கருந்துளைகள் 09 – நேரத்தை வளைக்கும் இயற்கை

இது ஒரு தொடர் பதிவு, மற்றைய பகுதிகளையும் படிக்க, கீழுள்ள லிங்க்கை கிளிக் செய்யவும்.

கருந்துளைகள் – அறிவியல் தொடர்

நேரம் என்றால் என்னவென்று எப்போதாவது யோசித்துப் பார்த்ததுண்டா? சாதாரண வாழ்வில் எமக்கு நேரம் என்பது தொடர்ந்து துடித்துக் கொண்டிருக்கும் ஒரு வஸ்து! என்னதான் நடந்தாலும் நேரம் என்பது அதன் போக்கில் போய்கொண்டே இருக்கும். ஒவ்வொரு செக்கன்களும் கழிந்துகொண்டே இருக்கும். சென்ற நேரத்தை திரும்பி பெற முடியாதில்லையா?

ஐன்ஸ்டீனின் பொ.சா.கோ வெளிவரும் வரை அறிவியல், நேரத்தைப் பற்றி இப்படிதான் ஒரு கருத்தைக் கொண்டிருந்தது. குறிப்பாக நியூட்டன், நேரம் என்பது வில்லில் இருந்து புறப்பட்ட அம்பைப் போல அது தொடர்ந்து மாற்றமின்றி பயணிக்கும் என்றார். அவரைப் பொறுத்தவரை, நேரம் என்பது இந்த பிரபஞ்சம் எங்கும் ஒரேமாதிரியாக துடிக்கும் ஒரு விடயம். பூமியில் ஒரு செக்கன் என்பது, செவ்வாயிலும் ஒரு செக்கன், சூரியனிலும் ஒரு செக்கன், அதேபோல பிரபஞ்சத்திலுள்ள ஏனைய இடங்களிலும் ஒரு செக்கனே. வெளியை, சார்பானது என்று கருதிய நியூட்டன் நேரத்தை அறுதியானது என்றே கருதினார்.

ஆனால் ஐன்ஸ்டின் நேரத்தை ஆற்றில் பாயும் நீருக்கு ஒப்பிட்டார். ஆற்றில் இருக்கும் நீர் எப்படி, சிலவேளைகளில் வேகமாகவும், சிலவேளைகளில் மெதுவாகவும், சிலவேளைகளில் வளைந்து நெளிந்து போகுமோ, அதேபோல தான் நேரமும், வெளியும் என்றார் ஐன்ஸ்டின்.

ஐன்ஸ்டீனின் பொதுச் சார்புக் கோட்பாடு, நேரம், இடம், திணிவு மற்றும் வடிவியலை (geometry) தொடர்புபடுத்திக் கூறும் ஒரு கோட்பாடாகும். ஐன்ஸ்டீனின் இந்த கோட்பாடு, இடம் / வெளி(space), நேரம்(time) என்பவற்றை ஒரே வஸ்துவின் தொடர்ச்சி (continuum) என்று கூறுகிறது. அதாவது இந்த பிரபஞ்சத்தில் வெளியானது, முப்பரிமாணத்தால் ஆக்கப்பட்டுள்ளது – நீளம், அகலம் மற்றும் உயரம், இதைதான் நாம் x,y,z என ஆள்கூற்றுத் தளங்களில் குறிப்பிடுவோம். இத்தோடு, நேரத்தை நான்காவது பரிமாணமாக கொண்டு வெளிநேரம்(space-time) என்ற கணிதவியல் மாதிரியை உருவாக்கி, பல்வேறு பட்ட இயற்பியல் பிரச்சினைகளுக்கு ஐன்ஸ்டின் விடையளித்தார்.

அதில் மிக முக்கியமான ஒன்று, இந்த வெளி-நேரத்தில் ஏற்படும் வளைவுகளால் (curvature) உருவாக்கப்படும் ஒரு பக்கவிளைவே ஈர்ப்புவிசை ஆகும். இதை மாற்றி சொல்லவேண்டும் என்றால், திணிவானது வெளி-நேரத்தை வளைக்கவல்லது. வெளி-நேரத்தின் தொடர்ச்சியாகவும், நேரம், வெளியின் தொடர்ச்சியாகவும் இருப்பதனால் ஒரு இடத்தில் இருந்து இன்னுமொரு இடத்திற்கு எப்படியெல்லாம் பயணிக்க முடியுமோ, அதைப் போலவே, நேரத்திலும் பயணிக்க முடியும். ஒரு உதாரணத்தை பார்ப்போம்.

