation असणारी विश्वनिर्मिती होते. यात अवकाशाला फुगवटे येऊन प्रत्येक फुगवटा म्हणजे एक विश्व असते. आपले विश्व हे असेच एक मूळ विश्वाला आलेला फुगवटा असून अशी बरीचशी विश्वे अस्तित्वात आहेत. काही विश्वात ओमेगा जास्त असल्यामुळे अशी विश्वे जन्मताच त्यांचा big crunch द्वारे विनाश होत असावा. त्याउलट काही विश्वात ओमेगा अत्यल्प असल्याने ती निरंतर प्रसरणशील असतील. अशा प्रकारे समांतर विश्वाचे अस्तित्व असू शकेल. जर विश्व सुरवातीला अतिसूक्ष्म असेल तर त्याला quantum mechanics चे नियम लावले लागतील आणि हायझेनबर्ग च्या अनिश्चितता तत्वानुसार ज्याप्रमाणे अणूकेंद्राभोवती फिरणारा इलेक्ट्रॉन एकाच वेळी सर्व संभाव्य जागी असू शकतो तसेच एकाच वेळी अनेक विश्वाचे अस्तित्व असू शकते. सध्यातरी अशी शक्यताच आपण वर्तवू शकतो.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : from Big Bang to Big Freeze
भाग ७
बिग बँग ते प्लँक काळापर्यंत एकच सुपर फोर्स चे अस्तित्व होते आणि विश्वाचे अवस्थांतरण (phase transition) होताना एक एक फोर्स अथवा बल वेगवेगळे होऊन सध्या अस्तित्वात असलेली चार बले वेगळी झाली. गुरुत्वाकर्षण, विद्युतचुंबकीय, मंद आणि तीव्र अशी ही चार बल आहेत. सामर्थ्याच्या बाबतीत या बलांपैकी गुरुत्वाकर्षण बल सर्वात क्षीण आहे, त्यानंतर मंद बल, विद्युतचुंबकीय बल आणि तीव्र बल असा क्रम आहे. तीव्र बल सर्वात सशक्त बल आहे.
गुरुत्वाकर्षण जरी सर्व बलात क्षीण बल असले तरी विश्वातील सर्वात प्रभावशाली बल आहे. ग्रॅव्हीटॉन्स नावाचे मूलकण या बलाचे वाहक आहेत असे मानले जाते. विद्युतचुंबकीय बलांचे वाहक हे फोटॉन कण आहेत. दृश्य प्रकाश हा एक विद्युतचुंबकीय लहरींचाच प्रकार आहे, फोटॉन कण हे एकच वेळी कण आणि लहर या दोन्हींचे गुणधर्म दर्शवतात. यास वेव्ह पार्टीकल ड्युयालिटी असे म्हणतात. मंद बल हे रेडिओक्टिव्ह डिके ला कारणीभूत ठरते. W आणि Z बोसॉन हे मंद बलाचे वाहक आहेत. अणूकेंद्रातील प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांना एकत्र ठेवण्याचे काम तीव्र बल करते.ग्लुऑन कण या बलाचे वाहक आहेत.
या चारही बलांना एक करणारा सिद्धांत मांडणे हा शास्त्रज्ञांपुढील एक गहन प्रश्न आहे. आईन्स्टाईन ह्यांनी आपल्या आयुष्याची तीस वर्षे हा सिद्धांत शोधण्यात खर्च केली पण त्यांना यश आले नाही. १९६७ साली स्टीवन वाईनबर्ग आणि अब्दुस सलाम यांनी मंद बल आणि विद्युतचुंबकीय बल यांच्या एकीकरणाचा सिद्धांत मांडला. इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनो कण (ज्यांना लेप्टोन म्हणतात) हे एकमेकांशी W आणि Z बोसॉन तसेच फोटॉन कण यांची देवाणघेवाण करतात असे काहीसे या थिअरीचे स्वरूप आहे. या थिअरीत पुढे ग्लुऑन कण जोडून तीव्र बलाची क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स ही थिअरी मांडता येते.
