रंग आणि प्रकाश – एक फोटॉन्सचा सतत पडणारा महापाऊस (Electromagnetism and Photons)

विक्रमाच्या राज्यात आज सैन्याच्या संचलनांचा कार्यक्रम झाला होता. सैन्याच्या किती वेगवेगळ्या तुकड्या, किती ती शिस्त, किती तो चालण्याचा वेग, किती त्या गटामधली एका लयीत जाण्याची क्षमता, किती ती त्यांच्या चालण्यातली एकात्मता, एकाग्रता आणि एकवाक्यता.. सर्वांच्या वर उचललेल्या भुवयांचाही कोन जणु सारखाच.. एकाच शरीराला शेकडो डोळे, कान, पाय, हात, डोकी फुटून ते एक अनेक शरीरांनी बनलेलं महाशरीर चालत जावं इतकं त्यांचं एकत्र असणं पाहून विक्रमाचे ऊर अभिमानाने भरून आलं.. डोळ्यांचं पारणं फिटलं.. इतकं असूनही त्या सैन्याचे वेगवेगळे गट त्यांच्या त्यांच्यात इतकी विविधता बाळगून होते, ती वेगळी जाणीव आणि ओळख त्यांना वेगळं केल्यावरच कळावी.. नाहीतर सैन्याच्या एकत्र संचलनात नवख्या माणसाला ते सारं एकसारखंच वाटावं.. दिवसभरची ती सैन्याची दृष्यं आठवून आठवून विक्रम राजा अगदी जोशात चालत होता.. अमावस्येच्या रात्रीची भयाणता त्याच्या सैनिकांच्या केवळ आठवणीनेच नष्ट झाली होतॊ.. वेताळ पाठीवर येऊन बसल्यावर सुद्धा त्याच्या जोशात फरक पडला नाही..

“काय रे विक्रमा, इतका जोश? तुझं सैन्य मला माहिती आहे, त्यांचा पराक्रम मला माहिती आहे.. त्यांची राष्ट्रनिष्ठा, शौर्य, शिस्त मला चांगलंच माहिती आहे.. राजा चांगला असो किंवा वाईट.. सैन्य त्यांच्या कामात पटाईत असावंच लागतं.. पण काय रे विक्रमा, फिजिक्स मध्ये असं असतं का रे कुठलं एकसंध पणे चालणारं, विविधता असूनही एकता असणारं सैन्य? मोठ्या प्रमाणात सतत प्रवास करत राहणारं सैन्य?”

“वेताळा असं एक अतिप्रचंड सैन्य विश्वाच्या कानाकोपऱ्यात सर्वत्र अतिशय जोरात फिरतं, जगाच्या प्रत्येक ठिकाणी ते जातंच जातं.. जायला पृथ्वीसारखे वातावरण असुदे किंवा ग्रह तार्यांमधली अतिविशाल महापोकळी असुदे या सैन्याला अडथळा नाही.. ते जातंच जातं.. अतिशय लहान लहान आकाराच्या, काहीच वस्तुमान नसणाऱ्या, केसाच्या टोकावरही लक्षावधीच्या संख्येने बसू शकणाऱ्या आणि कोणीही कल्पनाही करू शकणार नाही इतक्या अतिप्रचंड वेगाने फिरणाऱ्या या  सैनिकांमुळे विश्वाचे एकंदर काम अतिशय सोपे झाले आहे.. ”

“असं कोण आहे? कोणतं सैन्य हे? त्यातले सैनिक  कोण? त्यांच्यातल्या तुकड्या कोणत्या?”

