Sunday, October 07, 2018

प्रकाशाचा वेग कुणी आणि कसा शोधला ?



धांवण्याच्या शर्यतीत भाग घेणारे धांवक १००, २०० मीटर किंवा एक दोन किलोमीटर अशी अंतरे धांवतात आणि त्यासाठी त्यांना किती वेळ लागतो हे अचूक मोजले जाते. मग एकाद्याने १०० मीटर अंतर १० सेकंदात कापले तर १०० भागले १० करून त्याचा सरासरी वेग सेकंदाला दहा मीटर इतका होतो आणि कोणी एक किलोमीटर अंतर तीन मिनिटात कापले तर त्याचा वेग ६० भागले ३ म्हणजे ताशी २० किलोमीटर ठरतो. म्हणजेच अंतराला वेळेने भागून आपण वेग काढतो. मोटार आणि रेल्वे इंजिनांमध्ये लावलेले स्पीडोमीटर नांवाचे उपकरण त्यांचा वेग ताशी अमूक इतके किलोमीटर दाखवते, तो वेग फार तर तासाला शंभर किलोमीटरच्या आसपास असतो. धांवक, मोटार किंवा रेल्वेगाडी यांना आपण अनेक वेळा इकडून तिकडे जातांना पहात असतो आणि अनुभवावरून त्यांच्या वेगाचा थोडाफार अंदाज येतो, पण प्रकाशाचे किरण एका सेकंदात सुमारे तीन लाख किलोमीटर इतक्या प्रचंड वेगाने जात असल्यामुळे रंगीत प्रकाशाचे किरणसुद्धा आपल्या डोळ्यासमोरून जात असतांनाही आपल्याला दिसू शकत नाहीत. 

दिवसा सूर्यकिरणांमधून आपल्याला उजेड मिळतो आणि काळोखात दिवा लावला की त्याचा उजेड सगळीकडे पसरतो. म्हणजेच प्रकाशाचे किरण सूर्य किंवा दिवा यामधून निघून सगळीकडे जातात. ही गोष्ट प्राचीन काळापासून माहीत होती, पण ते क्षणार्धात होते असेच तेंव्हा वाटत असणार. सूर्यनारायण आकाशात दूर आहे एवढे माहीत असले तरी तो आपल्या पृथ्वीपासून किती योजने, मैल किंवा किलोमीटर दूर आहे आणि तिथून निघालेले किरण पृथ्वीपर्यंत पोचायला किती वेळ लागत असेल असा विचार बहुधा कुणाच्या मनात आला नसेल. निदान तसा स्पष्ट उल्लेख कुठल्या प्राचीन साहित्यामध्ये मिळत नाही.  झंझावाती वाऱ्यासारखा वेगवान किंवा चमचमणाऱ्या विजेसारखी चपळ अशा उपमा जुन्या वाङ्मयामध्ये दिसतात, पण प्रकाशाइतका वेगवान असे उदाहरण मात्र आढळत नाही.

तीन लाख किलोमीटर हे अंतर इतके मोठे आहे की त्यात पृथ्वीभोंवती सात प्रदक्षिणा घालून होतील. त्यामुळे ते अंतर प्रत्यक्ष मोजणे तर शक्यच नाही. मग प्रकाशाचा वेग दर सेकंदाला इतका आहे असे कुठल्या शास्त्रज्ञाने आणि कसे ठरवले असेल ? अशी अंतरे आकाशामध्येच असू शकत असल्यामुळे त्याची कल्पना खगोलशास्त्रीच करू शकतात. त्यामुळे त्यांनीच या बाबतीत पुढाकार घेतला. प्राचीन भारतीयांनी सूर्य आणि चंद्र यांनासुद्धा मंगळ, गुरु, शनी आदिंप्रमाणे नवग्रहांमध्ये धरले होते. या सर्वांच्या आकाशामधील राशी आणि नक्षत्रांमधून होतांना दिसत असलेल्या भ्रमणाचा अभ्यास पुरातन काळापासून होत आला आहे. अरब आणि युरोपियन शास्त्रज्ञांनीसुद्धा शतकानुशतके त्यांचा अभ्यास केला आणि आपापली निरीक्षणे नोंदवून ठेवली होती. सोळाव्या शतकात होऊन गेलेल्या कोपरनिकस या पोलिश शास्त्रज्ञाने त्याला उपलब्ध झालेल्या माहितीचा गणिताच्या आधाराने अभ्यास करून असा निष्कर्ष काढला की सूर्य हा तारा असून तो केंद्रस्थानी असतो आणि मंगळ, गुरु, शनी वगैरे ग्रह त्याला निरनिराळ्या कक्षांमधून प्रदक्षिणा घालत असतात, त्याचप्रमाणे पृथ्वी हासुद्धा त्यांच्यासारखाच एक ग्रह असून तो सुद्धा सतत सूर्याभोंवती फिरत असतो.