या चार बलांच्या एकीकरणात एक अडचण होती. गुरुत्वाकर्षण काही त्यात बसत नव्हते. काही शास्त्रज्ञांच्या मते गुरुत्वाकर्षण हे बल नसून अवकाशकाळातील वक्रतेचा परिणाम आहे. यासम्बधी अजून निश्चित काहीच सांगता येत नाही. कदाचित सुपरस्ट्रिंग थिअरी आणि क्वांटम ग्रॅव्हिटीची सांगड घालून पुढे आपल्या हाती काहीतरी लागू शकेल. या गुरुत्वाकर्षण सोडून इतर तीन बलांच्या एकीकरणाला स्टॅण्डर्ड मॉडेल असे नाव आहे. या थिअरीच्या अनुषंगाने शास्त्रज्ञानी अजून एक थिअरी मांडण्याचा प्रयत्न केला तो म्हणजे जीयुटी म्हणजेच ग्रँट युनिफिकेशन थिअरी. पण यात गुरुत्वाकर्षण बसवणे भलतेच अवघड काम आहे त्यामुळे सध्याची जीयुटी ही परिपूर्ण जीयुटी नाही. यासाठी ग्रॅव्हीटॉन कणांचे अस्तित्व सिद्ध करून त्यांचे फोटॉन, ग्लुऑन, इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो, W आणि Z बोसॉन या कणाबरोबरचे परस्परसंबंध सिद्ध करावे लागतील.
सामान्यतः कणांचे दोन प्रकारात वर्गीकरण करतात. पदार्थांचे कण आणि बलवाहक कण. साधारणत: ज्याची गिरकी किंवा स्पिन १/२ आहे त्यांना पदार्थकण (matter particles) म्हणतात. आणि ज्यांची गिरकी ०,१,२ आहे त्यांना बलवाहक कण (force particles) म्हणतात. त्यातही इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन कण हे फर्मीयॉन म्हणून ओळखले जातात. हे पदार्थकण आहेत तर ०,१,२ गिरकी असणारे कण बोसॉन या नावाने ओळखले जातात. भारतीय शास्त्रज्ञ सत्येंद्रनाथ बोस यांच्या स्मरणार्थ बोसॉन असे नामकरण करण्यात आलेले आहे. याव्यतिरिक्त मूलकणांचे हॅड्रोन आणि लेप्टोन असेही वर्गीकरण करणयात येते. प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, लॅम्डा कण हॅड्रोन आहेत तर इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो हे कण लेप्टोन आहेत. तसेच या कणांचे प्रतिकण ही आहेत. एकंदरीत या मूलकणांचे जग खूपच गुंतागुंतीचे आणि अनिश्चित आहे.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ८
फर्मीयॉन,लेप्टोन, बॅरिऑन, हॅड्रॉन….कोणताही मूलकण असो, आपल्याला ज्ञात असणाऱ्या विश्वाचा फक्त ३% भाग आहे. याचाच अर्थ ९७% विश्व आपल्याला अजून अज्ञात आहे. २३% विश्व व्यापलय ते डार्क मॅटर ने आणि ७४% विश्व व्यापलय ते डार्क एनर्जी ने. दोन्ही बाबतीत आज आपण नक्की काहीच सांगू शकत नाही.
