ചരിത്രം തിരുത്തിയ ബ്ലാക്ക് ബോഡി വികിരണം

ലോഹങ്ങൾ ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ചൂടാക്കുമ്പോൾ അവയുടെ നിറങ്ങൾ മാറുന്നത് നമ്മൾ കണ്ടിട്ടുണ്ട്. ചുവപ്പ്, ഓറഞ്ച്, മഞ്ഞ, വെള്ള അങ്ങനെ. അതെന്തുകൊണ്ട് സംഭവിക്കുന്നുവെന്ന് മനുഷ്യൻ മനസ്സിലാക്കിയിട്ട് അധികം കാലം ആയിട്ടില്ല.  അതിന്റെ അന്വേഷണങ്ങൾ ലോഹങ്ങൾ കണ്ടെത്തി, അതിനെ വിവിധ ആവശ്യങ്ങൾക്കായി രൂപമാറ്റങ്ങൾ വരുത്തി ഉപയോഗിച്ച് തുടങ്ങിയ കാലം മുതൽക്കേ മനുഷ്യൻ ശ്രമിക്കുന്നതായിരിക്കണം. കൂടുതൽ ശാസ്ത്രീയമായ അറിവുകൾ രൂപംകൊണ്ട കാലം മുതൽ അതിൽ അത്തരത്തിൽ നടത്തിയ അന്വേഷണങ്ങൾ നമ്മളെ എത്തിച്ചത് അസാധാരണമായ ചില കാര്യങ്ങളിലേയ്ക്കു ആണ്. അത് ആധുനിക മനുഷ്യന്റെ ശാസ്ത്രമുന്നേറ്റങ്ങളെ കൂടുതൽ പരിപോഷിപ്പിച്ചു. കുറച്ച് കൂടി ആഴത്തിൽ ചിന്തിച്ചാൽ മനുഷ്യകുലത്തിന്റെ ചരിത്രത്തിനെപ്പോലും   അതു മാറ്റിമറിച്ചു. ആ കണ്ടെത്തലുകളുടെ ചരിത്രമാണ് നമ്മൾ ഇവിടെ പരിശോധിക്കുന്നത്. 

വസ്തുക്കൾ ചൂടാകുമ്പോൾ സാധാരണ ഗതിയിൽ താപത്തിന്റെ പുറംതള്ളൽ മൂന്ന് തരത്തിൽ ആണ് നടക്കുന്നത്. conduction (ചാലനം), convection (സംവഹനം), radiation (വികിരണം) എന്നിവയാണവ. ഇതിൽ ചാലനത്തിനും സംവഹനത്തിനും ഒരു മാധ്യമം ആവശ്യമാണ്. എന്നാൽ വികിരണം നടക്കുവാൻ മാധ്യമം ആവശ്യമില്ല. ഇതിൽ വികിരിണോർജം എന്ന നിലയിൽ വസ്തുക്കളിൽനിന്നും ചൂട് പുറത്ത് വരുന്നുവെന്നു 1800-കൾ വരെ മനുഷ്യന് അറിവുണ്ടായിരുന്നില്ല. വില്ല്യം ഹെർഷൽ എന്നൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞൻ അക്കാലത്ത്, വസ്തുക്കൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ താപം വികിരണങ്ങൾ ആയും പുറത്തേയ്ക്കു വരുന്നുവെന്നും അത് പ്രകാശത്തിന്റെ രൂപത്തിലുള്ള വികിരണങ്ങൾ തന്നെ ആണെന്നും അഭിപ്രായപ്പെട്ടു. 

1817-ൽ പിയറി ലൂയിസ് ഡ്യൂലോംഗ്, അലക്സിസ് തെർനോൻസ് പെറ്റിട്ട് (Pierre Louis Dulong & Alexis Thérèse Petit )എന്നീ ഫ്രഞ്ച് ശാസ്ത്രകാരന്മാർ ഒരു പരീക്ഷണം നടത്തി. ഗോളാകൃതിയിൽ ഉള്ള ഒരു ഗ്ലാസ് ബൾബും അതിനെ ഉൾക്കൊള്ളുന്ന അതേ ആകൃതിയിലുള്ള, എന്നാൽ അതിനെക്കാൾ വലിപ്പമുള്ള ഒരു ലോഹചേംബറും അവർ നിർമിച്ചു. ബൾബ് ആ ലോഹചേംബർ കേസിൽ വെയ്ക്കുമ്പോൾ ബൾബിനും ചേംബറിനും ഇടയിൽ ഒരു ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ടായിരുന്നു. അതിനുശേഷം ബൾബിനെ അവർ ചൂടാക്കി. ആ ഗ്യാപ്പിൽ പല മർദത്തിൽ വാതകം നിറച്ചു. ഓരോ മർദത്തിലും പുറത്തെ ചേംബർ എങ്ങനെ ചൂടാകുന്നു എന്നവർ പഠിച്ചു. അതിനിടയിൽ പൂർണ്ണമായ ശൂന്യതകൂടി അവർ സൃഷ്ടിച്ചു. അപ്പോഴുണ്ടാകുന്ന താപം കൂടി അവർ അളന്നു. അങ്ങനെ അവർ താപവികിരണങ്ങൾ എന്നൊരു സംഗതി ഉണ്ട് എന്ന് പ്രസ്താവിച്ചു. താപവികിരണങ്ങൾ എന്താണ് എന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ വേണ്ടിയാണ് അവർ അങ്ങനെ ഒരു പരീക്ഷണം ചെയ്തതെങ്കിലും അതിൽ ചില പിശകുകൾ ഉണ്ടായിരുന്നു. അത്  മനസ്സിലാക്കിയത് ഏകദേശം എഴുപത് വർഷങ്ങൾക്കു ശേഷമായിരുന്നു. അതിനെക്കുറിച്ച് നമുക്ക് വഴിയെ പരിചയപ്പെടാം. അതിനും മുൻപേ, നമുക്ക് ഇപ്പറയുന്ന താപവികിരണങ്ങൾ എന്താണ് എന്ന് പരിശോധിക്കാം