A என்ற இடத்தில் இருந்து B என்னும் இடம் ஒரு கிலோமீட்டர் தூரத்தில் இருக்கிறது என்று எடுத்துக்கொள்வோம். நாம் மணிக்கு 1 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் நடந்தால் (அதாவது நத்தையை விட மெதுவாக!), ஒரு மணிநேரத்தில் அல்லது 60 நிமிடங்களில் A என்னும் இடத்தில் இருந்து B என்னும் இடத்தை அடைந்து விடுவோம். இதுவே மணிக்கு 10 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் நடந்தால், 6 நிமிடந்த்தில் நாம் A யில் இருந்து B ஐ சென்றடைந்து விடுவோம் இல்லையா? இதே போலத்தான் நேரமும்! இரண்டு நேர இடைவெளிக்கு உள்ள இடைவெளி எப்போதுமே ஒன்றாக இருக்கவேண்டிய அவசியமில்லை. குழப்புகிறேனோ? தெளிவாக சொல்ல முயற்சிக்கிறேன்.

விளக்க முன் ஒன்றை சொல்லிக்கொள்ள விரும்புகிறேன். இனி நாம் பார்க்கப் போகும் கோட்பாடுகளும், இயற்கையின் விதிகளும், நமது சாதாரண போது அறிவை (common sense) அசைத்துப் பார்க்கப் கூடியவை. ஆகவே உங்களின் மூளையின் கற்பனைத்திறன் என்ற குதிரையை தட்டி சற்றே ஓட விடுங்கள். நான் சொல்லும் உதாரணங்களை ஒன்றுக்கு இரண்டு முறையாக அலசிப் பாருங்கள். அதுவும் முடியவில்லை என்றால் விட்டு விடுங்கள். டேக் இட் ஈசி.

நான் முன்னரே கூறியது போல, திணிவினால் வெளி-நேரத்தில் வளைவுகளை ஏற்படுத்த முடியும். இந்த வளைவுகளே ஈர்ப்பு விசை என்ற ஒன்று இருப்பது போன்ற மாயத் தோற்றத்தை உருவாகுகிறது. திணிவின் அளவு அதிகரிக்க அதிகரிக்க, அதைச்சுற்றியுள்ள வெளி-நேரத்தின் வளைவும் அதிகரிக்கும். எந்த அளவுக்கு வெளி-நேரம் வளைகிறதோ, அந்த அளவிற்கு வெளியும், நேரமும் வளையும். எந்தளவுக்கு வெளி-நேரம் வளைகிறதோ, அந்தளவிற்கு நேரமானது துடிக்கும் வீதமும் மாறுபடும்.

குறிப்பிட்ட புள்ளியில் திணிவு அதிகரிக்க அதிகரிக்க அது எவ்வாறு வெளிநேரத்தை வளைக்கிறது என்று இங்கே பார்க்கலாம்

இப்படி ஒரு உதாரணத்தை பாருங்கள், பூமியை விட சூரியன் 333,000 மடங்கு திணிவானது. ஆக, பூமியைச்சுற்றி வெளிநேரம் வளைந்துள்ளத்தை விட, சூரியனைச் சுற்றி வெளிநேரம் மிக அதிகமாக வளைந்துள்ளது. ஆகவே ஒரே நேரத்தை காட்டும் கடிகாரங்கள் இரண்டை தயாரித்து, ஒன்றை பூமியிலும், மற்றொன்றை சூரியனிலும் (அதில் வைக்கலாம் என்று எடுத்துக் கொள்வோம்) வைத்துவிட்டு, மீண்டும் சில காலத்தின் பின்னர் இரண்டு கடிகாரங்களையும் எடுத்து ஒப்பிட்டுப் பார்த்தால், சூரியனில் நாம் வைத்த கடிகாரத்தைக் காட்டிலும் பூமியில் இருந்த கடிகாரம் வேகமாக துடித்திருப்பது தெரியும். அதாவது, சூரியனது திணிவின் காரணமாக வெளி-நேரத்தில் ஏற்ப்பட்ட வளைவு, பூமியினால் ஏற்பட்ட வளைவைக் கட்டிலும் அதிகம் என்பதால், அது நேரத்தின் வேகத்தை, பூமியோடு ஒப்பிடும் போது குறைத்துள்ளது!  இதை ஈர்ப்புக்கால நேர நீட்டிப்பு (gravitational time dilation) என்று இயற்பியலாளர்கள் அழைகின்றனர்.