याची सूरवात झाली १९३० पासून. स्विस शास्त्रज्ञ फ्रिट्झ झ्विकी याला आढळून आले कोमा दीर्घिकांच्या समूहातील दीर्घिका न्यूटनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या नियमानुसार काम न करता इतक्या वेगाने फिरत आहेत की गुरुत्वाकर्षणला न जुमानता त्या विखरून जायला हव्यात. एकतर न्यूटनचा नियम चुकीचा आहे नाहीतर या दीर्घिकांमध्ये काही अदृश्य पदार्थ आहे जो या दीर्घिकाना एकत्र जोडून ठेवतो. झ्विकीच्या संशोधनाकडे इतरांनी दुर्लक्ष्य केले. पुढे १९६२ साली व्हेरा रुबिन हीलाही आपल्या आकाशगंगेचे निरीक्षण करताना तोच प्रश्न जाणवला. आपल्या आकाशगंगेतील केंद्रापासून दूर असणाऱ्या काही निळ्या ताऱ्यांचे निरीक्षण करताना तिला आढळले की दूर असूनही ह्या ताऱ्यांचा वेग समान आहे, इतक्या वेगाने जर हे तारे आकाशगंगेच्या केंद्राभोवती फिरत असतील तर ते केव्हाच आकाशगंगेच्या गुरुत्वकर्षणातुन मुक्त व्हायला हवे होते. आपल्या आकाशगंगेत जेवढे तारे आहेत तेवढे गुरुत्वाकर्षणाने बद्ध करायला, आकाशगंगेचे वस्तुमान आताच्या वस्तुमानाच्या सुमारे १० पट असायला हवे होते. याचाच अर्थ आकाशगंगेचे ९०% वस्तुमान आपल्याला माहीत नाही अश्या कणांपासून बनलंय. यालाच पुढे डार्क मॅटर असे नाव दिले गेले.
काही शास्त्रज्ञ गटांचे मत आहे की डार्क मॅटर हा अज्ञात पदार्थ नसून ज्ञात पदार्थाचाच भाग आहे, ज्याला बेरियोनिक पदार्थ म्हणतात आणि ते बेरीयॉन या मूलकणांपासून बनलेले असतात.
ब्राऊन ड्वार्फ, न्यूट्रॉन तारे, कृष्णविवरे अश्या जवळजवळ अदृश्य वस्तूं म्हणजेच डार्क मॅटर ज्याला MACHOs (Massive Compact Halo Object) असे म्हणतात.
काही शास्त्रज्ञांचे असे मत आहे की डार्क मॅटर हे अतितप्त नॉन बेरियोनिक पदार्थांपासून, न्यूट्रिनोस पासून बनलेले आहेत, ज्याला हॉट डार्क मॅटर म्हणतात. काहींच्या मते डार्क मॅटर नवीनच आशा WIMPS (Weakly Interacting Massive Particle) पासून बनलेले आहे. यालाच कोल्ड डार्क मॅटर म्हणतात..LHC मध्ये प्रयोग सुरू आहेत. भविष्यात डार्क मॅटर चे निश्चित स्वरूप स्पष्ट होईल.
क्रमशः
__________
#The_History_of_the_Universe : From Big Bang to Big Freeze
भाग ९
१९१७ साली आईन्स्टाईनने लिहिलेल्या ‘कॉम्सोलॉजिकल कन्सिडरेशन ऑफ जनरल थिअरी ऑफ रिलेटीव्हीटी’ या निबंधात त्याने एक नव्या बलाचे अस्तित्व गृहीत धरले होते. विश्वाला स्थिरता देण्यासाठी आणि गुरुत्वकर्षणामुळे होणारा विश्वाचा अवपात टाळण्यासाठी गुरुत्वाकर्षणाला विरोध करणारे एक बल असावे असे आईन्स्टाईनने गृहीत धरले. याला वैश्विक अपकर्षण बल असे नाव दिले गेले. या बलाच्या अनुषंगाने एक नवीन संकल्पना गणिती सूत्राद्वारे आईन्स्टाईननी गृहीत धरली. ती म्हणजे कॉस्मॉलॉजिकल कॉन्स्टंट म्हणजेच वैश्विक स्थिरांक. आईन्स्टाईनच्या मते स्थिरांकाची किंमत फारच कमी असल्यामुळे कोट्यवधी प्रकाशवर्षे अंतरावरूनच अपकर्षणाचा परिणाम दिसू शकेल. पुढे १९२६ साली एडविन हबलने विश्व प्रसरण पावतेय हे सिद्ध केल्यावर आईन्स्टाईनने आपण उगाच वैश्विक स्थिरांक आपल्या गणिती सूत्रात घालून आपण फार मोठी चूक केली असे मान्य केले.
