எ.ச. ஜார்ஜ் சுதர்சன்

எ. ச. ஜார்ஜ் சுதர்சன் சகக்காலத்தில் வாழ்ந்த மிகமுக்கியமான இந்திய இயற்பியலர். என்னை மிகவும் ஆழ்ந்துபாதித்த இயற்பியலர்களுள் இவரும் முக்கியமானவர். இன்று அவர் இறைத்திருவடிகளுடன் கலந்துவிட்டார்.

அவருடைய ஆய்வுப் பரம்பரையில் நேரடியாக வந்தவனாக என்னைக் கொள்ளவியலாது, ஆயினும் நான் சிறிதுகாலம் இணைந்து வேலைசெய்த இந்திய வானியற்பியற்கழகத்தின் பேராசிரியர் சிவராம் அவர்களின் ஆசிரியர் சுதர்சன் அவர்கள்.

(நோபல் பரிசு வழங்கப்பெற்ற) வலுவிலா இடைவினை/weak interaction, குவாண்டம் சீனோ விளைவு/Zeno effect, நோபல் பரிசு வழங்கப்பெற்ற சுதர்சன்-க்ளௌபர்/Sudarshan-Glauber representation குவாண்ட ஒளியியல் வழிமுறை, டாக்கியான்/tachyon எனப்படும் ஒளியினும் அதிதிசைவேகத்துகள், குவாண்ட நேரியல், ஆற்றல் தேய்வியல்/decoherence, dissipation போன்ற புலங்களில் ஆய்வை மேற்கொண்டும், மேற்குறிப்பிட்டப் பலமுறைகளையும் புதிதாக இயற்பியலில் கண்டறிந்தும் தந்தவர்.

இவரின் கண்டுபிடிப்புகளுக்காக ஒன்பதுமுறை நோபல் பரிசுக்காகப் பரிந்துரைக்கப்பெற்றவர் எனக்கூறப்படுகிறது. ஆயினும் ஒருமுறைகூட வழங்கப்படவில்லை. கடைசியாக 2005ஆம் வருடம்- சுதர்சன் -க்ளௌபர் வழிமுறைக்காக, க்ளௌபருக்கு நோபல் பரிசு வழங்கிவிட்டு, இவரை விட்டதையடுத்து, இவரே நோபல் குழுமத்துக்கு மடலெழுதி தன் கவலையை வெளிப்படுத்தியிருந்தார்.

வேத, வேதாந்தங்கள் போன்ற இந்தியத் தத்துவங்களில் மிகவும் ஆழ்ந்து இயற்பியலை/உண்மையைத்தேடியவர். உலகளாவிய ஆய்வில் புகழ்மிக்கவராய்த் திகழ்ந்த அதேநேரம், இந்திய இயற்பியல் ஆய்விலும், தத்துவார்த்தத் தேடலுக்கும் மிகுந்தப் பங்கினை ஆற்றியவர்.

இண்டர்ஸ்டெல்லாரின் -நிகழ்வெல்லையில்/event horizon ஓர் சர்ரியல் கனவு ..

 இராஜ் சிவா அண்ணன் மிகவும் முக்கியமான கூர்மையானக் கேள்வியொன்றை, நேரத்தைப் பற்றி எழுப்பியிருந்தார், அதற்கான பதில் எனக்குத் தெரிந்தவரை இதுவரை செய்த ஆய்வுகள் அளவில் தெளிவானதாக இல்லை.  கேள்விக்கானப் பதில் என்பதை விட, அதைச்சுற்றிய விவரங்களைப் பகிர்கிறேன்.

நான் மேலே கூறியிருந்ததன்படி, நிகழ்வு எல்லையில் நேரம் உறைந்து இருக்குமென்றால், அந்த இடத்தில், ஒளியும் நகர முடியாமல் உறைந்த நிலையிலேயே இருக்கும். அதாவது போட்டோன்கள் அங்கு அசையும் நிலையில் இருக்காது. அப்படியெனின், அங்கு எதையும் பார்க்க முடியாது. ஒரு பொருளிலிருந்து வரும் ஒளி கண்ணில் பட்டால்தானே அந்தப் பொருள் தெரியும். ஒன்றையும் பார்க்க முடியாது என்பது மட்டுமல்ல, எதையும் உணரவும் முடியாது, புரிந்து கொள்ளவும் முடியாது.

காண்பது உணர்வது எல்லாம் அவரின் மனத்தில் நடப்பவையாக இருக்கவேண்டும். உதாரணத்திற்கு நேரம் உறைநிலையில் இருப்பது என்பது அவரது விண்கலத்தின் நேரம் உறைந்திருக்கிறது. வெளியில் உள்ள ஒளியன்/போட்டான் சிதறுவது இவருக்கு ஒளியின் வேகத்திலேயே நடப்பதாகத் தான் தெரியும்! மேலும் ஒரு வேளை விண்வெளிவீரர் அமைதியாக இருந்தாலும் அவருக்கு கடந்தகால “நிகழ்வுகளைப் பார்த்துக்” கடக்கும் வேகம் அதிகமாக இருக்கும். உணர்வுகள் மூளையைச் சென்றடைவதற்கான வேகம் சராசரியாக 1.1 நொடிகள் என்பதாகக் கொண்டால், ஒரு வேளை அவர் ஒளியின் திசைவேகத்தில் பயணித்தால், ஒரு நொடிக்கு ஒரு நிகழ்வு என்றுவைத்தால்கூட, அவர் கண்டு முடிப்பதற்குள் கிட்டத்தட்ட 10^8 “நிகழ்வுகள்” நடைபெறும், அதில் சில நினைவுகளைமட்டும் வெளியில் காணபதென்பது ஒரு சர்ரியலிசக் கனவாகத்தான் கொள்ளவேண்டும்! இவ்வளவு வேகமாக நாம் பார்க்கவும் உணரவும் முடியாது.

