പ്രകാശക്വാണ്ട എന്ന സ്പാർക്ക്

1846-ലെ ഏപ്രിൽ മാസത്തിൽ റോയൽ സൊസൈറ്റി ഓഫ് എഡിൻബറോയിൽ കൗതുകം തോന്നിപ്പിക്കുന്ന ഒരു പ്രബന്ധം അവതരിപ്പിക്കപ്പെട്ടു. വളരെ ലളിതമായ ഒരു പ്രബന്ധം. ‘എങ്ങനെ കൃത്യമായി അണ്ഡാകൃതികൾ വരയ്ക്കാം’ എന്നതായിരുന്നു അതിന്റെ വിഷയം. എഴുതിയത് ഒരു പതിനഞ്ച് വയസ്സുകാരൻ. അവനു പ്രായപൂർത്തി ആയിട്ടില്ലാത്തതിനാൽ ഒരു മുതിർന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു പ്രസ്തുത പ്രബന്ധം അവതരിപ്പിച്ചത്. ആ കുട്ടി ഇരുപത് വർഷങ്ങൾക്ക് ശേഷം ശാസ്ത്രചരിത്രം മാറ്റിമറിച്ച പലതരം കണ്ടെത്തലുകൾ നടത്തി. അതിലേറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ടത് 1864 ഒക്ടോബർ 27-ാം തീയതി ലണ്ടനിൽ നിന്നും പ്രസിദ്ധീകരിച്ചിരുന്ന Philosophical Transactions of Royal Society എന്ന ശാസ്ത്ര പ്രസിദ്ധീകരണത്തിൽ വന്ന ചരിത്രപ്രസിദ്ധമായ ഒരു ലേഖനം ആണ്. അതിന്റെ 155-ാം വാല്യത്തിൽ ആയിരുന്നു ആ ലേഖനം . 53 പേജുകളിലായി ഏഴ് സെക്ഷനുകളായി വിഭജിക്കപ്പെട്ട ആ ലേഖനത്തിന്റെ ഉള്ളടക്കത്തിനെക്കുറിച്ച് പ്രമുഖനായ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ റിച്ചാർഡ് ഫെയ്ൻമാൻ പിന്നീട് പറഞ്ഞത്*, “കഴിഞ്ഞ പതിനായിരം വർഷത്തെ മനുഷ്യ ചരിത്രം പരിശോധിച്ചാൽ അതിൽ പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിലെ ഏറ്റവും സുപ്രധാനമായ ഒന്ന് ഈ ശാസ്ത്രജ്ഞന്റെ കണ്ടെത്തലുകൾ ആണ്.” ഇത്രയും വായിച്ചു കഴിയുമ്പോൾ സ്വാഭാവികമായും നിങ്ങൾ സംശയിക്കുന്നുണ്ടാവും ഏതാണ് ആ കണ്ടെത്തൽ, ആരാണാ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ എന്ന്. ജെയിംസ് ക്ലാർക്ക് മാക്സ്‌വെൽ (James Clerk Maxwell) എന്നാണ് അദ്ദേഹത്തിന്റെ പേര്. ആ കണ്ടെത്തൽ വൈദ്യുത കാന്തിക സിദ്ധാന്തം ആയിരുന്നു. പ്രകാശം എന്നത് വൈദ്യുത കാന്തിക തരംഗം ആണെന്നാണ് മാക്സ്‌വെൽ കണ്ടെത്തിയത്. നിരവധി ഗണിതപരമായ നിർധാരണ ക്രിയകളിലൂടെ ആണ് അദ്ദേഹം ഈ ആശയത്തിൽ എത്തിച്ചേർന്നത്. ആ ഗണിത പരമായ ആശയം പിന്നീട് മറ്റു ചിലർ പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ തെളിയിക്കാൻ ശ്രമിച്ചു. അത് എത്തിച്ചേർന്നത്, പുതിയൊരു കണ്ടെത്തലിലേയ്ക്കും. ആ കണ്ടെത്തലിന്റെ വിശദീകരണം എത്തിച്ചേർന്നതോ ക്വാണ്ടം ശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന തലങ്ങളിലേയ്ക്കും.

