ഒരു ഫിസിക്സ് അദ്ധ്യാപകൻ എന്ന നിലയിൽ പലപ്പോഴും എനിക്ക് പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രതിപതനത്തെക്കുറിച്ച് സംസാരിക്കേണ്ടിവന്നിട്ടുണ്ട്. പണ്ടുകാലത്ത് ‘പ്രതിഫലനം’ എന്നാണ് പഠിച്ചിരുന്നത്, ഇപ്പോൾ അത് ‘പ്രതിപതനം’ ആയിട്ടുണ്ട്. ആ പതനം അവിടെ നിൽക്കട്ടെ, മറ്റൊരു കാര്യമാണ് ഇവിടെ ഉദ്ദേശിക്കുന്നത്.
പ്രകാശവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട പല പ്രതിഭാസങ്ങളും ഫിസിക്സ് വിദ്യാർത്ഥികൾ പഠിക്കാറുണ്ട്. പ്രതിപതനം, അപവർത്തനം, പോളറൈസേഷൻ, വിസരണം, ഇൻ്റർഫെറൻസ്, ഡിഫ്രാക്ഷൻ, അങ്ങനെ പലതും. അതിൽ ഏറ്റവും ലളിതമായി പറഞ്ഞുകൊടുക്കാറുള്ളത് പ്രതിപതനത്തെ സംബന്ധിച്ചാണ്. അത് ന്യൂട്ടന്റെ കണികാസിദ്ധാന്തം ഉപയോഗിച്ചും ഹൈഗൻസ് പോലുള്ളവരുടെ തരംഗസിദ്ധാന്തം ഉപയോഗിച്ചും വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയും എന്നാണ് പറയാറ്. ലോകത്ത് ഇതുവരെ ജീവിച്ചിരുന്നവരിൽ ഏറ്റവും മികച്ച ശാസ്ത്രജ്ഞരിൽ ഒരാളായിരുന്നു ഐസക് ന്യൂട്ടൻ. അദ്ദേഹം പ്രകാശത്തെ സംബന്ധിച്ച ഒപ്റ്റിക്സ് (Opticks) എന്ന പ്രസിദ്ധമായ പുസ്തകം എഴുതിയിട്ടുണ്ട്. ഈ പേരിൽ ഒരു സ്പെല്ലിംഗ് മിസ്റ്റേക്ക് ഇല്ലേ എന്ന് നിങ്ങൾ സംശയിച്ചേക്കാം. ഇല്ല, അക്കാലത്ത് അതായിരുന്നു സ്പെല്ലിംഗ്. Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light എന്നതാണ് ആ പുസ്തകത്തിൻ്റെ മുഴുവൻ പേര്.
1704-ലാണ് ഒപ്റ്റിക്സ് പുറത്തുവന്നത്. അതിനു മുമ്പേത്തന്നെ, ഐസക് ന്യൂട്ടൻ പ്രസിദ്ധമായ മറ്റൊരു പുസ്തകവും പ്രസിദ്ധീകരിച്ചിട്ടുണ്ട്. 1687-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച അതിൻ്റെ പേരാണ് പ്രിൻസിപ്പിയ. പ്രിൻകിപ്പിയ എന്നതാണ് ഒറിജിനൽ ഉച്ചാരണം, ഇപ്പോൾ അത് പറഞ്ഞു പറഞ്ഞു പ്രിൻസിപ്പിയ ആയിട്ടുണ്ട്. ന്യൂട്ടന്റെ ചലന നിയമങ്ങളും ഗുരുത്വാകർഷണ സിദ്ധാന്തവും ഒക്കെ ഈ പുസ്തകത്തിലാണ് വരുന്നത്. ലാറ്റിൻ ഭാഷയിൽ എഴുതിയ ഈ പുസ്തകത്തിൻ്റെ മുഴുവൻ പേര് Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica എന്നാണ്. പിന്നീട് ഒപ്റ്റിക്സ് എഴുതുന്ന കാലമായപ്പോഴേക്കും നാട്ടുകാർക്ക് മനസ്സിലാകുന്ന ഇംഗ്ലീഷ് ഭാഷയിൽ എഴുതണമെന്ന് ന്യൂട്ടൺ കരുതി. അതുകൊണ്ട് ഒരു ഗുണമുണ്ടായിട്ടുണ്ട്. നമുക്ക് അതിന്റെ ഒറിജിനൽ തന്നെ വായിക്കാം. അതു പല സൈറ്റുകളിൽ നിന്നും സൗജന്യമായി ഡൗൺലോഡ് ചെയ്യാൻ കഴിയും.