நேரம் என்பது மிகவும் குழப்பமான விசயம் தான் எங்களுக்கும். அதன் ஆதாரம் என்ன என்பதும் அதன் ஓட்டம் எந்தெந்தத்திசையில் இருக்கிறது என்பதும் குழப்பமானது தான். அதுவும் கருந்துளையில் நேரம், நிகழ்வெல்லையில் நடைபெறும் இயக்கத்தைப் பற்றிய ஆய்வுகளும் இன்னும் முழுமையானதாகவில்லை.

ஐன்ஸ்டைனின் கருத்துப்பிரகாரம், ஒளியின் திசைவேகமானது, நாமும் ஒளியின் திசைவேகத்திலேயே சென்றாலும், ஒளியின் திசைவேகத்தில் தான் இருக்கும் என்பதைக் கருத்தில் கொண்டாலும், ஷாப்பிரோ நேரவித்தியாசம் போன்ற விசயங்கள் வெளியின் வளைவால் ஏற்படும், ஆனாலும் அதிக நேர வேறுபாடு இருக்காது. ஆயினும் இது பற்றிய ஆய்வுகள் ஏதும் இருப்பது போல் தெரியவில்லை. இது கிட்டத்தட்ட சிங்குலாரிட்டிக்குள் விழுவதற்கு முந்தைய இடம், நேரமும் இடமும் மிகவிரைவாக மாறுவதற்கு முநதைய இடம் எனினும், நாம் எவ்விடத்தில் இருந்து பார்க்கிறோம் என்பதும் மிகமுக்கியம். மேலும் நமது உணர்விகள்/சென்சார் மிகவிரைவாக வேலைசெய்வனவாக இருக்கவேண்டும். தற்போதைய எலக்றான் உணர்விகள் நேனோ நொடிகள் 10^{-9} தாமதத்துடன் இயங்குவன, உங்களுடையக் கேள்வியின் பிரகாரம், அவற்றாலும் அந்நேரத்தில் நடக்கும் மாற்றத்தை உணர்ந்துப் பதியவியலாது.

இப்படத்தில் கருத்துப்பிழைக்கான வாய்ப்புக் குறைவானதாகவே இருக்கவேண்டும். இவ்வருடத்தின் நோபல் இயற்பியலாளரான கிப் தோர்ன் போன்றோர் தலைமையில், நாம் அறிந்த வெளி-நேர அனைத்துக்கோட்பாடுகளையும் கணினியில் ஒப்புமைசெய்தே எடுத்துள்ளனர், எனினும், மிகைப்படுத்துதலே கதைக்கு அழகு, கதைக்கும் காலில்லை!!

மேலும் இப்படத்தில் அவர்கள் செய்த ஆய்வைக் கட்டுரையாக, அந்த ஆய்வுக்குழுவே வெளியிட்டுள்ளனர்.

https://arxiv.org/abs/1502.03809

வானவெளியில் ஒரு வாணவேடிக்கை – GW170817!

எல்லோருக்கும் தீபாவளி நல்வாழ்த்துகள்!

கடந்த சிலநாள்களாக, இயற்பியல் ஆய்வுலகில் கோலாகலமாய் தீபாவளி கொண்டாடிக் கொண்டிருக்கிறோம். காரணம், லைகோ விர்கோ ஆய்வுக்கூட்டமைப்பில் GW170817 எனும் இருபெரும் நியூட்ரான் விண்மீன்கள் காதலர்போல் ஒன்றையொன்றுத் தொடர்ந்து சுற்றிவந்து ஒன்றோடொன்று குலாவி மோதி ஒன்றுக்குள் ஒன்றுப் பொதிந்த நிகழ்வைக் கண்டிருக்கிறார்கள். அம்மோதலால் பெரும்சக்திவாய்ந்த (காமா-கதிர்)ஒளியும்,மோதலுக்குமுன் நிகழ்ந்த சுழற்சியால் வெளி-நேரப் போர்வையில் (space-time warp) உண்டான அதிர்வும் என ஒளியும் ஒலியும் போல் நிகழ்ச்சியை உலகின் வெவ்வேறு இடங்களில் வெவ்வேறு வடிவில் கண்டறிந்துள்ளனர்!

யாரோ ஒரு இளம் ஆய்வாளர் வானத்தில் ஏதோ வெளிச்சமாக ஒரு ஒளிரும் நிகழ்வைக் கண்டறிந்தவர், எதார்த்தமாய் ட்வீட்டரில் கீச்சிட (உடனே அவர் அக்கீச்சை அழித்துவிட்டாலும்), தமிழ் வாட்சப் உலகில் பகிரப்படும் வதந்திகள் போல், விசயம் காட்டுத்தீயாய்ப் பரவியும் எல்லோருக்கும் தெரிந்த இரகசியமாகவும் ஆகிவிட்டது. போட்டிகள் நிறைந்த அறிவியல் உலகில், யார் இதை முதலில் வெளியிடுவதென்றப் போட்டியில் நான் முந்தி நீ முந்தியென x-கதிர், காமா-கதிர், அகச்சிவப்பு கதிர் எனப் பல்வேறுவகையான வானியல் அலைக்கற்றை ஆய்வுகளைப் பண்ணுவோரும் லேசர் குறுக்கீட்டுவிளைவுகொண்டு ஈர்ப்பலையை ஆய்வுசெய்வோர் எனபின்னர் எல்லோரும் சேர்ந்து ஒன்றாகக்கூடி தேர் இழுத்ததில், ஒரே நிகழ்வில் உண்டான ஈர்ப்பலையோடு அதே நிகழ்வில் உண்டான ஒளியையும் கண்டறிந்த அதிசயமும் நிகழ்ந்துள்ளது . இது நிசமாகவே நடந்த நிகழ்வுதானா எனக் கிட்டத்தட்ட இரண்டுமாதமாக சோதித்து ஆய்ந்துத் தெளிந்து, சில நாட்களுக்கு முன்னர் பொதுமக்களுக்கான சேதியாக வெளியிட்டுள்ளனர்.