സ്പാർക്കിന്റെ തുടക്കം

1879-ൽ, 48-ാമത്തെ വയസ്സിൽ മാക്സ്‌വെൽ മരണമടഞ്ഞു. അത് കഴിഞ്ഞ് ഏകദേശം ഒരു വർഷം കഴിഞ്ഞായിരുന്നു ആ പരീക്ഷണങ്ങളുടെ തുടക്കം. 1880-ൽ ജർമ്മനിയിലെ യൂണിവേഴ്സിറ്റി ഓഫ് കാൾറൂഷിൽ ആയിടെ പ്രൊഫസർ ആയി നിയമിതനായ ഹെൻറിച്ച് ഹെർട്സ് (Heinrich Hertz) അഥവാ ഹെയ്ൻസ് എന്നറിയപ്പെട്ട പ്രമുഖനായ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു ആ പരീക്ഷണം നടത്തിയത്.

അതിന് അദ്ദേഹത്തിന് പ്രേരണയായത് ഒരു മത്സരം ആയിരുന്നു. ജർമ്മനിയിലെ ബെർലിൻ അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസ് മാക്സ്‌വെലിന്റെ സിദ്ധാന്തം പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ തെളിയിക്കുന്നതിന് ഒരു സമ്മാനം പ്രഖ്യാപിച്ചിരുന്നു. ഹെർട്സിന് ഈ സമ്മാനത്തിൽ തീരെ താല്പര്യം ഇല്ലായിരുന്നു. എന്നാൽ, മാക്സ്‌വെലിൻ്റെ സിദ്ധാന്തം തെളിയിക്കണം എന്ന് അതിയായ ആഗ്രഹം ഉണ്ടായിരുന്നു. അതിനായി അദ്ദേഹം ഒരു പുതിയ പരീക്ഷണത്തിന് ശ്രമിച്ചു. അദ്ദേഹം സ്വന്തമായി ഒരു ഉപകരണം ഉണ്ടാക്കി. പ്രകാശം എന്നത് ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗം ആണെന്നാണല്ലോ മാക്സ്‌വെൽ പറഞ്ഞിരിക്കുന്നത്. അത് ശരിയാണെങ്കിൽ അതീവ ശക്തമായ പ്രകാശ തരംഗങ്ങൾക്ക് വായുവിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുവാൻ സാധിക്കും. ഒരു ഇലക്ട്രിക്കൽ സ്പാർക്ക് നിരീക്ഷിക്കുവാൻ സാധിക്കുന്ന ഉപകരണത്തിനു അത് കണ്ടെത്തുവാനും സാധിക്കും. ഇതിനായി അദ്ദേഹം ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗങ്ങൾ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന ഒരു ഉപകരണം നിർമ്മിച്ചു. ഉപകരണം എന്ന് പറയുമ്പോൾ നമ്മൾ ഇന്ന് കാണുന്ന സങ്കീർണ്ണ ഘടനകൾ ഉള്ള ഉപകരണങ്ങളോടൊന്നും അതിനെ താരതമ്യം ചെയ്യരുത്. അത് ഇലക്ട്രിക്കൽ സ്പാർക്ക് പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന ഒരു സെറ്റ് അപ്പ് മാത്രം ആയിരുന്നു. ഇതിൽ നിന്നും പുറത്തുവരുന്ന സിഗ്നലുകൾ പിടിച്ചെടുക്കുവാൻ പാകത്തിൽ മറ്റൊരു ചെറിയ ഉപകരണവും. ഇരുട്ടു മുറിയിൽ വെച്ച് ഈ പരീക്ഷണം നടത്തിയപ്പോൾ സ്പാർക്ക് നിർമ്മിക്കുന്ന ഉപകരണത്തിൽ നിന്നും പുറപ്പെട്ട ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗങ്ങൾ അതിനെ സ്വീകരിക്കുവാൻ വെച്ചിരിക്കുന്ന റിസീവർ സ്വീകരിക്കുന്നത് ഹെർട്സ് വ്യക്തമായി തിരിച്ചറിഞ്ഞു. യഥാർത്ഥത്തിൽ ഇവിടെ ഹെർട്സ് ഉണ്ടാക്കിയ ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗങ്ങൾ, റേഡിയോ തരംഗങ്ങൾ ആയിരുന്നു. അദ്ദേഹം ഒരു റേഡിയോ പ്രക്ഷേപണം ആയിരുന്നു നടത്തിയത് എന്ന് ചുരുക്കം. പിന്നീട് അൾട്രാ വയലറ്റ് വികിരണങ്ങൾ ലോഹങ്ങളിൽ പതിക്കുമ്പോൾ അതിൽ നിന്നും നെഗറ്റീവ് ചാർജ് ഉള്ള, അന്നു കാഥോഡു കിരണങ്ങൾ എന്നറിയപ്പെട്ടിരുന്ന ചില കിരണങ്ങൾ പുറപ്പെടുന്നതായി അവർ മനസ്സിലാക്കി. ഇങ്ങനെ പുറത്തുവരുന്ന കിരണങ്ങൾ പ്രകാശം വന്നു വീഴുന്നതുകൊണ്ട് സംഭവിച്ചതാകയാൽ അതിനെ പൊതുവേ ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രഭാവം എന്ന് വിളിച്ചു. പിന്നീട് ഇതിനെക്കുറിച്ച് നിരവധി പരീക്ഷണങ്ങൾ അദ്ദേഹവും, അദ്ദേഹത്തിന്റെ വിദ്യാർത്ഥികളും നടത്തുകയുണ്ടായി. ഈ പരീക്ഷണം പല രീതിയിൽ അക്കാലത്ത് യൂറോപ്പിൽ എമ്പാടും നടന്നു. ഇറ്റലിയിലെയും, റഷ്യയിലെയും ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഇതിനെ പല രീതിയിൽ പരിക്ഷിച്ചു.