त्यावेळी जरी वैश्विक स्थिरांकाचा आईन्स्टाईन आणि जगाच्या दृष्टीने अंत झाला असला तरी भविष्यात या वैश्विक स्थिरांकाचे भूत विश्वाला झपाटणार होते. नुसतेच झपाटणार नसून विश्वाचा चेहरामोहरच बदलणार होते. विश्वाच्या भवितव्याची सारी सूत्रे या वैश्विक स्थिरांकाच्या भुताच्या हाती येणार होती. विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग मोजण्यासाठी शास्त्रज्ञानी निरीक्षण नोंदवून त्याचे अध्ययन केले असता एक विचित्र गोष्ट आढळून आली. विश्व नुसतेच प्रसरण पावत नव्हते तर त्याचा प्रसरणाचा वेग वाढत होता. भयानक वाढत्या वेगाने विश्व प्रसारण पावतेय असे आढळून आले. कोणतीतरी अज्ञात ऊर्जा हा वेग वाढवत असावी आणि या ऊर्जेचे स्वरूप निश्चित नसल्याने शास्त्रज्ञानी या ऊर्जेला डार्क एनर्जी असे नाव दिले. सध्या ह्या डार्क एनर्जी चे प्रमाण विश्वात ७४% आहे.
विश्वरचनाशास्त्रात (cosmology) फ्रीडमन ह्यांनी सुचवलेली प्रतिकृती प्रसिद्ध आहे. या प्रतिकृतीत लॅमडा म्हणून एक संकल्पना आहे जी निर्वात पोकळीच्या उर्जेशी संबंधित आहे. ज्याला आपण निर्वात पोकळी समजतो ती निर्वात नसते, त्यात भासमान कणांची (virtual particles)रेलचेल असते. हे virtual particles भासमान असतात कारण ते जोड्यानी निर्माण होऊन लगेच नष्ट होतात. निर्वात पोकळीत क्वांटम फ्लक्चुएशन मुळे या भासमान कणांची निर्मिती होत असावी. यांचे अस्तित्व अत्यल्प म्हणजेच १०^-२४ सेकंद एवढेच मर्यादित असते. हे कण अतिअल्प काळासाठी गुरुत्वाकर्षणाचे क्षेत्र उत्पन्न करतात. Casimir Effect या नावाने हा सिद्धांत प्रसिद्ध आहे. यातील एक कण जर काही कारणाने नष्ट झाला, आणि दुसरा कण नष्ट न होता तसाच राहिला तर तो दुसरा कण खऱ्या कणात (real particle) परावर्तित होतो. म्हणजेच अक्षरशः शून्यातून कणांची निर्मिती होते. याला व्हॉक्यूम एनर्जी म्हणतात. कदाचित निर्वात पोकळीतील ऋण ऊर्जा (negative energy) याला कारणीभूत असावी...हीच पुढे डार्क एनर्जी म्हणून काम करत असावी.