താപവികിരണങ്ങൾ

ചൂടുള്ള വസ്തുക്കൾ അതിന്റെ ചുറ്റുമുള്ള സ്ഥലത്തിനെക്കാളും ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ആണെങ്കിൽ അത് സ്വയം ചുറ്റുപാടുള്ള താപനിലയിൽ എത്തിച്ചേരുവാൻ വേണ്ടി പ്രയോഗിക്കുന്ന ഒരു രീതിയാണ് വികിരണങ്ങളെ പുറത്തുവിടുക എന്നുള്ളത്. അതായത് വസ്തുവിന്റെ താപനിലയും അത് നിലനിൽക്കുന്ന സ്ഥലത്തിന്റെ താപനിലയും ഒന്ന് തന്നെ ആകണം. അത്തരം അവസ്ഥയെ സന്തുലനാവസ്ഥ എന്നു പറയും. ഇതിനുവേണ്ടി ചൂടുള്ള വസ്തു പുറത്തുവിടുന്ന താപോർജത്തിനെയാണ് താപവികിരണങ്ങൾ എന്ന് പറയുന്നത്. ഇവ വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗങ്ങളുടെ സ്വഭാവം ഉള്ളവ ആയിരിക്കും. അതായത് പ്രകാശത്തിന്റെ സ്വഭാവം ഉള്ള തരംഗങ്ങൾ. വസ്തുക്കൾക്ക് ലഭ്യമാകുന്ന ചൂടിന് അനുസരിച്ച് ആയിരിക്കും ഈ തരംഗങ്ങളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം അല്ലെങ്കിൽ ആവൃത്തി. ചൂട് കൂടുന്നതനുസരിച്ച് പുറത്തുവരുന്ന താപവികിരണങ്ങളുടെ തരംഗദൈർഘ്യം കുറയും, ആവൃത്തി കൂടും. ആവൃത്തി കൂടുമ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന വികിരണങ്ങളുടെ ഊർജവും കൂടുതലായിരിക്കും. തരംഗദൈർഘ്യം കുറയുന്ന ക്രമത്തിൽ അല്ലെങ്കിൽ ആവൃത്തി കൂടുന്ന ക്രമത്തിൽ പ്രകാശത്തിനെ ചിത്രം 1-ൽ കാണുന്ന വിധം ക്രമീകരിക്കാം. അതിനെ ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് സ്പെക്ട്രം എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

ഇങ്ങനെ വസ്തുക്കൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന വികിരണങ്ങൾ ഒരു പ്രത്യേകതരം ക്രമം പിന്തുടരുന്നുണ്ട്. ഒരു നിശ്ചിത താപനിലയിൽ അത് ഒരു പ്രത്യേക തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ള വികിരണങ്ങളെ മാത്രമേ പുറത്തുവിടൂ. ഉദാഹരണത്തിന് ഒരു വസ്തുവിനെ നമ്മൾ 2000 കെൽവിനിൽ ചൂടാക്കുന്നു എന്ന് കരുതുക. ഈ താപനിലയിൽ ചെറിയൊരു വ്യത്യാസം പോലും നമ്മൾ വരുത്തുന്നില്ല എന്നിരിക്കട്ടെ. അപ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന താപോർജത്തിന്റെ അളവ് ആദ്യം കുറവായിരിക്കും. പതുക്കെ അത് കൂടും. എന്നിട്ട് അത് പരമാവധിയിൽ എത്തും. അത് കഴിഞ്ഞ് അത് കുറഞ്ഞുവരും. ചിത്രം 2 കാണുക. 

ചിത്രത്തിൽ കാണുന്നപോലെ പല താപനിലയിലും ഇതിന്റെ പരമാവധി പലതായിരിക്കും. നമ്മൾ ഏതു വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കുന്നു എന്നത് പ്രധാനമല്ല.

ഇത്തരം നിരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ താപവികിരണത്തിനെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനങ്ങൾ മറ്റൊരു തലത്തിലേയ്ക്ക് കൊണ്ടുപോയത് ജർമൻകാരനായ ഗുസ്താവ് കിർച്ചോഫ് എന്നൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു, 1859-ൽ. സ്കോട്ടിഷ് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്ന ബാൽഫർ സ്റ്റീവേർട്ട് 1858-ൽ വസ്തുക്കൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ പുറത്തേയ്ക്ക് വരുന്ന താപവികിരണങ്ങളെക്കുറിച്ച് വിശദമായി ചില പഠനങ്ങൾ നടത്തിയിരുന്നു. വസ്തുക്കളിൽ നിന്നും പുറത്തുവരുന്ന താപവികിരണങ്ങൾ അത് ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന ഊർജത്തിന് ആനുപാതികം ആയിരിക്കും എന്ന് ഈ പരീക്ഷണങ്ങളിൽനിന്നും അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചു. കിർച്ചോഫ് ഇതേ സമയത്തുതന്നെ ആയിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിന്റെ പഠനങ്ങൾ ജർമനിയിൽ നടത്തിക്കൊണ്ടിരുന്നത്. കിർച്ചോഫിന്റെ പഠനത്തിനെ കൂടുതൽ വിശദമാക്കാൻ നമ്മൾ സൂര്യപ്രകാശത്തിലേക്ക് പോകേണ്ടതുണ്ട്.