“वेताळा इलेकट्रोमॅग्नेटिसम किंवा प्रकाश हे ते अतिविशाल, अतिवेगवान, विश्वव्यापी सैन्य.. विश्वाचा किंचितसा कोपराही यांपासून सुटलेला नाही.. फोटॉन हे या तुकडीतले सैनिक.. वस्तुमान विरहित, अतिवेगवान नव्हे विश्वातील सर्वात जास्त वेगवान कुणी असेल ते हे फोटॉन.. प्रकाशकिरणांचा, चुंबकीय तरंगांचा, रंगांचा, रेडिओ लहरींचा, एक्सरे किरणांचा, शेकोटीच्या उष्णप्रकाशाचा, तार्यांमधून येणाऱ्या अतिनील किंवा ultraviolet प्रकाशाचा, मायक्रोवेव्हचा साऱ्यांचाच एकसमान घटक कोणता असेल तर तो हा फोटॉन.. एकटा दुकटा नाही तर लक्षावधी अब्जावधींच्या संख्येने यत्र – तत्र- सर्वत्र धुमाकूळ घालणारा हा फोटॉन म्हणजे शास्त्रज्ञांच्या कल्पनेची परिसीमा आहे.. विश्वातल्या सर्व अर्वाचीन किंवा मॉडर्न सायन्सेस मध्ये मान्यता प्राप्त झालेला हा प्रकाशदूत हि एक अफाट कल्पना .. पण भाकड कथा नव्हे.. विश्वातल्या अतिभव्य ताऱ्यापासून अतिशय लहान अणुरेणू आणि इलेक्ट्रॉन्स पर्यंत सर्वांनाच आपल्या कवेत घेणारा कोणी असेल तर तो हा प्रकाशदूत.. एक कल्पना जी साऱ्या विश्वाच्या विराट पसाऱ्याला माणसाच्या जाणिवेच्या कक्षात आणून बसवते.. विश्वातल्या ताऱ्यांच्या स्फोटांच्या घटनांपासून ते चमकणाऱ्या वस्तूंच्या चकाकीपर्यंत आणि सर्वच प्रकाश शोषून घेणाऱ्या ब्लॅक होल्स सारख्या अविश्वसनीय घटनांपासून ते बिग बँग सारख्या विश्वनिर्मितीच्या शक्यतांपर्यंत माणूस जाऊन पोहोचला किंवा माणसाची बुद्धी जाऊन पोहोचली ती या फोटॉन्स सारख्या कन्सेप्टमुळेच..”

“विक्रमा तू शास्त्राबद्दल बोलतोयस की कोणते अगम्य, कल्पित, कल्पनेतल्या राक्षसाबद्दल सांगतोयस तेच कळत नाहीये बघ.. साध्या प्रकाशासारख्या प्रकाशाबद्दल बोलायचं तर त्यासाठी एवढी अगम्य कहाणी कशाला सांगायची? आणि हा प्रकाश म्हणजे कण की लहर हे माहितीय का आपल्याला? ”

“वेताळा, फिजिक्स ही विषयातल्या घटनांचा अर्थ समजून घेण्याची, विश्वाचा व्यवहार कसा चालतो हे समजून घेण्याची अभ्यास पद्दती..न्यूटन च्या काळातच प्रकाश हा कण आहे की लहर आहे याविषयी वादविवादाला सुरुवात झाली होती.. न्यूटनने प्रकाशाच्या कणांना corpuscles म्हणजे प्रकाशकण म्हटले होते.. पण याकणांनाच नंतर फोटॉन्स हे  नाव मिळाले तोपर्यंत या कणांना काहीच वजन आणि वस्तुमान नसते हे नक्की झाले होते.. यांना कोणतेही वजन नाही म्हणजे यांच्या इकडून तिकडे जाताना यांच्या वेगात कोणताही फरक पडण्याची शक्यता नाहीशी झाली.. प्रकाशाचा वेग 299792458 मीटर/सेकंद म्हणजे प्रत्येक सेकंदाला २,९९,७९२ किलोमीटर एवढा हा अतिजास्त वेग.. आपल्या माहितीतल्या कुठल्याही प्राण्याचा कशाचाही या वेगाशी तुलनाही करणं अशक्य.. पृथ्वीच्या चंद्रापासून चे आपले अंतर 384,400 किलोमीटर.. म्हणूनच चंद्राचा प्रकाश पृथ्वीपर्यंत पोहोचायला फोटॉन्स ना १.३ सेकंद एवढाच वेळ लागतो.. तेच सूर्यप्रकाशाचं बोलायचं झाल्यास सूर्य हा पृथ्वीपासून १५,००,००,००० किमी किंवा १५ कोटी किलोमीटर अंतरावर आहे.. फोटॉन्स दर सेकंदाला ३ कोटी किलोमीटर प्रवास करतात असं धरलं तर सूर्यापासून फोटॉन्स निघून आपल्या खिडकीपर्यंत यायला ५०० सेकंद किंवा साधारण ८ मिनिटं लागतात असा साधारण हिशोब लागतो.. म्हणजे सकाळी आपल्याला दिसणारं सूर्याचं रूप हे त्याचं ८ मिनिटे आधीचं रूप असतं.. आहे की नाही या फोटॉन्स ची कमाल.. हे  नसते तर जगात अंधारच अंधार.. सूर्य एखादे दिवशी तुमच्या त्या लॅपटॉप सारखा कोणी shutdown केला तर ८ मिनिटात पूर्ण पृथ्वी shutdown व्हायला सुरुवात होणार हे निश्चित.. फोटॉन्स आहेत म्हणून जीवन आहे, फोटॉन्स नाहीत तर मृत्यू जवळच साऱ्या सृष्टीचा..  ”