ഇതിൽ ചില രസകരമായ പരീക്ഷണങ്ങൾ കൂടി എടുത്തു പറയേണ്ടതുണ്ട്. ഹെർട്സ് ഈ പരീക്ഷണം നടത്തുന്നതിനും മുന്നേ, 1879-ൽ ഇംഗ്ലണ്ടിൽ ഈ പരീക്ഷണം നടന്നതായി പറയപ്പെടുന്നുണ്ട്. ഡേവിഡ് എഡ്വേർഡ് ഹ്യൂഗ്സ് (David Edward Hughes) എന്ന മനുഷ്യൻ ആയിരുന്നു അതിന് പിന്നിൽ. മൈക്രോഫോൺ എന്ന വസ്തു കണ്ടെത്തിയ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആണ് ഹ്യൂഗ്സ്. താൻ നിർമ്മിച്ച മൈക്രൊഫോൺ ചില ഇലക്ട്രിക് സ്പാർക്കുകൾ തിരിച്ചറിയുന്നു എന്ന് 1879-ൽ അദ്ദേഹത്തിന് മനസ്സിലായി. അദ്ദേഹം താമസിച്ചിരുന്ന മുറിയിൽ ഉണ്ടായ ഇലക്ട്രിക് സ്പാർക്ക് ആയിരുന്നു അതിന് കാരണം. താൻ നിർമ്മിച്ച മൈക്രൊഫോൺ അതിനെ സ്വീകരിക്കുന്ന പരിധി എത്രത്തോളം ഉണ്ട് എന്ന് മനസ്സിലാക്കുവാൻ അദ്ദേഹം അതുമായി തന്റെ മുറിയ്ക്കു പുറത്തിറങ്ങി. അത് ചെവിയിൽ വെച്ച് കൊണ്ട് നിരത്തിലേക്കിറങ്ങിയ ആ മനുഷ്യൻ, മറ്റു ആൾക്കാർക്കെല്ലാം ഒരു കൗതുകവസ്തുവായി. അന്നത്തെ ആൾക്കാർക്ക് അറിയില്ലായിരുന്നു, അദ്ദേഹം, ലോകത്തിലെ ആദ്യത്തെ റേഡിയോ പ്രക്ഷേപണം (അദ്ദേഹം തന്നെ സൃഷ്ടിച്ചത്) കേൾക്കുകയായിരുന്നു എന്ന്. 1500 അടി ദൂരം വരെ തന്റെ മൈക്രോഫോണിൽ ആ ഇലക്ട്രിക് സ്പാർക്ക് തിരിച്ചറിയുവാൻ സാധിക്കും എന്ന് ഹ്യൂഗ്സ് അക്കാലത്ത് തിരിച്ചറിഞ്ഞു.