सध्या विश्वात डार्क एनर्जी चे प्राबल्य आहे. बिग बँग सिंग्युलॅरिटी पासून होण्यास ठरण्यास हीच डार्क एनर्जी कारणीभूत असावी असा काही शास्त्रज्ञांचा कयास आहे. विश्वाचे भवितव्य ही डार्क एनर्जीच ठरवणार आहे. हळूहळू डार्क एनर्जी आपल्याला बिग फ्रीझ कडे घेऊन जात आहे.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freez
भाग १०
बिग बँग थिअरीनुसार सुमारे १३.७ अब्ज वर्षांपूर्वी एका विशेषावस्थेतून विश्वाची निर्मिती झाली आणि आजही हे विश्व प्रसरण पावत आहे. शास्त्रज्ञांनी विश्वाच्या या आयुष्याचे ढोबळमानाने ८ भाग किंवा टप्पे केलेत. WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेल्या निरीक्षणांचे विश्लेषण केले असता विश्वाच्या इतिहासाचे आणि स्थित्यंतराचे पुढीक ८ टप्पे आहेत –
१. प्लँक काळ : बिग बँग पासून ते १०^-४३ सेकंद पर्यंतच्या काळाला प्लँक काळ असे संबोधले जाते. १०^-४३ सेकंद म्हणजे दशांश चिन्हानंतर ४२ शून्य आणि त्यांनतर एक एवढा सेकंदाचा भाग (०. नंतर ४२ वेळा ० आणि नंतर १). या प्लँक काळात एकाच सुपरफोर्स चे अस्तित्व होते. कदाचित यावेळी विश्व बहूआयमी अवकाशात (higher dimensional space) होते त्यामुळे विश्वात खूपच जास्तीची सममिती (super symmetry) होती. कदाचित क्वांटम फ्लक्चुएशन्स मुळे या सममितीचा भंग झाला असावा. या प्लँक काळात विश्वाचा आकार १०^-३३ सेंटीमीटर एवढा होता. या आकारमानाला प्लँक लांबी असे म्हणतात
२. जीयुटी काळ : विश्वातील सममिती च्या भंगामुळे फेज ट्रान्झिशन होऊन विश्वाला फुगवटा आला. हा कालावधी सुमारे १०^-४३ सेकंद ते १०^-३४ सेकंद एवढा होता. विश्वाला आलेल्या फुगवट्यामुळे विश्वाचा आकार या कालावधीत सुमारे १०^५० पटींनी वाढला. या काळातच गुरुत्वाकर्षण बल इतर बलांपासून वेगळे झाले. या काळात विद्युतचुंबकीय, तीव्र आणि मंद बल एकत्र होते त्यामुळे या काळाला जीयुटी युग (grand unification theory) म्हणतात.
३. वैश्विक फुगवट्याचा अंत – विश्वाच्या इतिहासातला तिसरा टप्पा १०^-३४ सेकंदापासून ते ३ मिनीटा पर्यंत मानला जातो. या काळातच क्वार्क कण एकत्र येऊन त्यांच्यापासून प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन तयार झाले. या काळात तीव्र बल इतर दोन बलांपासून वेगळे झाले. वैश्विक फुगवट्याचा अंत झाला. या काळात विश्व म्हणजे क्वार्क, ग्लुऑन आणि लेप्टोन कणांचा तप्त प्लाझ्मा होते. विश्वाचा आकार साधारणपणे आपल्या सूर्यमालेएवढा होता. कण (matter) आणि प्रतिकणांचे (anti-matter) युद्ध समाप्त होऊन कणांच्या संख्येच्या अल्पशा प्राबल्याने कणांनी प्रतिकणांवर विजय मिळवला. या कणांच्या प्रतिकणांवरील विजयामुळेच जे काही कण शिल्लक उरले त्यातूनच आपली निर्मिती झाली.
४. अणूकेंद्रकांची निर्मिती : साधारणपणे तीन मिनिटांपासून ते ३ लाख ८० हजार वर्षांपर्यंतचा हा काळ आहे. विश्वाचे तापमान झपाटयाने कमी झाल्यामुळे अणूकेंद्रकांची निर्मिती शक्य झाली. ७५% हायड्रोजन आणि २५% हेलियम ची निर्मिती झाली.
५. अणूंची निर्मिती : पाचव्या टप्प्याचा काळ आहे ३ लाख ८० हजार वर्षे ते १०० कोटी वर्षे. या काळात विश्वाचे तापमान ३००० अंश केल्व्हीन ने कमी झाले. अणूकेंद्रकाभोवती ५ पेक्षा जास्त इलेक्ट्रॉन फिरू लागून अणू स्थिर झाले. याच काळात फोटॉन कण मुक्त संचार करायला लागून विश्व पारदर्शी झाले आणि विश्वात प्रकाश पसरायला सुरवात झाली. हाच सूक्ष्म तरंगलांबी असलेला प्रकाश COBE आणि WMAP उपग्रहांनी पकडला होता आणि बिग बँग थिअरी ला पुष्टी मिळाली होती.