സൂര്യനിൽനിന്നും പുറത്തുവരുന്ന പ്രകാശത്തിൽ നമ്മുടെ കണ്ണുകളിൽ കാണുന്ന പ്രകാശമാണ് ദൃശ്യപ്രകാശം. ഇതിൽ നിരവധി നിറങ്ങൾ അടങ്ങിയിട്ടുണ്ടെന്ന് അറിയാമല്ലോ? അത് കൊണ്ടാണ് നമ്മൾ വസ്തുക്കളെ വർണ്ണങ്ങൾ ഇടകലർന്ന മനോഹര വസ്തുക്കളായി കാണുന്നത്. ഈ ദൃശ്യപ്രകാശത്തിനെ കൂടുതൽ പഠനവിധേയം ആക്കിയപ്പോൾ ജോസഫ് ഫ്രാൻഹോഫർ എന്നൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ചില കറുത്ത വരകൾ കണ്ടു. ചിലത് നീല നിറമുള്ള സ്ഥലത്തായിരുന്നു. ചിലത് പച്ചനിറമുള്ള സ്ഥലത്ത്, ചിലത് മഞ്ഞനിറമുള്ള സ്ഥലത്ത്. അതിന്റെ ചിത്രം കാണുക.

ഇതിൽ മഞ്ഞയുടെ ഭാഗത്ത് കാണപ്പെടുന്ന D ലൈൻസ് എന്ന് അറിയപ്പെടുന്ന ഭാഗം ആയിരുന്നു കിർച്ചോഫിനെ കൂടുതൽ ചിന്തിപ്പിച്ചത്. ബൻസൻ എന്ന ശസ്ത്രജ്ഞനുമായി ചേർന്നു മൂലകങ്ങൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ എന്തൊക്കെ നിറങ്ങൾ ആണ് പുറത്തുവരുന്നത് എന്ന് നിരീക്ഷിച്ചു കൊണ്ടിരിക്കുമ്പോഴാണ് സോഡിയം മൂലകത്തിനെ കത്തിക്കുമ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന വികിരണത്തിൽ D ലൈൻസ് കണ്ടെത്തിയത്. ഈ പരീക്ഷണം അദ്ദേഹം പല തരത്തിൽ നടത്തി. സൂര്യപ്രകാശത്തിനെ സോഡിയം കത്തിക്കുമ്പോൾ ഉണ്ടാകുന്ന തീയിലൂടെ കടത്തിവിട്ടപ്പോൾ D ലൈൻസ് കൂടുതൽ ഇരുണ്ട് കാണപ്പെട്ടു. അത് മാറ്റിയപ്പോൾ D ലൈൻസ് സാധാരണ കാണുന്ന കറുത്ത നിറത്തിൽ തന്നെ കാണപ്പെട്ടു. അതായത്, സോഡിയം മൂലകത്തിന്റെ തീ, ചില പ്രത്യേക തരംഗദൈർഘ്യം ഉള്ള പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. ഇതിൽ നിന്നും പുറത്തുവരുന്ന പ്രകാശം, അത് ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പ്രകാശം തന്നെ ആണ്. അങ്ങനെ കിർച്ചോഫ് ഇതിൽനിന്നും പുതിയൊരു ആശയത്തിലേയ്ക്ക് എത്തിച്ചേർന്നു. ഒരു നിശ്ചിത താപനിലയിലും തരംഗദൈർഘ്യത്തിലും എല്ലാ വസ്തുക്കളും പ്രകാശത്തിനെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതും വികിരണം ചെയ്യുന്നതും ഒരുപോലെ  ആയിരിക്കും എന്ന്. കുറച്ചുകൂടി വ്യക്തമായി പറഞ്ഞാൽ, ഒരു വസ്തു ചൂടാക്കുമ്പോൾ പുറത്തേയ്ക്ക് വരുന്ന ഊർജത്തിന്റെയും അതിനും മുൻപ് അത് ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന ഊർജത്തിന്റെയും അനുപാതം, ആ വസ്തു ചൂടാക്കാൻ നമ്മൾ കൊടുത്ത താപനിലയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.

പുറത്തേയ്ക്കു വരുന്ന പ്രകാശോർജം / ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പ്രകാശോർജം = താപനിലയെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്ന ഒരു സ്ഥിരാങ്കം. 

