विज्ञानामधले द्वैत अद्वैत

जगद्गुरु शं‍कराचार्यांनी अद्वैतवादाचा पुरस्कार करून हिंदू किंवा सनातन धर्माचे पुनरुज्जीवन केले असे सांगितले जाते. हे अद्वैताचे तत्वज्ञान वेदांमधून चालत आले आहे. शंकराचार्यांनी त्याला पुन्हा उजाळा दिला असेही म्हणतात. पण शं‍कराचार्यांच्यानंतर आलेल्या मध्वाचार्यांनी पुन्हा द्वैतवादाचा पुरस्कार केला आणि त्यांचे मतही स्वीकारले गेले. द्वैत आणि अद्वैत ही दोन्ही मते गेली कित्येक शतके तग धरून आहेत, पण ती फक्त उच्च दर्जाच्या विद्वानांनाच पूर्णपणे समजलेली असावीत किंवा ते लोकच कदाचित त्यावर वाद घालत असतील. सर्वसामान्य माणसाचे आयुष्य त्याशिवायच व्यवस्थित चाललेले असते.

द्वैत अद्वैत हे काय आहे याचे मलाही कुतुहल वाटत होते म्हणून मी ते समजून घेण्याचा थोडासा प्रयत्न करून पाहिला. कुणी सांगितले की आत्मा आणि परमात्मा हे दोन भिन्न आहेत असे म्हणणे हे द्वैत आणि ते दोन्ही वेगळे नसून एकच आहेत  असे सांगणे म्हणजे अद्वैत.  आणखी कुणी सांगितले की ब्रह्म आणि माया यांना वेगवेगळे समजणे हे द्वैत आणि या दोन्ही एकाच नाण्याच्या दोन बाजू असणे हे अद्वैत. या सगळ्याच गोष्टी माझ्या आकलनाच्या पलीकडे असल्यामुळे मी जास्त खोलात जायचा प्रयत्न केला नाही.

मला अध्यात्मातले फारसे काही कळत नाही. मी जन्मभर विज्ञान आणि तंत्रज्ञान यातच घालवला असल्यामुळे त्यातले एक सोपे उदाहरण सुचले. बर्फ आणि पाणी किंवा पाणी आणि वाफ यांना आपण वेगवेगळे समजतो कारण ते वेगवेगळे दिसतात किंबहुना भौतिकशास्त्राप्रमाणे ते तसे असतात. त्यांचे भौतिक गुणधर्म वेगवेगळे असतात. हे झाले द्वैत. पण रसायनशास्त्र सांगते की हे सगळे H2O आहेत, त्यांचे अणु एकच आहेत. हे त्यांचे अद्वैत झाले. हे जरा जास्तच सोपे उदाहरण झाले. विज्ञानातल्या एका मुख्य द्वैत अद्वैतावर गेली तीन शतके वादविवाद चालला आहे.

रोज सकाळी सूर्य उगवतो, सगळीकडे उजेड पडतो आणि आपल्याला आजूबाजूच्या गोष्टी दिसायला लागतात. म्हणजे नेमके काय होते? शास्त्रज्ञांनी त्याचा विचार करून असे सांगितले की सूर्यापासून निघालेल्या प्रकाशाचे असंख्य किरण आपल्या पृथ्वीपर्यंत येऊन सगळीकडे पसरतात आणि आपल्या आजूबाजूला असलेले डोंगर, झाडे, घरे, माणसे, पशुपक्षी वगैरेंवर पडत असतात. त्यातले काही किरण शोषले जोऊन नष्ट होतात तर काही किरण त्या पदार्थांना धडकून तिथून पुन्हा चहू बाजूंना पसरत असतात. त्यातले जे किरण त्यांच्यावरून परावर्तित होऊन आपल्या डोळ्यांपर्यंत येतात त्या किरणांमुळे आपल्याला त्या गोष्टी दिसतात. एखादा माणूस किंवा प्राणी कुठून तरी निघून दुसऱ्या ठिकाणी जातो हे सहज समजण्यासारखे असते. तशाच प्रकारे प्रकाशाचे किरण हे अतिसूक्ष्म कण असतात आणि ते इकडून तिकडे जात असतात असे प्रतिपादन प्रख्यात इंग्लिश शास्त्रज्ञ सर आयझॅक न्यूटन याने केले. पण हे किरण जिथे जाऊन पडतात तिथे ते साठून का रहात नाहीत? ते क्षणार्धात आपोआप नष्ट कसे होतात? अशा शंका येत होत्या.

त्याच्याच काळातल्या डच फिजिसिस्ट ख्रिश्चन हुजेन्स याने असे सांगितले की  प्रकाश हा तरंगांच्या स्वरूपात इकडून तिकडे जातो. पाण्यावर लहरी उठतात तेंव्हा पाण्याच्या पृष्ठभागावरले कण खरे तर जागच्या जागीच वर खाली होत असतात. पण ते अशा ठराविक क्रमाने होतात की पहाणाऱ्याला असे वाटते की ते तरंग एका दिशेने पुढे पुढे जात आहेत. पण  तरंगांना पुढे जाण्यासाठी एकाद्या माध्यमाची गरज असते. सूर्य, चंद्र, तारे आणि पृथ्वी यांच्यामध्ये तर निर्वात पोकळी असते, मग हे प्रकाशकिरण त्यातून इकडे कसे येत असतील? अशा शंका होत्या. त्यावेळी न्यूटनला फार जास्त मान होता, त्यामुळे त्याचे मत अधिक ग्राह्य मानले गेले. 

तरीही प्रकाशाचे किरण हे कण आहेत की तरंग यावर शास्त्रज्ञांचे दोन गट झाले होतेच. दोन्ही गटांमधले शास्त्रज्ञ आपापल्या परीने या शंकांचे निरसन करायचे प्रयत्न करत होते, तसेच प्रयोगांमधून प्रकाशकिरणांचे जे निरनिराळे गुणधर्म किंवा नियम सापडत होते त्यांचे स्पष्टीकरण देत होते. इंटरफरन्स या गुणधर्माचा अभ्यास करण्यासाठी एकोणिसाव्या शतकाच्या सुरुवातीस डबल स्लिट एक्सपेरीमेंट आणि पोइसोन स्पॉट एक्सपेरिमेंट हे दोन महत्वाचे प्रयोग केले गेले. त्यांच्या निरीक्षणावरून निघालेले निष्कर्ष मात्र तरंगांच्या बाजूचे होते. ती निरीक्षणे तरंगांवरूनच सिद्ध करता येत होती असे त्यांना वाटले. यामुळे पुढील शंभर वर्षे न्यूटनचा  कण सिद्धांत मागे पडला आणि तरंग सिद्धांतालाच विज्ञानात मान्यता मिळत राहिली.  

पुढे एकोणीसाव्या शतकात प्रकाशलहरींवर तसेच विद्युतचुंबकीय गुणधर्मांवर कसून संशोधन चालले होते. प्रकाशलहरींची वेव्हलेंग्थ आणि फ्रिक्वेन्सी यांची मोजमापे घेतली गेली. सूर्यप्रकाशातल्या सात रंगांमध्ये ते कसे बदलत जातात हे समजले. प्रकाशकिरण म्हणजे विद्युतचुंबकीय लहरी असतात आणि जगात अनेक प्रकारचे अदृष्य किरणही असतात वगैरे सिद्ध करण्यात आले. त्यांचा अभ्यास करण्यासाठी स्पेक्ट्रोस्कोपी नावाची एक वेगळी शाखा उदयाला आली आणि त्यात निरनिराळी उपकरणे तयार करण्यात आली. विद्युतचुंबकीय क्षेत्र, विजेचा प्रवाह वगैरेंवर संशोधन होतच होते. यावर संशोधन करत असतांना इ.सन १८९७मध्ये जे.जे.थॉमसन या संशोधकाने इलेक्ट्रॉन या कणाचा शोध लावला. प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रॉन हे घटक मिळून अणू तयार होतात असे रूदरफोर्ड या शास्त्रज्ञाने सांगितले.