“अरे ते ठीक आहे विक्रमा, पण मग या विश्वात अनेक रंग आहेत.. लाल सूर्यबिंब, निळे पाणी, पिवळे लिंबू, हिरवे झाड, काळी रात्र, सोनेरी सकाळ, सोनेरी अंगठ्या, चंदेरी भांडी.. हे सारे रंग आणि हे फोटॉन्स यांचा मेळ कसा घालायचा?”

“म्हटलं तर हे रंग आहेत आणि म्हटलं तर काहीच नाहीत.. अगदी सकाळ दुपार संध्याकाळच्या साध्या प्रकाशाचा विचार केला तरी आपण प्रकाशाचे लाखो-हजारो- करोडो फोटॉन्स आपल्या अंगावर झेलत असतो दर मिलिसेकंदाला . नशीब त्यांना काही वजन नसतं. नाहीतर प्रकाशात जाऊन लाखो फोटॉन्स अंगावर पडून जखमीच झालो असतो किंवा असह्य होऊन मेलो असतो. धुक्यातल्या सकाळी आपल्या आजूबाजूला कोसळणाऱ्या फोटॉन्स ची संख्या कमी म्हणून ती थंड आणि गुलाबी अशी पहाट वाटते. जसा सूर्य वर येत जातो आणि धुकं बाजूला होतं तशी फोटॉन्सचा मारा वाढतो.. ऊन पडलं, ऊन वाढलं असं म्हणतो.. पुन्हा सायंकाळ झाली की फोटॉन्सचा मारा कमी होतो आणि शांत संध्याकाळ अवतरते असं म्हणतो. हा फोटॉन्स चा मारा आपल्याला जाणवण्या पेक्षा कमी झाला की सारंच आकाश काळं होतं, रात्र होते, काही दिसेनासे होते. पण कुत्र्यांना, घुबडांना आणि अशा अनेक प्राण्यांना त्याही वेळी फोटॉन्स ची जाणीव होत राहते. माणूस आणि प्राण्यांच्या शरीरातून बाहेर पडणाऱ्या उष्णतेतून हि infrared फोटॉन्स बाहेर पडतात. ते माणसांना जाणवत नाहीत. पण इतर प्राण्यांना कळतात. त्यान्ना आपल्या भाषेत ‘रात्रीही दिसत राहतं’. ”

“पण अरे विक्रमा हे कसं आता समजायचं? लाखो करोडो फोटॉन्स अंगावर पडतायत पण कळत नाहीयेत. या अब्जावधी फोटॉन्स चा धुडगूस आजूबाजूला चालूनही तो समजत नाहीये. असं कसं?”

“हे बघ वेताळा जेव्हा प्रकाशाची, फोटॉन्स ची, उष्णतेची जाणीव करण्याचा प्रयत्न होतो, तेव्हा न्यूटन ने शोधलेल्या प्रकाशाच्या चक्राची आठवण होते. साधा प्रकाश म्हणजे वेगवेगळे गट असूनही एकसंध पणे चालणाऱ्या सैन्याची तुकडी. प्रकाशातले हे गट म्हणजे लाल(red ), नारंगी(orange), पिवळा(yellow), हिरवा(green), आकाशीनिळा (blue), गडदनिळा(indigo) , जांभळा(violet).. उलट्या क्रमाने पहिला तर VIBGYOR असा तो क्रम.. ”

“पण विक्रमा हा कशाचा क्रम आहे रे?”