त्यानंतरच्या ब्राहे, केपलर, गॅलीलिओ आदि संशोधकांनी कोपरनिकसच्या संशोधनामध्ये खूप भर घातली आणि या ग्रहांच्या भ्रमणाच्या कक्षा, त्यांच्या भ्रमणाचे वेग, त्यांचे सूर्यापासून असलेले अंतर वगैरे बद्दलचे अधिकाधिक चांगले अंदाज बांधले. दुर्बिणीचा शोध लागल्यानंतर गुरु आणि शनि यांच्या उपग्रहांचे शोध लागत गेले आणि त्यांचे संशोधन करणे सुरु झाले. रोमर या मूळच्या डेन्मार्कमधल्या पण पॅरिसमधील प्रयोगशाळेत काम करत असलेल्या संशोधकाने गुरु ग्रहाच्या ऐओ किंवा आयो (Io) नावाच्या लहानशा उपग्रहावर लक्ष केंद्रित केले होते. हा उपग्रह गुरूभोंवती फक्त साडेएकेचाळीस तासात एक प्रदक्षिणा घालतो. त्यामुळे त्याचे निरीक्षण करायला मदत होते. पृथ्वीवरून पाहिले असतांना तो कधी गुरूच्या समोरून जातांना आणि कधी बाजूला दिसू शकतो पण तो ज्या वेळी गुरुच्या आड असतो तेंव्हा दिसत नाही. दिवसा उजेडी कोणताच ग्रह आपल्याला दिसू शकत नाही. रात्री ते ग्रह जेवढा वेळ आकाशात असतात तेंव्हाच त्यांचे निरीक्षण करणे शक्य असते. त्यातही जेंव्हा तो उपग्रह गुरुच्या सावलीतून जातो तेंव्हाही त्याच्यावर सूर्याचा प्रकाश पडत नसल्यामुळे तो पृथ्वीवरून दिसत नाही.  ज्या वेळी तो दुर्बिणीमधून दिसत नाही तेंव्हा तो गुरुच्या सावलीत आहे किंवा गुरूच्या मागे लपला आहे या दोन्ही शक्यता असतात. हा उपग्रह रोज रात्री दिसलाच तरी थोडाच वेळ दिसतो. तेवढ्या वेळेत त्याला नेमके केंव्हा ग्रहण लागले आणि ते केंव्हा सुटले या दोन्ही गोष्टी एकाच वेळी केलेल्या निरीक्षणात कधीच समजत नाहीत.  त्याला गुरूच्या सांवलीमुळे ग्रहण लागण्याच्या वेळी तरी किंवा ते सुटण्याच्या वेळी तरी  पृथ्वीवर दिवस असतो. त्यामुळे या दोनपैकी एकच गोष्ट आपण एका  पाहू शकतो.

रोमरने ही सगळी तंत्रे सांभाळून वर्षानुवर्षे शेकडो निरीक्षणे केल्यानंतर त्याच्या असे लक्षात आले की आयो(Io)ची ग्रहणे अपेक्षेइतक्या ठरलेल्या अचूक वेळी दिसत नाहीत. गुरु आणि पृथ्वी यांच्यामधले अंतर जेंव्हा कमी असते (आकृतीमधील GC आणि LD) आणि जेंव्हा जास्त असते (FC आणि KD) या दोन स्थितींमधल्या निरीक्षणांमध्ये कांही मिनिटांची तफावत दिसते आणि हे दरवर्षी घडते. यावरून त्याच्या मनात असा विचार आला की गुरुपासून निघालेल्या प्रकाशकिरणांना पृथ्वीपर्यंत येऊन पोचायला कमी किंवा जास्त वेळ लागत असल्याकारणाने ही गोष्ट घडत असणार. रोमरने १६७६ मध्ये आपल्या संशोधनाची तपशीलवार नोंद करून ठेवली आणि आपल्या तर्कासह ती फ्रेंच अॅकॅडमी ऑफ सासन्सेसच्या सुपूर्द केली. एका वार्ताहराने त्यावर लिहिलेला एक रिपोर्ट छापून दिला एवढीच प्रसिद्धी मिळाली. त्यानंतर रोमर आपल्या देशात म्हणजे डेन्मार्कमध्ये परतला आणि त्याने उर्वरित आयुष्य तिथे अध्यापन, संशोधन, प्रशासन वगैरेंमध्ये व्यतीत केले.

