തമോവസ്തു
ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ ചരിത്രം നോക്കിയാൽ ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആരംഭത്തിൽ നമ്മുടെ ഈ ലോകത്തെ ഏതാണ്ട് പൂർണ്ണമായും നമ്മൾ മനസ്സിലാക്കിക്കഴിഞ്ഞു എന്നൊരു ധാരണ പല ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കിടയിലും പരന്നിരുന്നു. ഐസക് ന്യൂട്ടൻ, ജെയിംസ് മാക്സ്വെൽ തുടങ്ങിയവരുടെ സിദ്ധാന്തങ്ങൾ അതുവരെയുള്ള എല്ലാ ഭൌതിക പ്രതിഭാസങ്ങളെയും ഭംഗിയായി വിശദീകരിച്ചിരുന്നു. ആ നിയമങ്ങൾക്കുണ്ടായിരുന്ന അജയ്യതയും അത്ഭുതകരമായ വിജയവും ആയിരുന്നു അതിന് പ്രധാനകാരണം. എന്നാൽ ഈ നിയമങ്ങൾക്ക് വഴങ്ങാത്ത ചില പ്രതിഭാസങ്ങളും ഉണ്ടായിരുന്നു. അവയിൽ ഏറ്റവും പ്രധാനി black body radiation ആയിരുന്നു. ബ്ലാക് ബോഡി എന്നാൽ കറുത്ത വസ്തു എന്നല്ല കേട്ടോ അർത്ഥം. ആ പേരിന്റെ സാങ്കേതികത പരമാവധി ഒഴിവാക്കി അതുകൊണ്ട് എന്താണ് ഉദ്ദേശിക്കുന്നത് എന്ൻ വളഞ്ഞ വഴിയിൽ പറയാം. ചൂടാകുന്ന വസ്തുവിൽ നിന്നും വികിരണം (radiation) പുറത്തുവരും എന്നറിയാമല്ലോ. ചൂടാക്കിയ ഒരു ഇസ്തിരിപ്പെട്ടിയുടെ അടുത്ത് കൈ കൊണ്ടുചെന്നാൽ അതിൽ തൊട്ടുനോക്കാതെ തന്നെ അതിന്റെ ചൂട് നമുക്കനുഭവപ്പെടുന്നത് അതിൽ നിന്നുള്ള റേഡിയേഷൻ നമ്മുടെ കൈയിൽ വന്ൻ തട്ടുന്നതുകൊണ്ടുകൂടിയാണ് (ചൂട് വായുവിലൂടെ convection വഴിയാണ് പ്രധാനമായും എത്തുന്നത്. റേഡിയേഷൻ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ അളവിലേ വരുന്നുള്ളൂ എങ്കിലും ആലോചിക്കാനുള്ള എളുപ്പത്തിന് ഈ ഉദാഹരണം ഉപയോഗിക്കാം). ഈ റേഡിയേഷൻ എങ്ങനെ ഉണ്ടാകുന്നു എന്നതിന് പണ്ടത്തെ ഭൌതികശാസ്ത്രം നല്കിയ വിശദീകരണം വസ്തുക്കളിലെ ആറ്റങ്ങളുടെയും തന്മാത്രകളുടെയും കമ്പനവുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തിയായിരുന്നു. നമ്മൾ ഒരു വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കുമ്പോൾ അതിലേക്ക് തുടർച്ചയായി ഊർജ്ജം പകർന്നുകൊടുക്കുകയാണ് എന്നറിയാമല്ലോ. അപ്പോൾ ഈ ഊർജ്ജം ഏതെങ്കിലും രീതിയിൽ ചെലവാക്കേണ്ട ആവശ്യമുണ്ട് അതിന്. ഈ ഊർജ്ജം ആഗിരണം ചെയ്ത് ആ വസ്തുവിലെ ആറ്റങ്ങളും തന്മാത്രകളും കമ്പനം (vibration) ചെയ്യാൻ തുടങ്ങും. ഈ വൈബ്രേഷൻ എന്നത് അതിലെ ചാർജുകൾ ത്വരണത്തിന് വിധേയമാകുന്നതിന് (accelerate ചെയ്യപ്പെടുന്നതിന്) തുല്യമാണല്ലോ. ജെയിംസ് ക്ലാർക് മാക്സ്വെൽ രൂപം നല്കിയ Maxwell's equations അനുസരിച്ച് ത്വരണ വിധേയമാകുന്ന ചാർജുകൾ വികിരണോർജ്ജം പുറത്തുവിടാൻ തുടങ്ങും. വികിരണമാണ് ചൂടാക്കപ്പെടുന്ന വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് 'ചൂട്' ആയും 'പ്രകാശം' ആയും പുറത്തുവരുന്നത് ഇതേ കാര്യം തിരിച്ചും സംഭവിക്കാം. ഒരു വസ്തുവിൽ റേഡിയേഷൻ വീഴുമ്പോ ആ വസ്തുവിലെ കണങ്ങൾ കമ്പനത്തിന് വിധേയമാകാം. റേഡിയേഷൻ എന്നത് അടിസ്ഥാനപരമായി ക്രമമായി മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് ആയതുകൊണ്ടാണ് ഈ ഫീൽഡിനാൽ ബാധിക്കപ്പെടുന്ന കണങ്ങൾ വൈബ്രെറ്റ് ചെയ്യുന്നത്. അങ്ങനെ വസ്തുവിലെ കണങ്ങളുടെ ശരാശരി ഗതികോർജ്ജം (kinetic energy) കൂടുന്നു. അങ്ങനെ ആ വസ്തു