हिग्स बोसॉन: विश्वनिर्मितीमधील मुलभूत अद्भुत कणांची ओळख - विज्ञानभाषा मराठी (१)

हिग्स बोसॉन: विश्वनिर्मितीमधील मुलभूत अद्भुत कणांची ओळख

पदार्थांचे अणु हे ज्या मूलकणांपासून बनले आहेत त्यासंबंधीचा जो सिद्धांत पीटर हिग्स ह्यांनी १९६४ साली मांडला होता. विश्वाच्या निर्मितियाच्या अगदी सुरवातीच्या काळात अशा प्रकारचे कण अस्तित्वात असण्याची थियरी त्यांनी मांडली. पण हे मूलकण खरोखर आहेत हे शोधायला मात्र ४ जुलै २०१२ पर्यंत वाट पहावी लागली. या दिवशी स्वित्झर्लंड मधल्या जिनीव्हा येथे CERN या संस्थेद्वारे केलेल्या एका महाप्रयोगाद्वारे या कणांचे अस्तित्व दिसून आले. आणि त्याची पडताळणी आणि सिद्धता होऊन खात्रीशीर अस्तित्व आहे असे १४ मार्च २०१३ रोजी सांगितले गेले.

या निमित्ताने जगभरात ज्या चर्चा झाल्या त्या मुख्यत्वे दोन प्रकारच्या होत्या. एक म्हणजे "सगळ्यामागचे तत्व" आणि दुसरे "परमेश्वराचे अस्तित्व". या दोन्ही विचारधारांचे प्रवाह आपल्याला पहावयास मिळाले. दुर्दैवाने ह्या कणांना "देवकण" किंवा God’s Particles असे संबोधून जडत्वाशी संबंध नसलेल्या अध्यात्माचा ह्या सगळ्याशी बादरायण संबंध जोडण्याचा प्रयत्न भावनेच्या भरात काही जणांनी केला. मुळातच दोन्ही विचारधारांच्या धारणा अलग आहेत, उद्देश्य भिन्न आहे. विज्ञान हे मुख्यत्वे भौतिक समस्या व कुतूहलांचे निराकरण करण्याचा प्रयत्न करते. तर अध्यात्म हे मुख्यत्वे मानसिक समाधान शोधते. ते मुख्यत्वे मानवी भावनांशी निगडीत आहे.

CERN चा प्रयोग हा नेमका काय आहे, त्या मागचा इतिहास काय आहे, त्याने काय साधले ह्या सगळ्या गोष्टी क्लिष्ट आहेत, सामान्य माणसाला त्यातले काही कळणार नाही असा एक ग्रह आहे. तो चुकीचा आहे. अनेक महिने मी ह्या विषयावर माहिती गोळा करून ते समजावून घ्यायचा प्रयत्न केला. इंटरनेटवर बऱ्याच ठिकाणी यावर माहिती उपलब्ध आहे. पण ती एकसंध नाही. असेल तर क्लिष्ट स्वरुपात आहे. सोप्या भाषेत अथपासून इतिपर्यंत कुणी लिहिलेले नाही. मराठीत तर कुठेच नाही. त्यामुळे माझ्यासारख्या ज्यांना ते समजून घ्यायची इच्छा व कुतूहल आहे त्यांच्यासाठी मला जे उमगले ते सगळे इथे सोप्या शब्दात लिहीत आहे. सारे पदार्थ हे अणु रेणूंपासून बनलेले असतात हे आपल्या सर्वांनाच ठाऊक आहे. केवळ तेवढे ज्ञान असेल तरीही हे सगळे समजून घेणे सोपे आहे.