ഹ്യൂഗ്സ് തന്റെ ഈ പരീക്ഷണഫലങ്ങൾ റോയൽ സൊസൈറ്റിയിൽ അവതരിപ്പിച്ചു. ലോകത്തിലെ ഏറ്റവും പഴക്കം ചെന്നതും ലണ്ടൻ ആസ്ഥാനമാക്കിയതുമായ സൊസൈറ്റി ആയിരുന്നു റോയൽ സൊസൈറ്റി. ഇലക്ട്രിക്ക് സ്പാർക്ക് സ്വീകരിക്കുന്ന റിസീവർ എന്നത് അന്നത്തെ റോയൽ സൊസൈറ്റിയ്ക്ക് അംഗീകരിക്കുവാൻ മടിയായിരുന്നു. അതിന് ശേഷം ഈ കണ്ടെത്തൽ മറ്റൊരു രീതിയിൽ നടത്തിയ ഹെർട്സ് ഈ പരീക്ഷണം മാക്സ്‌വെല്ലിൻ്റെ സിദ്ധാന്തങ്ങൾ തെളിയിക്കുന്നതിന് അപ്പുറം നിഷ്പ്രയോജനമായ ഒന്നാണ് എന്നും പറഞ്ഞു അതിനെ ഉപേക്ഷിച്ചു. ഒരു പക്ഷേ ഹെർട്സ് കുറച്ചുകാലം കൂടി ജീവിച്ചിരുന്നെങ്കിൽ അദ്ദേഹം തന്റെ തന്നെ ‘നിഷ്പ്രയോജനമായ കണ്ടുപിടുത്തം’ എന്ന വാചകങ്ങളെ തിരിച്ചെടുത്തേനെ. 1894-ൽ, 36-ാമത്തെ വയസ്സിൽ ഹെർട്സ് ചില ശസ്ത്രക്രിയകൾ കാരണം സംഭവിച്ച സങ്കീർണ്ണതകൾ മൂലം മരണമടഞ്ഞു. ഇവിടെ മുതൽ ഈ ചരിത്രത്തിലേയ്ക്ക് നാല് പേർ കൂടി എത്തിച്ചേരുന്നുണ്ട്. ഒന്നാമത്തെയാൾ, ഹെർട്സിന്റെ ശിഷ്യൻ ഫിലിപ്പ് ലെനാർഡ്, രണ്ടാമത്തെയാൾ ഇറ്റാലിയൻ സംരംഭകനും, ശാസ്ത്രകാരനുമായ ഗൂഗ്ലിയൽമോ മാർക്കോണി. മൂന്നാമൻ, ഭാരതീയ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ജഗദീശ് ചന്ദ്ര ബോസ്, നാലാമത്തെയാൾ ജെ.ജെ. തോംസൺ. നമുക്ക് തൽക്കാലം ഫിലിപ്പ് ലെനാർഡിലേയ്ക്കും, തോംസണിലേയ്ക്കും പോകാം. (മാർക്കോണിയും, ജഗദീശ് ചന്ദ്ര ബോസ്സും, ഈ കണ്ടത്തലിനെ പ്രായോഗിക തലത്തിൽ എങ്ങനെ ഉപയോഗിക്കാം എന്നാണ് ചിന്തിച്ചത്. വെവ്വേറെ പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ അവർ അതിനെ റേഡിയോ സംപ്രേഷണത്തിനു ഉപയോഗിക്കാം എന്ന് കണ്ടെത്തി.)