வானியற்பியல் ஆய்வில் முதன்முறையாக ஒரே நிகழ்வின் ஒளியும் அதிர்வும் ஒரே நேரத்தில் உய்த்துணரப்பட்டு, அதன் மூலம் அம்மாதிரியான நிகழ்வுகளில் நியூட்ரான் விண்மீன்கள் மற்றும் கருந்துளைகள் இயங்கும்விதம் ஓரளவு தெளிவாக உணரப்பட்டுள்ளது. மேலும், இது ஐன்ஸ்டைனின் பொதுசார்புக் கொள்கையைத் திரும்பவும் மெய்ப்பிப்பதாகவும் ஈர்ப்பலையும் ஒளியின்வேகத்தின் தன்மைகொண்டது என்பதையும் உணர்த்துவதாகவும் உள்ளது. அதாவது வெவ்வேறு இடங்களில் ஒளிக்கதிர்களும் ஈர்ப்பு அதிர்வுகளும் உய்த்துணரப்பட்டது என நான் குறிப்பிட்டேன் அல்லவா, ஈர்ப்பலை, ஒளிக்கதிர் என அனைத்துமே ஒரே நேரத்தில் பதியப்பட்டதிலிருந்து, ஒளி, ஈர்ப்பலை இரண்டும் கிட்டத்தட்ட ஒரேவேகத்தில் பரவுவதைக் கண்டறியமுடிந்தது, ஒளியையும் ஈர்ப்பலையையும் இரண்டும் வெவ்வேறு இடத்தில் உணரப்பட்டாலும், வெறும் 1நொடி கால இடைவெளியில் அவற்றை அளக்கும் உணர்கருவிகள் உணர்ந்துள்ளன.

 

சில வாரங்களுக்கு முன்னர்தான் ஈர்ப்பலை ஆய்வுக்கான நோபல் பரிசு– LIGO/Virgo ஆய்வுக்கூட்டமைப்பில் உள்ள இரெய்னர் வைஸ் (Rainer Weiss), கிப் தோர்ன் (Kip Thorne), பேரி பேரிஷ்க்கு (Barry Barish) வழங்கப்பட்டிருக்கிறது! அடிப்படைத்துகள்கள், ஈர்ப்புவிசை ஆய்வுகள் எல்லாம் தொய்வடைந்து இருந்த காலம்போய், திரும்பவும் பலவடிவங்களை இந்தாய்வுகள் எடுத்து வளர்ந்துவருகின்றன! புதுமையான இயற்பியல் என்பதன் வரையறை 1000, 100, 50, 10 வருடங்களுக்கு ஒருமுறை மாறியது போய், வருடக்கணக்கில் வருமளவிற்கு புதிதாக ஆய்வுகள் நடந்தேறிவருவது மிகவும் மகிழ்ச்சிக்குரியது! இப்புதிய கண்டுபிடிப்பும் மிகமுக்கியத்துவம் வாய்ந்ததாகவும் மற்றொரு நோபல் பரிசுக்கு வழிகோலுவதாகவும் அறியப்படுகிறது.

2016 இயற்பியல் நோபல் பரிசும் திண்மவியலில் இடவியற்கோட்பாடும்

2016 ஆமாண்டிற்கான இயற்பியல் நோபல் பரிசு,  பொருண்மையீர்ப்பு அலைகளுக்கு (gravitational waves), கரும்பொருள் கோட்பாடு (dark matter) என பலவிதமான எதிர்பார்ப்பைக் கிளப்பி, திடீரென யாருமே எதிர்பாராதவகையில் இடவியற்கோட்பாட்டை(topological) பொருண்மவியலின் (condensed matter physics) நுட்பங்களின்பால் கண்ட இயற்பியலர்கள், பேராசிரியர்கள் தூல்ஸ் (Thouless), ஹால்டேன் (Haldane), கோசர்லிட்ச் (Kosterlitz) ஆகியோருக்கு வழங்கப்பட்டுள்ளது.

பொருண்மங்கள் பெரும்பாலும் திண்ம நீர்ம வளிம நிலைகளில் வகைப்படுத்தப்பட்டதோடும், அயனிக்குழம்பான பிளாஸ்மாகவும், போசு-ஐன்ஸ்டைன் செறிவுநிலைகளாகவும் (BEC), பொருண்மச்சுழற்கடத்தி நிலைகளாகவும் (Topological materials), புதிய பொருண்மநிலைகளாக வகைப்படுத்தப்படுகின்றன.

மரபியற்பியல் கோட்பாட்டின்படியும் குவாண்டக் கோட்பாட்டின்படியும் பொருட்களின் நிலைமாற்றங்கள், அந்தந்தப் பொருட்களைப் பொறுத்து வெப்ப,மின்,காந்தப்புலங்களுடன் ஊடாடுவதால் ஏற்படுவன.  அதை ஏன் நாம் இடவியல் வழியாகப் பார்க்கிறோம் என்பதையும் அதற்கும் சாதாரண நிலைமாற்றங்களுக்கும் உள்ள வேறுபாட்டையும் இயன்ற அளவு எளியமுறையில் விளக்குகிறேன்.  ஏற்கனவே இது சார்ந்த ஒரு பதிவை முடிவிலா மின் சுற்றும், கொஞ்சம் ஜனரஞ்சக திண்ம அறிவியலும்! எனும் தலைப்பில் முன்னமேயிட்டுள்ளேன், அதில் இடவியற்கோட்பாடு சார்ந்த விசயங்களைக் கோடிட்டுக்காண்பித்திருந்தேன்.   அதில் எலக்றானியல் சுற்றுகள், மரபணு உயிரியலிலும் (DNA அமைப்பு) திண்மவியலிலும் (ஒழுங்கிலாப் போக்கு -Random walk) எண்ணியலிலும் (Number theory)  இடம்பெறும் நிகழ்வுகளிலும் கணக்கீடுகளிலும் பிரதிபலிப்பதில் காணலாம்.