இன்னும் சுருங்கக் கூறின், ஈர்ப்புவிசை அதிகமாக இருக்கும் இடத்திற்கு அண்மையில் நேரம் மெதுவாகவும், ஈர்ப்புவிசை குறைந்த இடத்தில் நேரம் வேகமாகவும் துடிக்கும்.

ஐன்ஸ்டீனின் சிறப்புச் சார்புக் கோட்பாடு (special theory of relativity) மற்றும் பொதுச் சார்புக் கோட்பாடு (general theory of relativity) இந்த வேறுபாடுகளை அழகாக விளக்குகிறது. நமது நோக்கம் இங்கு கருந்துளைகள் பற்றி ஆராய்வதே என்பதால், அதோடு சம்பந்தப் பட்டவற்றை மட்டும் பார்க்கலாம், முடிந்தவரை அதோடு தொடர்புள்ளவற்றையும் விளக்குகிறேன்.

முன்னைய பகுதியல் கூறிய இந்த “உறைந்த விண்மீன்கள்” பற்றி இப்போது பார்க்கலாம், நாம் மேலே பார்த்த கருத்துக்களை இங்கே 3 சூரியத்திணிவை விட அதிகமாக இருக்கும் விண்மீன்களுக்குப் பொருத்திப் பார்கலாம்.

ஒரு விண்மீனின் மையப்பகுதியின் திணிவு 3 சூரியத் திணிவைவிட அதிகமாக இருப்பின், இயற்கையில் இருக்ககூடிய எந்தவொரு விதியும், அந்த விண்மீன் சுருங்கிக் கருந்துளையாவதை தடுக்கமுடியாது என ஓபன்கைமர் நிறுவிக்காட்டினார். அதுமட்டுமல்லாது, ஓபன்கைமருடன் அவரது சகாக்களும் சேர்ந்து சுவர்ட்சில்ட் ஆரை அளவுள்ள அளவிற்கு அந்த விண்மீன்கள் வரும்போது, அந்தக் கோளத்தினுள் துடிக்கும் நேரமும் நின்றுவிடும் என்றும் கூறினார். இதனால் அந்த நட்சத்திரங்களுக்கு இவர்கள் “உறைந்த நட்சத்திரங்கள்” என்று பெயரும் வைத்தனர்.

இப்படி இந்த சுவர்ட்சில்ட் ஆரை வரை வந்த விண்மீன்களானது மிக மிக அதிகளவான திணிவை ஒரு குறிப்பிட்ட கோள அளவினுள் (பந்து போல என்று நினைத்துக் கொள்ளுங்கள்) கொண்டிருக்கும். இது அந்த சுவர்ட்சில்ட் ஆரை கொண்ட கோளத்தினை சுற்றியுள்ள வெளிநேரத்தை மிக மிக அதிகளவாக வளைக்கிறது. எவ்வளவு தூரம் இப்படி வெளிநேரம் வளைகிறது என்றால், நேரம் துடிப்பதே நிற்கும் அளவிற்கு! சுவர்ட்சில்ட் ஆரையின் எல்லையில் நேரம் உறைகிறது. இதுவே ஓபன்கைமர் மற்றும் அவரது சகாக்கள் இந்த விண்மீன்களை “உறைந்த விண்மீன்கள்” என்று கூற வழிவகுத்தது.