६. तारे आणि दीर्घिकांची निर्मिती : विश्वाच्या जन्मापासून १०० कोटी ते ६५० कोटी वर्षांचा काळ म्हणजेच विश्वाच्या वाढीचा सहावा टप्पा. याच काळात क्वेसार, दीर्घिका, तेजोमेघ यांची निर्मिती झाली. कार्बन, ऑक्सीजन आणि नायट्रोजन ही मूलद्रव्ये तयार झाली. हबल दुर्बीण साधारणपणे या कालावधीपर्यंतचा प्रकाश बघू शकते.
७. डी सीटर प्रसरण : विश्वाच्या जन्मापासून सुमारे ६५० कोटी वर्षांनी विश्वाने तारुण्यात प्रवेश केला असे आपण म्हणू शकतो. विल्यम डी सीटर या शास्त्रज्ञाने मांडल्याप्रमाणे वेगवेगळ्या घटकांमध्ये असलेले गुरुत्वीय बल झुगारून विश्वाच्या प्रसारणातील त्वरणाला (acceleration) सुरवात झाली.
८. आजचे विश्व : विश्वाच्या इतिहासातील आठवा टप्पा म्हणजेच १३.७ अब्ज वर्षानंतरचा आजचा वर्तमानकाळ. या काळातच आपली आकाशगंगा आहे, आकाशगंगेतील अब्जावधी ताऱ्यामध्ये आपला सूर्य आहे, सूर्याभोवती फिरणारा तीसरा ग्रह..आपली पृथ्वी आहे आणि त्यावर आपले मानवा चे अस्तित्व आहे आणि आपण कूपमंडूक वृत्तीने जाती, धर्म यात गुरफटून आपल्या ज्ञानाच्या कक्षा मर्यादित करतो आहोत.
विश्वाचे भवितव्य काय असेल..? विश्वाचा शेवट कसा असेल ? की विश्वाला शेवटचं नसेल ? सध्या हे प्रश्न आपल्यासमोर आहेत. या प्रश्नावर पुढील भागात सविस्तर विवेंचन करूया.
क्रमशः
__________
The History of the Universe : From Big Bang to Big Freez
भाग ११
विश्वाचा शेवट कसा असेल ? विश्वाला शेवट असेल का ? प्रसरण पावणारे विश्व पुन्हा आकुंचन पाऊन त्याचा महाविलय होईल की विश्व निरंतर प्रसरण पावतच राहील ? बिग बँग थिअरीमुळे विश्वाच्या भवितव्यासंबंधी हे असे प्रश्न आज आपल्यासमोर आहेत. बिग बँग थिअरीला अलीकडच्या काळातील विश्वनिर्मितीसंबंधी इतर काही सिद्धांतांनी आव्हान दिले आहे. ब्रेनवर्ल्ड थिअरी, बिग बाऊन्स थिअरी, सुपरफ्लुईड स्पेसटाईम हे काही सिद्धांत त्यात अग्रणी आहेत.
विश्वाचे भवितव्य ठरवण्यासाठी तीन संकल्पनांचे अचूक मूल्य आपल्याला माहिती व्हायला पाहिजे. त्या तीन संकल्पना म्हणजे ओमेगा, H (हबल स्थिरांक) आणि लॅम्डा.
ओमेगा आपल्या विश्वातील पदार्थाची सरासरी घनता दर्शवतो. H किंवा हबल स्थिरांक आपल्या विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग दर्शवतो आणि लॅम्डा रिकाम्या पोकळीतील ऊर्जा दर्शवते (म्हणजेच डार्क एनर्जी). या तीघांचे निश्चित मूल्य काढण्यासाठी शास्त्रज्ञांचे प्रयत्न सुरू आहेत. विश्वाच्या प्रसरणाला ओमेगाची मर्यादा आहे. जर ओमेगाचे मूल्य १ पेक्षा कमी असेल आणि लॅम्डा चे मूल्य ० असेल तर विश्वात पदार्थाचे प्रमाण इतके कमी असेल की ते विश्वाचे प्रसरण थांबवू शकत नाही. असे विश्व निरंतर प्रसरण पावत राहील. ओमेगा चे प्रमाण कमी, H आणि लॅम्डा चे मूल्य जास्त असेल तरी अशीच परिस्थिती होईल. अश्या विश्वाचे तापमान विश्व जसजसे प्रसरण पावेल तसतसे कमीकमी होत जाईल. यालाच बिग फ्रीझ असे म्हणतात. बिग फ्रीझ मध्ये विश्व निरंतर प्रसारण पावत राहील, दीर्घिका एकमेकांपासून लांब जातील, ताऱ्यांचा जीवनक्रम संपल्यावर नवीन तारे निर्मितीची पदार्थ विखुरला गेल्याने काहीच शक्यता नसेल. विश्वात हळूहळू अंधार होईल.