समजा एका तरणतलावात अनेक लोक पोहत आहेत. एक माणसाने स्प्रिंगबोर्डवरून पाण्यात सूर मारला तर काय होईल? पाण्यात थोडी खळबळ होऊन काही लाटा उठतील आणि पाण्यातल्या इतर लोकांना त्यांचा किंचितसा धक्का बसेल. पण कुणी असे सांगितले की त्याची सगळी ऊर्जा घेऊन पाण्यातला एक माणूस त्याच्या जागेवरून उडेल आणि किनाऱ्यावर येऊन पडेल, तर त्यावर कुणाचा विश्वास बसेल का? आपल्याला हे अशक्य, अतर्क्य आणि असंभवनीय वाटणार. पण विशिष्ट परिस्थितीत असा प्रकार घडणे शक्य आहे आणि निसर्गात असे घडत असते असे सन १९०५मध्ये जेंव्हा आल्बर्ट आइन्स्टाइनने सांगितले तेंव्हाच्या शास्त्रज्ञांनाही ते लगेच पटले नव्हतेच.

 प्रकाशकिरणांवर संशोधन करत असतांना काही शास्त्रज्ञांना असे दिसले की विशिष्ट प्रकाशकिरणांमुळे काही पदार्थांच्या विद्युतचुंबकीय गुणधर्मांमध्ये काही बदल होतात. त्यावर आल्बर्ट आइन्स्टाइनने असा सिद्धांत मांडला की प्रकाशकिरण हे सूक्ष्म कण असतात आणि विशिष्ट ऊर्जा असलेले हे कण इलेक्ट्रॉन या कणांना अणूंमधून बाहेर ढकलतात. त्या पदार्थावर तसे प्रकाशकिरण पडले तर त्यातून इलेक्ट्रॉन बाहेर पडतात. याला फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट असे नाव दिले गेले. हे निर्विवाद सिद्ध झाल्यानंतर १९२१ सालचा नोबेल पुरस्कार आइन्स्टाइनला दिला गेला. प्रकाश किरण या लहरी आहेत असे समजले तर या इफेक्टचे स्पष्टीकरण देता येत नाही. त्यासाठी ते सूक्ष्म असे कणच असायला हवेत. पुढे प्रकाशाच्या या कणांना फोटॉन असे नाव दिले गेले.  न्यूटनचा झिडकारला गेलेला कणांचा सिद्धांत पुन्हा समोर आला.  

कुठल्याही सूक्ष्मदर्शक यंत्राने कधीही अणू पाहता येत नाहीत, इतके ते सूक्ष्म असतात. फोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन तर अणूपेक्षाही सूक्ष्म असतात. मग एक फोटॉन येऊन अणूमधल्या एका इलेक्ट्रॉनला जोरात धक्का मारतो आणि त्याला अणूच्या बाहेर पाठवून देतो हे आइन्स्टाइनला कसे समजले? त्याने प्रयोग करतांना हे होतांना प्रत्यक्ष पाहिले आणि इतर शास्त्रज्ञांना दाखवले असे होण्याची सुतराम शक्यता नव्हती. त्याने हे सगळे गणिते मांडून आणि तर्कशुद्ध विचाराच्या जोरावर आपल्या बुद्धीनेच ठरवले आणि सिद्ध करून दाखवले. आधीच्या काही शास्त्रज्ञांनी प्रयोग करतांना असे पाहिले होते की विशिष्ट धातूंच्या तुकड्यावर अल्ट्राव्हायोलेट किरणांचा झोत टाकला तर त्यांवर धन विद्युतप्रभार (पॉझिटिव्ह चार्ज) तयार होतो. अणूच्या रचनेवर संशोधन करतांना शास्त्रज्ञांनी असे ठरवले होते की प्रत्येक अणूच्या केंद्रामध्ये धन प्रभार असलेले प्रोटॉन्स असतात आणि ऋण प्रभार असलेले इलेक्ट्रॉन्स त्या केंद्राभोवती प्रदक्षिणा घालत असतात. दोन्ही मिळून त्या अणूचा विद्युतप्रभार शून्य होतो. पण काही कारणाने इलेक्ट्रॉन त्याला सोडून गेले आणि प्रोटॉन जागेवर राहिले तर त्या अणूला धन विद्युतप्रभार प्राप्त होतो. प्रकाश किरणांच्या झोतामुळे हे होत असेल तर त्यातले फोटॉन्सच इलेक्ट्रॉन्सना हुसकून लावण्यासाठी जबाबदार असणार असे आइनस्टाइनने नुसते सांगितलेच नाही तर त्याची गणिते मांडून कमीत कमी किती ऊर्जा असलेले प्रोटॉन्स हे काम करतील, त्यांची किती ऊर्जा इलेक्ट्रॉनसला दिली जाईल वगैरेंची सूत्रे तयार केली. आपल्याला फोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन तर मोजता येतच नाहीत. कोणत्या प्रकारचे किती तीव्रता असलेले प्रकाशकिरण किती विद्युतप्रभार तयार करतील वगैरें साठी त्याने नियम सांगितले. त्या सगळ्याचा समावेश त्याच्या फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टवरील शोधात होतो.  त्यानंतर या फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा निरनिराळ्या प्रकारे उपयोग करून घेण्यासाठी अनेक उपकरणे तयार होत गेली आणि प्रकाशकिरण कणांनी बनले आहेत या कल्पनेवर शिक्कामोर्तब झाले.

त्यानंतर आर्थर होली काँप्टन या शास्त्रज्ञाने प्रयोगामधून असे दाखवून दिले की क्ष किरण इलेक्ट्रॉनवर आदळले तर ते नष्ट होत नाहीत पण आपली फ्रिक्वेंसी कमी करून इतरस्त्र पसरतात. याला काँप्टन इफेक्ट म्हणतात. यामधूनसुद्धा  प्रकाशकिरण सूक्ष्म कणांच्या स्वरूपात असतात असेच दिसते.

पण जर प्रकाशकिरण हे कण असतील तर ते लहरी आहेत असे समजून केलेल्या संशोधनांमधून झालेल्या प्रगतीचे काय होईल? प्रकाश किरणांच्या तरंगांच्या वेव्हलेंग्थ्स आणि फ्रिक्वेन्सी यावर संशोधन करून एक मोठा स्पेक्ट्रम तयार केला गेला होता. त्यात नॅनोमीटरपेक्षाही अतिसूक्ष्म वेव्हलेंग्थ असलेल्या गॅमा रेजपासून क्ष किरण, अल्ट्राव्हायोलेट, दृष्य प्रकाश, इन्फ्रारेड, मायक्रोवेव्ह्ज, आणि कित्येक मीटर वेव्हलेंग्थ असलेल्या रेडिओवेव्ह्ज इतकी मोठी रेंज असते. निसर्गातल्या अशा निरनिराळ्या प्रकारच्या किरणांना ओळखून त्यांची मोजमापे घेण्याची उपकरणे तयार केली होतीच, असे किरण कृत्रिम रीत्या तयार करण्याची साधनेही तयार केली जात होती आणि विविध प्रकारे त्यांचे उपयोग केले जात होते. हैड्रोजन, हेलियम यासारख्या मूलतत्वांमधून ठराविक रंगाचे प्रकाशकिरण निघतात याचा उपयोग करून त्या मूलतत्वांचे अस्तित्व ओळखले जात होते. अशा सगळ्या कारणांमुळे प्रकाश किरण हे तरंगांच्या स्वरूपात असतात यातही कसलीही शंका नव्हती.

मॅक्स प्लँक या शास्त्रज्ञाने सांगितले की न्यूटनचे सिद्धांत सृष्टीचे सगळे नियम समजून घेण्यासाठी पुरेसे नाहीत.  त्यांने एक नवा विचार क्वांटम थिअरीमधून मांडला आणि त्याने भौतिकशास्त्राच्या  पुढील काळातल्या प्रगतीला वेगळी दिशा मिळाली. या सिद्धांतामधून असे सिद्ध करता येत होते की फोटॉनसारखे अतिसूक्ष्म कण एकाच वेळी लहरीसुद्धा असू शकतात. त्यांच्या दुहेरी अस्तित्वाला मान्यता मिळाली.