त्या काळात सूर्य, पृथ्वी, गुरु वगैरेंमधली आपापसातली अंतरे किती मैल किंवा किलोमीटर असतात यावर एकमत झालेले नव्हते. पृथ्वी आणि सूर्य यांचेमधील सरासरी अंतराला अॅस्ट्रॉनॉमिकल युनिट (ए.यू) असे धरून त्या तुलनेत अंतरिक्षामधली इतर अंतरे मांडली जात असत. रोमरने केलेल्या संशोधनानुसार हिशोब केला तर प्रकाशकिरणांना एक ए.यु. इतके अंतर जाण्यासाठी ११ मिनिटे लागत होती. तो वेग दर सेकंदाला सुमारे २२२,००० किलोमीटर इतका होतो.

आकाशातला सूर्य आणि गुरु हे दोघेही एकाच वेळी डोळ्यांना दिसत नसल्यामुळे एकाच क्षणी ते क्षितिजावरून किती अंशावर आहेत हे प्रत्यक्ष मोजता येत नाही. सूर्य, पृथ्वी आणि गुरु यांच्या त्रिकोणातला हा कोन दिवसा आणि रात्रीच्या वेगवेगळ्या वेळी केलेल्या निरीक्षणांचा मेळ घालून काढावा लागतो. रोमरने गणिते मांडतांना असे अनेक त्रिकोण काढले होते, पृथ्वी आणि गुरु यांच्या कक्षा सोयीसाठी वर्तुळाकार धरल्या होत्या, त्यांचे सापेक्ष आकार आणि भ्रमणाचे वेग वगैरे गोष्टी त्याला मिळालेल्या माहितीनुसार गृहीत धरून आपले निष्कर्ष काढले होते. सन १६७० च्या काळात वेळ मोजण्याची अचूक साधने उपलब्ध नव्हती. या सगळ्या गोष्टींमुळे रोमरचा अंदाज पाव हिश्श्याने चुकला होता. आपण प्रकाशाच्या वेगाचा शोध लावला असा त्याने दावा केला नव्हता किंवा स्वतःसाठी प्रसिद्धी मिळवण्याचा प्रयत्नही केला नव्हता. तरीही प्रकाशाचा वेग मोजण्याचा पहिला पद्धतशीर आणि यशस्वी प्रयोग त्याने केला म्हणून प्रकाशाच्या वेगाच्या शोधाचा जनक हा मान त्याला दिला गेला.

रोमरच्याच्या आधीच्या कांही शास्त्रज्ञांनीसुद्धा या दिशेने संशोधन केले होते. तसे पाहता प्रकाश म्हणजे काय आणि तो सू्र्य, चंद्र आणि तारकांपासून आपल्यापर्यंत कसा येत असेल यावर हजारो वर्षांपूर्वीपासून अनेक विद्वानांनी विचार करून तर्कांवर आधारलेली मते मांडली होती. सतराव्या शतकातल्या आयझॅक बीकमन नावाच्या शास्त्रज्ञाने तोफ उडवून त्यातून निघालेला धूर दूरवर ठिकठिकाणी ठेवलेल्या आरशांमधून पहावा अशी कल्पना मांडली होती. त्याच काळातला थोर शास्त्रज्ञ गॅलीलिओ याने दिव्यांचा उपयोग करून प्रकाशाला दूरवर जायला किती वेळ लागतो हे पहाण्याचे प्रयोग केले होते. प्रकाशाचा वेग खूपच जास्त असल्यामुळे हे प्रयोग यशस्वी होणे शक्यच नव्हते. त्यामुळे प्रकाशाचा वेग न मोजता येण्याइतका प्रचंड (अमित) आहे असा निष्कर्ष गॅलीलिओने काढला होता.