भौतिक विज्ञान हे, हे विश्व "काय व कसे आहे" ह्याचे उत्तर शोधत आहे. त्याद्वारे अनेक भौतिक समस्यांचे निराकरण विज्ञानाने केले आहे व करीत आहे. पदार्थांचे काही मुलभूत गुणधर्म (कि ज्यांचे अस्तित्व पंचेंद्रियांद्वारे जाणवते आणि/किंवा ज्यांची उपकरणांद्वारे मोजदाद करता येते) आणि गणित ह्यावर विज्ञानाची सर्व मदार असते. एखादा सिद्धांत मांडून तो गणित आणि मुलभूत गुणधर्मांआधारे सिद्ध करून त्यायोगे सर्व गोष्टींचे स्पष्टीकरण मिळविण्याकडे विज्ञानाचा कल असतो. विवेकवाद हा विज्ञानाचा पाया आहे. म्हणून सिद्धांत मांडणारा आणि सिद्ध करणारा वैज्ञानिक कितीही महान असला तरी अंधपणे त्यावर विश्वास ठेवण्याचे बंधन विज्ञानात नाही. उलटपक्षी, असा सिद्धांत मांडल्यानंतर त्या सिद्धांतास अपवाद शोधण्यामागे सारेच धावतात. अगदी सामान्य माणूस देखील ते करू शकतो व त्या सिद्धांतास आव्हान देऊ शकतो.

अगदी अणुरेणूपासून ते आपल्या आसपास आणि संपूर्ण विश्वात घडणाऱ्या सर्व घटनांचे ज्यायोगे स्पष्टीकरण देता येईल असे एकच मुलभूत तत्व असले पाहिजे असा विश्वास वैज्ञानिकांमध्ये फार पूर्वीपासून आहे. "सगळ्यामागचे तत्व" (Theory Of Everything) असे त्याला म्हटले गेले आहे. किंबहुना विज्ञानाचे तेच ध्येय आहे असे म्हटले तर ते वावगे ठरू नये. पदार्थांचे अणु ज्यापासून बनले आहेत त्या अंगांचा अभ्यास त्यातूनच सुरु झाला. कारण ती अंगे ज्या नियमात आहेत त्या योगे सारे विश्वच बांधले गेले असणार हे तर्कशास्त्र त्यामागे होते. पण त्यांचे नियम तर दूरच राहोत, ह्या अंगांचे स्वरूप काय आहे हेच शास्त्रज्ञाना कित्येक वर्षे स्पष्ट होत नव्हते. ती अंगे जड कणांच्या रुपात असतात असे मानून समीकरणे लिहिली तर काही घटनांचे स्पष्टीकरण देता येत नव्हते. तर ती अंगे लहरींच्या स्वरुपात असतात असे मानले तर इतर काही घटना स्पष्ट होत नव्हत्या. तेंव्हा मॅक्स प्लॅंक नावाचा जर्मन संशोधक धावून आला आणि त्याने "पुंज" (Quantum) ही कल्पना प्रथम जगासमोर मांडली.

मॅक्स प्लॅंक
म्हणजे अणूंच्या आतील ही अंगे उर्जेच्या पुंजाच्या स्वरुपात असतात असे प्लॅंक ह्यांनी सांगितले. ह्या पुंजांना लहरी आणि कण ह्या दोघांचेही गुणधर्म असतात असे तत्व मानून समीकरणे मांडली गेली आणि त्यायोगे बऱ्याच घटना स्पष्ट होत गेल्या. अशा तऱ्हेने मॅक्स प्लॅंक यांनी "पुंज भौतिकी" शास्त्राचा (Quantum Physics) पाया घातला. त्यासाठी त्यांना १९१८ सालचा नोबेल पुरस्कार मिळाला.

ही मुलभूत अंगे (मूलकण) उर्जेपासून बनली आहेत ह्याचा अर्थ विश्वातला प्रत्येक पदार्थ हा मूलतः ऊर्जाच आहे असा होतो. पुढे ह्याच पुंजांचा अभ्यास करून अल्बर्ट आईनस्टाईन ह्या जगविख्यात तत्वज्ञाने एखाद्या पदार्थामध्ये किती उर्जा सामावलेली असते ह्याचे जगप्रसिद्ध समीकरण मांडले. त्यायोगे, कोणत्याही वस्तूतील (अगदी तुमच्या हातात असलेला छोटा पेढा सुद्धा) सर्व उर्जा मोकळी झाली असता किती महासंहार घडू शकेल हे गणिताने दाखवून त्याने संपूर्ण जगाला थक्क करून सोडले. पुढे काहीच वर्षांनी दुसऱ्या महायुद्धात जगाला त्याची प्रचितीही आली.