ലെനാർഡ് കണ്ടെത്തിയ സ്വഭാവങ്ങൾ

ലെനാർഡ് (Philipp Lenard) അതിൽ കൂടുതൽ പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തുവാൻ തീരുമാനിച്ചു. ഓസ്ട്രിയ – ഹംഗറിക്കാരനായ ഒരു ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു അദ്ദേഹം.1892 മുതൽ ആയിരുന്നു ലെനാർഡ്, ഹെർട്സിന്റെ അസിസ്റ്റന്റ് ആയി ജോലി നോക്കിയിരുന്നത്. അക്കാലത്ത് അദ്ദേഹം കാഥോഡ് കിരണങ്ങളെ കുറിച്ചാണ് ഗവേഷണം നടത്തിക്കൊണ്ടിരുന്നത്. നെഗറ്റീവ് ചാർജുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോഡിൽ നിന്നും, പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോഡിലേയ്ക്കു ഉള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെ പ്രവാഹമാണ് കാഥോഡ് കിരണങ്ങൾ. ഇതു ഇലക്ട്രോണുകൾ ആണെന്ന് അന്നത്തെ കാലത്തു അറിയില്ലായിരുന്നു.കാഥോഡ് കിരണങ്ങളെ, അത് നിർമ്മിക്കപ്പെടുന്ന ഗ്ലാസ്സ് ട്യൂബുകളിൽ നിന്നും (അഥവാ, വാക്വം ട്യൂബുകൾ) എങ്ങനെ പുറത്തുകൊണ്ടുവരാൻ സാധിക്കുമെന്നും, പലതരം വസ്തുക്കൾ എങ്ങനെ ആണ് കാഥോഡ് കിരണങ്ങൾ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതെന്നും ആയിരുന്നു അദ്ദേഹം പഠിച്ചുകൊണ്ടിരുന്നത്. അതുകഴിഞ്ഞു കുറച്ചുകാലം കഴിഞ്ഞാണ് അദ്ദേഹം ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രഭാവം പഠിച്ചു തുടങ്ങിയത്. ഇലക്ട്രോണുകൾ പെട്ടെന്ന് പുറത്തുപോകുവാൻ സാധ്യമായ ലോഹങ്ങൾ അതീവ ശക്തമായ ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗങ്ങൾ പതിക്കുമ്പോൾ ഇലക്ട്രിസിറ്റി ഉണ്ടാക്കുന്നതായി ലെനാർഡ് മനസ്സിലാക്കി. അത് കാഥോഡ് കിരണങ്ങൾ ആണെന്ന് അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തി. കാഥോഡ് കിരണങ്ങൾ എക്സ് റേകൾ ആണെന്നായിരുന്നു അന്ന് അദ്ദേഹം കരുതിയത്. എന്നാൽ, 1897-ൽ ജെ. ജെ. തോംസൺ കാഥോഡ് കിരണങ്ങൾ എന്നത് ആറ്റത്തിലെ നെഗറ്റീവ് ചാർജ് ഉള്ള ഘടകങ്ങൾ ആണ് എന്ന് തെളിയിച്ചു. കൂടാതെ അതിന്റെ ചാർജ്ജും, മാസ്സും കണ്ടെത്തുകയുണ്ടായി. ഇതു ശരിക്കും, ആറ്റത്തിനെ കുറിച്ചുള്ള അന്നുവരെ നിലനിന്നിരുന്ന അടിസ്ഥാനധാരണകളിൽ പലതും തെറ്റാണ് എന്ന് തെളിയിച്ചു. കൂടാതെ ആറ്റം ചലനാത്മകം ആണ് എന്ന ധാരണ പൊതുവേ ഉയർന്നുവന്നു. 1902 ആയപ്പോഴേക്കും ലെനാർഡ് തന്റെ പരീക്ഷണങ്ങളെ കൂടുതൽ തലങ്ങളിലേയ്ക്ക് കൊണ്ടുപോയി. അദ്ദേഹം പല തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ള ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് തരംഗങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് ആ പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തി. ഇതിൽ നിന്നും അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തിയ ഫലങ്ങൾ അതിശയിപ്പിക്കുന്നതായിരുന്നു.