आपण आतापर्यंत प्रकाशकिरणांच्या संबंघातले कण आणि तरंग यांच्यामधले द्वैत अद्वैत पाहिले. मॅक्स प्लँकचा सिद्धात खरे तर ऊर्जेच्या गुणधर्माबाबत आहे. त्याने असे सांगितले की विद्युतचुंबकीय ऊर्जा पुंजक्यामधूनच प्रकट होते. Electromagnetic energy could be emitted only in quantized form, in other words, the energy could only be a multiple of an elementary unit. ऊर्जेचे एक सर्वात लहान प्राथमिक एकक असते आणि त्याच्या पटीमध्येच ऊर्जा प्रगट होते. ज्याप्रमाणे विश्वामधल्या सर्व पदार्थांचे अविभाज्य असे अणू नावाचे सूक्ष्म कण असतात त्याचप्रमाणे ऊर्जेचेसुद्धा सूक्ष्म क्वांटा असतात.  भले त्या लहरी असतील, पण त्याही सूक्ष्म अशा तुकड्यांमधून प्रकट होत असतात.  अर्थातच ज्याप्रमाणे आपल्याला अणू वेगळे काढून मोजता येत नाहीत त्याचप्रमाणे हे क्वांटाही मोजता येत नाहीत.  हे सगळे कल्पना आणि तर्कशुद्ध विचार यामधून निघालेले सिद्धांत आहेत आणि ते इतर सगळ्या शास्त्रज्ञांनी सखोल साधकबाधक चर्चा केल्यानंतर सर्वसंमतीने मान्य केले गेले आहेत.

आल्बर्ट आइन्स्टाइन हा शास्त्रज्ञ मुख्यतः त्याच्या सापेक्षता सिद्धांतासाठी प्रसिद्ध आहे.  सापेक्षतावादाचा सिद्धांत म्हणजे, जागा आणि वेळ यांच्या संकल्पना निरपेक्ष नाहीत तर सापेक्ष आहेत. या सिद्धान्तांनुसार विद्युत-चुंबकीय लहरींचा वेग सापेक्ष परिस्थितीमध्ये नेहमी स्थिर असतो आणि निरीक्षकाच्या वेगावर आणि स्थळावर अवलंबून नसतो. त्याने आणखी किचकट गणिते मांडून असे सिद्ध करून दाखवले की उर्जेचे पदार्थात रूपांतर होऊ शकते आणि पदार्थाचे ऊर्जेत रूपांतर होऊ शकते.  त्यासाठी त्याने मांडलेले E=mc^2 हे सूत्र सुप्रसिद्ध आहे. किंबहुना त्याच्या सांगण्यांनुसार पदार्थ आणि ऊर्जा ही एकाच मूलतत्वाची दोन रूपे असतात. असे हे आणखी एक द्वैत अद्वैत.

फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट आणि  काँप्टन इफेक्ट  या दोन्हींमध्ये फोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन यांची टक्कर होते आणि त्या कणांमध्ये किती ऊर्जा असते त्याप्रमाणे त्यामधून वेगवेगळे परिणाम होतात. हे दोन्ही प्रकारचे कण कुणीही पाहू शकत नाही आणि त्यामुळे त्यांची होत असलेली टक्करही कुणीच पाहिलेली नाही. प्रयोगशाळांमध्ये निरनिराळ्या तीव्रतेच्या किरणांचे झोत विशिष्ट धातूंच्या तुकड्यांवर टाकून त्यामधून निघालेल्या लहरींचे अतिशय संवेदनशील (सेन्सिटिव्ह) अशा उपकरणांनी केलेल्या निरीक्षणांचे स्पष्टीकरण या सिद्धांतांनी देता येते.

आतापर्यंत लहरीच्या स्वरूपात समजले जाणारे प्रकाशकिरण जर फोटॉन या कणांच्या रूपात असतील तर पदार्थांचे कण समजले जाणारे इलेक्ट्रॉन्स लहरीच्या स्वरूपात असू शकतील अशी शक्यता फ्रेंच शास्त्रज्ञ लुई  डी ब्रॉग्ली (Louis De Broglie) याने व्यक्त केली. त्यानंतर अणूचे भाग समजले जाणारे सगळेच सूक्ष्म कण हे लहरीच्या स्वरूपात असतात असे समजून त्यांचा अभ्यास केला जाऊ लागला. क्वांटम मेकॅनिक्स या नावाच्या विज्ञानाच्या शाखेत हा अभ्यास केला जातो. श्रोडिंजर या शास्त्रज्ञाने कणांच्या तरंग स्वरूपाचा अभ्यास करण्यासाठी काही गणिती समीकरणे मांडली. 

म्हणजे जर प्रत्येक अणू हाच काही तरंगामधून तयार होत असेल तर सगळे विश्वच तरंगांचा समूह आहे असे म्हणता येईल का? असा प्रश्न पडला. त्यावर असे सांगितले गेले की हे सूक्ष्म कण एकाच वेळी कण आणि तरंग या दोन्ही अवस्थांमध्ये असू शकतात.

फोटॉन किंवा इलेक्ट्रॉन यांना कण असे म्हणतांना कण या शब्दाचा अर्थ नीट समजून घ्यायला हवा. कुठल्याही पदार्थाच्या अतीशय लहान तुकड्याला कण म्हणतात. चिमूटभर साखरेतले निरनिराळे कण डोळ्यांना दिसतात आणि बोटाने त्यांना वेगळे करता येतात. पण त्याची पिठीसाखर केली तर तिचे कण मात्र डोळ्यांनाही वेगवेगळे दिसत नाहीत आणि त्यातल्या एका कणाचा वेगळा स्पर्शही बोटाला जाणवत नाही, पण ते असतात. अंधाऱ्या खोलीत एखादा उन्हाचा कवडसा आला तर त्यात तरंगणारे धुळीचे कण दिसतात. ते कण आपल्या आजूबाजूच्या हवेत नेहमी असतातच, पण ते सूक्ष्म कण आपल्याला एरवी दिसत नाहीत. त्यांच्यावर तीव्र प्रकाशाचा झोत पडल्याने ते चमकतात आणि दिसतात.  फुलांपासून निघून सर्वत्र पसरणारे त्याच्या सुवासाचे सूक्ष्म कण डोळ्यांना दिसत नाहीत, पण त्यांच्याकडूनच आपल्या नाकाला फुलांचा सुगंध समजतो.  असे अनेक अदृष्य सूक्ष्म कण या जगात असतात.

हे भौतिक जग अत्यंत सूक्ष्म अशा असंख्य अणूंपासून बनलेले असून ते अणु अविभाज्य व अविनाशी असतात असे प्राचीन काळातल्या कणाद मुनींनी सांगितले होते. जॉन डाल्टन या शास्त्रज्ञाने सन १८०८ मध्ये प्रसिद्ध अणुसिद्धांत मांडला तेंव्हा असेच विधान केले आणि त्या अणूंचे काही गुणधर्म सांगितले. पण हा अणू नेमका किती सूक्ष्म असतो हे जवळजवळ १०० वर्षांनंतर सन १९०९ मध्ये जीन पेरिन या शास्त्रज्ञाने सांगितले.  त्याच्या नियमांवरून असे दिसते की धुळीच्या एका कणामध्ये कित्येक अब्ज अणू सामावलेले असतात, इतका तो सूक्ष्म असतो.  पण अशा अतिसूक्ष्म कणांसाठी वेगळा शब्दच नसल्याने अणूलाही कणच म्हंटले जाते.

निरनिराळ्या मूलद्रव्यांच्या अणूंचा संयोग होऊन त्यातून संयुगांचे रेणू तयार होतात. तेही अदृष्य असे सूक्ष्म कणच असतात. ही क्रिया कशी होते याची कारणे शोधण्यासाठी अणूच्या अंतर्गत रचनेची मॉडेल्स तयार केली गेली. त्यातल्या सर्वात प्रसिद्ध रदरफोर्ड मॉडेलमध्ये असे दाखवले होते की अणूंच्या केंद्रात प्रोटॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स  असतात आणि  इलेक्ट्रॉन्स त्यांच्या सभोवती घिरट्या घालत असतात. अर्थातच त्या अणूचा लहानसा भाग असलेल्या इलेक्ट्रॉनलाही कणच म्हंटले गेले.   

