Fine Structure Constant

 

મિત્રો, ફિઝિક્સમાં એક નંબર એવો છે જે બ્રહ્માંડને સમજવામાં ખુબ મદદરૂપ થાય છે. આ નંબર એ સમજવામાં મદદરૂપ થાય છે કે જીવન શું કામ અસ્તિત્વ ધરાવે છે? જો તે નંબરમાં નાનો અમસ્તો પણ બદલાવ આવે તો અણુઓના કદ બદલાઇ જાય અથવા બની શકે કે અણુઓનું અસ્તિત્વ જ ન રહે. આ નંબરને Fine Structure Constant કહે છે અને તેનું મૂલ્ય છે.....1/137.

-

આ નંબરને બ્રહ્માંડને સમજવા માટે શોધવામાં નહતો આવ્યો પરંતુ ફિઝિક્સના એક જૂના કોયડાને ઉકેલવા માટે શોધવામાં આવ્યો હતો. વાત જાણે એમ બની કે અઢારમી સદીના અંતમાં michelson અને morley એ એક પ્રયોગ કર્યો. તે સમયે એવું મનાતુ કે પ્રકાશને ગતિ કરવા માટે એક માધ્યમની જરૂર છે અને તે માધ્યમનું નામ ઇથર હતું. પરંતુ!! michelson અને morley ના પ્રયોગે આ વાતને ખોટી સાબિત કરી. દરઅસલ michelson અને morley શોધવા તો માંગતા હતા ઇથરને પણ આ સાથે તેમણે હાઇડ્રોજનના સ્પેક્ટ્રમનું અવલોકન કરી એક અન્ય પ્રાયોગિક વેલ્યૂ શોધી.

-

એમણે જોયું કે, જો હાઇડ્રોજનને ઉત્તેજિત(excite) કરવામાં આવે તો તે કેટલીક લાઇનો ઉત્પન્ન કરે છે. જેમાં કેટલીક લાઇનો નજીક તો કેટલીક દૂર હોય છે(જુઓ નીચેની ઇમેજ-1). આને સમજાવવા માટે નીલ્સ બોહરે પોતાનું સ્ટ્રક્ચર ઓફ એટમ રજૂ કર્યુ. જેમાં તેમણે કહ્યું કે હાં નાભિની ચોતરફ ઇલેક્ટ્રોન ચક્કર લગાવે છે. ઇલેક્ટ્રોન જ્યારે ચક્કર લગાવે છે તો તેની ઉપર અમુક મર્યાદાઓ હોય છે. જેમકે તે હર કોઇ સર્કલ(ભ્રમણકક્ષા)માં નથી ફરી શકતો. તેનું એક નિશ્ચિત સ્થાન હોય છે. જો ઇલેક્ટ્રોનને એક ભ્રમણકક્ષામાંથી બીજી ભ્રમણકક્ષામાં જવુ હોય તો ક્યાં તે ઉર્જા લઇને અથવા છોડીને જશે(જુઓ નીચેની ઇમેજ-2).

-

નીલ્સ બોહરનું સ્ટ્રક્ચર બીજું બધુ તો સમજાવી શકતું હતું જેને coarse structure કહે છે પરંતુ ઝીણી રેખાઓ જેને michelson અને morley એ શોધી હતી તેને સમજાવી નહોતું શકતું. હવે વાત થોડી આગળ વધે છે અને sommerfeld નામના સંશોધક રિલેટિવિટીના અભિગમને સ્ટ્રક્ચર ઓફ એટમ સાથે મેળવી એક ratio કાઢીને આપે છે. આજ ratio ને fine structure constant કહે છે. આ બાબતને તે સમયે એટલુ બધુ મહત્વ ન અપાયુ પરંતુ જ્યારે quantum electrodynamics ની વાત આવી ત્યારે આ fine structure constant ઘણી જગ્યાએ વૈજ્ઞાનિકો સમક્ષ પ્રગટ થવા માંડ્યું.

-

જ્યારે વૈજ્ઞાનિકોએ રિલેટિવિટીને ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ સાથે જોડી એક નવી શાખાને જન્મ આપ્યો ત્યારે એ જાણવું રસપ્રદ બન્યું કે ચાર્જ પાર્ટિકલ ફોટોન સાથે કઇરીતે interact(ક્રિયાપ્રતિક્રિયા) કરે છે? એ સમયે ફરીથી fine structure constant સામે ઉભો હતો. ઊંડાણમાં ન જતાં ટૂંકમાં એટલું સમજીએ કે, બે ચાર્જ પાર્ટિકલ એકબીજા ઉપર જે ફોર્સ લગાવી રહ્યાં છે તે કેટલો લાગશે? આ fine structure constant સાથે દુવિધા એ હતી કે SI, CGS કે પછી અન્ય ગમે તે યુનિટમાં ગણતરી કરો, આની વેલ્યૂ 1/137 આસપાસ જ આવશે.

-

આનું મહત્વ એટલા માટે છે કે, આપણે એ તો નથી જાણતા કે બ્રહ્માંડમાં આ નંબર કેમ આવ્યો પરંતુ આપણે એ જાણીએ છીએ કે જો આ નંબરમાં જરા પણ ફેફાર થયો તો તે અણુના માળખાને બદલી નાંખશે, nuclear reaction ને બદલી નાંખશે, તારાઓની અંદર થતી પ્રક્રિયાઓને બદલી નાંખશે. કઇરીતે તે જુઓ....નાભિની ચોતરફ ઇલેક્ટ્રોન ચક્કર લગાવી રહ્યો છે. રિલેટિવિટીનો સમાવેશ કરતા આપણને ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષાની અમુક વેલ્યુ પ્રાપ્ત થાય છે કે જેમાં ઇલેક્ટ્રોન ભ્રમણ કરી શકે છે. અગર fine structure constant ની વેલ્યુ જે છે તેનાથી જો અલગ હોત તો નાભિ અને ઇલેક્ટ્રોનનું interaction પણ અલગ હોત, ક્યાં તો ઇલેક્ટ્રોન નાભિથી દૂર હોત અથવા નજીક. જો તે દૂર અથવા નજીક હોત તો અણુનું કદ બદલાઇ જાત. જો અણુનું કદ બદલાઇ જાત તો બની શકે કે મનુષ્યો ક્યાં તો ઘણાં નાના હોત અથવા ભીમકાય.

-

આને બીજી રીતે જોઇએ....સૂર્યની અંદર હાઇડ્રોજન, હિલીયમમાં રૂપાંતરિત થઇ રહ્યો છે પરંતુ જેમજેમ એક તારો પોતાના મૃત્યુ તરફ જઇ રહ્યો હોય તો સુપરનોવા પહેલાં તેની અંદર ભારે તત્વો બને છે(જેમકે iron, carbon, nitrogen, oxygen વગેરે). આ તત્વો હિલીયમના અણુઓના ટકરાવથી બને છે. ઉદાહરણ તરીકે....હિલીયમના અણુઓના ટકરાવથી જ્યારે 6 પ્રોટોન એકસાથે જોડાશે ત્યારે કાર્બન બનશે. જો fine structure constant ની વેલ્યૂ કંઇક ઓર હોત તો શાયદ કાર્બન બની જ નહીં શકે અને જો કાર્બન જ ન હોત તો જીવન જ ન હોત કેમકે સઘળી બાયોલોજીકલ લાઇફ કાર્બન આધારિત છે.

 

(મનીષ પુરોહિત દ્વારા)