ഇതിനെ താപവികിരണ നിയമം എന്ന് പറയുന്നു. ഇതിനെ വിശദീകരിക്കാൻ കിർച്ചോഫ് ഒരു പുതിയ ആശയം അവതരിപ്പിച്ചു. അതാണ് കറുത്തവസ്തു വികിരണം (Blackbody radiation). എല്ലാ വികിരണങ്ങളും ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തു എപ്പോഴും കറുത്ത നിറത്തിൽ ആയിരിക്കും കാണപ്പെടുന്നത്. സംശുദ്ധ കറുത്തനിറത്തിലുള്ള വസ്തുക്കൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ എല്ലാ നിറങ്ങളും പുറത്തുവിടും. അതായത് എല്ലാ വസ്തുക്കളും ചൂടാക്കുമ്പോൾ പുറത്തേയ്ക്കു താപവികിരണങ്ങളെ പുറത്തുവിടുന്നതിനു കാരണം അത് ആഗിരണം ചെയ്തിരിക്കുന്ന പ്രകാശോർജം ആണ്. അനുയോജ്യമായ താപനിലയിലാകുമ്പോൾ അത് ചൂടിന് അനുസരിച്ചുള്ള താപവികിരണം പുറത്തുവിടും. ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിന്റെ ഏറ്റക്കുറച്ചിൽ അനുസരിച്ച് പുറത്തുവരുന്ന വികിരണത്തിനും വ്യത്യാസം ഉണ്ടാവും.

ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണം

എന്താണ് ഈ ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിലെ ‘ബ്ലാക്ക്ബോഡി’ ? അത്തരത്തിൽ ഒന്ന് സാധ്യമാണോ ? കിർച്ചോഫ് വിഭാവനം ചെയ്ത രീതിയിൽ ഉള്ള ഒരു ബ്ലാക്ക്ബോഡി ശരിക്കും സാധ്യമല്ല. എന്നാൽ 1895-ൽ വിലേം വെൻ, ഓട്ടോ ലുമ്മർ എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ചേർന്ന് ഇത്തരം ഒരു വസ്തുവിനെക്കുറിച്ച് ഒരാശയം പങ്കുവെച്ചു. അതൊരു ഗോളാകൃതിയിൽ ഉള്ള അകം പൊള്ളയായ വസ്തു ആയിരിക്കും. അതിന് വളരെ ചെറിയ ഒരു ദ്വാരം ഉണ്ടായിരിക്കും. പുറത്തുനിന്നുമുള്ള പ്രകാശം ഈ ദ്വാരത്തിലൂടെ മാത്രമേ ആ വസ്തുവിന്റെ ഉള്ളിലേക്കു കടന്നുചെല്ലുകയുള്ളൂ. അങ്ങനെ അകത്തേക്ക് കടന്നുചെല്ലുന്ന പ്രകാശം പല തവണ അതിന്റെ ഭിത്തി മൂലം പ്രതിപതനത്തിന് വിധേയമാകും. ഒരു ഭിത്തിയിൽ ഇടിച്ച് മറ്റൊരു ഭിത്തിയിലേയ്ക്ക്, അങ്ങനെയങ്ങനെ. പൂർണ്ണതോതിൽ പ്രകാശത്തിനെ പ്രതിപതിപ്പിക്കുന്ന ഭിത്തി ആയിരിക്കും ഇത്. ആ ഗോളത്തിനകത്ത് കടക്കുന്ന പ്രകാശത്തിനു പുറത്തുവരാൻ സാധിക്കില്ല. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ആ പ്രകാശം ഉള്ളിലേയ്ക്ക് കടത്തിവിടുന്ന ദ്വാരത്തിന്റെ നിറം പൂർണ്ണതോതിൽ കറുപ്പായിരിക്കും. ഈ ഗോളാകൃതിയിലുള്ള വസ്തുവിനെ നമ്മൾ ചൂടാക്കുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. കറുത്തനിറത്തിലുള്ള ആ ദ്വാരം തിളങ്ങാൻ തുടങ്ങും. കാരണം പ്രകാശം അത് വഴി കടന്നുവരാൻ തുടങ്ങും. ചൂടിന്റെ ആധിക്യം കൂടുന്നതിന് അനുസരിച്ച് പലതരം വികിരണോർജം പുറത്തുവരും.  ഇത്രയൊക്കെ കാര്യങ്ങൾ കിർച്ചോഫ് പറഞ്ഞെങ്കിലും, ചിത്രം 2-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന ഗ്രാഫിനെ പൂർണ്ണതോതിൽ വിവരിക്കുവാൻ കിർച്ചോഫിനായില്ല. ഇക്കാര്യത്തിൽ വിജയിച്ചത് മറ്റു ചിലർ ആയിരുന്നു.

വിശദീകരണങ്ങളുടെ ചരിത്രം

ആസ്ട്രിയൻ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ജോസഫ് സ്റ്റെഫാൻ ആയിരുന്നു ഈ ലേഖനത്തിന്റെ തുടക്കത്തിൽ നമ്മൾ കണ്ട ഡ്യൂലോംഗ്, പെറ്റിട്ട് എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ പരീക്ഷണങ്ങൾ ശരിക്കും താപവികിരണങ്ങളെക്കുറിച്ചല്ല സംസാരിക്കുന്നത് എന്നു കണ്ടെത്തിയത്. ചാലകപ്രക്രിയ വഴി എങ്ങനെയാണ് ചൂട് പ്രസരണം ചെയ്യുന്നത് എന്നതിൽ നല്ല അറിവുള്ള അദ്ദേഹം, ഈ പരീക്ഷണത്തിന്റെ  പ്രശ്നങ്ങൾ കണ്ടെത്തി. അപ്പോഴാണ് അതിൽനിന്നും കൗതുകകരമായ ഒരു വസ്തുത അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചത്. താപവികിരണങ്ങളുടെ ഊർജം ഒരു പ്രത്യേക രീതിയിൽ താപനിലയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. അതായത്, വികിരണോർജത്തിന്റെ തീവ്രത, നമ്മൾ വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന താപനിലയുടെ 4th പവറിനോട് അനുപാതത്തിൽ ആയിരിക്കും. അതിനുവേണ്ടി സ്റ്റെഫാൻ ഉപയോഗിച്ചത് ടിൻഡാൽ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്റെ ചില പരീക്ഷണങ്ങൾ ആയിരുന്നു. ടിൻഡാൽ പ്ലാറ്റിനം വയറിനെ പല താപനിലയിൽ ചൂടാക്കി, ഇതിൽ നിന്നും വരുന്ന വികിരണോർജത്തിനെ അളന്നിരുന്നു. ആ വിവരങ്ങളെ സൂക്ഷ്മമായി പരിശോധിച്ചതിൽനിന്നുമാണ് സ്റ്റെഫാൻ ഇത്തരമൊരു ബന്ധം നിർമ്മിച്ചെടുത്തത്. 