अल्बर्ट आईनस्टाईन
पुंज भौतिकीचा दरवाजा एकदा किलकिला झाल्यानंतर त्यात अफाट संशोधन सुरु झाले. हायजेनबर्ग या जर्मन संशोधकाने मूल कणांतील अतिशय महत्वाचे असे "अनिश्चिततेचे तत्व" (Principle of Uncertainty) मांडले. मूलकणांच्या कोणत्याही दोन अवस्थांपैकी एका वेळी एकच अवस्था आपल्याला कळते, असे ते तत्व आहे. उदाहरणार्थ, हे कण नेहमी गतिमान असतात. पण एकाच वेळी एकतर त्याची गती किंवा ठिकाण ह्यापैकी एकच गोष्ट आपल्याला कळू शकते (पण एकाच वेळी दोन्ही नव्हे) असे ते साधे सोपे तत्व. पण पुंजभौतिकी मध्ये त्याला असाधारण महत्व आहे. कारण एका छोट्या मूल कणाचे जरी सध्याचे ठिकाण आणि गती समजली तर त्या गतीवरून व सध्याच्या ठिकाणावरून त्याचे पुढचे ठिकाण आपल्याला ठरवता येईल. आणि तसे झाले त्याच पद्धतीने संपूर्ण विश्वाची पुढची अवस्था भाकीत करता येऊ शकेल असा ह्या तत्वामागचा गर्भितार्थ आहे. तसेच, अवस्था जोवर आपल्याला कळत नाही तोवर तिथे दोन्ही अवस्था अस्तित्वात असतात (व कळते ती एकच) असाही अर्थ त्यात दडलेला आहे. म्हणजे, ह्या साध्या तत्वामागे बरेच कंगोरे आहेत. विचार केल्यास लक्षात येईल कि ते अजूनही बरेच काही सांगून जाते.

ढाका विद्यापीठात एक भारतीय प्राध्यापक महोदय "पुंज" ही कल्पना विद्यार्थ्यांना शिकवत होते. दोन नाण्यांच्या प्रत्येकी दोन (छापा-काटा) अशा एकूण चार अवस्था येतात. त्यामुळे दोन्ही छापा येण्याची शक्यता एक चतुर्थांश. पण प्राध्यापक महोदयांनी एकूण अवस्था चार ऐवजी चुकून तीनच धरल्या. त्यामुळे दोन्ही छापा येण्याची शक्यता आता एक तृतीयांश झाली. आणि प्राध्यापक महोदय चमकले. कारण हेच तर उत्तर मॅक्स प्लॅंक यांना हवे होते. ज्यासाठी त्यांनी "पुंज" हे कण व तरंग दोन्ही अवस्थेत असतात असे सांगितले होते. प्रयोगातून पण तेच सिद्ध होत होते. प्राध्यापक महोदयांच्या डोक्यात मग विचार चक्रे फिरू लागली. खरेच मूलकणांच्या बाबत तीन अवस्था असू शकतील का? का नाही असणार. अनिश्चिततेचे तत्व तेच तर सांगते की. छापा-छापा आणि काटा-काटा ह्यांच्या मध्ये दोन्ही नाण्यांची असणारी "छापाकाटा" अवस्था. म्हणजे मूलकणांच्या बाबत खऱ्या तीनच अवस्था. अरे व्वा! त्यांनी लगेच कागद पेन उचलला. भरा भरा समीकरणे मांडली. आणि ते कागद लंडन मधल्या काही विज्ञान नियतकालिकांना पाठविले. तथापि, कुणीच ते छापले नाहीत. पण हे महाशय डगमगले नाहीत. त्यांनी ती सिद्धता मग थेट अल्बर्ट आईनस्टाईन ह्यांच्याकडेच पाठवून दिली. आईनस्टाईनने त्याचे महत्व लगेच ओळखले व ते जर्मन विज्ञान मासिकात छापून प्रसिद्ध केले. आणि एका महान तत्वज्ञानें दुसऱ्या महान तत्त्वज्ञाची जगाला ओळख करून दिली. अशा तऱ्हेने एका जागरूक प्राध्यापकाच्या छोट्याश्या चुकीने इतिहास घडविला. हे थोर भारतीय प्राध्यापक महोदय म्हणजे दुसरे तिसरे कोणी नव्हते तर ज्यांचे नाव ह्या विश्वात तयार झालेल्या पहिल्या वहिल्या कणांना (बोसॉन) दिले गेले आहे, ते सत्येंद्रनाथ बोस.