இடவியல் என்பது என்ன?!

நாம் பொதுவாக எந்தவொரு அளவீட்டையும் எண்களால் குறிப்பிடுவோம், சில நேரங்களில் அதனுடன் பிறப்பண்புகளையும் சேர்த்துக் குறிப்பிடவேண்டியிருக்கும்,  இருவர் நிலத்தைப் பற்றிப் பேசிக்கொள்கிறார்கள் எனக் கொள்வோம்.

உதாரணத்திற்கு எனக்கென்று சொந்த இடம் உள்ளது என ஒருவர் கூறினால், எவ்வளவு எனக் கேட்போம், 100 ஏக்கர் என்று அவர் கூறுவதாய் கொண்டால், உடனே மறுகேள்வி எங்கே எனவோ எந்தப்பக்கம் எனவோ திசை சார்ந்து இருக்கும், நமது கேள்வி.

இடத்தையும் குறிப்பிட்டவுடன், அது நஞ்சை புஞ்சையா என்ற அதனுள் உறையும் சேதி கூடத் தெரிந்துவிடலாம். அதாவது, அவர் ஆற்றங்கரையருகில் எனக் கூறுகிறார் என்று வைத்துக் கொள்வோம், தானாகவே, அது வளமான நஞ்சைப்பகுதி தான் எனக் கருத்தில் கொள்வோம்.

மலைமுகடு, சி1 சி2 சி3 –முகட்டில் வெவ்வேறு உயரங்கள்; அதே சி1 சி2 சி3யின் வரைகோட்டுப்படம்

இப்படி ஒருபொருளை அல்லது ஒரு விசயத்தைக் குறிப்பிட, அதுபற்றியப் பண்புகளைக் குறிப்பிட்டுக்கொண்டே செல்லலாம், இவையனத்தையும் ஒருக் குறிப்பிட்ட வடிவம் மூலம் குறிக்க முடியும்.  உதாரணத்திற்கு ஒரு உலகவரைபடத்தில் இதே செய்திகளைக் குறிப்பிட, வண்ணங்கள் கொண்டும் அட்ச, தீர்க்ககோடுகளின்வழியாகவும் வரைகோட்டுகளின்வழியாகவும் மேலே சொன்ன உதாரணத்தில் உள்ள சேதிகளையும் பொதிக்கமுடியும்.  ஒரு பொருளின்பண்பைக் காட்ட வார்த்தைகளைக் கொண்டும், எண்களைக் கொண்டும் விசயத்தைப் பரிமாறிக்கொள்வது போல், ஒரு பொது மொழிவழியாகப் பரிமாறிக்கொள்ள இடவியல் பயன்படுகிறது.  முப்பரிமாண தரைபரப்பை/மலை முகட்டை, ஒரு இருபரிமாணத்தாளில் வரையும்போது, வரைகோடுகளைக் கொண்டு மலையின் உயரத்தைக் குறிப்பிட முடியும்.  உதாரணத்திற்கு, ஒரு மலையில், தரைபரப்பில் இருந்து 100 மீட்டர் உயரத்தில் தேநீர்க்கடையும் 200 மீட்டர் உயரத்தில், சுற்றுலாத்துறைஅலுவலகமும் அம்மலைமீதில் உள்ளதெனில், தாளில் குறிப்பிடும் போது 100 மீட்டர் அளவுக்கான வரைகோட்டினை வரைந்து தேநீர்க்கடையை அதனுள்ளும், 200 மீ அளவுக்கான வரைகோட்டினை வரைந்து அலுவலகத்தையும் குறிப்போம்.

சுழல் அல்லது ஒளித்துகளின் சுழல் தன்மையை ப்ளாக் அல்லது போன்கரெ கோளத்தில் பொதியச் செய்து, அச்சுழலின் மாற்றங்களையும் காண்பிக்கும் படம்

இதைப் போல், ஒரு பண்பைக் குறிக்க இன்னொருப் பரிமாணத்தில் இன்னொருப் பண்பாகக் குறிப்பிடவியலக்கூடிய அமைப்பும் இடவியல் கோட்பாட்டிலுள்ள வசதி ஆகும்.  இடவியல் இடத்தை மட்டும் குறிப்பிடுவதற்கு பயன்படுத்தப்படுவதில்லை,  எந்தவொருப் பண்பையும் இதன் மூலம் குறிப்பிடப் பயன்படுத்தமுடியும். உதாரணத்திற்கு எலக்றானின் சுழற்பண்புகள் முப்பரிமாண உலகில் அளக்கப்படவேண்டியவை.  அவற்றை அளந்துக் குறிப்பிடும் பொழுது, எல்லையில்லா பரிமாணங்கொண்ட ஹில்பர்ட் வெளியில் குறிப்பிடமுடியும். அரை-சுழலெண் கொண்ட ஒரு எலக்றானின் பண்பை, இருபரிமாண ஹில்பர்ட்வெளியில் அவ்வெலக்றானின் பண்புநலன்கள் சிதையாமல் குறிப்பிடமுடியும்.  இவ்விருபரிமாண இல்பர்ட் வெளி, நாம் மனக்கண்ணால் காண்பதற்கு இன்னும் சிரமமாய் இருக்கலாம், அதனால், இப்பண்புகளை ஒரு முப்பரிமாணக் கோளத்தின் (2-Sphere or 3-Ball ) மேல் பொதித்து அதன் நடவடிக்கைகளைக் கண்காணிக்கவும் உய்த்துணரவும் வசதியாக இருக்கும்.