എന്നാൽ തന്റെ തന്നെ ഈ കണ്ടെത്തലിൽ സ്റ്റെഫാൻ പൂർണ്ണതോതിൽ തൃപ്തൻ ആയിരുന്നില്ല. കൂടുതൽ പരീക്ഷണങ്ങളിൽനിന്നുമുള്ള കാര്യങ്ങൾ ഇതിൽ ഉൾക്കൊള്ളിക്കണം എന്ന് അദ്ദേഹം ചിന്തിച്ചു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ ശിഷ്യൻ ആയിരുന്ന ലുഡ്വിഗ് ബോൾട്സ്മാൻ ഇതിനെക്കുറിച്ച് കുറച്ച് കൂടുതൽ ചിന്തിച്ചു. താപഗതികത്തിൽ (Thermodynamics) അഗ്രഗണ്യൻ ആയിരുന്ന ബോൾട്സ്മാൻ താപഗതികത്തിന്റെ ആശയങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് സ്റ്റെഫാന്റെ സിദ്ധാന്തത്തിനെ ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി തെളിയിച്ചു. അങ്ങനെ ഈ സിദ്ധാന്തം സ്റ്റെഫാൻ – ബോൾട്സ്മാൻ നിയമം എന്നറിയപ്പെട്ടു. 

ഈ വിശദീകരണം പക്ഷേ, ലോഹങ്ങൾ ചൂടാകുമ്പോൾ പുറത്തേക്കു വരുന്ന വികിരണങ്ങളുടെ മറ്റു സ്വഭാവങ്ങൾ വിശദീകരിക്കുന്നതിന് പര്യാപ്തം ആയിരുന്നില്ല. ഉദാഹരണത്തിന്, ചിത്രം 2-ൽ കാണുന്ന ഗ്രാഫിൽ വിവരിക്കുന്ന രീതിയിൽ തരംഗദൈർഘ്യം എങ്ങനെ മാറുന്നു എന്ന് മനസ്സിലാക്കുവാൻ ഈ സമവാക്യങ്ങൾ പര്യാപ്തമല്ലായിരുന്നു. സ്റ്റെഫാൻ- ബോൾട്സ്മാൻ നിയമം ഓരോ താപനിലയിലും  പുറത്തുവിടുന്ന പരമാവധി ഊർജം എന്തെന്നു മാത്രമേ പറഞ്ഞിരുന്നുള്ളൂ. അതിന്റെ ക്രമം എന്തെന്ന് പറഞ്ഞിരുന്നില്ല. അവിടേയ്ക്കാണ് 1893-ൽ വിലേം വീൻ എന്നൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞൻ കടന്നുവരുന്നത്. ബോൾട്സ്മാൻ തുറന്നിട്ട വഴിയിലൂടെ വികിരണോർജത്തിനെ പഠിക്കാം എന്നാണ് വീൻ കരുതിയത്. താപഗതികത്തിന്റെ നിയമങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് അതിലൂടെ കറുത്ത വസ്തു വികിരണത്തിനെ വിശദീകരിക്കുവാൻ ഒരു പരിധി വരെ സാധിക്കുന്ന ഒരു സമവാക്യം വീൻ നിർമ്മിച്ചെടുത്തു. കുറഞ്ഞ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾ എങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നുവെന്ന് വീൻ വ്യക്തമായി വിശദീകരിച്ചു. എന്നാൽ, ഉയർന്ന തരംഗ ദൈർഘ്യങ്ങൾ എന്തുകൊണ്ട് സംഭവിക്കുന്നു എന്ന് ആ സമവാക്യത്തിനു വിശദീകരിക്കുവാൻ സാധിച്ചില്ല. ചിത്രം-5 കാണുക. ആ പ്രശ്നം പഠിക്കാൻ തുടർന്ന് റെയിലെ, ജയിംസ് ജീൻസ് എന്നീ ശാസ്ത്രകാരന്മാർ വന്നു. താപഗതികത്തിലെ നിരവധി കാര്യങ്ങളെ വിശദീകരിക്കുവാൻ അക്കാലത്ത് ബോൾട്സ്മാൻ അവയിൽ ചില സ്റ്റാറ്റിസ്റ്റിക്കൽ ആശയങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനെക്കുറിച്ച് വിശദമായി പഠിച്ചിരുന്നു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ അത്തരം നിയമങ്ങൾ പദാർത്ഥങ്ങൾ ചൂടാകുമ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന വികിരണോർജത്തിനെ വിശദീകരിക്കുവാൻ ഉപയോഗിക്കാം എന്ന് റെയിലെയും ജീൻസും ചിന്തിച്ചു. ബോൾട്സ്മാൻ, മാക്സ്വെൽ എന്നൊരു ശാസ്ത്രജ്ഞനുമായി ചേർന്ന്, വാതകങ്ങൾ ചൂടാകുമ്പോൾ അവയുടെ പ്രവേഗം എങ്ങനെ ആയിരിക്കും എന്നൊരു പഠനം മുൻപു നടത്തിയിരുന്നു. വാതകങ്ങൾ ചൂടാകുമ്പോൾ അതിന്റെ പ്രവേഗത്തിനുണ്ടാകുന്ന വ്യതിയാനം വിശദീകരിക്കുന്ന ഗ്രാഫ് ഏകദേശം നമ്മുടെ കറുത്ത വസ്തു വികിരണത്തിന്റെ ഗ്രാഫ് പോലെ ആയിരുന്നു (ചിത്രം-6 കാണുക). അതുകൊണ്ട് തന്നെ അത് വിശദീകരിക്കുവാൻ ബോൾട്സ്മാനും മാക്‌സ്‌വെല്ലും ഉപയോഗിച്ച സമവാക്യങ്ങളിൽ ഉചിതമായ രീതിയിൽ മാറ്റം വരുത്തിയാൽ മതിയാവും എന്ന് റെയിലെയും ജീൻസും ചിന്തിച്ചു. അങ്ങനെ അവർ രൂപപ്പെടുത്തിയ സമവാക്യം കറുത്തവസ്തു വികിരണം എങ്ങനെ ആണ് ഒരു നിശ്ചിത താപനിലയിൽ ഉയർന്ന തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾ തരുന്നത് എന്ന് വിശദീകരിച്ചു. എന്നാൽ, അത് കുറഞ്ഞ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾ എങ്ങനെയാണ് ഒരു നിശ്ചിത താപനിലയിൽ ലഭിക്കുന്നത് എന്ന് പറഞ്ഞില്ല. 