रदरफोर्डच्या मॉडेलप्रमाणे हैड्रोजनच्या एका अणूमध्ये केंद्रभागी एक प्रोटॉन असतो आणि एक इलेक्ट्रॉन त्याच्या भोवती फिरत असतो, तर युरेनियमच्या एका अणूच्या केंद्रात ९२ प्रोटॉन्स आणि १४३ किंवा १४६ न्यूट्रॉन्स  एकमेकांना चिकटून बसलेले असतात आणि ९२ इलेक्ट्रॉन्स सहा निरनिराळ्या कक्षांमध्ये फिरत त्यांना प्रदक्षिणा घालत असतात. बुध, शुक्र, पृथ्वी वगैरे ग्रह एकेकटेच सूर्याभोवती निरनिराळ्या कक्षांमध्ये फिरत असतात पण हे इलेक्ट्रॉन गटागटाने निरनिराळ्या कक्षांमध्ये फिरत असतात. कुठल्या कक्षेतून किती इलेक्ट्रॉन फिरतात हे सुद्धा ठरलेले असते. या सगळ्यांना फिरण्यासाठी भरपूर मोकळी जागा लागते. हे सगळे सामान्य माणसाच्या आकलनाच्या आवाक्याबाहेर आहे. सगळे अणु जर असे जवळ जवळ पूर्णपणे रिकामेच असतील तर अनेक अणु मिळून त्यामधून कणखर पदार्थ कसे तयार होत असतील हे समजत नाही. असली वर्णने रावणाची दहा तोंडे किंवा सहस्त्रार्जुनाच्या हजार हातांसारखी अविश्वसनीय वाटतात. अणूची अंतर्गत रचना खरोखरच अशी असतेच असे कुठल्याही उपकरणातून दाखवता येणे शक्यच नाही. पण विशिष्ट क्रियांचा अभ्यास करण्यासाठी कल्पनेने अशी मॉडेल्स रचून त्यानुसार संशोधन करून त्या पदार्थाच्या इतर गुणधर्मांविषयी काही निष्कर्ष काढायला मदत होते. या युरेनियम अणूचे विखंडन केले तर त्यातून प्रचंड ऊर्जा कशी प्रकट होते हे सांगता येते. प्रत्यक्षात अशा प्रकारे अणुशक्ती निर्माण होते हे तर आपण पाहतोच. कार्बन, ऑक्सीजन, सोखंड, सोने वगैरे सर्व मूलद्रव्यांच्या निरनिराळ्या गुणधर्मांचा अभ्यास अशा प्रकारच्या मॉडेल्सवरून सुकर झाला आहे. दोन मूलद्रव्यांमध्ये रासायनिक क्रिया कशा होतात याचे स्पष्टीकरण या मॉडेल्समधून देता येते. म्हणून अणूची रचना अशीच असते असे शिकवले जाते.

प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन या अणूच्या केंद्रस्थानी असलेल्या कणांमध्ये अणूचे ९९.९ % पेक्षा अधिक वस्तुमान असते. उरलेले ०.१% पेक्षाही कमी वस्तुमान सर्व इलेक्ट्रॉन्सचे मिळून असते. पण प्रोटॉनच्या एक सहस्त्रांशाहूनसुद्धा लहान असलेल्या पिटुकल्या इलेक्ट्रॉनमध्ये प्रोटॉनइतकाच इलेक्ट्रिक चार्ज असतो. हे प्रतापी कण निव्वळ चैतन्यमूर्ती असतात. ते सतत प्रचंड वेगाने निरनिराळ्या कक्षांमधून केंद्रभागाला प्रदक्षिणा घालत असतातच, त्यांचा काही प्रमाणात पूर्ण अणूवर प्रभाव पडतो. सर्वात बाहेरच्या कक्षेमध्ये किती इलेक्ट्रॉन्स असतात त्यावरून त्या अणूची व्हॅलेन्सी ठरते. कुठल्याही अणूचा कुठल्या दुसऱ्या अणूशी किती प्रमाणात संयोग व्हावा हे त्या  व्हॅलन्सीनुसार ठरते. त्या संयुक्त पदार्थाचा अणू तयार होत असतांना दोन मूलद्रव्यांमधले इलेक्ट्रॉन्स एकमेकांशी हितगूज करून त्या पदार्थाचे नवे गुणधर्म ठरवतात, तो आम्ल असावा की अल्कली की निष्पक्ष हे ठरवतात.  या इलेक्ट्रॉन्सना अधिक ऊर्जा मिळाली की ते आपली कक्षा बदलतात. हे करत असतांना त्यातून प्रकाशकिरणांचे उत्सर्जन होते. या इलेक्ट्रॉन्सचे वायरसारख्या कुठल्याही वाहकामधून फिरणे म्हणजे विजेचा प्रवाह असतो. 

पदार्थ या शब्दाची विज्ञानात अशी व्याख्या केली जाते की त्याला वस्तुमान असते आणि तो जागा व्यापतो. Matter is defined as anything that has mass and takes up space. कण हा पदार्थाचाच बारीक भाग असल्यामुळे त्यालाही वस्तुमान असते आणि तो जागा व्यापतो. अणू हा पदार्थाचाच सूक्ष्म भाग असतो आणि इलेक्ट्रॉन हा त्याचा आणखी सूक्ष्म भाग असतो असे समजले तर त्याला कण असे समजता येईल. अणू आणि इलेक्ट्रॉन यांच्या वस्तुमानांचे आकडेही काढले गेले आहेतच.

संथ पाण्यामध्ये एक दगड टाकला की लगेच त्यावर लाटा उठून त्या पुढेपुढे सरकतांना दिसतात, पण लक्ष देऊन पाहिले तर खरे तर पाणी जागच्या जागीच वर खाली होत असते हे समजते. अशा प्रकारच्या हालचालीला तरंग म्हंटले जाते. पाण्यावरचे तरंग उठण्यासाठी आधी तिथे पाणी असावेच लागते. पण प्रकाशकिरण अवकाशाच्या निर्वात पोकळीतूनही दूरवरचा प्रवास करत असले तरी त्यांना तरंग असे नाव दिले गेले. ते अदृष्य अशा विद्युतचुंबकीय क्षेत्रामधले तरंग असतात.  या तरंगांमधून ऊर्जा वहात असते हा त्याचा महत्वाचा गुण असतो.

In physics, mathematics, engineering, and related fields, a wave is a propagating dynamic disturbance (change from equilibrium) of one or more quantities.  In physics, a wave is a disturbance that transfers energy.

आता ऊर्जा म्हणजे काय? ती म्हणजे कार्य करण्याची क्षमता.  Energy is the capacity for doing work. विज्ञानामध्ये कुठल्याही कामाला कार्य समजले जात नाही. बलामधून जितकी ऊर्जा दिली किंवा घेतली जाते ते कार्य अशी त्याची व्याख्या आहे. 

In science, work is the energy transferred to or from an object via the application of force along a displacement. 

उदाहरणार्थ आपण जमीनीवरून पिशवी उचलून हातात घेतली तर तिला स्थितिज ऊर्जा (Potential energy) देतो, ते कार्य झाले. पण हातातली पिशवी सोडली तर ती गुरुत्वाकर्षणाने आपोआप खाली येते.  तिला वेग येतो तेंव्हा तिच्यातल्या स्थितिज ऊर्जेचे रूपांतर गतिक ऊर्जेत (Kinetic Energy) होते.    ऊर्जेचे इतरही प्रकार आहेत, उदाहरणार्थ ऊष्णता या प्रकारच्या ऊर्जेने वस्तूचे तापमान वाढते. सूर्याच्या प्रकाशकिरणांमधूनही ऊर्जा वहात असते. 

एकोणिसाव्या शतकात कण की तरंग असा वाद होता. विसाव्या शतकात त्याऐवजी पदार्थ की ऊर्जा असे नवे द्वैत सुरू झाले.