തരംഗ തീവ്രത (Intencity) കൂടുമ്പോൾ ലോഹങ്ങളുടെ ഉപരിതലത്തിൽ നിന്നും പുറത്തുവരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം കൂടുതലാണ്.
തരംഗദൈർഘ്യം കുറയുന്നതിനനുസരിച്ച് പുറത്തുവരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഗതികോർജ്ജം കൂടുന്നു.
ഒരു നിശ്ചിത തരംഗദൈർഘ്യത്തിനു താഴെ ആണെങ്കിൽ മാത്രമേ ഇതിൽ നിന്നും ഇലക്ട്രോണുകൾ പുറത്തുവരൂ.
ഒരു നിശ്ചിത തരംഗദൈർഘ്യത്തിനു മുകളിൽ ആണെങ്കിൽ എത്രത്തോളം അവയുടെ തീവ്രത കൂട്ടിയിട്ടും കാര്യമില്ല. ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരിക്കലും പുറത്തുവരില്ല.

ഇതെന്തുകൊണ്ട് സംഭവിക്കുന്നു? ലെനാർഡ് അതിന് വേണ്ടി നിരവധി വർഷങ്ങൾ ചിലവിട്ടു. എന്നാൽ കൃത്യമായ ഒരു വിശദീകരണം അദ്ദേഹത്തിന് കൊടുക്കുവാൻ സാധിച്ചില്ല.

ക്വാണ്ടം എന്ന സംഗതി

ഇതിന്റെ കൃത്യമായ വിശദീകരണം 1905-ൽ നടന്നു. അത് ചെയ്തത് മറ്റാരുമല്ല, സാക്ഷാൽ ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈൻ തന്നെ . ഇതിനെ സംബന്ധിച്ച സുപ്രധാനമായ ഒരു കണ്ടെത്തൽ ആയിരുന്നു അദ്ദേഹം നടത്തിയത്. ആ ചിന്തകൾ പ്രകാശം എന്താണ് എന്നതിനെ കുറിച്ച് കലാകാലങ്ങളായി നിലനിന്നിരുന്ന അനുമാനങ്ങളെ തള്ളിക്കളഞ്ഞു. ഒരു സ്രോതസ്സിൽ നിന്നും പുറത്തുവരുന്ന പ്രകാശം അനേകം ക്വാണ്ടങ്ങളുടെ കൂട്ടമാണ് എന്നായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിന്റെ വെളിപ്പെടുത്തൽ. ഈ ക്വാണ്ടം ഓരോന്നും ഊർജം ഉള്ളവയാണ്. അവ ഒരു സ്ഥലത്തേക്ക് എത്തിച്ചേരുന്നതും, ഏതെങ്കിലും സ്രോതസ്സിൽ നിന്നും പുറപ്പെടുന്നതും പൂർണ്ണ സംഖ്യാ യൂണിറ്റുകൾ ആയിട്ടാണ്. ഒരു ക്വാണ്ടം, രണ്ട് ക്വാണ്ടം, മൂന്ന് ക്വാണ്ടം എന്നിങ്ങനെ. കൂടാതെ, അവയുടെ ഊർജം പ്രകാശത്തിന്റെ ആവൃത്തിയുമായി നേരിട്ടു ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. പ്രകാശത്തിന്റെ ഈ ക്വാണ്ടയെ ‘ഫോട്ടോൺ’ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഓരോ ക്വാണ്ടത്തിൻ്റെയും ഊർജം hf എന്നതാണ്. h എന്നത് പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം ആയിരുന്നു. പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം ഐൻസ്റ്റൈൻ കടമെടുത്തത് പ്ലാങ്ക് ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിനെ വിശദമാക്കുവാൻ ഉപയോഗിച്ച ആശയത്തിൽ നിന്നുമായിരുന്നു. f എന്നത് പ്രകാശത്തിന്റെ ആവൃത്തിയും.

