इलेक्ट्रॉन खरच स्वतःभोवती फिरतो का?

आपण जर आपल्या आजूबाजूच्या सर्व पदार्थांच्या एकदम खोलात बघायला गेलो तर आपल्या लक्षात येते की हे सर्व पदार्थ खूप लहान लहान गोष्टींनी बनलेले आहेत ज्याला आपण "अणू (atom)" असे म्हणतो आणि हा अणू तीन गोष्टींनी बनलेला आहे; प्रोटॉन (ज्याच्यावर धन विद्युत भार असतो), न्युट्राॅन (ज्याच्यावर कोणताही विद्युत भार नसतो) आणि इलेक्ट्रॉन (ज्याच्यावर ऋण विद्युत भार असतो). प्रोटॉन व न्युट्राॅन हे दोघं एकत्र मिळून अणूचा मध्यभाग बनवतात की ज्याला आपण अणूचे केंद्र किंवा इंग्रजी भाषेमध्ये न्युक्लियस म्हणून ओळखतो. ह्या केंद्राच्या भवती इलेक्ट्रॉन फिरत असतात. पण ते ग्रहांसारखे एकाच कक्षेत फिरत असतात का? असा प्रश्न आपल्याला पडण साहजिकच आहे. पण खरतर तस नसत! आपल्यापैकी अनेकांचा असा गैरसमज असतो की इलेक्ट्रॉन हे ग्रहांसारखे फिरत असतात. मग अशी कल्पना आली कुठून? पूर्वी आपल्याकडे असा सिद्धांत होता की इलेक्ट्रॉन हे ग्रहांसारखे अणूच्या केंद्राभवती विशिष्ट कक्षेमध्ये फिरत असतात पण कालांतराने अनेक प्रयोगातून आपल्याला समजले की इलेक्ट्रॉन हा खरतर अणूच्या केंद्राभोवती कुठेही असू शकतो आणि आपण त्याचे निश्चित स्थान देखील सांगू शकत नाही! किती विचित्र ना? ते तस का असत? ह्याबाबत तुम्ही नक्कीच अभ्यास कराल ह्याची मला खात्री आहे.

इलेक्ट्रॉन हा अणू मधील सर्वात छोटा कण आहे. जर आपण अशी कल्पना केली की अणू हा एखाद्या फुटबॉलच्या मैदाना एवढा आहे तर इलेक्ट्रॉनचा आकार हा साधारणतः एका गोटी एवढाच असेल! जेव्हा आपण ह्या इलेक्ट्रॉन विषयी अशीच अधिक माहिती घ्यायला लागतो तेव्हा एक संकल्पना आपल्या लक्षात येते ती म्हणजे "इलेक्ट्रॉनची फिरकी (electron spin)". आता फिरकी म्हटल की आपल्या डोळ्यासमोर येतो तो गरागरा फिरत राहणारा भौवरा.पण भौवरा जसा गोल गोल फिरकी घेतो तसाच हा इलेक्ट्रॉन फिरत असेल का? की पृथ्वी स्वतःभोवती जशी फिरते तशाप्रकारे हा इलेक्ट्रॉन स्वतःभोवती फिरत असेल? आपण नेहमी ज्या गोष्टी फिरकी घेताना पाहतो त्याचा आणि या संकल्पनेचा काही संबंध आहे का? असे प्रश्न पडणे हे स्वाभाविकच आहे, मुळात असे प्रश्न आपल्याला पडले तरच आपला विचार उत्तम पद्धतीने सुरू आहे असे मी म्हणेन. पण या सर्व प्रश्र्नांची जर उत्तरे मला द्यायची झाली तर कदाचित ती उत्तर ऐकून खूप आश्चर्य वाटेल !

