परमाणु ऊर्जेचा शोध

ध्वनी, प्रकाश, ऊष्णता, हालचाल यांच्यासारखी ऊर्जेची रूपे आणि सजीवांच्या शरीरातली शक्ती हे आपल्या रोजच्या पाहण्यातले, अगदी आपल्या दैनंदिन जीवनाचे भाग आहेत. एकाच तत्वाची ही वेगवेगळी रूपे आहेत हे कदाचित सगळ्यांना ठाऊक नसेल. ऊन, वारा आणि नदीचा प्रवाह या निसर्गातील शक्तींचा उपयोग करून घेऊन आपले जीवन जास्त चांगले बनवण्याचे प्रयत्न मानव अनादिकालापासून करत आला आहे. मात्र त्यासाठी त्याला या श्रोतांकडे जाणे आवश्यक होते, तसेच त्यांच्यावर त्याचे नियंत्रण नव्हते. जेवढे प्रखर ऊन पडेल, जोराचा वारा सुटेल आणि ज्या वेगाने पाणी वहात असेल त्यानुसार त्याला आपले काम करून घ्यावे लागत असे. अग्नी चेतवणे आणि विझवणे याचे तंत्र अवगत करून घेतल्यानंतर ऊर्जेचे हे साधन त्याला केंव्हाही, कोठेही आणि हव्या तेवढ्या प्रमाणात मिळवणे शक्य झाले. साधे भात शिजवणे असो किंवा खनिजापासून धातू तयार करणे आणि त्याला मनासारखा आकार देणे असो, गरजेप्रमाणे चुली, शेगड्या आणि भट्ट्या वगैरे बांधून तो अग्नीचा उपयोग करत गेला. त्यासाठी विविध प्रकारचे ज्वलनशील, ज्वालाग्राही आणि स्फोटक पदार्थ त्याने शोधून काढले, तोफा आणि बंदुकांसारखी शस्त्रास्त्रे निर्माण केली, वाफेवर आणि तेलावर चालणारी इंजिने तयार केली. आता अग्निबाणांच्या सहाय्याने अवकाशात याने पाठवत आहे.

ऊर्जेच्या निरनिराळ्या रूपांचा आणि निसर्गातल्या ऊर्जाश्रोतांचा बारकाईने सखोल अभ्यास करून, त्यांना जाणून घेऊन त्यांचा अधिकाधिक उपयोग कसा करता येईल याचे प्रयत्न मानव सुरुवातीपासून करत आला आहे. नदीच्या खळाळणा-या पाण्याला कशामुळे जोर मिळतो? ती नेहमी पर्वताकडून समुद्राकडेच का वाहते? याचा विचार करतांना पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे हे घडत असल्याचे त्याच्या लक्षात आले. वाहत्या पाण्यामधली वाहण्याची शक्ती त्याला पृथ्वीकडून मिळते. पण त्या आधी ते पाणी पर्वतावर कसे जाऊन पोचते? पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील पाण्याची सूर्याच्या उन्हाने वाफ होते आणि ती वातावरणात उंचावर जाते, (या गोष्टीलासुध्दा पृथ्वीची गुरुत्वाकर्षण शक्ती कारणीभूत असते) त्यातून ढग तयार होतात आणि डोंगरावर जाऊन ते बरसतात. याचाच अर्थ जमीनीवरील किंवा समुद्रामधील पाण्याला आधी सूर्यापासून ऊर्जा मिळते. ती सुप्त अवस्थेत (पोटेन्शियल एनर्जी) असते, पृथ्वीच्या आकर्षणाने पाणी वाहू लागल्यावर त्याला गतिमान रूप (कायनेटिक एनर्जी) मिळते. याचप्रमाणे वाळवंटामधील हवा उन्हाने तप्त होऊन विरळ होते. पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे या हवेचा तिच्यावर जो दाब पडत असतो तो हलका होतो आणि जास्त दाब असलेली तुलनेने थंड हवा तिकडे धाव घेते. याला आपण वारा म्हणतो. म्हणजेच वाहत्या वा-यामधील ऊर्जासुध्दा त्याला सूर्याकडूनच मिळते. पण सूर्य आणि अग्नी यांची ऊर्जा कोठून येते? या प्रश्नाची उकल साध्या निरीक्षणांमधून होत नव्हती.