रोमर या डॅनिश संशोधकाने आयो या गुरुच्या उपग्रहावर जे संशोधन केले होते ते कॅसिनि नांवाच्या मुख्य शास्त्रज्ञाचा सहाय्यक म्हणून केले होते. ते काम करण्यामागे कॅसिनीचा उद्देश वेगळाच होता. अॅटलांटिक महासागरामधून जात असलेल्या जहाजांना आपण नेमके कुठे आहोत हे समजण्यासाठी त्या ज्ञानाचा उपयोग होईल असे त्याला वाटत होते, पण अशी निरीक्षणे करण्यातल्या अडचणी पाहता त्यासाठी सुसज्ज अशी प्रयोगशाळा आणि तज्ज्ञ शास्त्रज्ञांची किती आवश्यकता आहे ते समजले. समुद्रातल्या जहाजांवरील खलाशांना हे संशोधन करणे शक्य नसल्यामुळे तो विचार बारगळला. रोमरच्या त्या संशोधनामधून प्रकाशाच्या वेगाचा शोध लागला असला तरी त्याचे ते म्हणणे कॅसिनीला पटले नाही. त्यामुळे त्या महत्वाच्या शोधाला मिळायला हवी होती तेवढी प्रसिद्धी दिली गेली नाही. पण त्या काळातला दुसरा प्रमुख शास्त्रज्ञ ह्यूजेन याला मात्र रोमरचे स्पष्टीकरण बरोबर वाटले आणि त्याने त्यावर स्वतः विचार आणि काम करून प्रकाशाचा वेग दर सेकंदाला अमूक इतके किलोमीटर अशा प्रकारे सर्वसामान्य वापरातल्या एकांकांमध्ये (युनिट्समध्ये) सांगितले. त्यामुळे कांही लोक या शोधाचे श्रेय ह्यूजेन्सलाही देतात. त्या काळातला सर्वात मोठा शास्त्रज्ञ सर आयझॅक न्यूटन यांनीसुद्धा रोमरच्या विचारांना पाठिंबा दिला, त्यात स्वतःच्या संशोधनाची भर घातली आणि सूर्यप्रकाशाच्या किरणांना पृथ्वीपर्यंत पोचण्यासाठी सात ते आठ मिनिटे लागतात असा अंदाज सन १७०४ मध्ये लिहिलेल्या पुस्तकात व्यक्त केला. 

गॅलीलिओ आणि ह्यूजेन्स यांनीही यावर काम केले असले तरी प्रकाशाला एक ठराविक वेग असतो हे सांगणेच इतर शास्त्रज्ञांना बरीच वर्षे मान्य होत नव्हते. सर आयझॅक न्यूटन यांनी रोमरची कल्पना सन १७०४ मध्ये लिहिलेल्या पुस्तकात मान्य केली पण त्यांच्या हिशोबाने सूर्याचे किरण पृथ्वीपर्यंत येऊन पोचायला ७-८ मिनिटे लागत होती.  जेम्स ब्रॅडली या ब्रिटिश संशोधकाने सन १७२७मध्ये स्टेलर अॅबरेशन नांवाच्या दुसऱ्या एका पद्धतीने ही वेळ ८ मिनिटे आणि १३ सेकंड एवढी असल्याचे सिद्ध करून दाखवले तेंव्हा प्रकाशाच्या ठराविक वेगाची कल्पना सर्वमान्य झाली.  त्यानंतरच्या शास्त्रज्ञांनी जास्त अचूक हिशोब करून ती वेळ ८ मिनिटे १९ सेकंद एवढी निश्चित केली.



इंग्लंडमधल्याच जेम्स ब्रॅडली नावाच्या कुशाग्र बुद्धीच्या संशोधकाने खगोलशास्त्राचा अभ्यास करतांना अॅबरेशन (aberration of light) या प्रकाशकिरणांच्या विशिष्ट गुणधर्माचा शोध लावला. पृथ्वी स्वतःच सूर्याभोंवती वेगाने फिरत असल्यामुळे दूरच्या ताऱ्यांपासून पृथ्वीवर येऊन पोचणारे किरण चित्रात दाखवल्याप्रमाणे किंचित वेगळ्या दिशेने आल्यासारखे वाटतात. त्यामुळे आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे 'क' या ठिकाणी असलेला तारा 'ख' या जराशा वेगळ्या ठिकाणी दिसतो, म्हणजे तो तारा तिथे आहे असा भास होतो. पृथ्वी सूर्याभोंवती गोल गोल फिरत असल्यामुळे तिची सरळ रेषेत पुढे जाण्याची दिशा दर क्षणी बदलत असते. ती आज ज्या दिशेने जात आहे त्याच्या नेमक्या विरुद्ध दिशेने आणखी सहा महिन्यांनी जात असेल. त्यामुळे सहा महिन्यांनी तोच तारा दुसऱ्या दिशेने किंचित सरकून 'ग' या जागी गेलेला दिसेल. प्रकाशकिरणांचे हे अॅबरेशन त्यांचा वेग पृथ्वीच्या वेगाच्या तुलनेत किती आहे यावर अवलंबून असते. ब्रॅडलीने वर्षभर अत्यंत सूक्ष्म निरीक्षणे करून एका ताऱ्याचे अशा प्रकारे किंचित जागेवरून हलणे मोजले. ते एक अंशाचा सुमारे १८० वा भाग इतके सूक्ष्म होते. ब्रॅडलीने त्याचे गणित मांडून प्रकाशकिरणांचा वेग पृथ्वीच्या वेगाच्या १०२१० पट असल्याचे सिद्ध केले आणि त्यावरून गणित करून सूर्यप्रकाशाला पृथ्वीपर्यंत येऊन पोचण्यासाठी ८ मिनिटे १२ सेकंद इतका वेळ लागतो असे इसवी सन १७२९ मध्ये सांगितले.  कदाचित खरे वाटणार नाही, पण आपली पृथ्वी दर सेकंदाला सुमारे ३० किलोमीटर इतक्या मोठ्या वेगाने आपल्या कक्षेतून फिरत असते. ब्रॅडलीच्या संशोधनानुसार प्रकाशाचा वेग सेकंदाला १८३,००० मैल किंवा २९५,००० किलोमीटर इतका येतो.