 सर आयझॅक न्यूटन यांनी गुरुत्वाकर्षण आणि गतींचे कायदे हे सर्वाधिक महत्वाचे शोध लावले. प्रकाशकिरण हे कण असतात असेही त्यांनी सांगितले होते, पण ख्रिश्चन हुजेन्स या समकालिन शास्त्रज्ञाने असे सांगितले की  प्रकाश हा तरंगांच्या स्वरूपातच इकडून तिकडे जातो. इंटरफरन्स या प्रकाशाच्या गुणधर्माचा शोध लागल्यानंतर त्या लहरीच असतात हे पक्के झाले. समुद्रसपाटीवर हवेचा दाब जास्त असतो आणि पर्वतशिखरावर तो कमी असतो यावरून गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांताला आधार मिळाला. पृथ्वी हवेलाही आपल्याकडे खेचून घेत असल्यामुळे असे होते.  हवेच्या दाबांचा जास्त अभ्यास केल्यावर हे समजले की जमीनीपासून शंभरदीडशे किलोमीटर्सच्या पलीकडे वातावरणातली हवा जवळजवळ नसतेच. तिथे निर्वात पोकळी असते. सूर्य आणि चंद्र हे त्याच्या पलीकडे पृथ्वीपासून कितीतरी दूर असतात हेसुद्धा समजले होते. मग त्यांच्यापासून निघणाऱ्या प्रकाशाच्या लहरी कुठल्या माध्यमामधून इकडे येत असतात? या प्रश्नाला उत्तर देण्यासाठी असा तर्क सांगितला गेला की विश्वात सगळीकडे ईथर नावाचा एक अदृष्य पदार्थ भरलेला असावा आणि त्यातून या प्रकाशलहरी पसरत जातात. मग ईथरचे अस्तित्व शोधायचे प्रयत्न सुरू झाले.

मोटारीमधून वेगाने पुढे जात असतांना उलट दिशेने वारा वहात आहे असे आपल्याला वाटते. मग पृथ्वी स्वतःभोवती फिरत असतांना सगळीकडे उलट दिशेने वारे का वहात नाहीत? पृथ्वीबरोबर हवेलाही मोमेंटम मिळाले असल्यामुळे हवाही पृथ्वीबरोबरच फिरत असावी. मग पृथ्वीजवळचा ईथरचा थरसुद्धा असा फिरत असतो का? जर तसे असेल तर न्यूटनच्या नियमांप्रमाणे जे किरण त्याच्या फिरण्याच्या दिशेने येतात त्यांची गति वाढायला पाहिजे आणि जे त्याच्या विरुद्ध दिशेने येतात त्यांची गति कमी व्हायला पाहिजे, तसेच त्याच्या काटकोनामध्ये येणाऱ्या किरणांची गति या दोन्हींच्या मध्ये असली पाहिजे. इंटरफरन्स या प्रकाशाच्या गुणधर्माचा उपयोग करून किरणांच्या गतींमधला हा सूक्ष्म फरक समजून घेणे शक्य आहे असे शास्त्रज्ञांना वाटले. 

मायकेलसन आणि मोर्ले या दोन अमेरिकन शास्त्रज्ञांनी यासाठी केलेला प्रयोग त्यांच्या नावाने प्रसिद्ध आहे. त्यांनी आधी केलेल्या निरीक्षणांवर अविश्वास दाखवला गेला, त्यांच्या उपकरणांमधल्या उणीवा  दाखवल्या गेल्या. सातआठ वर्षे खपून त्यांनी सगळ्या तृटी दूर करून केलेल्या प्रयोगांमध्येही त्यांना किरणांच्या गतींमध्ये कुठलाच फरक दिसला नाही. अफाट खर्च आणि अविश्रांत मेहनत करून केलेल्या शर्थीच्या प्रयत्नांनंतर सुद्धा ज्या गोष्टीचा शोध घेतला होता ती सापडलीच नाही. पण या न सापडण्यामुळेच विज्ञानाच्या क्षेत्रात प्रचंड खळबळ उडाली.

मायकेलसन आणि मोर्ले या दोन अमेरिकन शास्त्रज्ञांनी केलेल्या प्रयोगानंतर ईथरच्या अस्तित्वाबद्दल दाट शंका वाटायला लागल्या. वैज्ञानिकांच्या जगातल्या एका अंधश्रद्धेचा हळूहळू लोप होत गेला. आल्बर्ट आइनस्टाइन या शास्त्रज्ञाने न्यूटनच्या गतीच्या सिद्धांतावरच प्रश्न उपस्थित केले. त्याने विशेष सापेक्षतावादाचा सिद्धान्त जून ३०, इ.स. १९०५ रोजी मांडला. त्या सिद्धान्तामध्ये त्याने दाखवून दिले की सर आयझॅक न्यूटन यांनी सांगितलेल्या गतीच्या नियमांनुसार विद्युत-चुंबकीय लहरींची (यामध्ये प्रकाशकिरणांचादेखील समावेश होतो) वागणूक स्पष्ट करता येत नाही. त्या परिस्थितीचे विश्लेषण, स्पष्टीकरण आणि अनुमान आइन्स्टाइनने सापेक्षतावादाच्या विशेष सिद्धान्तात केले. या सिद्धान्तांनुसार विद्युत-चुंबकीय लहरींचा वेग सापेक्ष परिस्थितीमध्ये नेहमी स्थिर असतो आणि निरीक्षकाच्या वेगावर आणि स्थळावर अवलंबून नसतो. थोडक्यात (न्यूटनच्या गतीच्या नियमांनुसार) संदर्भाची निरपेक्ष चौकट (Frame of Reference) ही निरीक्षकाकडे न राहता सापेक्षतेच्या सिद्धान्तानुसार प्रकाशाचा निर्वात क्षेत्रातील वेग हाच ती निरपेक्ष चौकट बनला.

सोप्या शब्दात सांगायचे झाले तर समजा आपण कारमध्ये बसून दर तासाला ८० किलोमीटर वेगाने निघालो आणि समोरून येणारी गाडीही ८० किमीच्या वेगाने येत असेल तर आपल्याला ती १६० किमी वेगाने येत आहे असे वाटते. हे न्यूटनच्या सिद्धांताप्रमाणेही बरोबरच आहे आणि असेच घडत असते.  जर सुरुवातीला आपण दोघेही एकमेकांपासून १६० कि.मी. इतक्या अंतरावर असू तर एक तासानंतर एकमेकांना अमोरासमोर येऊन भेटू.  पण जर कोणी प्रकाशकिरणांच्या वेगाने जात असेल आणि समोरून येणाराही तितक्याच वेगाने येत असेल तरीही त्या दोघांनाही समोरून येणारा प्रकाशाच्या इतक्या वेगानेच येतांना दिसेल. प्रकाशाच्या दुप्पट वेगाने नाही. हे समजायला जड आहे, कारण अंतर आणि समय याबद्दल आपल्या मनातल्या कल्पना दृढ असतात. पण  आइनस्टाइनने सांगितले की या गोष्टी सापेक्ष असतात. त्याने काही प्रयोगांमधील निरीक्षणे आणि उच्च गणितातल्या किचकट आकडेमोडीच्या आधाराने तसे सिद्ध करून दाखवले आणि इतर शास्त्रज्ञांना पटवून दिले. त्याचे सिद्धांत आधुनिक काळातल्या भौतिक शास्त्रातले प्रमुख पायाभूत सिद्धांत झाले.

काही लोकांना वाटते तसे आइनस्टाइनने न्यूटनच्या सिद्धांतांना खोटे ठरवलेले नाही. सायकल, मोटार, आगगाडी किंवा अगदी विमानेसुद्धा जितक्या वेगाने जातात त्यांची गणिते आजही  न्यूटनच्या सूत्रांनुसारच केली जातात आणि त्यांची उत्तरे अचूकच येतात. पण प्रकाशाच्या वेगाइतक्या प्रचंड वेगाने धावणाऱ्या सूक्ष्म कणांसाठी आइनस्टाइनने  न्यूटनच्या सूत्रांमध्ये थोडा बदल करून वेगळी समीकरणे मांडली, त्याने न्यूटनच्या नियमांमध्ये भर टाकली. 