शस्त्रास्त्रे आणि यंत्रे यांच्या बरोबरीने नवनवी उपकरणेसुध्दा मानव बनवत गेला आणि त्यांच्याद्वारे त्याने आपली निरीक्षणशक्ती अमाप वाढवली. ज्यांची जाणीव माणसाच्या पाच ज्ञानेंद्रियांना होऊ शकत नाही अशी निसर्गातली अनेक रहस्ये त्यातून उलगडली गेली. कानाला ऐकू न येणारे आवाज, डोळ्यांना दिसू न शकणारे प्रकाशकिरण आणि बोटाला न जाणवणारी स्पंदने यांचे अस्तित्व समजले, त्यांची निर्मिती आणि मोजमाप करणे शक्य झाले. ज्ञानसंपादनाच्या अनेक नव्या खिडक्या उघडल्यामुळे नवनवे वैज्ञानिक शोध लागत जाण्याच्या प्रक्रियेला वेग आला.

विश्वामधील सर्व पदार्थ अतीसूक्ष्म अशा कणांपासून बनले आहे ही कल्पना मनात रुजल्यानंतर त्याने या कणांचा कसून अभ्यास केला. त्यांना अणू (मॉलेक्यूल) असे नाव दिले. हे अणू साध्या डोळ्यांनी तर नाहीच, पण दुर्बिणीमधूनसुध्दा प्रत्यक्षात दिसत नसले तरी शास्त्रज्ञांनी त्यांच्या रचनेबद्दल संकल्पना मांडल्या आणि पदार्थांच्या प्रत्यक्ष निरीक्षणांमधून त्यांना अप्रत्यक्षपणे पण निश्चित स्वरूपाचा दुजोरा मिळत गेला. या सूक्ष्म कणांच्या अभ्यासातून त्यांचे जे गुणधर्म समजले, त्यात असे दिसले की हे सर्व कण चैतन्याने भारलेले असतात. याची अनेक सोपी उदाहरणे दाखवता येतील.

भरलेला फुगा फोडला की त्याच्या आतला वायू क्षणार्धात हवेत विरून जातो, त्याला परत आणता येत नाही. कारण त्यातील सूक्ष्म कण स्वैरपणे इतस्ततः भरकटत असतात. स्वच्छ पाण्याने भरलेल्या पेल्यात कोकाकोलाचा एक थेंब टाकला की तोसुध्दा सगळीकडे पसरतांना दिसतो, कारण द्रवरूप पदार्थांचे सूक्ष्म कण सुध्दा एका जागेवर स्थिर न राहता वायूंपेक्षा कमी वेगाने पण सतत संचार करत असतात. घनरूप पदार्थांचे तपमान वाढले की ते प्रसरण पावतात आणि कमी झाले की आकुंचन पावतात, कारण त्यांचे सूक्ष्म कण सुध्दा जागच्या जागीच हालचाल करत असतात. थोडक्यात सांगायचे झाले तर जड वस्तूंच्या सूक्ष्म कणांमध्ये सुध्दा एक चैतन्य असते. एक प्रकारची सुप्त ऊर्जा अणुरेणूंमध्ये भरलेली असते. ज्या वेळी ती ऊर्जा ध्वनी, प्रकाश, ऊष्णता, गतिमानता यासारख्या रूपामध्ये प्रकट होते तेंव्हा ती आपल्या जाणीवांच्या कक्षेत येते. तिला ओळखणे, तिचे मापन करणे, त्याचा उपयोग करून घेणे अशा गोष्टी आपल्याला अवगत असतील तर आपल्याला ती ऊर्जा प्राप्त झाली असे वाटते.

निरनिराळ्या स्वरूपातील ऊर्जेचे अस्तित्व, एका जागेवरून दुस-या जागेकडे होणारे तिचे वहन, ऊर्जेचे एका रूपामधून दुस-या रूपात रूपांतर होणे वगैरेंसाठी निसर्गाचे निश्चित असे स्थलकालातीत नियम आहेत. ते व्यवस्थित समजून घेऊन त्यांचा उपयोग करून घेण्याचे काम वैज्ञानिक आणि तंत्रज्ञ करत असतात. त्यांच्या प्रयत्नांमधून ऊर्जेचे अद्भुत नवे श्रोत मानवाला मिळत गेले. आपली पृथ्वी स्वतःच एक महाकाय लोहचुंबक आहे आणि तिचे चुंबकीय क्षेत्र आपल्या संवेदनांना जाणवत नसले तरी ते आपल्या चहू बाजूंना पसरले आहे हे समजले. आकाशामधून धरतीवर कोसळणा-या विद्युल्लतेकडे पाहून भयभीत होण्यापलीकडे काहीही करू न शकणारा मानव कृत्रिम रीत्या विजेचे उत्पादन करू लागला. यात त्याने इतकी विविधता आणली आणि इतके नैपुण्य संपादन केले की अत्यंत प्रखर अशी ऊष्णता निर्माण करणे, महाकाय यंत्रांची चाके फिरवणे, लक्षावधी गणिते चुटकीसरशी सोडवणे किंवा जगाच्या पाठीवरील दूर असलेल्या ठिकाणी आपले संदेश अतीशय सूक्ष्म अशा विद्युल्लहरींमधून कल्पनातीत वेगाने पाठवणे अशी निरनिराळ्या प्रकारची कामे तो विजेकडून करून घेऊ लागला आहे.

