అన్నీ సైన్సులో ఉన్నాయిష!

ఎపిసోడ్ 4: అతి గొప్ప ముందడుగు వెనుక ఉన్న ఆలోచనలు

నేను తొమ్మిదో తరగతిలో ఉన్నప్పుడు మా బ్యాచ్‌కు ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం(Modern Physics)అనే పాఠం ఉండేది. అదే క్రమంగా ఒక పాఠం నుంచి ఆ సంవత్సరం చదవాల్సిన సిలబస్‌లో సగం ఉండే స్థాయికి వెళ్ళింది. ఆ పాఠంలో మొదట డాల్టన్ చెప్పిన పరమాణువు అవిచ్ఛిన్నం దగ్గర నుంచి జేజే థామ్సన్ చెప్పిన పుచ్చకాయ నమూనా వరకూ(Plum-pudding model)వివిధ అంశాలు ఉన్నాయి. తరువాత క్రమంగా రూధర్‌ఫర్డ్ నమూనా(సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరిగే విధంగా ఎలక్ట్రాన్లు పరమాణు కేంద్రకం చుట్టూ తిరుగుతాయని చెప్తుంది), ఆ పైన చివరికి బోర్ పరమాణు నమూనా(Bohr’s Atomic Model) తెలుస్తాయి. నా తరం వారికి, ఆ పై తరం వారికీ ఈ బోర్ నమూనాను పరమ బోరు సబ్జెక్ట్ అని కొందరు సీనియర్లు జోకులు వేయటం కూడా గుర్తుండవచ్చు. కానీ, నిజానికి జాగ్రత్తగా చూస్తే ఈ ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం చాలా ఆసక్తికరంగా ఉండేది. నాకైతే ఫేవరెట్ సబ్జెక్ట్‌.

ఇక్కడ విషయం ఏంటంటే మనం పదో తరగతి పూర్తిచేసే సరికి థామ్సన్- రూధర్‌ఫర్డ్ నమూనాలు, వాటిలో ఉన్న లోపాల గురించి తెలుసుకుంటాము. తరువాత వచ్చేది బోర్ నమూనా. ఇక దానికి తిరుగులేదేమో అనే నమ్మకంతో ఉన్నవారికి షాక్ ఇస్తూ ఆ నమూనాలో కూడా లోపాలను(Drawbacks of Bohr’s Model of Atom) కూడా చదువుతాము. దాని మీద ఓ మూడు మార్కుల ప్రశ్న కూడా వస్తుంది. అలా పరిపూర్ణమైన పరమాణు నమూనా గురించి తెలుసుకోకుండానే, అసంతృప్తికరంగా నేను నా స్కూలు చదువును పూర్తిచేశాను.

లోపాలున్న బోర్ మోడల్, లేదా రూధర్‌ఫర్డ్ నమూనా ఎందుకు చదవాలని టీచర్లను అడిగితే చాలామంది సమాధానం చెప్పలేదు. మార్కులు వద్దనుకుంటే చదవకు అనే సమాధానం చాలాసార్లు, చాలామందికి వచ్చి ఉంటుంది. నా అదృష్టం కొద్దీ తరువాత నాకు తగిన సమాధానం క్రమక్రమంగా తెలిపిన గురువులు దొరికారు. కానీ ఇలా విషయం పూర్తిగా తెలియక సబ్జెక్ట్‌ మీద ఆసక్తి కోల్పోయిన వారు ఎంతోమంది ఉన్నారు.

కొన్నాళ్ళకు నేను టీచింగ్ చేసే సమయంలో ఒక కుర్రాడు ఇదే ప్రశ్న అడిగాడు. అప్పుడు నేను ‘బోర్ పరమాణు మోడల్లో లోపాలు ఉన్నాయన్నది నిజమే కానీ ఇప్పుడు మనకు దానికన్నా గొప్పదైన క్వాంటమ్ మెకానిక్స్ ఆధారంగా వివరించగలిగే పరమాణు నమూనా ఉంది. కానీ మనం బోర్ మోడల్‌ను చదవడం వెనుక ఒక ముఖ్యమైన కారణం ఉంది.’ అని సమాధానం చెప్పాను

ఆ కారణం: ఇది విఙ్ఞానశాస్త్ర అధ్యయనం/పురోగతికి సంబంధించిన ఒక కీలకమైన దశను సూచిస్తుంది. విఙ్ఞానశాస్త్రం అనేది ఒక్కసారిగా పరిపూర్ణంగా రూపొందిన విషయం కాదు. అది క్రమంగా, ఒక్కో కాలంలో ఒక్కొక్కరి లేదా కొందరి కృషి వల్ల అభివృద్ధి చెందుతుంది. బోర్ నమూనాను అర్థం చేసుకోవడం ద్వారా, శాస్త్రవేత్తలు ఎలా ఆలోచించారు, ఎలా సమస్యలను పరిష్కరించారు, ఎలా మెరుగైన సిద్ధాంతాల వైపు పయనించారో మనకు తెలుస్తుంది. బోర్ మోడల్ రూపొందినప్పుడు(1913లో) అది ఒక విప్లవాత్మక ఆలోచన. రూధర్‌ఫర్డ్ మోడల్లో ఉన్న సమస్యలను, ఎలక్ట్రాన్లు ఎందుకు న్యూక్లియస్‌లోకి పడిపోవు అనే ప్రశ్నను ఇది పరిష్కరించింది.