இம்மாதிரி இடவியல் கோட்பாடுகளைக் கொண்டு பலவகையான விசயங்களை அறியமுடியும். அதே போல, இடவியலைக் கொண்டுக் காணும் பொழுது, நாம் காபி அருந்தும் கோப்பையும், உளுந்துவடையும் ஒரே வடிவம் கொண்டவை ஆகிவிடும்.   நம்முடைய கால்சட்டையும், வடையைச்சுடும்போது ஒன்றையொன்று ஒட்டிக்கொண்ட இரு உளுந்துவடைகள் எப்படியிருக்குமோ அந்தவடையும் வடிவத்தில் ஒன்றாகிவிடும்! இதனால், ஒரு வசதி என்னவெனில், உளுந்துவடை () மாதிரியான அமைப்பைப் பற்றி நாம் நன்றாக அறிந்திருந்தால், கோப்பிக்கோப்பை போன்ற கடினமான அல்லது ஒழுங்கில்லா வடிவங்களின் தன்மையினை ஆராய்ந்து கொள்ளமுடியும்!

இடவியற்தத்துவப்படி ஒரேவடிவங்கொண்டவை:                 1. கோப்பை (பிடியில்லாதது)யும் கோளமும் 2. பிடியுள்ளக் கோப்பையும் வடையும் 3. காற்சட்டையும் வடைகளும்

இடவியல் கோட்பாடு, கிராஃப் கொள்கை, முடிச்சுகளின் கோட்பாடு போன்றவையனைத்தும், இயற்பியலில் வெவ்வேறு கட்டமைப்பின் மூலமும் காணலாம்.

சீரான ஒழுங்குகள் (broken symmetry)  உடைபடும் புலங்களில் திண்பொருண்மப் புலமும் ஒன்று.  இயற்பியல் விளைவுகளைக் காணும்பொழுது வழமையானக் கணக்குமுறைகள் பயன்படாமல் போகவும் நிறைய வாய்ப்புகள் உள்ளன. அம்மாதிரித்தருணங்களில் விளங்கிக் கொள்ளவும் கணக்கிடவும் இம்மாதிரியான வழிமுறைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. காலம்-வெளி, இழைக் கோட்பாடு, குவாண்டம் ஈர்ப்பியல், குவாண்ட பொருண்மவியல் — மீக்கடத்தியியல், மீப்பாய்மவியல், குவாண்டக் கணினியியல் போன்றத் துறைகளில் இடவியற்கோட்பாடு பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

மீப்பாய்மம் (Superfludity), மீக்கடத்துதிறன் (Superconductivity) உதாரணங்கள்

உதாரணத்துக்கு குவாண்ட திண்மவியலுக்குத் தொடர்புடைய, மீப்பாய்ம, மீக்கடத்தி விசயங்களைக் காணலாம்.  நீர்ம ஹீலியம் (He) என்பது, 4K (~ -270 டிகிரி செல்சியஸ்)அளவுக்கு குறைவான வெப்பநிலையைக் கொண்ட நீர்மம், நீர்மம் என்றாலேயே அதற்கு விழுவிழுப்புத் தன்மை என்ற ஒன்று உண்டு. ஒரு பாத்திரத்தில் நீரை ஊற்றினால், அது அப்பாத்திரத்திலேயே இருப்பதற்கும் விழுவிழுப்புத்தன்மை தான், ஒருவகையில் காரணம். ஆனால் நீர்மஹீலியத்தை ஒருப் பாத்திரத்தில் ஊற்றி வைக்கும்பொழுது, அது இருக்கும் பாத்திரத்தின் சுவர்களின் வழியாக ஏறி, புவியீர்ப்புவிசையையும் தாண்டி, வழிந்தோடும் தன்மை கொண்டவை.   இதன் பொருள் என்னவெனில், உராய்வைப் போன்றதொரு ஆற்றல்பரிமாற்றத்தில்  வீணாகும் உபரியாற்றல், நீர்மத்தில் விழுவிழுப்புத்தன்மை, இல்லையென்பது!  அதாவது, சுழற்றிவிட்ட பம்பரம் என்றும் நிற்காமல் சுற்றிக் கொண்டேயிருந்தால், எப்படியிருக்குமோ அப்படியானது இது.

நாம் பொதுவாகக் காணும், ஆற்றில் உண்டாகும் சுழல் என்பது வெவ்வேறு திசைவேகத்தில் நீரோட்டங்கள் கலக்குமிடத்தில் உண்டாவது, இதேப் போன்றதை, ஒருக்கோப்பையில் உள்ள நீரை கரண்டியால் சுழற்றும் போதும் உண்டுபண்ணலாம். ஆற்றில், வெவ்வேறு நீரோட்டங்களின் திசைவேகமாற்றம் இருக்கும்வரை சுழலிருக்கலாம், கோப்பையில் உண்டாகும் சுழலும் கரண்டியை விட்டு சுழற்றுவதை நிறுத்திய சிறிதுநேரத்தில்தணியும்.  ஆனால், மீப்பாய்மமாகக் கருதப்படும் நீர்மஹீலியத்தில் –உராய்வைப் போன்று நீர்மங்களில் செயல்படும்– விழுவிழுப்புத்தன்மை இல்லாதநிலையில், தொடர்ந்து சுழலை தன்னுள் வைத்திருக்கும்,  போன நூற்றாண்டின் மத்தியில், இயற்பியற்றுறையில் இது போன்ற விளைவுகள் மிகப்பெரிய சவாலாக இருந்தன.