இன்னும் சற்று தெளிவாக பார்க்கலாம். சுவர்ட்சில்ட் ஆரை கொண்ட விண்மீனை நோக்கி நாம் பயணிக்கிறோம் என்று வைத்துக் கொள்வோம். தூரத்தில் இருந்து எம்மை இன்னுமொருவரும் அவதானிக்கிறார். எம்மிடமும் ஒரு கடிகாரம் உண்டு, அவரிடமும் ஒரு கடிகாரம் உண்டு, அவரும் நாமும் புறப்படும் போது கடிகாரங்கள் ஒரே நேரத்தை காட்டுகின்றன. ஆனால் நாம் அந்த நட்சத்திரத்தை நெருங்க நெருங்க அவருக்கு எமது கடிகாரம் வேகம் குறைந்து செல்வதுபோல தோற்றம் அளிக்கும். (ஆனால் நமக்கு கடிகாரம் வேகம் குறைவது போல தென்படாது, காரணம், நேரம் என்பது அதை அளப்பவருக்கு சார்பானது, ஆகவே எமக்கு நேரத்தின் வேகம் குறைவது தெரியாமல் இருப்பதற்கு காரணம், நேரம் துடிப்பது என்பது கடிகாரத்துக்கு மட்டுமல்ல, எமது சிந்தனையின் வேகம், வயதாவதின் வேகம், கலங்கள் புதுப்பிக்கப் படுவதின் வேகம் என எல்லாமே நேரத்தால் மற்றமடைவதால், எமக்கு நேரம் மெதுவாக துடிப்பதின் வித்தியாசம் தெரியாது.)

நாம் அப்படியே முன்னேறி, அந்த விண்மீனின் சுவர்ட்சில்ட் ஆரையை அடையும் போது, நாம் பூரணமாக உறைந்து விட்டது போலவே எம்மை அவதானித்துக் கொண்டிருபவருக்கு தெரியும். அவருக்கு நமது கடிகாரத்தின் முள் நின்றுவிட்டது போலவே தோன்றும். அவரைப் பொறுத்தவரை நாம் நேரம், காலம் என்ற ஒன்றில் இப்போது இல்லை. அவர் நம்மை இறுதியாக பார்த்தது, நாம் இந்த சுவர்ட்சில்ட் ஆரையை கடக்கும் போது தான். எம்மைப் பொறுத்தவரை, நேரம் ஓடிக்கொண்டே இருக்கும், நாம் சுவர்ட்சில்ட் ஆரையைக் கடந்து அந்த விண்மீனின் மையத்தை நோக்கி சென்றுகொண்டிருப்போம். அனால் நம்மால் இனி எப்போதுமே இந்த சுவர்ட்சில்ட் ஆரையை விட்டுவெளியே செல்ல முடியாது.

இதனால்த் தான் சுவர்ட்சில்ட் ஆரையை கொண்டுள்ள விண்மீனின் மேற்பரப்பை நிகழ்வெல்லை (event horizon) என்று அழைகின்றனர். இந்த நிகழ்வெல்லை, இடத்திற்கும், நேரத்திற்கும் ஒரு வேலிபோல செயற்படுகிறது. நிகழ்வெல்லைக்குள் அதாவது சுவர்ட்சில்ட் ஆரைக்குள் நடக்கும் எந்தவொரு நிகழ்வும் சுவர்ட்சில்ட் ஆரைக்கு வெளியே அல்லது நிகழ்வெல்லைக்கு வெளியே எந்தவொரு தாக்கத்தையும் ஏற்படுத்தாது.

ஒருவர் இந்த நிகழ்வெல்லைக்குள் விழுந்துவிட்டால், அவர் இந்த நிகழ்வெல்லையை கடக்கும் போதே, அவரை நிகழ்வெல்லைக்கு வெளியில் இருந்து பார்ப்பவருக்கு, நிகழ்வெல்லையை கடப்பவரது நேரம் துடிப்பது நின்றுவிடும். இனி அந்த நிகழ்வெல்லைக்குள் விழுந்தவரால் இந்தப் பிரபஞ்சத்தின் வெளிநேரத்தில் எந்தவொரு மாற்றத்தையும் ஏற்படுத்த முடியாது. அவர்தான் நேரத்துக்கும் அப்பார்ப்பட்ட ஒரு இடத்திற்கு சென்றுவிட்டாரே!

இந்த நிகழ்வெல்லைக்குள்ளே தான் கருந்துளை என்னும் இயற்கையின் இனம்புரியா விந்தை ஒன்று ஒழிந்துள்ளது. காலம், நேரம், இடம், வெளி என்பவற்றை கடந்து நிற்கும் இந்த இயற்கையின் விந்தை, நம் பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய அறிவியல் தேடலில் ஒரு தொடக்கமே!

அடுத்ததாக கருந்துளைகளை நோக்கி பயணிப்போம்.

படங்கள்: இணையம்