सत्येंद्रनाथ बोस
बोस ह्यांनी एकप्रकारे प्लॅंक यांच्या पुढचे पाऊल उचलले होते. त्यांनी जी मूलकणांची व्याख्या मांडली होती त्यानुसार हे कण उर्जेपासून तयार होतात. वस्तुमानरहित असतात. ते दोन कण एका वेळी एकच जागा व्यापू शकतात. अर्थात त्यामुळेच त्यांना लहरींचे पण गुणधर्म प्राप्त होतात. त्यामुळेच त्यांना शक्तीवाहक कण (तेजकण) म्हणतात. (उदाहरणार्थ प्रकाशाचे कण फोटॉन). दोन कण एका वेळी एकच जागा व्यापतात हे आपल्यासाख्या सामान्य माणसाच्या पचनी पडणे थोडे अवघड आहे. कारण दोन वस्तू एकच जागा कसे घेऊ शकतील? किंवा दोन परस्परविरोधी अवस्था पदार्थाला एकाच वेळी कशा येतील? पण पुंजांच्या पातळीवर जग अद्भूत असते. तिथे मोठ्या वस्तूंचे किंवा जगतातले नियम लागू पडत नाहीत. मानवी मनाला एरवी अस्वाभाविक वाटणाऱ्या गोष्टी तिथे स्वाभाविक होतात. अर्थात वैज्ञानिक दृष्ट्या ते कसे घडते हे आपल्याला समजून घेता येईल. पण तो मोठा विषय आहे. तिथे आपल्याला चौथ्या मितीविषयी ज्ञान मिळते. वेळ म्हणजे काय कळते. आईनस्टाईनचा सापेक्षतावाद कळतो. भविष्यात येऊ घातलेला पुंज-संगणक (Quantum Computer) कसा चालतो हे कळते, आसपासच्या सजीव निर्जीव वस्तू नक्की काय आहेत ह्याचा सारा उलगडा होतो. (अर्थात तो सगळा वेगळा विषय आहे व त्यावर पुन्हा कधीतरी लिहीन).

बोस ह्यांच्या ह्या व्यापक संशोधनामुळे आधुनिक पुंजभौतिकीचा पाया घातला गेला. अवघी चराचर सृष्टी ज्या आद्यकणांपासून बनली आहे त्या निराकार निर्वजनी तेजोकणांना बोस ह्यांच्या सन्मानार्थ बोसॉन असे नाव दिले गेले. बोस आणि आईनस्टाईन ह्या दोघांनी एकत्र मिळून ह्या वस्तुमानरहित कणांवर आधारलेली सांख्यिकी लिहिली. सखेद आश्चर्याची गोष्ट अशी की बोसॉन वर आधारित तसेच बोस-आईनस्टाईन सिद्धांतावर आधारित पुढील अनेक संशोधनांना नोबेल पुरस्कार मिळाले. इतके की त्यांची एक यादीच बनेल. पण स्वतः सत्येंद्रनाथ बोस ह्यांना मात्र नोबेल कधीच मिळाले नाही. (नोबेलच काय पण विद्यापीठाच्या विभागप्रमुख पदी निवड होण्यासाठी त्यांना आईनस्टाईनचे शिफारस पत्र आणावे लागले होते). प्रसिद्ध संशोधक जयंत नारळीकरांनी म्हटले आहे , "बोस ह्यांचे प्रकाश कणांवरील संशोधन म्हणजे विसाव्या शतकातील पाहिल्या दहा सर्वोत्तम संशोधनापैकी आहे की जे नोबेलसाठी पात्र आहे". पण बोस म्हणायचे, "माझ्या योग्यतेनुसार माझी ओळख निर्माण झाली आहे". बोसॉन हा विश्वारंभ करणारा कण आहे हे त्याच वेळी त्यांनी ओळखले होते की काय?