ഇനി റയിലെ – ജീൻസ് സമവാക്യം അനുസരിച്ചാണ് വസ്തുക്കൾ ചൂടാകുമ്പോൾ പുറത്തുവരുന്ന താപവികിരണങ്ങൾ എന്നായിരുന്നെങ്കിലോ? അതായത് നമ്മൾ ഒരു വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. ചൂട് കൂടുമ്പോൾ അത് താപവികിരണങ്ങളെ പുറത്തുവിടുന്നതിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യം കുറഞ്ഞുവരും. അങ്ങനെ വന്നു അവസാനം ഉയർന്ന ഊർജനിലയിൽ ഉള്ള വികിരണങ്ങൾ പുറത്തുവിടും. അതായത് നിങ്ങൾ ഒരു മെഴുകുതിരി കത്തിച്ചുവെച്ചാൽ കുറച്ചു കഴിയുമ്പോൾ അതിൽനിന്നുമുള്ള വികിരണങ്ങൾ മൂലം നിങ്ങളും, ചുറ്റുമുള്ള എല്ലാം നശിച്ചുപോകും. ഇതിനെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ വിളിക്കുന്ന പേരാണ് ‘അൾട്രാവയലറ്റ് ദുരന്തം’. ഇത്തരത്തിൽ ഒരു പ്രശ്നം റെയിലെയുടെയും ജീൻസിന്റെയും സിദ്ധാന്തത്തിൽ വന്നതിനുകാരണം അവർ മാക്സ്‌വെൽ- ബോൾട്സ്മാൻ സ്റ്റാറ്റിസ്റ്റിക്സ് ശരിയായി ഉപയോഗിക്കാതിരുന്നതിനാലായിരുന്നു. എന്നാൽ ഈ ആശയങ്ങൾ അതുകൊണ്ട് പൂർണ്ണതോതിൽ പരാജയം ആയിരുന്നു എന്നും പറയാൻ സാധിക്കില്ല. ഇതിന്റെ പ്രശ്നങ്ങളെ മറ്റൊരു തരത്തിൽ, അതായത് എന്ന് നിലവിലിരുന്ന പരമ്പരാഗത രീതികളെ പിൻപറ്റാതെ ഒരാൾ ചിന്തിച്ചു. ശാസ്ത്രവിശ്വാസങ്ങളിൽ  കടുത്ത യാഥാസ്ഥിതികത പുലർത്തിക്കൊണ്ടിരുന്ന ഒരാൾ ആയിരുന്നു അദ്ദേഹം എന്നതായിരുന്നു അതിലെ രസകരമായ സംഗതി. മറ്റാരുമല്ല, മാക്സ് പ്ലാങ്ക് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു അത്. അദ്ദേഹത്തിന്റെ ആശയങ്ങൾ പിന്നീട് ശാസ്ത്രത്തിന്റെ ഗതിതന്നെ മാറ്റി.