“वेताळा हे सारे रंग म्हणजे वेगवेगळ्या आकाराच्या ढांगा टाकणारे फोटॉन्स चे तांडेच.. लाल रंगाचे फोटॉन्स म्हणजे लांबच्या लांब ढांगा टाकणारे(larger wavelength) फोटॉन्स आणि जांभळा रंग म्हणजे छोटी छोटी पावले टाकत तुरुतुरु पळणारे(shorter wavelength) फोटॉन्स.. आपल्याला म्हणजे माणसांना लाल आणि जांभळा यांच्यांतलेच फोटॉन्स जाणवतात.. फोटॉन्स मोठ्या ढांगा टाकू लागले की त्यांना आपण infrared किंवा अतिरक्त रंग म्हणतो.. त्यांच्या ढांगा जांभळ्यापेक्षाही लहान झाल्या की त्यांना आपण अतिनील किंवा ultraviolet असे म्हणतो.. म्हणजे सर्कशीत नाहीका काही माणसे उंच उंच बांबूवर चढून मोठ्या मोठ्या ढांगा टाकत चालतात आणि काही बुटके विदूषक तुरु तुरु इकडून तिकडे पळतात.. लाल म्हणजे हे लंबेपाव विदूषक आणि जांभळा म्हणजे नन्हेपाव विदूषक.. जेव्हा प्रकाश प्रवास करतो तेव्हा हे सारे लंबेपाव आणि नन्हेपाव फोटॉन्स एकत्रच प्रवास करत असतात.. कारण सगळेच फोटॉन्स.. सारेच प्रकाशाच्या वेगाने जातात..  ”

“लंबेपाव नन्हेपाव ठिक आहे पण मग त्यांच्या फिरतीचं काय? एका सेकंदाला किती पावलं टाकतात हे फोटॉन्स? त्यातपण या VIBGYOR नुसार फरक पडतो का?  ”

waves_spectrum

(Image Source: wikipedia.org )

“हो अर्थातच.. लाल रंगाच्या फोटॉन्सच्या ढांगा या लांब लांब पडतात.. प्रत्येक ढांग ७०० नॅनोमीटर एवढी.. जांभळ्या रंगांच्या फोटॉन्सची प्रत्येक ढांग पडते ४०० नॅनोमीटर एवढी.. म्हणजे हे दोन्ही रंग १,००,००,००,००० पटीने मोठं करणाऱ्या म्हणजे एक अब्जपट करणाऱ्या  मॅग्निफायर ने पहिले तर लाल रंगाची मोठी पावले दिसतील.. लालरंगाचे पाऊल जांभळ्याच्या जवळपास दुप्पट आकाराचे असते.. बाकी सगळे रंग या दोघांच्या मध्ये येतात.. आपल्याला असंही दिसतं की लाल रंगाचे फोटॉन ४०० टेरा हर्ट्झ एवढी फिरत दाखवतात किंवा एका सेकंदाला ४००,००,००,००,००० पावले किंवा ४००अब्ज एवढी पावले टाकतात. दुसऱ्या बाजूला जांभळ्या रंगाचे फोटॉन ६६८-७८९ टेरा हर्ट्झ किंवा एका सेकंदाला ७८०,००,००,००,००० पावले किंवा ७८० अब्ज पावले टाकतात. दोन्ही रंगाचा पावले टाकण्याचा वेग अब्जपटीने कमी केला तर दोघांमधला फरक आपल्याला कळू लागेल की जांभळा रंग हा लाल पेक्षा दुपटीने जोरात पावले टाकतोय आणि लाल रंग मोठ्या ढांगा टाकत बरोबर राहतोय..लाल आणि जांभळा यांच्या साधारण मध्यभागी हिरवा असून त्याची पावले ५००-५७० नॅनोमीटर असून सेकंदाला तो ५२६-६०६ अब्ज पावले टाकतोय.. पण एवढे करूनही हे सारे रंग एकत्रच जातायत.. हा काफिला एकत्रच चाललाय.. बघणाऱ्याला तो एकच एक पांढरा रंग दिसतो.. न्यूटन ने एक तबकडीवर हे सारे रंग सात विभागात रंगवले आणि ती वर्तुळाकार तबकडी जोरात फिरवली.. असं दिसून आलं की एक पांढरी तबकडी फिरतेय.. रंग वेगवेगळे दिसतच नाहीयेत.. ”

“अरे मग या वस्तूंचे रंग येतात कशावरून?”