 सरळ रेषेत निरंतर वेगवान हालचाली करणाऱ्या वस्तूंसाठी जागा आणि वेळ कसा जोडला जातो हे विशेष सापेक्षतेचा सिद्धांत स्पष्ट करतो. यात जागा आणि वेळ यांच्यातले एका प्रकारचे अद्वैत दाखवले गेले आहे.  तो सिद्धांत फक्त ज्या वस्तू जवळपास प्रकाशाच्या वेगाने हालचाल करतात त्यांच्याशी संबंधित आहे. सरळ शब्दात सांगायचे झाले तर एखादी वस्तू प्रकाशाच्या गतीच्या जवळ येते, त्यावेळी त्याचे वस्तुमान असीम होते आणि तो प्रकाशापेक्षा वेगवान होऊ शकतच नाही. भौतिकशास्त्रामध्ये ही वैश्विक गती मर्यादा बऱ्याच चर्चेचा विषय ठरली आहे. पण विस्तीर्ण अंतर कसे चुटकीसरशी पार करावे याबद्दल  कपोल कल्पित साहित्यात विचार केला जातो. टाइममशीनमध्ये बसून भूतकाळात जाण्यावरही असंख्य गोष्टी लिहिल्या गेल्या आहेत आणि काही सिनेमेही निघाले आहेत.

सूर्यप्रकाश आपल्या चांगला ओळखीचा आहे. दुसरी कुठलीही गोष्ट सूर्यप्रकाशाइतकी स्पष्ट नसते. हा प्रकाश लोलकामधून पार होतांना त्यातले सात रंग दिसतात, कधीकधी ते रंग इंद्रधनुष्याच्या रूपाने आकाशात मोठी कमान टाकतात. त्यांच्या आजूबाजूला असलेले अल्ट्राव्हायोलेट आणि इन्फ्रारेड नावाचे अदृष्य किरण शास्त्रज्ञांनी शोधून काढले आणि उपयोगात आणले. एकोणिसाव्या शतकाच्या अखेरीला कॅथोड रे ट्यूब आणि क्ष किरण (एक्स रे)यांचे शोध लागले. विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला मादाम मेरी क्यूरी यांनी रेडिओअॅक्टिव्हिटीवर संशोधन करून नोबेल प्राइझ मिळवले आणि हे पारितोषिक मिळवणाऱ्या पहिल्या महिला शास्त्रज्ञ असा मानही मिळवला. रेडिओअॅक्टिव्हिटीमध्ये  अल्फा, बीटा आणि गॅमा या नावांचे तीन प्रकारचे किरण असतात.  

या सगळ्या अदृष्य किरणांमधले क्ष किरण हेसुद्धा सूर्यप्रकाशासारखेच इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशन असतात, पण ते आपली त्वचा आणि मज्जा वगैरेंच्या आरपार जाऊ शकतात आणि आतल्या हाडांची चित्रे दाखवतात. गॅमा रेज तर त्यांच्यापेक्षाही भेदक असतात आणि लोखंडाच्या पार जातात. तरी तेसुद्धा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशन असतात म्हणजे तरंग असतात.

कॅथोड रे म्हणजे मात्र कॅथोडकडून अॅनोडच्या दिशेने होत असलेला इलेक्ट्रॉन्स या कणांचा वर्षाव असतो.  कॅथोड आणि अॅनोड यांच्यामध्ये असलेल्या इलेक्ट्रिक व्होल्टेजच्या  दाबामुळे हे इलेक्ट्रॉन कॅथोडमधून बाहेर ढकलले जातात आणि अॅनोडच्या दिशेने धाव घेतात. बीटा रे हेसुद्धा अधिक ऊर्जावान असे इलेक्ट्रॉन असतात. ते थेट अणुगर्भामधून बाहेर पडतात आणि सुसाट धावत सुटतात. ते माणसाच्या त्वचेला पार करू शकण्याएवढे भेदक असतात. अल्फा रेमध्ये हीलियम या मूलद्रव्याचे आयॉन असतात, म्हणजे हीलियमच्या अणूच्या केंद्रस्थानी असलेले दोन प्रोटॉन आणि दोन न्यूट्रॉन यांच्या जोड्या असतात. अशा चार कणांनी मिळून तयार झालेला अल्फा हा कण कागदालासुद्धा भेदू शकत नाही. त्यामुळे बाहेरून येणाऱ्या अल्फा रेपासून काही हानी होत नाही. पण अल्फा किंवा बीटा रे यांचे स्रोत असलेला एखादा रेडिओअॅक्टिव्ह  पदार्थ श्वासामधून किंवा अन्नपाण्यामधून शरीरात गेला तर तो घातक ठरतो. गॅमा रे तर शरीराच्या आरपार जातातच आणि जात असतांना वाटेत थोडा विध्वंस करून जातात. म्हणून या तीन्ही प्रकारच्या विकिरणांपासून सावध रहाण्याची आवश्यकता असते.

हे थोडे विषयांतर झाले. कॅथोड रे, अल्फारे आणि बीटा रे हे किरण असले तरी ते निर्विवादपणे कण असतात हे त्यांचे द्वैत आणि किरणसुद्धा फोटॉन या कणांमधून तयार होतात हे अद्वैत.

मी सुरुवातीच्या एका भागात लिहिले होते की सर आयझॅक न्यूटन या प्रसिद्ध शास्त्रज्ञाने असे सांगितले होते की प्रकाशकिरणांचे सूक्ष्म कण असतात.  त्याच्याच काळातल्या डच फिजिसिस्ट ख्रिश्चन हुजेन्स याने असे सांगितले की  प्रकाश हा तरंगांच्या स्वरूपात इकडून तिकडे जातो. तोपर्यंत डाल्टनचा जन्मसुद्धा झाला नव्हता आणि अणू, रेणू, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन हे शब्दही कुणाला माहीत नव्हते. त्या काळात कण की तरंग एवढाच वाद होता. तो दोनशे वर्षे चालला. अखेर किरण हे कणही आहेत आणि तरंगही आहेत अशा द्वैतावर सहमति झाली.

त्या धाग्यावरून पुढे जातांना मी मागील भागात काही इतर प्रकारच्या किरणांची (रेजची) उदाहरणे दिली होती. त्यातले काही रेडिओअॅक्टिव्हिटीशी संबंधित आहेत. ते नीट समजावे  म्हणून या भागात मी त्याबद्दल वेगळे लिहिणार आहे. मादाम मेरी क्यूरी या शास्त्रज्ञाने प्रयोगशाळेत असे दाखवून दिले की रेडियम सारख्या काही पदार्थांमधून वेगळ्याच प्रकारचे अदृष्य किरण बाहेर पडत असतात. इतर काही शास्त्रज्ञांनासुद्धा हे समजले होते. त्यांनी या दृष्टीने अनेक पदार्थांचा अभ्यास केला. या अदृष्य किरणांचे अस्तित्व ओळखण्यासाठी आणि त्यांचे गुणधर्म तपासण्यासाठी विविध प्रकारची संवेदनशील अशी उपकरणे तयार करून घेतली आणि या किरणांचा अभ्यास केला. त्या अभ्यासामधून त्यांनी या किरणांची अल्फा, बीटा आणि गॅमा अशा तीन प्रकारांमध्ये वर्गवारी केली.  या तीनही प्रकारांमध्ये कमीअधिक तीव्रता असलेले असंख्य प्रकारचे किरण असतात.

जगातील सर्वच मूलद्रव्यांचे आयसोटोप्स असतात. यातले बहुसंख्य आयसोटोप स्थिर असतात, पण काही आयसोटोप्सच्या केंद्रस्थानी (न्यूक्लियसमध्ये) सतत चलबिचल चाललेली असते. त्यामधून जास्तीची ऊर्जा या किरणांद्वारे बाहेर टाकली जात असते. अगदी आपल्या शरीराचे घटक असलेल्या काही मूलद्रव्यांमधूनसद्धा हे किरण सतत बाहेर पडत असतात आणि संवेदनशील उपकरणांनी ते मोजता येतात. तसेच अवकाशामधून येत असलेल्या कॉस्मिक रेजमध्येही सूक्ष्म प्रमाणात रेडिओअॅक्टिव्हिटी असतेच.  यामुळे या शब्दाने घाबरून जायचे कारण नाही. आपल्या रोजच्या आयुष्यात आपण काही युनिट्स रेडिएशन घेतच असतो आणि आपल्या शरीराला त्याची सवय झालेली असते. त्याला बॅकग्राउंड डोस म्हणतात. तोसुद्धा दररोज कमीजास्त होत असतो.