சரி, சுழல் என்பது என்ன, ஒரு பெரிய பரப்பில், ஓரிடத்தில் மட்டும் ஒழுங்குமாறிய நிலை, ஆக அவற்றைக் குறிக்க வெக்டர்புலங்களைப் பயன்படுத்தலாம், ஏனெனில், சுழல் என்பது ஒருவகையான விசை, ஆனால் அவ்விசை, இடத்திற்கு தக்கன வேறுபட செய்யும் ஒன்று. ஆகவே தான், சுழலுக்குள் மாட்டியவுடன் ஆற்றுக்குள் பொருட்கள் செல்வதில்லை, சில சுற்றுகள் சுற்றிவிட்டு பின் ஆற்றுக்குள் மூழ்கடிக்கப்படுகிறது. இந்த மொத்தநிகழ்வையும் இருபரிமாணத்தாளில் வரையவேண்டும் என்றால், நாம் என்ன செய்வோம்?  மொத்தப்பரப்பில் சுழல் உள்ள இடத்தில் மட்டும் சிறு வெக்டர் சுழல்களினால் குறிப்பிடமுடியும். இப்படி வடிவியற் நுண்கணிதம் கொண்டு பார்க்கலாம்.  சரி, திரும்பவும் சுழலுக்குள் செல்வோம்.

சாதாரண ஒரு சுழலுக்குப் பதில், இரு சுழல்களை அருகருகே உண்டுபண்ணினால், அவை மிகவும் அற்புதமாக, தனியாக உள்ளச் சுழல்களை விடவும் அதிகநேரம் உள்ளதைக் காணவியலும். இதே போன்றத் தன்மையினை, மீக்கடத்தியிலும் காணமுடிந்தது.  எலக்றான்கள் என்பவை, எதிர்மிந்தன்மையுடையவை, அதனால் அருகில் வருங்கால், ஒன்றையொன்று விலக்கும் தன்மைகொண்டவை.  ஆனால், மீக்கடத்தி நிலையில் –மீக்குறைவான வெப்பநிலையில்– எலக்றான்கள் ஒன்றையொன்று கைகோர்த்து, கூப்பர் ஜோடிகளாக இணையாக மாறுகின்றன.  கூப்பர் ஜோடிகளான உடன் அப்பருப்பொருள் மீக்கடத்தியாக மாறும். மேலோட்டமாகக் கூறும்பொழுது, இவ்வாறு தாழ்வான வெப்பநிலையில் மீக்கடத்திகளாக இருக்கும் பல உலோகங்கள், அறைவெப்பநிலையில் மின்னோட்டத்தைக் கடத்தாப் பொருட்களாக -insulators- இருப்பன! ஆக, இங்கே கடத்தாப் பொருளிலிருந்து மீப்பெரும் கடத்தியாக, சம்பந்தமேயில்லாத நிலைக்கு நிலைமாற்றம் ஏற்படுகிறது.  இது போல் நிலைமாற்றம் ஏற்படும் பொழுது, பெரும்பாலும் சீரொழுங்குநிலை உடைபடும்.

ஹால் விளைவு

ஒரு கடத்தியில் அல்லது குறைகடத்தியில், மின்னோட்டத்தை செலுத்திவிட்டு, மின்னோட்டத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாக, குறுக்காக மின்னழுத்த வேறுபாட்டை அளந்தால் என்னவாகும்? பொதுவாக மின்னழுத்த வேறுபாடு இருக்கக் கூடாது.  ஏனெனில் மின்னோட்டத்தை ஒரு உலோகக்கடத்தியில் அனுப்பும் பொழுது, எங்கேத் தொட்டாலும் ஷாக் -மின்னதிர்வு ஏற்படும். ஆனால், ஹால் விளைவின் சோதனை அமைப்பில், கடத்தியின் பரப்புக்கு செங்குத்தாக, காந்தப்புலத்தை வைக்கும்பொழுது, கடத்தியின் குறுக்காக ஒரு மின்னூட்டங்களின் (charge) ஓட்டமானது காந்தப்புலத்தால் லோரன்ஸ் விசையினால்  ()மாற்றப்பட்டு ஒரு பக்கமாக ஒதுங்கும், இதனால், ஒரு பக்கத்தில் மட்டும் மின்னூட்டம் அதிகமாகிவிடும், இம்மின்னூட்ட வேறுபாட்டால், மின்னழுத்தவேறுபாடு உண்டாகும்.  காந்தப்புலத்தின் சக்தி, திசை இவற்றைப் பொறுத்து மின்னழுத்த மாறுபாடு அமையும்.

சரி, பொதுவாக, ஒரு பொருளின் விலையைக் குறிப்பிடும் போழ்து, ஒரு மாம்பழத்தின் விலை 2 உரூபாய் எனில், 10 பழங்களின் விலை 20 ஆகும். 20 பழங்களின் விலை 40 என நேரடியாகப் எண்களைப் பெருக்கிக் கொண்டு போகலாம். ஆனால், மொத்தவியாபாரி வாங்கும் போது இப்படி வாங்கியிருக்கமாட்டார் தானே, அதாவது ஆயிரம் பழங்களின் விலை 2,000 ஆக இருக்காது, அதாவது அதன் மடங்கில் இருக்கப்போவதில்லை. ஆக, மொத்தவியாபாரியின் கணக்குக்கும் நுகர்வோரின் கணக்கும் ஒன்றாக இருப்பதில்லை, அதற்கான காரணிகள் பல்வகைப்பட்டவை.