ക്വാണ്ടം യുഗത്തിന്റെ പിറവി

1900 ഡിസംബർ പതിന്നാലാം തീയതി. ജർമൻ ഫിസിക്കൽ സൊസൈറ്റിയുടെ മീറ്റിംഗ് നടന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന സമയം. അവിടുത്തെ പ്രധാന പ്രഭാഷകരിൽ ഒരാൾ യൂണിവേഴ്സിറ്റി ഓഫ് ബെർലിനിലെ പ്രൊഫസർ ആയിരുന്ന മാക്സ് പ്ലാങ്ക് ആയിരുന്നു. താപഗതികത്തിൽ, വിശേഷിച്ചും താപഗതികത്തിലെ രണ്ടാം സിദ്ധാന്തത്തിൽ അനവധി പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തി അതിനകം തന്നെ പ്രഗൽഭനായ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു പ്ലാങ്ക്. അന്നത്തെ മീറ്റിങ്ങിൽ അദ്ദേഹം ഒരു പുതിയ സിദ്ധാന്തം അവതരിപ്പിച്ചു. ശാസ്ത്രചരിത്രകാരന്മാരുടെ അഭിപ്രായത്തിൽ അദ്ദേഹത്തിനുപോലും പൂർണ്ണതോതിൽ വിശ്വാസം ഇല്ലാതിരുന്ന ഒരു സിദ്ധാന്തം. ഗുസ്താവ് കിർച്ചോഫിന്റെ ആ ശിഷ്യൻ, ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിനെ വ്യക്തമായി വിശദമാക്കുന്ന ഒരു ആശയമായിരുന്നു അന്ന് അവതരിപ്പിച്ചത്. വികിരണോർജം എന്നതു നിരവധി ചലനാത്മകമായ ഊർജകണങ്ങളുടെ കൂട്ടമാണെന്നും അവ ഓരോന്നിന്റെയും ഊർജം \( h\nu \) എന്നൊരു വിലയാണെന്നും അദ്ദേഹം പറഞ്ഞു. ഇവ ഓരോന്നിനെയും ‘ക്വാണ്ടം’ എന്നു വിളിച്ചു. ഇതിൽ h എന്നതു ഒരു സ്ഥിരാങ്കം ആണ്. അതിനെ പ്ലാങ്കിന്റെ സ്ഥിരാങ്കം എന്ന് വിളിച്ചു. \( \nu\) എന്നത് തരംഗങ്ങളുടെ ആവൃത്തിയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. അദ്ദേഹം അവിടെ അവതരിപ്പിച്ച ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിനെ വിശദീകരിക്കുന്ന സമവാക്യം എല്ലാ താപനിലയിലും, വികിരണോർജത്തിന്റെ സ്വഭാവം കൃത്യമായി വിശദീകരിച്ചു. ഈ ആശയം പിന്നീട് ശാസ്ത്രചരിത്രത്തിനെ മാറ്റിമറിച്ചു. ക്വാണ്ടം എന്ന ആശയത്തിനെക്കുറിച്ച് പിന്നീട് പല സിന്ധാന്തങ്ങളും ചിന്തകളും രൂപീകരിക്കപ്പെട്ടു. അത് പിന്നീട് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം എന്ന ശാസ്ത്രശാഖയ്ക്കുതന്നെ രൂപം കൊടുത്തു. 

യഥാർത്ഥത്തിൽ, പ്ലാങ്ക് ഈ ആശയനിർമ്മിതിയിലേയ്ക്ക് എത്തുന്നത് മറ്റു ചില ചിന്തകളിൽ നിന്നുമാണ്.  ഒന്നാമത്തേത്, ഇതിൽ എൻട്രോപി എന്ന ആശയത്തിന്റെ സാധ്യതകൾ ഉപയോഗിക്കാം എന്നുള്ളതായിരുന്നു. എൻട്രോപി എന്നത് പ്ലാങ്കിന്റെ ഇഷ്ടവിഷയം ആയിരുന്നു. രണ്ടാമത്തേത്, താപഗതികത്തിനെക്കുറിച്ച് അന്ന് നിലനിന്നിരുന്ന ചില വിമർശനങ്ങളെ ഖണ്ഡിക്കാൻ വേണ്ടി ആയിരുന്നു. താപഗതികത്തിനെ മനസ്സിലാക്കേണ്ട രീതി ഇങ്ങനെ അല്ല എന്ന് മറ്റുള്ളവർക്ക് മനസ്സിലാക്കിക്കാൻ പ്ലാങ്ക് എടുത്ത ഒരു ഉദാഹരണം കൂടി ആയിരുന്നു കറുത്ത വസ്തു വികിരണം. 

ഇത്തരമൊരു കണ്ടെത്തൽ പ്ലാങ്ക് നടത്തിയെങ്കിലും അതിന്റെ പ്രാധാന്യം ലോകം തിരിച്ചറിയുന്നതിന് പിന്നെയും ഒരു ദശകത്തോളം എടുത്തു. അക്കാലത്ത്, ഇതിന്റെ പ്രധാന എതിരാളി സാക്ഷാൽ ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈൻ തന്നെ ആയിരുന്നു. വീനിന്റെ  സിദ്ധാന്തം ഉപയോഗിച്ചുതന്നെ കറുത്ത വസ്തു വികിരണത്തിനെ വിശദീകരിക്കാം എന്ന് ഐൻസ്റ്റൈൻ കരുതി. എന്നാൽ കൂടുതൽ അതിനെ പഠിച്ചപ്പോഴാണ് പ്ലാങ്കിന്റെ സിദ്ധാന്തം, അതിന്റെ ക്വാണ്ട എന്ന ആശയം കൊണ്ടുതന്നെ മനോഹരമാണെന്ന് അദ്ദേഹത്തിനു മനസ്സിലായത്. പിന്നീട് ഈ ആശയം ഉപയോഗിച്ച് അദ്ദേഹം ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രഭാവം വിശദീകരിച്ചു. 