अणूबाँबमध्ये किंवा न्यूक्लियर रिअॅक्टर्समध्ये युरेनियमचे विखंडन होऊन काही नवे रेणू तयार होतात. या क्रियेमध्ये अत्यधिक प्रचंड प्रमाणात विकिरण होते, तसेच हे नवे रेणू अस्थिर असतात आणि दीर्घकाळ म्हणजे शेकडो वर्षे रेडिओअॅक्टिव्ह राहतात.  यामधून मिळणारा रेडिएशनचा डोस बॅकग्राउंड डोसच्या शंभर पट इतका झाला तर त्याचे किंचित परिणाम लगेच दिसतात आणि जर तो हजारपट किंवा लाखपट इतका झाला तर गंभीर परिणाम होतात. रिअॅक्टरमधील रेडिओअॅक्टिव्हिटीचा बाहेरील सामान्य जनतेला उपसर्ग होऊ नये याची विशेष काळजी घेतली जाते. त्यांना मिळणारा बॅकग्राउंड डोस सुरक्षित मर्यादेतच ठेवला जातो.  

इलेक्ट्रॉन हा सूक्ष्म कण प्रत्येक अणूचा भाग असतो आणि तो निरनिराळ्या क्रियांमध्ये अनेक प्रकारे काम करत असतो.  सर्व रासायनिक क्रिया त्याच्यामुळेच घडतात, तोच विजेच्या प्रवाहात तारेमधून वहात असतो, कॅथोड रे बनून सीआरओ स्क्रीनवर उजेड पाडतो आणि तोच बीटा रे झाला तर नुकसानही करतो.

 जगातले सर्व पदार्थ अणुरेणु नावाच्या सूक्ष्म कणांपासून बनलेले आहेत हे मान्य झाल्यानंतर या कणांचा थिऑरिटिकल अभ्यास सुरू झाला. त्यांची अंतर्गत रचना कशी असू शकेल आणि त्यांच्या अंतर्भागात काय काय गतिविधी चाललेल्या असतील यावर विचार करणे सुरू झाले. या गोष्टींचे प्रत्यक्ष निरीक्षण करणे कुणालाही शक्य नव्हतेच. कल्पनेतून त्यांच्या आकृती काढून त्यांच्यावर चर्चा सुरू झाल्या. विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला याला बहर आला. रदरफोर्ड आणि नील्स बोहर यासारख्या काही शास्त्रज्ञांनी आपापली मॉडेल्स मांडली. अणूच्या पोटात प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन नावाचे अतिसूक्ष्म कण असतात अशी कल्पना करून त्यांना निरनिराळे गुणधर्म दिले गेले. त्यातले इलेक्ट्रॉन्स लहान मोठे गट बनवून अणूच्या केंद्राच्या सभोवती वेगाने घिरट्या घालत असतात. ते निरनिराळ्या कक्षांमधून फिरत असतात. फिरता फिरता स्वतःभोवती गिरक्या घेत असतात, त्यातही लेगस्पिन आणि ऑफस्पिन बॉल जसे वेगवेगळ्या बाजूने वळतात तसे हे इलेक्ट्रॉन्सही दोन दिशांनी स्पिन करत असतात आणि मधूनच अणूच्या बाहेर पळून जातात. वगैरे अचाट कल्पना मांडल्या गेल्या.  या प्रत्येक कल्पनेच्या मागे काही तर्क होते, काही गणिते होती. प्रकाशाचेसुद्धा फोटॉन नावाचे सूक्ष्म कण असतात ही कल्पना पुढे आली. त्यांची इतर कणांशी टक्कर झाल्यानंतर, कुठल्या कणाचे पुढे काय होईल, कोण कुठे जाईल वगैरेंचे तर्क व्हायला लागले.

आल्बर्ट आइनस्टाइनने सापेक्षता सिद्धांत मांडला. त्याने असे दाखवून दिले की कोणीही प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळपास इतक्या वेगाने धावत असेल तर त्याच्यासाठी अंतराचा (स्पेसचा) संकोच होतो, काळाची गती मंदावते आणि त्याचे वस्तुमान असंख्यपटीने वाढते. या सगळ्या गोष्टी आपल्या जगातल्या नेहमीच्या वस्तूंसाठी अतर्क्य किंवा अजब वाटतात, पण इलेक्ट्रॉन आणि फोटॉनसारख्या सूक्ष्म कणांसाठी त्या तशा घडत असाव्यात असे सांगितले गेले आणि ते तर्क मान्य केले गेले. 

मॅक्स प्लँक या शास्त्रज्ञाने असे दाखवून दिले की  भिन्न अणू आणि रेणू एका वेळी केवळ वेगवेगळ्या ठराविक प्रमाणातच ऊर्जा उत्सर्जित करू शकतात किंवा शोषून घेऊ शकतात. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशनच्या स्वरूपात उत्सर्जित किंवा शोषली जाऊ शकणारी सर्वात कमी ऊर्जा क्वांटम म्हणून ओळखली जाते. सोपे उदाहरण द्यायचे झाल्यास प्रेशर कुकरमधल्या वाफेचा दाब एका मर्यादेपर्यंत वाढला की शिटी वाजते, थोडी वाफ बाहेर पडते आणि थांबते, तो दाब पुन्हा वाढला की ती पुन्हा वाजते, पुन्हा थोडी वाफ बाहेर पडते असे होत राहते. अणूमधल्या अंतर्गत हालचालींमधील ऊर्जा वाढत असतांना एकेका क्षणी ठराविक क्वांटम इतकीच ऊर्जा  किरणाच्या रूपात बाहेर फेकली जात असते. हा क्षण अतीशय सूक्ष्म म्हणजे एका सेकंदाच्या अब्जांश भागाच्या अब्जांश भागापेक्षाही लहान असू शकतो.

अणूंमधल्या कणांच्या हालचाली आणि त्यांचेमधून बाहेर टाकली जात असलेली ऊर्जा यांची काही सूत्रे सांगितली गेली आणि गणिते मांडली गेली, पण त्यामधूनही पूर्णपणे सुसंगत उत्तरे येत नव्हती. हिसेनबर्ग नावाच्या शास्त्रज्ञाने अनिश्चिततेचाच एक सिद्धांत (अनसर्टन्टी प्रिन्सिपल) मांडला. त्याने असे सांगितले की वेगाने धावणाऱ्या कणाचे स्थान किंवा वेग यातले एकच निश्चितपणे सांगता येईल आणि दुसरे अनिश्चित असेल.  आपली मोटार किती किलोमीटर चालली आहे आणि ती किती वेगात धावत आहे हे दोन्ही दाखवणारी उपकरणे आपल्या मोटारीत असतात, पण या कणांबाबात तसे नसते. जिथे अंतरे आकुंचन पावतात आणि काळ मंदगतीने चालतो तिथे नेमका वेग कसा ठरवणार ? अशा सगळ्या अजब वाटणाऱ्या गोष्टींचा कसून अभ्यास करण्यासाठी क्वांटम मेकॅनिक्स, क्वांटम फिजिक्स, क्वांटम केमिस्ट्री यासारखी विज्ञानाची नवनवी दालने उघडली गेली. यातली गणिते साधी सोपी नसतात, त्यातली गुंतागुंतीची पार्शल डिफरन्शिएट इक्वेशन्स सोडवणे फक्त त्यातल्या तज्ञांनाच शक्य असते. त्यांनी काढलेले अजब वाटणारे निष्कर्ष कधीकधी तुलनेने सोप्या भाषेत सांगितले जातात.