ഈ ആശയത്തിനെ ഉപയോഗിച്ച് എങ്ങനെയാണ് ഐൻസ്റ്റൈൻ ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രതിഭാസം വിശദീകരിച്ചത്? ഒരു നിശ്ചിത ഊർജ്ജമുള്ള പ്രകാശം ലോഹത്തിൽ പതിക്കുമ്പോൾ അതിൽ നിന്നും ആ ഊർജം ഇലക്ട്രോണുകൾ സ്വീകരിക്കും. അതിന്റെ ഫലമായി അവ പുറത്തേക്ക് പോകും. ഐൻസ്റ്റൈൻ ചിന്തിച്ചത്, ഒരു ഫോട്ടോൺ ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ പുറന്തള്ളും എന്നാണ്. പ്രകാശത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യം കുറയുംതോറും ഇലക്ട്രോണുകളെ പുറന്തള്ളാനുള്ള ഊർജം കൂടും. അപ്പോൾ അതീവ ശക്തമായ ബന്ധനങ്ങളാൽ ആറ്റത്തിൽ നിൽക്കുന്ന ഇലക്ട്രോൺ അതിന് പുറത്തുകടക്കാനുള്ള ഊർജം ലഭിച്ചു പുറത്തുപോകും. പ്രകാശക്വാണ്ടം ഇതിനോടൊപ്പം ഈ പുറത്തുപോകുന്ന ഇലക്ട്രോണിന് വേണ്ട ഗതികോർജം കൂടി സംഭാവന ചെയ്യുന്നുണ്ട്. ഇതിനെ മനസ്സിലാക്കുവാൻ ഒരു ചെറിയ ഉദാഹരണം നോക്കാം. ഒരേ അളവിലുള്ള കുറെ പന്തുകൾ ചിന്തിക്കുക. ഓരോ പന്തും ഓരോ ഫോട്ടോൺ ആണ്. അവയിൽ ഓരോ പന്തും ഉപയോഗിച്ച് തറയിൽ വെച്ചിരിക്കുന്ന മറ്റൊരു വലിയ പന്തിനെ നമ്മൾ എറിയുന്നു എന്ന് ചിന്തിക്കുക. നമ്മുടെ ലക്ഷ്യം ആ തറയിൽ ഇരിക്കുന്ന വലിയ പന്തിനെ ചലിപ്പിക്കുക എന്നതാണ്. അത് സാധ്യമാക്കുവാൻ നമ്മുടെ കയ്യിൽ ഇരിക്കുന്ന ചെറിയ പന്തുകളെ രണ്ട് രീതിയിൽ ഉപയോഗിക്കാം. ഒരേ വേഗതതയിൽ, തുടർച്ചയായി നമ്മുടെ കയ്യിൽ ഇരിക്കുന്ന പന്തുകളെ തറയിൽ ഇരിക്കുന്ന വലിയ പന്തിലേയ്ക്കു എറിയുക. നമ്മൾ എറിയുന്ന പന്തുകളിൽ കൊടുക്കുന്ന ഊർജ്ജം വലിയ പന്തിനെ ചലിപ്പിക്കുവാൻ പര്യാപ്തമല്ലെങ്കിൽ എത്ര എണ്ണം എറിഞ്ഞിട്ടും കാര്യമില്ല. എന്നാൽ, ഈ എറിയുന്ന പന്തുകളുടെ ഊർജത്തിന്റെ അളവ് കൂട്ടിയാൽ, തറയിൽ ഇരിക്കുന്ന വലിയ പന്തിന്റെ സ്ഥാനം മാറ്റാം. ചുരുക്കത്തിൽ, പ്രകാശം കണികകളുടെ കൂട്ടമാണ് എന്ന ന്യൂട്ടന്റെ ആശയം മറ്റൊരു രീതിയിൽ തിരികെ വന്നു എന്ന് പറയാം.