विश्वातील असंख्य पदार्थाची रचना असंख्य निरनिराळ्या प्रकारच्या अणूंपासून झाली असली सुमारे फक्त शंभर एवढ्याच मूलद्रव्यांपासून हे असंख्य पदार्थ निर्माण झाले आहेत. या मूलद्रव्यांच्या सूक्ष्मतम कणांना परमाणु (अॅटम) असे नाव ठेवले. अर्थातच दोन किंवा अधिक परमाणूंच्या संयोगातून अणू बनतात हे ओघाने आले. जेंव्हा कोळशाच्या म्हणजे कार्बन या मूलद्रव्याचा प्राणवायू (ऑक्सीजन)शी संयोग होतो. तेंव्हा कर्बद्विप्राणिल (कार्बन डायॉक्साइड) वायू तयार होतो आणि त्याबरोबर ऊष्णता बाहेर पडते. यामधील ऊर्जा कोठून येते? असा प्रश्न पूर्वी अनुत्तरित होता. त्याचे उत्तर मिळाले ते असे. जेंव्हा दोन कमावत्या व्यक्ती एकत्र राहू लागतात, तेंव्हा त्यांचे काही आवश्यक खर्च समाईकपणे भागवले जातात आणि त्यामुळे पूर्वी त्यावर खर्च होणारे त्यांचे काही पैसे शिल्लक राहतात. त्याप्रमाणे दोन वेगवेगळे परमाणु एकत्र आले की त्यांच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक असलेली ऊर्जेची एकंदर गरज कमी होते आणि ही जास्तीची ऊर्जा ऊष्णतेच्या स्वरूपात त्या नव्या अणूला मिळते. ही ऊर्जा कार्बन आणि ऑक्सीजन या पदार्थांमध्येच सुप्त रूपाने (केमिकल पोटेन्शियल एनर्जी) वास करत असते, ज्वलनाच्या रासायनिक क्रियेमुळे आपल्याला जाणवेल अशा स्वरूपात ती बाहेर पडते.

अग्नीमधून मिळणारी ऊर्जा कोठून आली या प्रश्नाला मिळालेल्या या उत्तराबरोबर ऊष्णता निर्माण करणा-या असंख्य रासायनिक प्रक्रियांचे (एक्झोथर्मिक रिअॅक्शन्सचे) गूढ उलगडले. कृत्रिम रीत्या विजेचे उत्पादन करतांना ती कशी निर्माण होते हे मानवाला समजले होतेच. सूर्य आणि आकाशातल्या ता-यांमधून बाहेर पडत असलेल्या ऊर्जेचा श्रोत कोणता हे अजून गूढ होते. एकोणीसाव्या शतकाच्या अखेरीला मादाम मेरी क्यूरीने रेडिओअॅक्टिव्हिटीचा शोध लावला आणि पदार्थविज्ञानात एका नव्या अध्यायाची सुरुवात झाली. रेडियम या मूलद्रव्याचा दुस-या कशाशीही संयोग न होता आणि त्याच्या कोणत्याही गुणधर्मांमध्ये कसलाही बदल न होता विशिष्ट प्रकारचे प्रकाशकिरण त्या धातूमधून सतत कसे बाहेर पडत असतात हे एक नवे गूढ जगापुढे आले. अत्यंत सूक्ष्म प्रमाणातल्या अदृष्य अशा प्रकाशकिरणांचे अस्तित्व दाखवणारी, त्यांच्या तीव्रतेचे मापन करणारी उपकरणे तयार झाल्यानंतर अशा प्रकारचे अनेक पदार्थ निसर्गामध्ये असल्याचे समजले. सर्वात हलक्या हैड्रोजनपासून सर्वात जड युरेनियमपर्यंत ज्ञात असलेल्या बहुतेक मूलद्रव्यांना रेडिओअॅक्टिव्ह भावंडे असल्याचे दिसून आले.