ഞാൻ മഹാരാജാസ് കോളേജിൽ പഠിപ്പിക്കുന്ന കാലത്ത് ഈ പുസ്തകം ലൈബ്രറിയിൽ നിന്നെടുത്ത് കുറച്ചു വായിച്ചു നോക്കാൻ അവസരം ഉണ്ടായി. അപ്പോഴാണ് ഒരു കാര്യം ബോധ്യമായത്. കുറേക്കാലമായി പ്രതിപതനത്തെക്കുറിച്ച് ന്യൂട്ടന്റെ വിശദീകരണമെന്ന പേരിൽ ഞാനും മറ്റു പലരും പഠിപ്പിച്ചിരുന്നതിൽ വലിയ പിശക് സംഭവിച്ചിരുന്നു. പല പുസ്തകങ്ങളിലും അതു തെറ്റായിട്ടാണ് വിശദീകരിക്കുന്നത്. അത് തിരുത്താനാണ് ഇവിടെ ശ്രമിക്കുന്നത്.
ലളിതമെന്നു തോന്നുന്ന പ്രതിപതനത്തിന്റെ കാര്യം തന്നെയെടുക്കാം. ആറന്മുളക്കണ്ണാടി പോലെ ഒരു ലോഹദർപ്പണത്തിൽനിന്ന് പ്രകാശം പ്രതിപതിക്കുന്ന കാര്യം വിശദീകരിക്കാൻ നമുക്കു ശ്രമിക്കാം. എൻ്റെ ധാരണ ഇപ്രകാരമായിരുന്നു: ന്യൂട്ടൻ്റെ സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് പ്രകാശം കണങ്ങളുടെ ഒഴുക്കാണ്. അവയെ കോർപ്പസിൽസ് (corpuscles) എന്നു വിളിക്കാം. അവ ഒരു പ്രതലത്തിൽ വന്നു പതിക്കുന്നതു സങ്കല്പിക്കുക. ക്യാരംസ് കളിയിലെ ഒരു കോയിൻ അതിൻ്റെ ഫ്രെയിമിൽനിന്ന് തട്ടിത്തെറിച്ചുവരുന്നതു പരിചിതമാണല്ലോ? അതുപോലെ, പ്രകാശത്തിൻ്റെ കോർപ്പസിലുകളും ഇലാസ്തിക ഇടിക്കു വിധേയമായി തെറിച്ചുവരും എന്നു കരുതാമല്ലോ? മറ്റൊരു ഉദാഹരണമായി ടേബിൾ ടെന്നീസ് കളിക്കുമ്പോൾ അതിൻ്റെ ബോൾ ടേബിളിൽ നിന്ന് പ്രതിപതിക്കുന്നതും പരിഗണിക്കാം. ഇതിൻ്റെ വിശദീകരണം ലളിതമായിരുന്നു. പ്രകാശം ഒരു കണ്ണാടിയിൽ പതിക്കുന്നത് ഒരു ബോൾ ഉറപ്പുള്ള ഒരു പലകയിൽ ചെന്ന് ഇടിക്കുന്ന പോലെയാണ്. അപ്പോൾ ആ വസ്തുവിന്റെ പ്രതലം അതിന് ലംബമായ ദിശയിൽ ഒരു ബലം പ്രകാശകണത്തിൽ പ്രയോഗിക്കും. അതിനാൽ പതിക്കുന്ന കണത്തിന്റെ ആവേഗത്തിന് (momentum) ഒരു മാറ്റം ഉണ്ടാക്കും. എന്നാൽ അതിൻ്റെ ഹൊറിസോണ്ടൽ കംപോണൻ്റിനു മാറ്റം വരില്ല. അതേസമയം വെർട്ടിക്കൽ കംപോണന്റ് എതിർ ദിശയിലാകും. ഇതു വെച്ച് പ്രതിപതനവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട നിയമങ്ങൾ എളുപ്പം വിശദീകരിക്കാം. അതായത് പതനകോണും പ്രതിപതനകോണും തുല്യമാകും. പതനരശ്മി, പ്രതിപതനരശ്മി, പതനബിന്ദുവിലെ ലംബം – ഇവ എല്ലാം ഒരു പ്ലെയിനിൽ ആയിരിക്കും എന്നതൊക്കെ വിശദീകരിക്കാം. ഇതു വളരെ തൃപ്തികരമായാണ് എനിക്ക് തോന്നിയത്.