ഐൻസ്റ്റൈന്റെ ഈ ആശയം ഉടനെ തന്നെ ശാസ്ത്രലോകം അംഗീകരിച്ചു എന്ന് കരുതരുത്. നിരവധി വിമർശങ്ങൾ ഐൻസ്റ്റൈൻ നേരിട്ടു. ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട ഒരാൾ ലെനാർഡ് തന്നെ ആയിരുന്നു. അനുകൂലിച്ചും നിരവധി പേർ വന്നു. അതിൽ ചില കൗതുകങ്ങളും, പരീക്ഷണങ്ങളും ഉണ്ട്. ക്വാണ്ടം എന്ന ആശയത്തിന്റെ തുടക്കക്കാരനായ മാക്സ് പ്ലാങ്ക് 1913-ൽ, ജർമ്മനിയിലെ പ്രശസ്തമായ പ്രഷ്യൻ അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസിലേയ്ക്ക് ഐൻസ്റ്റൈനെ നോമിനേറ്റ് ചെയ്തത്, അദ്ദേഹത്തിന്റെ പ്രകാശക്വാണ്ടം എന്ന സങ്കല്പം ആശയപരമായി അത്ര പോരാ എന്ന് പറഞ്ഞുകൊണ്ടായിരുന്നു. 1921-ൽ നൊബേൽ സമ്മാനകമ്മിറ്റി ഐൻസ്റ്റൈനെ നോബൽ സമ്മാനത്തിന് തിരഞ്ഞെടുത്തത്, ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് പ്രതിഭാസം, ക്വാണ്ടം ശാസ്ത്രം ഉപയോഗിച്ച് വിവരിച്ചതിന് ആയിരുന്നു. എന്നാൽ, നോബൽ കമ്മിറ്റി, പ്രകാശക്വാണ്ടം എന്ന സങ്കല്പം വിശ്വസിച്ചിരുന്നില്ല! ഈ സങ്കല്പത്തിന്റെ ശക്തനായ വിമർശകൻ റോബർട്ട് മുള്ളിക്കേൻ എന്ന അമേരിക്കൻ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു. അത് തെറ്റാണ് എന്ന് തെളിയിക്കാൻ അദ്ദേഹം നിരവധി പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തി. പക്ഷേ, ആ പരീക്ഷണങ്ങൾ പ്രകാശക്വാണ്ടം എന്ന ആശയം ശരിയാണ് എന്ന നിഗമനത്തിലാണ് അദ്ദേഹത്തെ കൊണ്ടെത്തിച്ചത്.

ഏതൊക്കെ തലങ്ങളിലൂടെ ആണ് ക്വാണ്ടയുടെ ചിന്തയിലേയ്ക്ക് എത്തിയതെന്ന് നോക്കൂ. മാക്സ്‌വെല്ലിൻ്റെ സിദ്ധാന്തം തെളിയിക്കുവാൻ ശ്രമിച്ചു എത്തിച്ചേർന്നത് പുതിയൊരു പരീക്ഷണത്തിൽ. അതാകട്ടെ, കമ്യൂണിക്കേഷൻ മേഖലയിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിച്ചു. അതിന്റെ സൈദ്ധാന്തിക തലം വിശദമാക്കുവാൻ ശ്രമിച്ചപ്പോഴാകട്ടെ, അത് പ്രകാശത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന ആശയങ്ങൾ പുനർനിർവ്വചിച്ചു. ക്വാണ്ടയുടെ ചരിത്രം ഇവിടെ അവസാനിക്കുന്നില്ല. ഇതുപോലെ നിരവധി വൈവിധ്യം നിറഞ്ഞ ചരിത്രം അതിനുണ്ട്. അത് നമുക്ക് അടുത്ത ഭാഗത്ത് കാണാം.

റഫറൻസുകൾ

Nouredine Zettili, Quantum Mechanics: Concepts and Applications, Wiley, 2009
Basil Mahon എഴുതിയ The Man Who Changed Everything: The Life of James Clerk Maxwell എന്ന പുസ്തകത്തിൽ മാക്സ്‌വെല്ലിന്റെ കണ്ടെത്തലുകളും ജീവിതവും വിവരിക്കുന്നു.
Stephen Klassen എഴുതിയ The photoelectric effect: Reconstructing the Story for the Physics Classroom എന്ന ലേഖനത്തിൽ, ഹെർട്സിന്റെ കണ്ടെത്തലുകൾ വിവരിക്കുന്നുണ്ട് (Science and Education journal, DOI 10.1007/s11191-009-9214-6)
Hunkoog Jho യും കൂട്ടരും എഴുതിയ Discussion for the enhanced understanding of the photoelectric effect എന്ന ലേഖനം. യൂറോപ്യൻ ജേർണൽ ഓഫ് ഫിസിക്സിൽ 2023 ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത് (Eur. J. Phys. 44 (2023) (025301)