அதே போல், ஒரு விசயம் ஒரு பரிமாணத்தில் ஒரு மாதிரி நடந்தால், அதே விளைவு, இரு பரிமாண பருப்பொருளில் அதன் இருமடங்கிலோ, இல்லை ஒருபரிமாணத்தின் தன்மையைப் பொறுத்தமாதிரியோ அமையாமல் மொத்தமாகவே, வேறுமாதிரியாகவும் அமைய வாய்ப்புகளுண்டு.

கூப்பர் இணை, ஜோசப்சன் சந்தி போன்ற மீக்கடத்தி அமைப்புகளிலும் ஹால் சோதனைகளிலும், ஒரு தளத்தில் அல்லது தகட்டில் நடப்பவை.  ஆனால் நம் சோதனைக்குரிய பொருள் தடிமனாக ஆக,  மடங்குகளில் அல்லாமல் மாறுவது எப்படி என்பதை சில உதாரணங்கள் மூலம் காண்போம்.

குவாண்டம் ஹால்விளைவு

சரி, மென்பட்டையாக, இருபரிமாணத்தில் இருக்கும் ஒரு கடத்திக்குத் தான் பார்த்தோம், இதுவே, கடத்தி தடிமனானால்? எதிர்பார்க்கப்படும் விளைவு, நுகர்வோர் வாங்கும் மாம்பழக்கணக்காக நேரடி கணக்கீடாக இருக்காது.  ஏனெனில், காந்தப்புலம் திசை சார்ந்தது, அதனால், ஹால் விளைவில், கடத்திக்குள்ளே வெவ்வேறு திசைகளில் மின்னூட்டம் வெவ்வேறு அளவுகளில் செலுத்தப்படும்.  இதனால் கடத்தியின் கடத்துத்திறன் வெகுவாகப் பாதிப்படையும். இது மேம்போக்காகப் பார்க்கும்பட்சத்தில் இவை இவ்வாறு நிகழ்ந்தால் பிரச்சினையில்லை.  ஆனால், காந்தப்புலத்தின் தன்மைக்கேற்ப ஒருசேர மாறாமல், திடீர் திடீரென கடத்தும்திறன சில காந்தப்புல அளவுகளுக்கு ஒரு மாதிரியும், அதிலிருந்து சிறிது பிசகினாலும், மிந்தடை அதிகமாகவும் மாறுவது, வியப்பானவொன்றாக இருந்தது. குவாண்டவியலில் தான், இம்மாதிரி, ஒரு குவாண்டத்துகளின் தன்மை, குவாண்டமாக்கம் செய்யப்படுவதால், ஒரு அணுவின் அல்லது அணுத்துகளின் சக்தி தொடரளவுகளாக இல்லாமல், குறிப்பிட்ட அளவு மட்டுமே அமையும் சாத்தியம் உண்டு. ஆக, இம்மாதிரி ஹால் விளைவுகளிலும், அதன் நுட்பத்தை அறிந்து கொள்ளும்பொருட்டு, குவாண்டவியல்கொள்கைகளைக் கொண்டு இம்மாதிரியான பருபொருட்களைப்பற்றி ஆய்வுசெய்யப்படும் பொழுது, இவை குவாண்டம் ஹால் விளைவுகள் கண்டறியப்பட்டன.  அம்மாதிரியான பொருண்மங்களுக்கு ஹால் கடத்துத்திறனானது இயற்கையின் மாறிலிகளில் ஒன்றான டிராக் அல்லது மாற்றமடைந்த பிளாங்க் மாறிலியின் அளவுகளில் இருந்தது.

குவாண்டச்சுழலில் ஹால் விளைவு (Quantum spin Hall effect), இடஞ்சார் திண்மவியல் (Topological matter)

சரி, மின்னோட்டம், எலக்ரானால் ஆனது எனும் பொழுது, எலக்றானுக்கு இருக்கும் பிறபண்புகளான, சுழற்பண்பையும் இது போல பார்த்தால், என்னவாக இருக்கும் எனப் பார்த்தபொழுது, ஹால் விளைவின் தன்மை, வேறுமாதிரியான பருப்பொருளின் தன்மைக்கு அடிகோலியது, காந்தப்புலமும், எலக்றானின் சுழலும் ஊடாடி புதுவகையானத் சுவிட்சு/நிலைமாற்றிகளைப் போல செயல்படுவதைக் காண முடிந்தது.  காந்தப்புலம் இல்லாமலும் ஹால்விளைவுகளைக் காண நேர்ந்தது!  இது மிகவும் ஆச்சரியப்படவைக்கும் விசயம் ஆகும்.

இதுமாதிரி அதியுயர் ஆற்றலியலிலும் துகளியற்பியலிலும் (high energy physics) குவாண்டப் பொருண்மவியலிலும் சீரொழுங்குநிலை உடைபடும் இடங்கள் நிறையவேவுண்டு.  ஆயினும்  கடத்தியின் மேற்பரப்புகளில் உள்ள மாறுபாடுகளுக்கேற்ப, விளைவுகள் ஏற்படுவது, சீரொழுங்குநிலையைத் தக்கவைத்துக் கொள்ளும்நிலையில் கூட நிலைமாற்றங்கள் ஏற்படுவதை, 2005ஆமாண்டுவாக்கில் கோட்பாட்டளவில் கண்டறிந்தனர்.

கடத்தாநிலையில் இடஞ்சார்ப் பண்புள்ளக் கடத்தாப்பொருள் சாதாரணக் கடத்தாபொருளைப் போல் உள்ளது.