जर ओमेगा चे मूल्य १ पेक्षा जास्त असेल, लॅम्डा शून्य असेल आणि H कमी असेल तर विश्वाच्या प्रसारणाला पदार्थ मर्यादा घालून विश्वाचे आकुंचन सुरू होईल. विश्वाचे तापमान झपाट्याने वाढेल आणि सर्व विश्व एका विशेषवस्थेत (singularity) एकवटेल. यालाच बिग क्रंच असे म्हणतात.
ओमेगाचे मूल्य जर १ असेल, लॅम्डा शून्य असेल तर विश्वातील पदार्थांची घनता सुमारे १० हायड्रोजन अणू प्रति घन मीटर एवढी असेल. या परिस्थितीत विश्व स्थिर पणे प्रसरण पावत राहील. गुरुत्वाकर्षण आणि डार्क एनर्जी मध्ये रस्सीखेच चालू राहील.
याव्यतिरिक्त आणखीन एक शक्यता आहे. डार्क एनर्जी चे प्रमाण मर्यादेपेक्षा जास्त असेल तर विश्व इतक्या वेगाने प्रसरण पावेल की पदार्थाचे अपकर्षण होऊन त्यातील अणूंचे, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन चे तुकडे होतील…एखाद्या कागदाला दोन्ही बाजूंनी ताणून खेचला असता जसा कागद फाटतो तसेच काहीसे पदार्थांचे होईल. या प्रकाराला बिग रिप म्हणतात. डार्क एनर्जी चा दाब आणि ऊर्जेची घनता जर -१ पेक्षा कमी असेल तर निर्माण होणाऱ्या व्हॉक्यूम ऊर्जेला फँन्टम एनर्जी अशी संज्ञा आहे. बिग रिप साठी ही फँन्टम एनर्जी (डार्क एनर्जी चे extreme रूप) कारणीभूत ठरेल.
सध्या तरी ओमेगा, H आणि लॅम्डा चे निश्चित मूल्य माहीत नाही. पण अलीकडेच WMAP या उपग्रहाने नोंदवलेल्या निरीक्षणांचे विश्लेषण करून असा निष्कर्ष निघतोय की ओमेगा आणि लॅम्डा चे एकत्रित मूल्य १ च्या आसपास आहे. म्हणजेच विश्व सपाट आहे जे इनफ्लेशन थिअरीशी सुसंगत आहे. आपण जवळजवळ बिग फ्रीझ कडे वाटचाल करत आहोत. खरेतर आपण सध्या विश्वाच्या खूप चांगल्या कालखंडात आहोत. आपल्याला निरीक्षणासाठी दीर्घिका, क्वेसार, तेजोमेघ उपलब्ध आहेत. भविष्यात आपल्या भावी पिढ्यांच्या नशिबी एवढे सुख नसेल. दीर्घिका दूर निरीक्षणापलीकडे जातील, जुने तारे नष्ट होतील. नवीन तारे निर्माण होणार नाहीत. कृष्णविवरे क्ष किरणांचे उत्सर्जन करून विरून जातील. विश्वात अंधार पसरेल.विश्वाचा हळूहळू थंड आणि शांत अंत होईल.
समाप्त
©जयेश चाचड
No comments:
Post a Comment