నీయెల్స్ బోర్, ఎలక్ట్రాన్‌లు నిర్దిష్ట శక్తి స్థాయిలలో మాత్రమే తిరుగుతాయని, శక్తిని క్వాంటా రూపంలో విడుదల చేస్తాయని చెప్పాడు. ఈ ఆలోచన హైడ్రోజన్ విడుదల చేసే కాంతి స్పెక్ట్రమ్‌ను వివరించడంలో విజయవంతమైంది. దీనికితోడు ఇది క్వాంటం సిద్ధాంతానికి పునాది వేయటంలో ప్రముఖపాత్ర పోషించింది. కానీ, మనం ఇప్పుడు తెలుసుకున్నట్లు దీనిలో లోపాలు ఉన్నాయి. ఉదాహరణకు, ఇది హైడ్రోజన్ కంటే సంక్లిష్టమైన అణువులను వివరించలేకపోయింది. ఎలక్ట్రాన్‌ల తరంగ స్వభావాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోలేదు. కానీ ఈ లోపాలే శాస్త్రవేత్తలను మరింత లోతుగా పరిశోధించేలా ప్రేరేపించాయి, ఫలితంగా ఆధునిక క్వాంటమ్ మెకానిక్స్ రూపొందింది. మరింత పటిష్టమైన సిద్ధాంతాన్ని రూపొందించేందుకు బోర్ నమూనా స్ఫూర్తిగా నిలిచింది.

మనకు నేరుగా పరిపూర్ణమైన మోడల్‌ను చెప్పవచ్చు. కానీ అది ఎలా వచ్చిందో, ఎందుకు అవసరమైందో తెలియకపోతే, మనకు అవసరమైన విఙ్ఞానం అందదు. బోర్ మోడల్‌ను చదవడం వల్ల మనకు శాస్త్రీయ ప్రక్రియ- పరిశీలన (observation), పరికల్పన(hypothesis), పరీక్ష(examining), మెరుగుదల(improvement) గురించి అవగాహన వస్తుంది. అంతేకాక, ఇది సరళంగా ఉండి, క్వాంటమ్ భావనలను పరిచయం చేస్తుంది కాబట్టి, మరింత సంక్లిష్టమైన సిద్ధాంతాలను నేర్చుకునే ముందు మనకు అవసరమైన వివరాలను సరళంగా అర్థమయ్యేలా చేస్తుంది.

ఇందాక సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరిగినట్లు పరమాణు కేంద్రకం(atomic nucleus)చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్‌లు కూడా తిరుగుతాయని చదివాం కదా. రూధర్‌ఫర్డ్ నమూనాలో. అసలు నికోలాస్ కోపర్నికస్ ఇలా సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరుగుతాయని ప్రతిపాదించాడని మనం చెప్పుకున్నాం కదా. మరి అసలు భూకేంద్ర సిద్ధాంతం కాదని సూర్యకేంద్ర సిద్ధాంతం ప్రతిపాదించటం వెనుకు అతని ఆలోచనలు ఏమిటి? ఆయన ఏ విధంగా ఆ నిర్ధారణకు వచ్చాడు? నికోలస్ కోపర్నికస్(Nicolaus Copernicus) సూర్యకేంద్ర సిద్ధాంతాన్ని(Heliocentric Theory) ప్రతిపాదించడానికి కారణభూతమైన అన్వేషణ ఒక సుదీర్ఘమైన ఖగోళ శాస్త్రీయ పరిశీలన, ఆలోచనా ప్రక్రియ ఫలితం. ఆ ఆలోచనకు పునాది వేసిన ప్రశ్న ఒకటి ఉంది. అదేంటంటే గ్రహాల గమనాన్ని వివరించటంలో టాలెమీ సిద్ధాంతం సంక్లిష్టమవటానికి కారణభూతమైనది ఏమిటి?