अनेक शास्त्रज्ञ हे गूढ उकलण्याच्या कामाला लागले. ही ऊर्जा कोणत्याही भौतिक (फिजिकल) किंवा रासायनिक (केमिकल) क्रियेमधून निर्माण होत नव्हती याची खातरजमा करून घेतल्यानंतर ती ऊर्जा त्या परमाणूमध्येच दडलेली असणार हे निश्चित झाले. परमाणूंच्य़ा अंतर्गत रचनेबद्दल तर्क करण्यात येत होते. शंभरावर असलेलेच्या मूलद्रव्यांचे परमाणू प्रोटॉन्स, न्यूट्रॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्स या फक्त तीनच अतीसूक्ष्म मूलभूत कणांपासून निर्माण झाले असावेत हा सिध्दांत सर्वमान्य झाला आणि अणूंच्या अंतरंगात या अतीसूक्ष्म कणांची रचना कशाप्रकारे केली गेलेली असेल यावर अंदाज बांधले जाऊ लागले. यातली कोणतीही गोष्ट प्रत्यक्ष प्रमाणाने दाखवता येणे शक्य नव्हतेच. पण ती अशी असेल तर त्या पदार्थांमध्ये असे गुणधर्म येतील असे तर्क करून आणि ते गुणधर्म तपासून पाहून त्या सिध्दांतांची शक्याशक्यता तपासण्यात आली. त्यानुसार प्रत्येक अणूच्या केंद्रभागी प्रोटॉन्स व न्यूट्रॉन्स यांच्या समूहातून निर्माण झालेला न्यूक्लियस असतो आणि इलेक्ट्रॉन्स गटागटाने सदोदित त्याच्या भोवती घिरट्या घालत असतात असे मॉडेल सर्वमान्य झाले. काही परमाणूंची रचना अस्थिर (अनस्टेबल) असते. त्यांच्याकडे आवश्यकतेपेक्षा जास्त ऊर्जा असते. तिला बाहेर टाकून देऊन तो परमाणू स्थैर्याकडे वाटचाल करण्याचा प्रयत्न करत असतो. या क्रियेमधून ही ऊर्जा बाहेर पडत असते हे सर्वमान्य झाले. सू्र्य आणि तारकांमध्ये असेच काही तरी घडत असणार असा अंदाज करण्यात आला.

वस्तुमान, अंतर आणि वेळ ही मूलभूत तत्वे आहेत असे धरून त्यांच्या आधाराने इतर सर्व गुणधर्मांचे मोजमाप करता येत असे, अजूनही ते तसेच केले जाते. पण या तीन्ही गोष्टी सापेक्ष आहेत असे प्रतिपादन आल्बर्ट आइन्स्टाइन याने शतकापूर्वी केले. मानवाच्या सर्वसामान्य जाणीवांशी विपरीत असलेला हा विचार कोणाच्याही पचनी पडणे कठीण होते. त्याला शंभर वर्षे उलटून गेली असली तरी सापेक्षतासिध्दांताबद्दल (रिलेटिव्हिटी थिअरीबद्दल) आत्मविश्वासाने बोलणारे लोक आजसुध्दा कमीच आढळतात. पण शुध्द तर्क आणि क्लिष्ट गणित यांच्या सहाय्याने आइन्स्टाइनने आपले विचार तत्कालीन शास्त्रज्ञांना पटवून दिले. त्याच्या सिध्दांताच्या धाग्याने विश्वाचा विचार केल्यानंतर वस्तुमान आणि ऊर्जा ह्या दोन्ही गोष्टी एकाच नाण्याच्या दोन बाजू असल्याचे सिध्द होते. तसे असल्यास वस्तूमानाचे परिवर्तन ऊर्जेमध्ये होणे सुध्दा शक्य असावे आणि ते झाल्यास E=mCxC एवढ्या प्रचंड प्रमाणात लहानशा वस्तुमानाच्या बदल्यात अपरिमित ऊर्जा मिळू शकेल असे भाकित त्याने केले. ही क्रिया नक्की कशा प्रकारे होईल हे त्या काळात तो सांगू शकत नव्हता. त्यामुळे ही गोष्ट तो सप्रयोग सिध्द करू शकत नव्हता. पण तो आपल्या भाकितावर ठाम होता. इतर काही शास्त्रज्ञांनी ही किमया घडवून आणली आणि आइन्स्टाइनच्या जीवनकालातच त्याचे प्रत्यक्षप्रमाण जगाला दाखवले.

सू्र्य आणि तारकांमधील ऊर्जेचे रहस्य काही प्रमाणात उलगडले, तसेच अणुशक्ती किंवा परमाणू ऊर्जा ही एक वेगळ्या स्वरूपातली ऊर्जा मानवाच्या हातात आली.