പക്ഷേ, സാക്ഷാൽ ന്യൂട്ടൻ പറയുന്നു, ഈ രീതിയിലുള്ള ലളിതമായ വിശദീകരണം തെറ്റാണെന്ന്. ന്യൂട്ടന്റെ തന്നെ വാക്കുകൾ ഇങ്ങനെ:
“The Cause of Reflexion is not the impinging of Light on the solid or impervious parts of Bodies, as is commonly believed.”
ന്യൂട്ടൻ ഇത് പറഞ്ഞുതരുന്നത് രസകരമായ ഒരു രീതിയിലാണ്. അതിനായി മറ്റൊരു കേസ് പരിഗണിക്കുന്നു. അത് ഇങ്ങനെ വിശദീകരിക്കാം. സുതാര്യമായ ഒരു ഗ്ലാസ്സ് സ്ലാബിൽനിന്ന് പുറത്തേക്ക് വരാൻ നോക്കുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ കാര്യം ചിന്തിക്കുക. ആ പ്രകാശത്തിൽ ഒരു ഭാഗം ഗ്ലാസ്സിലേക്ക് തന്നെ പ്രതിപതിക്കുമല്ലോ. ഇതിനെയാണല്ലോ ആന്തരിക പ്രതിപതനം (internal reflection) എന്ന് പറയുന്നത്. ഇവിടെ പ്രതിപതനത്തിനു മുമ്പ് പ്രകാശം സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നത് ഗ്ലാസ്സിലൂടെയാണല്ലോ. ഗ്ലാസ്സിനു പുറത്തുള്ളത് അന്തരീക്ഷവായുവും ആണല്ലോ. രണ്ടിൻ്റേയും അതിർത്തിയിൽ പ്രതിപതനം നടക്കുമ്പോൾ അതു വിശദീകരിക്കാൻ പ്രകാശം ഒരു ഉറപ്പുള്ള പ്രതലത്തിൽ തട്ടി തിരിച്ചുവരികയാണെന്നു പറയാൻ കഴിയില്ലല്ലോ. ഇതാണ് ഒരു പ്രശ്നം. അവിടെയുള്ള വായുവിൽ തട്ടി തിരിച്ചുവരികയാണെന്നു പറഞ്ഞാലും പ്രശ്നമുണ്ട്. ഒന്നാമതായി, വായുവിന്റെ സാന്ദ്രത ഗ്ലാസ്സിൻ്റെ സാന്ദ്രതയെ അപേക്ഷിച്ച് വളരെ കുറവാണ്. മാത്രവുമല്ല, ഈ വാദഗതി ശരിയാണെങ്കിൽ വായുവിനു പകരം അവിടെ ജലം ആയിരുന്നെങ്കിൽ പ്രകാശം കൂടുതലായി അകത്തേക്കു തിരിച്ചുവരണമായിരുന്നു. കാരണം ജലത്തിനാണല്ലോ വായുവിനെ അപേക്ഷിച്ച് ഏറെ സാന്ദ്രത ഉള്ളത്. എന്നാൽ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ കാണുന്നത് അങ്ങനെയല്ല, അപ്പുറത്ത് വായുവിനു പകരം ജലം ആണെങ്കിൽ ആന്തരിക പ്രതിപതനത്തിന്റെ അളവ് കുറയും. മാത്രവുമല്ല, ന്യൂട്ടൻ ഇങ്ങനേയും പറയുന്നു: ബോയിൽ (Robert Boyle, 1627-’91) രൂപകല്പന ചെയ്ത വാക്വം പമ്പ് ഉപയോഗിച്ച് വായു അവിടെ നിന്നു മാറ്റിയാലും പ്രതിപതനം ഉണ്ടാകും. സംഗതി കുടുങ്ങിയോ.