ఖగోళ పరిశీలనలు: కోపర్నికస్ తన సమకాలీన ఖగోళ శాస్త్రజ్ఞుల పరిశీలనలను, వారు అందించిన, సృష్టించిన సమాచారాన్ని, అదే విధంగా పురాతన గ్రీకు శాస్త్రవేత్తల రచనలను(ముఖ్యంగా టాలెమీ, ఆరిస్టార్కస్) అధ్యయనం చేశాడు. అతను టాలెమీ గ్రహాల కదలికలను గురించి చెప్పిన వివరాలను, ఆరిస్టార్కస్ చెప్పిన విశేషాలను పోల్చి చూశాడు. ఆ పైన గ్రహీతలను తానుగా తయారు చేసుకున్న, ఆ కాలానికి అత్యంత ఆధునికమైన పరికరాలను ఉపయోగించి గ్రహాల, నక్షత్రాల గతులను గమనించి, భూకేంద్ర నమూనాలో ఉన్న లోపాలను గుర్తించాడు. ఉదాహరణకు, గ్రహాల వెనుకకు తిరిగే కదలిక(Retrograde Motion) వంటి వాటిని వివరించడంలో భూకేంద్ర సిద్ధాంతం సంక్లిష్టంగానూ, అసమంజసంగానూ ఉందని అతను తెలుసుకున్నాడు. అందుకే సూర్యకేంద్రంగా గ్రహాల కదలికలను పరిశీలించగా అతనికి సంతృప్తికరమైన వివరణలు లభించాయి.

గణిత నమూనాలు: కోపర్నికస్ గ్రహాల కక్ష్యలను మరింత సరళంగానూ, కచ్చితంగానూ వివరించే గణిత నమూనాని రూపొందించడానికి ప్రయత్నించాడు. సూర్యుడిని కేంద్రంగా చేసుకుని గ్రహాల కదలికలను లెక్కించినప్పుడు ఈ కదలికలు సహజంగానూ, సరైన సమన్వయంతోనూ కనిపించాయి.

టాలెమీ సిద్ధాంతంపై విమర్శ: ఆ రోజుల్లో ఆమోదించబడిన టాలమిక్‌ భూకేంద్ర సిద్ధాంతం(Ptolemaic System) గ్రహాల కదలికలను వివరించడానికి “ఎపిసైకిల్స్” (Epi-cycles) అనే సంక్లిష్ట వృత్తాకార కదలికలను ఉపయోగించింది. కోపర్నికస్ ఈ విధానం అనవసరంగా సంక్లిష్టమైనదని, సౌర వ్యవస్థ నిజమైన స్వభావాన్ని ప్రతిబింబించలేదని వాదించాడు తన పుస్తకంలో.

పురాతన పరశోధకుల సూచనలు: కోపర్నికస్‌కు ముందు, గ్రీకు శాస్త్రవేత్త ఆరిస్టార్కస్ క్రీపూ 3వ శతాబ్దంలో సూర్యకేంద్ర సిద్ధాంతాన్ని సూచించాడు. ఈ ఆలోచన కోపర్నికస్‌కు స్ఫూర్తినిచ్చి, దానిని మరింత అభివృద్ధి చేయడానికి ప్రేరేపించింది. ఆయన గణితశాస్త్ర నమూనాలను రూపొందించి పరిశీలించగా వచ్చిన ఫలితాలు ఆశ్చర్యకరంగా సత్యానికి దగ్గరగా వచ్చాయి.

తాత్విక దృక్పథం: కోపర్నికస్ సౌరవ్యవస్థ ఏకీకృత నమూనా కోసం ఆకాంక్షించాడు. సూర్యుడు కేంద్రంలో ఉండటం వల్ల విశ్వం గొప్పతనం, సరళతను మరింత స్పష్టంగా వ్యక్తం చేయవచ్చని అతను భావించాడు. అదే ఆలోచన తరువాత రూధర్‌ఫర్డ్, బోర్, ఆ పైన ఇతర శాస్త్రవేత్తలు పరమాణు నమూనాను రూపొందించటానికి ఆలోచనలను అందించాయి. ఈ సిద్ధాంతం ఆరంభంలో వివాదాస్పదమైనప్పటికీ, తరువాత కెప్లర్, గలిలేవ్ వంటి శాస్త్రవేత్తలచే మరింత ధృవీకరించబడి, ఆధునిక ఖగోళ శాస్త్రానికే కాదు, పరమాణు సిద్ధాంతాలకు కూడా ప్రాతిపదికగా నిలిచి విఙ్ఞానశాస్త్ర ప్రగతికి పునాది వేసింది. కోపర్నికస్ తరువాత ఆధునిక విజ్ఞాన శాస్త్ర ప్రగతికి కీలకమైన కృషి చేసిన శాస్త్రవేత్తలలో జోహాన్స్ కెప్లర్(Johannes Kepler)ఒకరు.

అయితే కోపర్నికస్ సూర్యకేంద్ర సిద్ధాంతాన్ని ప్రతిపాదించినప్పటికీ, అతని నమూనాలో గ్రహాల కక్ష్యలు పరిపూర్ణ వృత్తాలుగా ఊహించబడ్డాయి, ఆధునిక పరికరాలతో మరింత జాగ్రత్తగా చేసిన పరిశీలనలతో పూర్తిగా సరిపోలలేదు. కెప్లర్ ఈ సిద్ధాంతాన్ని మరింత శుద్ధి చేసి, ఖచ్చితమైన గణిత నియమాలతో సౌరవ్యవస్థ గ్రహ కదలికలను వివరించాడు. అది ఎలాగన్నిదీ, కెప్లర్ గురించీ తరువాత ఎపిసోడ్‌లో వివరంగా తెలుసుకుందాం..