വിശദീകരണം വരുത്തിയ മാറ്റങ്ങൾ

ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിനെ വിശദീകരിക്കുവാൻ ശ്രമിച്ചത് മറ്റ് പലതരത്തിലുമുള്ള അറിവുകളിലേക്ക് മനുഷ്യനെ നയിച്ചു. സൂര്യന്റെ താപനില കൃത്യമായി നിർണ്ണയിക്കുവാൻ സാധിച്ചത് ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികിരണത്തിനെ വിശദമാക്കുവാൻ ഉപയോഗിച്ച സ്റ്റെഫാൻ- ബോൾട്സ്മാൻ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ചാണ്. അക്കാലം വരെ വിശ്വസിച്ചിരുന്നത്, സൂര്യന്റെ താപം 2000 കെൽവിനിലും 10000 കെൽവിനിലും ഇടയിൽ ആണ് എന്നായിരുന്നു. എന്നാൽ, സ്റ്റെഫാൻ – ബോൾട്സ്മാൻ സമവാക്യം അനുസരിച്ച് അത് 6000 കെൽവിൻ ആണെന്ന് അന്ന് കണ്ടെത്തി. ഭൂമിയുടെ പുറത്ത് അന്തരീക്ഷത്തിന്റെ താപനില 255 കെൽവിൻ ആണെന്നും ഈ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ചു കണ്ടെത്തി. എന്തിനധികം പറയുന്നു, നമ്മൾ ആകാശത്തു കാണുന്ന എല്ലാ നക്ഷത്രങ്ങളുടെയും താപനില ഈ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. അതായത്, ഒരു വസ്തു പുറത്തേക്കു വിടുന്ന ഊർജത്തിന്റെ തീവ്രതയും, തരംഗദൈർഘ്യവും അറിയാമെങ്കിൽ അതിന്റെ താപനില കണ്ടെത്താൻ സാധിക്കും. 

1964-ൽ ബ്ലാക്ക്ബോഡി വികരണത്തിനെക്കുറിച്ചുള്ള വിശദീകരണങ്ങൾ ജ്യോതിശ്ശാസ്ത്രത്തിൽ പുതിയൊരു കണ്ടെത്തലിനു കാരണമായി. ആർന്നോ പെൻസിയസ്, റോബർട്ട് വിൽസൻ എന്നീ രണ്ട് ശാസ്ത്രജ്ഞർ, അമേരിക്കയിലെ ന്യൂ ജേഴ്സിയിലെ ക്രോഫോർഡ് ഹിൽ ലബോറട്ടറിയിൽ വെച്ച് ഒരു വസ്തുത കണ്ടെത്തി. ഇവിടുത്തെ 200 മീറ്ററോളം വലുപ്പം വരുന്ന ആന്റിന അപരിചിതമായ ചില സിഗ്നലുകളെ സ്വീകരിക്കുന്നതായി അവർക്ക് മനസ്സിലായി. വീൻ നിർമിച്ചെടുത്ത സമവാക്യങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് അവർ ആ സിഗ്നലുകളുടെ തരംഗ ദൈർഘ്യം നിർണ്ണയിച്ചെടുത്തു. ഏകദേശം 2.725 കെൽവിൻ താപനിലയുള്ള ആ വികിരണങ്ങളെ അവർ cosmic microwave background (CMB) വികിരണങ്ങൾ എന്നു വിളിച്ചു. എവിടെനിന്നുമാണ് ഈ CMB-യുടെ ഉറവിടം? ബിഗ്ബാംഗ് സമയത്ത് ഉണ്ടായിരുന്ന ക്വാണ്ട ഊർജം ഉള്ള വികിരണങ്ങൾ ആണവ. അതായത്, പുരാതന പ്രപഞ്ചം എങ്ങനെ ആയിരുന്നു എന്നു മനസ്സിലാക്കുവാൻ ഇവ സഹായിക്കുമത്രേ!

ഇനി ഒന്ന് തിരിഞ്ഞുനോക്കൂ. എവിടെനിന്നുമാണ് നമ്മൾ തുടങ്ങിയത്. എങ്ങനെ ആണ് ലോഹങ്ങൾ ചൂടാക്കുമ്പോൾ വികിരണങ്ങൾ പുറത്തേയ്ക്ക് വരുന്നത് എന്നതിൽ നിന്നും. ഇപ്പോൾ നമ്മൾ എത്തിച്ചേർന്നു നിൽക്കുന്നതോ, അതിന്റെ വിശദീകരണങ്ങളിലൂടെ ശാസ്ത്രം എത്തിനിൽക്കുന്ന പല ഇടങ്ങളിലേക്കും. കൂടുതൽ സൂക്ഷ്മമായി പരിശോധിച്ചാൽ കറുത്ത വസ്തു വികിരണത്തിന്റെ വിശദീകരണങ്ങൾ ശാസ്ത്രത്തിന്റെ പല മേഖലകളെയും സ്വാധീനിച്ചിരിക്കുന്നതായി കാണാം. 

---

റഫറൻസുകൾ

1. G S Ranganath, Black-Body Radiation, Resonance, February 2008.
2. John Crepeau, A Brief History of the \(T^4\) Radiation law, Proceedings HT 2009. 2009 ASME Summer Heat Transfer Conference July 19-23, 2009, San Francisco, California USA.
3. Kerim Demirel, Blackbody and its application to CMB Physics 400: Special Problems in Physics, 2015.
4. Lecture by T. Lakoba, University of Vermont, Black-body radiation and Planck’s formula.
5. Nouredine Zettili, Quantum Mechanics; Concepts and Applications,Wiley, 2009
6. George Gamow, Thirty years that shook physics, Dover Publications Inc., 2003.

---