"जे न देखे रवी ते देखे कवी" असे म्हणतात. त्याचा शब्दशः अर्थ न घेता असे समजले जाते की कवींना अचाट कल्पनाशक्ती असते, इतरांना जाणवत नाहीत अशा संवेदना कविमनाला स्पर्श करतात, वगैरे. याचप्रमाणे असेही म्हणता येईल की इतरांना न दिसणाऱ्या काही गोष्टी शास्त्रज्ञांच्या  दिव्यदृष्टीला दिसतात. उदाहरणार्थ सपाट आणि अचला वाटणारी पृथ्वी प्रत्यक्षात चेंडूसारखी गोलाकार आहे, ती स्वतःभोवती गिरक्या घेत सूर्याभोवती फिरते यासारख्या गोष्टी पृथ्वीवर राहणाऱ्या इतर लोकांना दिसत नाहीत, पण शास्त्रज्ञांना त्या प्रत्यक्षात न दिसूनसुद्धा त्यांच्या बुद्धीला समजल्या आणि त्यांनी त्या बाकीच्या लोकांना समजावून सांगितल्या. त्याचप्रमाणे रिलेटिव्हिटी थिअरी किंवा क्वांटम मेकॅनिक्स यांचे आकलन अजूनही सामान्य लोकांना होत नसले तरी शास्त्रज्ञांनी  त्यामधून पुढे खूप संशोधन केले आणि ते अजून करत आहेत.   

 "विसंगतीमधून विनोद निर्माण होतो" असेही म्हंटले जाते. सामान्य लोक त्या विनोदावर क्षणभर हसून मोकळे होतात. पण शास्त्रज्ञ लोक त्यांना दिसलेल्या विसंगतीच्या मुळाशी जाऊन तिचे कारण शोधण्याचा कसून प्रयत्न करतात. यातून त्यांना आणखी माहिती मिळते आणि विज्ञान पुढे जाते. कुठल्याही पदार्थातले सगळे अणू एकसारखेच असतात असे आधी समजले गेले होते, पण काही पदार्थांच्या  गुणधर्मांमध्ये दिसलेल्या किंचित विसंगतीवरून शोध घेतल्यावर नवे पदार्थ सापडत गेले. उदाहरणार्थ हैड्रोजनमध्येच ड्युटोरियम आणि ट्रिशियम नावाचे त्याचे आणखी दोन आयसोटोप मिसळलेले असतात. त्यांनी हे आयसोटोप वेगळे करून दाखवले आणि त्यांचे महत्वाचे उपयोगही करायला सुरुवात केली. 

रेडिओअॅक्टिव्ह पदार्थांचे सगळे अणू एकसारखे असले तरी एका वेळी त्यातल्या थोड्या थोड्या अणूंचे विघटन होऊन त्यांच्यामधून अल्फा, बीटा, गॅमासारखे किरण बाहेर पडत असतात. अशा प्रकारे केंव्हा कुठल्या अणूंचे विघटन होईल हे माहीत नसते, पण ते अमूक इतक्या दराने होत राहू शकेल याचा अंदाज  अभ्यासामधून काढला जातो.  अशा प्रकारे अनिश्चिततेच्या जोडीने संभाव्यता (Probability) हा आणखी एक शब्द आधुनिक विज्ञानात आला.

तसेच हैड्रोजनच्या दोन अणूंचे संलयन (Fusion) होऊन त्यातून हीलियमचा अणू जन्माला येतो आणि प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा बाहेर पडते या क्रियेमुळे सूर्यासारख्या असंख्य ताऱ्यांमधून प्रकाशकिरण बाहेर पडून विश्वभर पसरतात हे इथल्या शास्त्रज्ञांना त्यांच्या अभ्यासामधून समजले. अशा प्रकारे प्रचंड ऊर्जा निर्माण करण्याच्या क्रियेचे प्रात्यक्षिकही त्यांनी हैड्रोजन बाँबमधून दाखवले. पण सूर्यामध्ये असलेले हैड्रोजनचे असंख्य अणू एकदम स्फोट करत नाहीत, सतत त्यातले थोडे थोडे अणू या क्रियेत भाग घेत असतात तरीही त्यामधून इतकी प्रचंड ऊर्जा तयार होते. हे काम कोट्यवधि वर्षांपासून होत आले आहे आणि पुढील कोट्यवधि वर्षे चालत राहणार आहे. पण सूर्यासारखे इतर काही तारे मात्र काही अब्ज वर्षांनंतर विझून गेले किंवा त्यांचे रूपांतर दुसऱ्या कुठल्या तरी प्रकारच्या ताऱ्यांमध्ये झाले वगैरे सुरस कथा हे शास्त्रज्ञ सांगतात. या काल्पनिक कथा नसून तसे अभ्यासामधून सिद्ध झालेले आहे हे सांगायला ते विसरत नाहीत. गेल्या शंभर वर्षात झालेली विज्ञानामधील काही विषयांमधली प्रगती अशा प्रकारची आहे.

गेल्या शंभर सव्वाशे वर्षांमध्ये विज्ञानामधले मूलभूत संशोधन आपल्या अनुभवविश्वाच्या पार पलीकडल्या क्षेत्रांमध्ये होत आले आहे.  प्रोटॉन्स, न्यूट्रॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्स या तीन मूलभूत सूक्ष्म कणांना मान्य केल्यानंतर त्यांचे विविध गुणधर्म तपासून पहाण्यासाठी त्यांनी आणखी अधिकाधिक खोलात जाऊन पुढील संशोधन आणि विचारचक्र सुरू ठेवले. न्यूट्रिनोज, अँटिन्यूट्रिनोज, मेसॉन्स, पियॉन्स, म्युऑन्स, केऑन्स, हेड्रॉन्स, क्वार्क्स, अँटिक्वार्क्स, बोसॉन्स, फर्मिऑन्स वगैरे नावांचे आणि त्यांचे उपप्रकार असलेले कित्येक  अतिसूक्ष्म कण यामधून पुढे येत गेले. यातले बरेचसे कण अत्यंत अल्पजीवी असतात. काही कारणाने ते निर्माण होतात आणि आणि लगेच दुसऱ्या एकाद्या कणात विलीन होऊन जातात, पण त्यापूर्वी आपला ठसा उमटवून जातात. त्या परिणामावरूनच ते येऊन गेल्याची माहिती कळते. काही कण खूप शक्तिशालीही असतात. ते आपल्या नकळत आपल्या शरीरातून आरपार जात असतात, पण आपल्याला ते समजतसुद्धा नाही.  हे सगळे विज्ञानच आपल्यासाठी अगम्य आहे.

पण उपयोजित विज्ञानामधल्या संशोधनामुळे मात्र जगभरातल्या लोकांचे जीवन पार बदलून टाकले आहे. प्रकाशकिरण आणि इलेक्ट्रॉन्स यांच्या परस्परसंबंधावर संशोधन करतांना प्रकाशाचे रूपांतर वि‍जेमध्ये आणि विजेचे रूपांतर प्रकाशामध्ये करता यायला लागले आणि त्यामधून अनंत अजब गोष्टी करता येणे शक्य झाले.  क्वांटम मेकॅनिक्ससारख्या अगम्य विषयामधल्या संशोधनातूनच लेजर, सेमिकंडक्टर्स, एमआरआय यासारख्या गोष्टी आल्या, इलेक्ट्रॉनिक्समधून पुढे मायक्रोचिप्स आल्या. त्यांनी युक्त असलेला घरातला संगणक किंवा खिशातला मोबाइल फोन अशा गोष्टींची मी पूर्वी कल्पनासुद्धा केली नव्हती, पण आज त्या सर्वसामान्यांच्या आवाक्यात आल्या आहेत. यांच्या मागचे विज्ञानही अगम्यच असले तरी त्यांचा उपयोग तर खरा आहे. 

कण आणि तरंग किंवा पदार्थ आणि ऊर्जा यांच्यात द्वैत असो वा अद्वैत असो, त्या चर्चेमधून झालेल्या प्रगतीचा किती फायदा आपल्याला होत आहे हे महत्वाचे आहे. 

(समाप्त)