आपण आपल्या दैनंदिन जीवनात ज्या गोष्टी फिरताना पाहतो त्याचा आणि या संकल्पनेचा अजिबात संबंध नाही आहे. इलेक्ट्रॉन हा वस्तुतः भवऱ्यासारखा गरागरा फिरत नाही. "इलेक्ट्रॉनची फिरकी" हा त्या इलेक्ट्रॉनचा स्वतःचा असा गुणधर्म आहे. काही प्रयोगातून आपल्या असे लक्षात आले की इलेक्ट्रॉनला त्याची स्वतःची अशी कोनीय गती (angular momentum) आहे. एखादी वस्तू ठराविक वेळात किती वेळा फिरते हे आपल्याला तिच्या कोनीय गतीने कळत. अशाच प्रकारे इलेक्ट्रॉनला देखील कोनीय गती असते आणि ही संकल्पना इलेक्ट्रॉनला लावण्यासाठी आपण त्याला "फिरकी(spin)" हा गुणधर्म आहे असे म्हणतो.

आता आपण जरा एक प्रयोग बघूया. विद्युतचुंबकत्वाच्या (Electromagnetism) नियमांवरून आपल्याला माहिती आहे की जेव्हा कुठलाही विद्युत भार(charge) असलेला पदार्थ हालचाल करतो तेव्हा तो त्याच्या जवळपास चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करतो आणि जर एखादा विद्युत भार असलेला पदार्थ गोल गोल फिरला तर त्याने निर्माण केलेले चुंबकीय क्षेत्र हे पट्टी चुंबकाने तयार केलेल्या चुंबकासारखे असते. ऑट्टो स्टर्न आणि वॉल्टर गेर्लाक यांनी १९२२ मध्ये एक प्रयोग केला ज्याला "स्टर्न-गेर्लाक प्रयोग" असे देखील म्हणतात. ज्यात त्यांनी एक शक्तिशाली चुंबक घेतले आणि त्याच्या दोन चुंबकीय ध्रुवांच्या मधून असे इलेक्ट्रॉन्स पाठवले जे की एखाद्या अणूपासून वेगळे केलेले होते. असे अनेक इलेक्ट्रॉन्स त्या चुंबकाच्या मधून पाठवण्यात आले. निरीक्षणावरून त्यांच्या असे लक्षात आले की त्यातले काही इलेक्ट्रॉन्स त्या चुंबकाच्या बाहेर जाऊन समोर ठेवलेल्या पडद्याच्या वरच्या भागात आपटले तर काही इलेक्ट्रॉन्स पडद्याच्या खालच्या भागात आपटले, पण पडद्याच्या मध्यभागी एकही इलेक्ट्रॉन आपटला नव्हता. इलेक्ट्रॉन्सचा सलग पट्टा असा दिसला नाही. पण आपण हाच प्रयोग इलेक्ट्रॉन्सच्या ऐवजी पट्टी चुंबकाने केला तर तेव्हा आपल्याला पट्टी चुंबकाचा एक सलग पट्टा दिसतो. ह्यावरुन आपल्याला असे म्हणता येईल की त्या इलेक्ट्रॉनचे चुंबकीय क्षेत्र हे एक तर त्या मजबूत चुंबकाच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेने असेल किंवा त्या मजबूत चुंबकाच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या विरुद्ध दिशेने असेल बाकी दुसऱ्या कुठल्याच दिशेला त्याचे चुंबकीय क्षेत्र नाहीय.