बोसॉन कणांसारखे अजून एका प्रकारचे कण असतात त्यांना फर्मिओन म्हणतात. दोन्हीमध्ये फरक इतकाच की फर्मिओनना वस्तुमान असते (वस्तुकण) व दोन फर्मिओन एका वेळी एकच जागा घेऊ शकत नाहीत. इतके सोडले तर बाकी अनिश्चिततेचे तत्व ह्यांनाही लागू पडते. म्हणजे बोसॉन पासून फर्मिओन वेगळे ते केवळ त्यांना वस्तुमान असते म्हणून. म्हणजेच आपण आजूबाजूला ज्या वस्तू पाहतो ज्यांना वजन आहे त्या सगळ्या फर्मिओन प्रकारच्या तर प्रकाश हा वस्तुमानरहित बोसॉन प्रकारच्या कणांपासून बनलेला आहे. क्वार्क्स, लेप्टॉन्स, इलेक्ट्रॉन्स, म्यूऑन्स इत्यादी हे फर्मिओन प्रकारचे कण आहेत तर फोटॉन्स, ग्लुऑन्स, ग्रॅव्हीटॉन्स आणि आता हिग्स-बोसॉन्स हे बोसॉन प्रकारचे (उर्जा)कण आहेत. विश्वाच्या सुरवातीला उर्जेपासून ह्या दोन प्रकारच्या कणांची निर्मिती झाली असे मानले जात होते. उर्जेपासून बोसॉन बनले हे गणिताने सिद्ध झाले पण उर्जेपासून फर्मिओन कसे बनले ह्याचा उलगडा होत नव्हता. छोट्या चेंडूपासून मोठ्या ग्रहगोलासारख्या वस्तू बनण्यास कारणीभूत जी काही मुलभूत उर्जाक्षेत्रे (विद्युत चुंबकीय, गुरुत्वीय आण्विक आदी) आहेत ती हे कण निर्माण करायला समर्थ आहेत हे गणिताने सिद्ध होत नव्हते.

पीटर हिग्ज
तेंव्हा पीटर हिग्ज हे ब्रिटीश संशोधक पुढे सरसावले आणि त्यांनी अजून एका वेगळ्या बोसॉन प्रकारच्या कणाच्या अस्तित्वाची थिअरी मांडली. त्या कणांना हिग्ज-बोसॉन असे त्यांनी म्हटले तर त्याच्याशी संबंधित उर्जाक्षेत्रास हिग्ज-फिल्ड असे नाव दिले. हिग्ज-क्षेत्राने हिग्ज-बोसॉन वर कार्य केल्याने त्या निर्वजनी बोसॉनला वजन प्राप्त होते असे हिग्ज ह्यांचे म्हणणे होते. थोडक्यात, एका विशिष्ट प्रकारच्या बोसॉन (तेजकण) पासून फर्मिओन (वस्तुकण) बनण्याचा मार्ग त्यांनी शोधला. तेजकणांपासून विश्वनिर्मितीचाच जणू हा सिद्धांत होता.अन्यथा विश्वात फक्त तेजकण भरून राहिले असते. विनापाश. त्याला जडत्व आलेच नसते. तारे, ग्रहगोल, वस्तू तयार झाल्या नसत्या. हिग्ज ह्यांचे संशोधन म्हणूनच विज्ञानाच्या इतिहासात एक मैलाचा दगड आहे.

-अतुल दि. पाटील
(विश्वविज्ञान यामाझ्या ब्लॉगवर पूर्वप्रकाशित लेखाची संपादित आवृत्ती. लेखात सामाविष्ट केलेली प्रकाशचित्रे आंतरजालावरून साभार)