ചൂടാവുന്നു. റേഡിയേഷൻ വീഴുമ്പോ ചൂടാവുന്ന പ്രക്രിയയും ചൂടാവുന്ന വസ്തു റേഡിയേഷൻ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന പ്രക്രിയയും അടിസ്ഥാനപരമായി വിപരീതദിശകളിൽ നടക്കുന്ന ഒരേ പ്രക്രിയ ആണെന്ന് മനസ്സിലായല്ലോ. ഓരോ വസ്തുവിലും ഈ പ്രക്രിയ വ്യത്യസ്ത അളവിലാണ് നടക്കുന്നത്. ഗ്ലാസ്സ് പോലുള്ള വസ്തുക്കളിൽ ഈ റേഡിയേഷൻ-ചൂട് പിടിക്കൽ-റേഡിയേഷൻ ചക്രം അത്ര ഗണ്യമല്ല. അതുകൊണ്ടാണ് പ്രകാശം ഉൾപ്പെടെയുള്ള റേഡിയേഷനുകൾ അതിലൂടെ കടന്ൻ പോകുന്നത്. (ഇതേ കാരണം കൊണ്ടാണ് ഗ്ലാസ് നമ്മുടെ ജനാലകളിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്നത്. അല്ലായിരുന്നെങ്കിൽ ജനൽ ചൂടായി റേഡിയേഷൻ പുറത്തുവിട്ട് മുറിയും ചൂട് പിടിപ്പിച്ചേനെ). ലോഹങ്ങൾ പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ റേഡിയേഷൻ കടത്തിവിടുന്നതിന് പകരം പ്രതിഫലിപ്പിക്കുകയാണ് (reflect) ചെയ്യുന്നത്. അവയും വളരെ കുറച്ചു മാത്രമേ ആഗിരണം ചെയ്യാറുള്ളൂ. പക്ഷേ കരി പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ അവയിൽ വീഴുന്ന ഏതാണ്ട് മുഴുവൻ റേഡിയേഷനും ആഗിരണം ചെയ്യാൻ കഴിവുള്ളവയാണ്. അതുകൊണ്ട് കരി ഒരു ബ്ലാക് ബോഡി ആണെന്ൻ പറയാം. അതായത്, തന്നിലേക്ക് വീഴുന്ന എല്ലാ വികിരണങ്ങളെയും ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തുക്കളെയാണ് ബ്ലാക് ബോഡി എന്ൻ വിളിക്കുന്നത് (Footnote-2). ആഗിരണവും വികിരണവും അടിസ്ഥാനപരമായി ഒരേ പ്രക്രിയ ആയതിനാൽ നല്ല ആഗിരണശേഷി ഉള്ള വസ്തുവിന് അത്ര തന്നെ നല്ല വികിരണശേഷിയും ഉണ്ടാവും. സാധാരണഗതിയിൽ എല്ലാ വസ്തുക്കളും ഏറിയോ കുറഞ്ഞോ ഒരു ബ്ലാക് ബോഡിയുടെ സ്വഭാവം കാണിക്കുന്നുണ്ട്. ചൂടുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്നും വരുന്ന വികിരണങ്ങളെയാണ് ബ്ലാക് ബോഡി റേഡിയേഷൻ എന്ൻ വിളിക്കുന്നത്. ഈ പ്രതിഭാസത്തെക്കുറിച്ച് ഏറ്റവും ആദ്യം ശാസ്ത്രലോകം മനസ്സിലാക്കിയത് ബ്ലാക് ബോഡി റേഡിയേഷന്റെ ഊർജ്ജം അത് പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന വസ്തുവിന്റെ താപനിലയ്ക്ക് ആനുപാതികമായിരിക്കും എന്നാണ്. നമുക്ക് ഊഹിക്കാവുന്ന പോലെ, കൂടുതൽ ചൂടുള്ള വസ്തുക്കൾ കൂടുതൽ ഊർജ്ജം പുറപ്പെടുവിക്കും എന്നർത്ഥം. ഇതിനെ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് സൂചിപ്പിച്ചാൽ. E α T^4 അതായത് താപനില രണ്ടുമടങ്ങായാൽ പുറത്തുവരുന്ന ഊർജ്ജം 16 (2^4) മടങ്ങ് ആകും. ഇത് ബ്ലാക് ബോഡിയിൽ നിന്ൻ വരുന്ന മൊത്തം ഊർജ്ജത്തിന്റെ കാര്യമാണ് പറഞ്ഞത്. ഇനി ഈ വികിരണങ്ങളിൽ ഏതൊക്കെ wavelength ഉള്ള വികിരണങ്ങൾ ഉണ്ടെന്നും അവ ഓരോന്നും ഏതൊക്കെ അളവിൽ ഉണ്ടെന്നും പരിശോധിച്ചു നോക്കാം. ഒരു ഗ്രാഫിൽ നമ്മൾ x-axis ൽ wavelength എടുക്കുന്നു. എന്നിട്ട് ഒരു പ്രത്യേക താപനിലയിലുള്ള ഒരു ബ്ലാക് ബോഡിയിൽ നിന്ൻ വരുന്ന വികിരണങ്ങളിൽ ഓരോ wavelength-ഉം പ്രത്യേകം പരിശോധിച്ചു അവ ഓരോന്നും എത്രയെത്ര അളവിൽ ഉണ്ടെന്ന് y-axis ൽ അടയാളപ്പെടുത്തുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. താഴെ കാണുന്ന രൂപത്തിലുള്ള ഒരു curve ആണ് നമുക്ക് കിട്ടുക.