“वेताळा लाल रंग हा कमी फिरतीचा, मोठ्या पावलाचा आणि म्हणूनच लाल रंगाचा फोटॉन फेकण्यासाठी वस्तूला कमी उष्णता लागते. लाल पेक्षा नारंगी अधिक उष्ण, त्यापेक्षा पिवळा अधिक उष्ण, त्यापेक्षा हिरवा अधिक उष्ण असे करत करत आपल्याला दिसणाऱ्या रंगांपैकी जांभळा हा सर्वाधिक उष्ण रंग.. लोखंड तापवले की त्याचा रंग लाल होतो आणि मग पिवळा होतो.. वस्तू जितकी अधिक उष्णता शोषून घेते तेवढा तिचा रंग लाल कडून जांभळ्याकडे जाऊ लागतो.. अतिनील किंवा निळ्यापलीकडचे किंवा ultra violet रंग हे सर्वात जास्त उष्ण.. हे आपल्याला दिसणाऱ्या रांगामधले..पण अणूंच्या स्फोटांमधून निघणारी गॅमा किरणे हि दिसणाऱ्या रंगाच्या दहाहजार पट जोराने फिरतात.. जांभळ्या रंगाचे फोटॉन सेकंदाला ७८० अब्ज पावले टाकत असतील तर गॅमा किरणे साधारण ७८०,००,००० अब्ज एवढी पावले टाकतात.. त्याची पावले त्याच पटीने म्हणजे दहाहजार पटीने लहान होतात.. अर्थातच इतक्या जोरात फिरणारे फोटॉन फेकण्यासाठी उष्णता ही तितकीच जास्त लागणार.. आपल्या अवकाशात दिसणारे निळे तारे हे त्यामुळेच अतिशय उष्ण वस्तू असून त्यामुळे त्या अतिशय मोठ्या वस्तूही आहेत.. केवळ आपण त्यापासून अनेक अब्ज, खर्व, निखर्व किलोमीटर दूर असल्याने ट्विंकल ट्विंकल लिट्ल स्टार वगैरे गोड  गाणी म्हणतो.. प्रत्यक्षात ते  फोटॉन्स आहेत अतिप्रचंड अग्नीचे गोळे फेकणाऱ्या अतिप्रचंड आकाराच्या ताऱ्यांमधून अनेक वर्षांपूर्वी निघालेले..१.३ सेकंदात चंद्रवरून पृथ्वीवर पोहोचणारे फोटॉन्स ३.४ अब्ज किलोमीटर अंतर पार करून आलेले असतात.. आपल्यापासून सर्वात जवळ असणाऱ्या ध्रुव ताऱ्यापासून आपल्यापर्यंत यायला प्रकाशाला ३२३ वर्षे(light years) लागतात.. म्हणजे आज दिसणारा ध्रुव तारा ३२३ वर्षांपूर्वी कसा होता ते आज आपण पाहतोय.. एका वर्षात 31536000 सेकंद धरली तर ३२३ वर्षांत 31536000*३२३ म्हणजेच 10186128000 सेकंदात प्रकाश 305,58,38,40,00,00,000 किलोमीटर अंतरावरून येतोय.. फोटॉनच्या या वेगामुळे अंतर मोजण्याचे प्रकाशवर्ष (light years) हे माप आपल्याला मिळाले.. एक प्रकाशवर्ष अंतर म्हणजे 94,60,80,00,00,000 किलोमीटर १० ट्रिलियन किलोमीटर अंतर..केवळ फोटॉन्सच इतक्या वेगाने जाऊ शकतात.. प्रकाश वर्ष या मापामुळेच साऱ्या विश्वाच्या मापांचा आवाका आपल्या लक्षात आला आणि गणितात मांडता येऊ लागला.. ”

“म्हणजे एवढा उपद्व्याप केवळ सर्व गणितात मांडता यावा म्हणून की काय? पण काय रे विक्रमा तू म्हणालास की निळ्या रंगाचा प्रकाश येतोय म्हणजे तो ज्या ताऱ्यापासून निघतोय तो  तारा खूप उष्ण आहे आणि खूप मोठा आहे.. हे  कसं कळतं तुम्हाला? आम्हाला तर रंग पाहून त्या ताऱ्यापर्यंत मनाच्या वेगाने लगेच झेपावता येतं.. तुमच्या फोटॉन सारखे आम्हाला सुद्धा वजन, वस्तुमान नाही आणि म्हणून आम्हाला तुमची पृथ्वी खाली ओढतही नाही आणि पाडतही नाही..या फोटॉन्सना पाठवतं कोण? अणूतल्या इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रॉन आणि प्रोटॉन्स शी यांचा कसा संबंध येतो हे काहीच सांगितलं नाहीस. येतो मी वेताळा पुन्हा एखाद्या अमावस्येला, पुन्हा तुझ्या मानगुटीवर बसण्यासाठी.. हा हा हा … ”

(क्रमश: )

मुखपृष्ठ
१२वी पर्यंतच फिजिक्स
गोष्टींची यादी 

Advertisements