உதாரணத்திற்கு, ஒரு கடத்திக்குள் எலக்றான் செல்லும் வழியில் ஏதாவது பழுதோ அல்லது வேறு அணுக்களோ மாசுகளோ இருந்தால், எலக்றான் சிதறும், இவ்வாறு சிதறினால், இயக்கவாற்றல் வெப்ப ஆற்றலாக மாறி வீணாகும்.  ஆனால் குவாண்டம் விளைவுகளால்,  திண்மங்களில் இம்மாதிரியானச் சிதறல் ஏற்படுவதில்லை, இது முடிச்சுக்கோட்பாட்டின் படி ஏற்படும் எலக்றானின் குவாண்டநிலைகளின் மாற்றங்களாக விளக்கப்படுகிறது.   இடவியல் கோட்பாடுகளின்படி சீரொழுங்குநிலைசார்ந்த தன்மை ஆராயப்படுகிறது.

இடஞ்சார் பண்புள்ள கடத்தாப்பொருள்:  நடுவில் கடத்தாபொருளாகவும், ஆனால் சோதனைத்துண்டின் ஓரங்களில் கடத்தியாகவும் உள்ளது.

ஒரு கடத்தாப் பொருள், அதன் கடத்தாநிலைக்குக் காரணம், அணுக்கள் தன் கடைசிவட்டப்பாதையில் உள்ள எலக்றான்களை கடத்தும் வல்லமைக்கு அனுப்பவியலாநிலையில் இருக்கும்.  ஆனால், ஒரு இடஞ்சார் திண்மப்பண்புள்ளப் கடத்தாப் பொருள்கூட காந்தப்புலத்தில் வைக்கும்பொழுது, அணுவின் சுழல்-சுற்றுப்பண்புகளின் ஊடாட்டத்தால் (Spin-Orbit coupling), கடைசி சுற்றுப்பாதையில் இருக்கும் எலக்றான்கள், தன் பாதையைத் தவிர்த்து, அந்தப் பொருளின் ஓரங்களில் மட்டும் முன்னேறிச் செல்லும்.  இதனால் அப்பொருளுக்கு அதன் ஓரத்தில் மட்டும் கடத்துந்திறன் உண்டாகிறது.

இதில், எலக்றானின் சுழல்தன்மையினைப் பொறுத்து, எலக்றானின் ஓட்டம் அமையும்.   சரி, இது இருபரிமாணத் தகடு, இதுவே, முப்பரிமாணமானால், என்ன ஆகும்?!  இருபரிமாணத்தில் ஓரங்களில் கடத்துந்திறன் உண்டாவது போல, முப்பரிமாணப் பருப்பொருளில், அதன் மேற்பரப்புகளில் கடத்துந்திறன் உண்டாகிறது. பொதுவாக, குறைக்கடத்திகளில் (semiconductors)  அணுக்களில் நிறைச்சுற்றுவட்டப்பாதையில் உள்ள எலக்றான்கள், Fermi Level எனும் அளவைக் கடந்து  கடத்தும் எலக்றான்களாக மாறுவதற்கு, இரண்டு நிலைகளுக்கும் நடுவே ஒரு ஆற்றல் வேறுமாடு உண்டு, அந்த ஆற்றல் வேறுபாட்டைக் கடக்க, மின்னழுத்தத்தைத் தரும்பொழுது, கீழுள்ள கடைச்சுற்றுப்பாதையில் உள்ள எலக்றான்களுக்கு ஆற்றல் கூடி, அதற்கு வேண்டிய குவாண்ட ஆற்றலைப்பெறும்பொழுது,  தாவிக் கடத்த ஆரம்பிக்கும்.   இதை, ஆற்றல்-உந்த வரைபடத்தில் குறிப்பிடும் போது,  வேலன்ஸ் பட்டையும் கண்டக்ஷன் பட்டையும் ஒன்றின்மேல் ஒன்றாக அமையுமாறுக் குறிப்பிடுவர்.  ஆனால், மேலுள்ளப் படத்தில், தனித்தனிப் பட்டைகளாக, ஆற்றல்வேறுபாட்டுடன் இருக்கும் போதும் இந்த ஓர குவாண்டநிலைகள் கடத்த ஆரம்பித்ததை, வெளிர்நிலக் கோடுக் காண்பிக்கிறது.   அதே முப்பரிமாணத்தில், கூம்பு  வடிவில் கடத்தும் எலக்றான்களின் தன்மை அமைகிறது.  இதை கிராஃபீன் போன்ற பருப்பொருட்களில் டிராக் கூம்பு (Dirac cone), அதாவது அம்மாதிரியான பருப்பொருட்களில் உள்ள எலக்றான் டிராக் சார்பியல் குவாண்ட சமன்பாட்டினையொட்டி இயங்கும்.  சரி, அதை இன்னொரு நாளில் காணலாம்!

குவாண்டம் சுழல்களின் தன்மை, எப்பொழுதும் இடவியல் கோட்பாட்டின்படி அமைவதையும் ஹால்டேன் அவர்களின் கணக்கீடுகள் காண்பித்தன. சுழல்களை குறிப்பிட்ட தூரத்தில் சங்கிலிக்கண்ணிகளை போல் வைத்தால் சிலவகையான சுழலெண்களைக் கொண்ட சங்கிலிகள் இடவியல்தன்மைகளைக் கொண்டதாக இருந்தன. இதன் பிரகாரம், எவ்வகையான வெளித்தாக்கங்கள் (காந்தப்புலம்) ஏதும் இல்லாமலேயே ஹால்விளைவுகளைக் காணவும் வாய்ப்புகள் உள்ளது என அறியப்பட்டது.

ஒருதிசையில் மின் தடையாக செயல்படும் ஒரு பருப்பொருள் இன்னொருதிசையில் கடத்தியாக இருக்க முடியும்.  இதுமாதிரியான கடத்தியின் திசை, குவாண்டச்சுழல்களின் நிலை போன்றவற்றால் உருவாகும் நிலைமாற்றங்கள், மரபு எலக்றானியலிலும் சுழல் எலக்றானியலிலும் குவாண்டக் கணினிகளிலும் மிக முக்கிய பங்குவகிக்கும்.