पण आपण बारकाईने विचार केला तर आपल्या लक्षात येईल की ह्यात एक गोष्ट खूप विचित्र होती ती म्हणजे की इलेक्ट्रॉन हा फिरत नसला तरी तो एका चुंबकासारखे गुणधर्म दाखवतो जे की विद्युतचुंबकत्वाच्या नियमांच्या अगदी विरुद्ध आहे. अजून सांगायचे झाले तर त्या इलेक्ट्रॉनचे चुंबकीय क्षेत्र हे एक तर त्या मजबूत चुंबकाच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेने असेल ज्याला आपण "फिरकी वर (spin up)" असे म्हणतो, जे +१/२ ने सुद्धा दर्शविले जाते किंवा त्या मजबूत चुंबकाच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या विरुद्ध दिशेने असेल ज्याला आपण "फिरकी खाली (spin down)" असे म्हणतो, जे -१/२ ने सुद्धा दर्शविले जाते. ह्या दोघांशिवाय तिसरी अशी कुठलीच दिशा त्या इलेक्ट्रॉनला नाहीय! ही आपण पाहिलेली इलेक्ट्रॉनची आगळीवेगळी वर्तणूक समजावून सांगण्यासाठी आपण म्हणतो की त्या इलेक्ट्रॉनला "फिरकी" असा गुणधर्म आहे. पण ही फिरकी आपण पाहणाऱ्या भवऱ्यासारख्या वस्तूंसारखी अजिबात नसते. हे अजून उत्तमरीत्या समजून घेण्यासाठी एक उदाहरण घेऊया, समजा की 'अ' आणि 'ब' ही दोन ठिकाणे आहेत ज्यांच्यामधील अंतर हे १०० मीटर आहे. आता समान बल लावल्यावर हे 'अ' ते 'ब' अंतर पूर्ण करण्यासाठी वेगवेगळ्या समान आकाराच्या चेंडूला वेग-वेगळा वेळ लागतो. तर हा प्रयोग समजवण्यासाठी आपण म्हणू की त्या चेंडूंचे वस्तुमान हे वेगवेगळे आहे, म्हणजेच आपण म्हणालो की वस्तुमान हे त्या चेंडूचा गुणधर्म आहे ज्याच्यामुळे आपण तो वेळेतील बदल पाहिला. अशाच प्रकारे आपण इलेक्ट्रॉन वर कुठलातरी एक प्रयोग केला जो समजावण्यासाठी आपण म्हणालो की फिरकी हा त्याचा गुणधर्म आहे.

पण जर एखाद्याने असे गृहीत धरले की तो इलेक्ट्रॉन खरच भौवरासारखा फिरतो आणि काही समीकरणे बनवून त्याच्या फिरकीचा वेग काढला तर? तर आपल्या लक्षात येईल की तो वेग इतका प्रचंड असेल की तो इलेक्ट्रॉन अस्तित्वातच राहणार नाही. तो वेग किती मोठा असेल ह्याची एक साधारण कल्पना द्यायची झाली तर, प्रकाशाच्या वेगापेक्षा अनेक पटीने मोठा असेल. पण असं आपण बघत नाही म्हणजे परत एकदा सिद्ध झाले की इलेक्ट्रॉन स्वतःभोवती फिरत नाही.

विज्ञानामध्ये आपण काही संकल्पनांचा अर्थ सांगताना; त्या संकल्पनेमधील विविध गोष्टी कशा पद्धतीने मोजू शकतो, त्या गोष्टी काय गुणधर्म दाखवतात ह्यावरून देखील सांगतो. उदाहरणार्थ ऊर्जेचा (energy) अर्थ आपण सांगतो की ऊर्जा म्हणजे कोणताही भौतिक बदल घडविण्याची अथवा कार्य करण्याची क्षमता होय. आत्ता ह्यात नक्की ऊर्जा म्हणजे काय हे आपण नाही सांगत पण त्याला कसं मोजू शकतो किंवा तो काय गुणधर्म दाखवतो ह्यावरून आपण ती संकल्पना समजावून सांगतो. त्याच प्रकारे आपण "इलेक्ट्रॉनची फिरकी" ही संकल्पना वर पाहिली तशाप्रकारे समजावून सांगतो. अनेक वेळा आपल्या लक्षात येते की शास्त्रज्ञ हे वैज्ञानिक संकल्पनांचे नामकरण करताना अशा प्रकारे करतात की सामान्य माणूस अनेकवेळा त्याचा भलताच अर्थ काढून विचाराच्या जाळ्यात अडकतो, ह्याचे उत्तम उदाहरण आज आपण पाहिलेच! आपल्या दैनंदिन जीवनातील गोष्टींसाठी आपण जे काही नियम बनवले आहेत ते सर्व नियम ह्या छोट्या आकाराच्या कणांविषयी अभ्यास करताना लागू होत नाही. आपल्याला त्या प्रकारचे नियम अजून शोधायचे आहेत. ते नियम शोधायची जबाबदारी कोणाची? आपल्या सर्वांची! आपल्यालाच ह्या सर्व गोष्टींचा शोध घ्यायचा आहे. चला तर मग विज्ञानाकडे झेप घेऊया.