പ്രശ്നങ്ങൾ ഇവിടെ തീരില്ല. പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിപതനം (total internal reflection) എന്ന ഒരു സംഗതിയുണ്ടല്ലോ. ഒരു മേശപ്പുറത്തു വെച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു ഗ്ലാസ്സ് സ്ലാബിലുടെ സഞ്ചരിക്കുന്ന ഒരു പ്രകാശബീമിനെ പരിഗണിക്കുക. പ്രകാശം അതിൻ്റെ ബൗണ്ടറിയിൽ എത്തുമ്പോൾ പതനകോൺ (angle of incidence) ഒരു നിശ്ചിത അളവിൽ കൂടുതലാണെങ്കിൽ ഗ്ലാസ്സിലൂടെ സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മി പുറത്തേക്കു പോകാതെ പൂർണ്ണമായും പ്രതിപതിച്ച് ഗ്ലാസ്സിലേക്കു തന്നെ മടങ്ങും. പ്രതിപതനകോണ്‍ അതിലും കുറവാണെങ്കിൽ കുറച്ച് പ്രതിപതനവും, കുറച്ച് അപവർത്തനവും ഉണ്ടാകും ഇതൊക്കെ എങ്ങനെ വിശദീകരിക്കും? മാത്രവുമല്ല, ഒരു നിശ്ചിത പതനകോണിന് പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിപതനം നടക്കുമോ എന്നത് ഗ്ലാസിനപ്പുറത്തുള്ളത് വായുവാണോ ജലം ആണോ എന്നതിനേയും കൂടി ആശ്രയിച്ചിരിക്കും. ഗ്ലാസ്സ് – ജല ജോടിക്കും ഗ്ലാസ്സ് – വായു ജോടിക്കും ക്രിട്ടിക്കൽ കോൺ വ്യത്യസ്തമാണല്ലോ. സത്യത്തിൽ ഇതൊക്കെ എളുപ്പത്തിൽ വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയില്ല. അതൊക്കെ സാധിക്കും എന്ന ധാരണ സൃഷ്ടിച്ചതാണ് എനിക്കു പറ്റിയ തെറ്റ്.
മറ്റൊന്നുകൂടി ന്യൂട്ടൻ പറയുന്നുണ്ട്. സ്വർണ്ണം പോലുള്ള വസ്തുക്കളെ പരത്തി നേർത്ത പടലങ്ങളാക്കാൻ (thin films) കഴിയും. അവയുടെ കനം വളരെ കുറവാണെങ്കിൽ പ്രകാശം അതിലൂടെ കടന്നുപോകും. ഇതു വിശദീകരിക്കാൻ കാരംസ് കോയിനിൻ്റേയോ ടെന്നീസ് ബോളിൻ്റേയോ ഉദാഹരണങ്ങൾ മതിയാവില്ല. പിന്നെ, ന്യൂട്ടൻ്റെ വിശദീകരണം എന്തായിരുന്നു. അത് അടുത്ത ലക്കത്തിലാകാം.
ഐസക് ന്യൂട്ടന് ഡിഫ്രാക്ഷൻ, ഇന്റർഫെറൻസ്, പോളറൈസേഷൻ എന്നിവയെക്കുറിച്ചൊന്നും ഒരു ചുക്കും വിശദീകരിക്കാൻ കഴിഞ്ഞില്ല എന്നാണ് ഞാനുൾപ്പെടെ പലരും ക്ലാസ്സിൽ പറയാറുണ്ടായിരുന്നത്. അതും ശരിയല്ലെന്ന് ഇപ്പോൾ മനസ്സിലാക്കുന്നു. കുമ്പസാരങ്ങൾ തുടരേണ്ടിവരുമെന്നു ബോധ്യമാകുന്നു.
(തുടർലേഖനം വായിക്കാം)
References:
- Isaac Newton, OPTICKS: OR, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections, and Colours of Light.
- https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/physics-biographies/sir-isaac-newton
Leave a Reply