पण दर सेकंदाला दोन तीन लाख किलोमीटर एवढ्या प्रचंड वेगाने कुठलाही कण, मग तो प्रकाशाचा कां असेना, प्रवास करू शकेल यावर त्या काळातले लोक विश्वास ठेवायला तयार नव्हते. त्या काळात प्रकाशाच्या वेगाचा कुठल्याच गणितात उपयोग होत नसल्यामुळे त्याला आताइतके महत्वही मिळालेले नव्हते. तरीही कांही संशोधक त्यावर काम करत राहिले. हिप्पोलिट फिझू (Hippolyte Fizeau) आणि लिआँ फोकॉल्ट (Léon Foucault) या फ्रेंच शास्त्रज्ञांनी प्रकाशाचा वेग मोजण्यासाठी एक खास यंत्र तयार केले आणि त्याच्या सहाय्याने प्रयोग करून तो दर सेकंदाला ३१५,००० किलोमीटर इतका असल्याचे सन १८४९ मध्ये दाखवले.

जेम्स क्लार्क मॅक्सवेल या स्कॉटिश शास्त्रज्ञाने सन १८६५ मध्ये एक क्रांतिकारक असा शोध लावला. विद्युत (electric), चुंबकीय (magnetic) आणि प्रकाश या सर्वांच्या एकसारख्या लहरी असतात आणि त्या निर्वात पोकळीमधून सारख्याच वेगाने जातात असे त्याने तर्कांच्या सहाय्याने सिद्ध केले. नंतर त्याने विजेच्या वहनावर प्रयोग केले आणि त्यावरून विजेचा म्हणजेच प्रकाशाचा वेग दर सेकंदाला ३१०,७४०,००० मीटर्स  इतका असतो असे सांगितले. त्यानंतर मात्र प्रकाश किरण आणि विद्युत लहरींच्या वेगाला अनन्यसाधारण महत्व प्राप्त झाले. आपल्या डोळ्यांना दिसणारा प्रकाश (Visible spectrum) हा गॅमा किरणां(रेज)पासून ते रेडिओ लहरींपर्यंतच्या अनेक प्रकारच्या किरणांमधला एक लहानसा भाग आहे. निरनिराळ्या संशोधकांनी हे इतर प्रकारचे अदृष्य किरण नंतरच्या काळात शोधून काढले. या सर्वांना आता विद्युतचुंबकीय विकिरण (Electromagnetic radiation) या एकाच नांवाने ओळखले जाते. 

आल्बर्ट मायकेलसन या अमेरिकन शास्त्रज्ञाने लांबच लांब सरळ नळ्या जोडून आणि ठिकठिकाणी भिंगे बसवून एक विशाल आकाराचे खास उपकरण तयार केले. चित्रावरून त्याची कल्पना येऊ शकेल. तो त्यात वेळोवेळी सुधारणा करून प्रयोग करत राहिला. त्याने १८७९ मध्ये प्रकाशाचा वेग दर सेकंदाला २९९,९४४ ± ५१ किलोमीटर इतका तर १९२६ मध्ये तो २९९,७९६ ±४  किलोमीटर इतका अचूक असल्याचे  सांगितले. त्यानंतरही निरनिराळ्या पद्धतींनी हा वेग मोजण्याचे प्रयत्न होत राहिले. निर्वात पोकळीमध्ये प्रकाशाचा वेग दर सेकंदाला २९९,७९२,४५८ मीटर इतका असतो असे १९७५ साली जगातल्या सर्व शास्त्रज्ञांनी मिळून ठरवले आहे. हाच आकडा आजपर्यंत अचूक समजला जातो.
---------------------------------------------------------------

No comments: