இந்த உலகில், முதன் முதலில் உருவாக்கப்பட்ட ரயிலின் வேகம், வெறும் 10 km/hr மட்டுமே ஆகும். ஆனால் தற்போது 600 km/hr வேகத்தில் செல்லக்கூடிய ரயில்களும் கண்டுபிடிக்கப்பட்டு விட்டன. ஒரே வினாடியில் 16 கிலோமீட்டர் தூரத்தைக் கடந்து செல்லக்கூடிய ராக்கெட்களும் உருவாக்கப்பட்டுவிட்டன.
இவ்வாறாக, அறிவியல் வளர வளர, அதிகப்படியான நிறை உள்ள பொருட்களை, அதிகப்படியான வேகங்களில் நாம் நகர்த்திக் கொண்டுதான் இருக்கிறோம். இருப்பினும், “எந்த ஒரு காலத்திலும் நம்மால் ஒளியின் வேகத்தை நெருங்கவே முடியாது” என்று ஐன்ஸ்டீன் உறுதியாகக் கூறியதற்குக் காரணம் என்ன? இந்தக் கேள்வி சிலருக்குத் தோன்றியிருக்க வாய்ப்புண்டு.
அதற்கு முதலில், ஆற்றல், நிலைமம் (inertia), உந்தம் போன்றவற்றைப் பற்றித் தெரிந்துகொள்ள வேண்டும். ஏனென்றால் இவைகள் தான், நாம் ஒளியின் வேகத்தில் பயணம் செய்ய முடியாமல் போவதற்குக் காரணமாக இருக்கின்றன. ஒளியின் வேகம் 3,00,000km/s ஆகும். அதாவது ஒரு வினாடியில் ஒளியானது மூன்று லட்சம் கிலோ மீட்டர் தொலைவைக் கடந்து விடும்.
ஆற்றல்:
இந்தப் பிரபஞ்சம் நிறையினாலும் ஆற்றலாலும் நிறைந்துள்ளது. ஒரு நிறை ஆற்றலாகவும், அல்லது ஆற்றல் நிறையாகவும் மாற்றப்படலாம் என்று, ஐன்ஸ்டீனின் E=MC² என்னும் சமன்பாடு கூறுகிறது. ஒரு கிராம் அளவிலான நீரை, நிறையிலிருந்து ஆற்றலாக மாற்றினால், 20,000 டன் TNT வெடிகுண்டுகளிலிருந்து வெளியேறும் ஆற்றல் உருவாக்கப்படும்!
இந்த ஆற்றலானது “நிலையாற்றல்” மற்றும் “இயக்க ஆற்றல்” எனும் இரண்டு வடிவங்களில் மட்டுமே உள்ளது.
10 மீட்டர் உயரம் உள்ள ஒரு கட்டிடத்தில், ஒரு மனிதர் நிற்பதாகக் கருதவும். இப்போது அவர் அங்கிருந்து விழுந்தால், பூமியின் ஈர்ப்பு முடுக்கமான, 9.8 m/s² என்னும் முடுக்கத்தில் (acceleration) கீழே விழுவதற்குத் தேவையான ஆற்றல், அவருள்ளே சேமிக்கப்பட்டுள்ளது.
இவ்வாறு, சேமிக்கப்பட்டுள்ள இந்த ஆற்றல் தான் நிலை ஆற்றல் (potential energy) என்று கூறப்படுகிறது. பூமியில் ஒரு பொருளின், நிலை ஆற்றலைக் கீழுள்ள சமன்பாட்டின் மூலம் கண்டுபிடிக்கலாம்.
Potential Energy = mgh
இங்கு m என்பது நிறையையும், g என்பது பூமியின் ஈர்ப்பு முடுக்கத்தையும், h என்பது, பூமியின் பரப்பிலிருந்து, அந்த நிறை உள்ள உயரத்தையும் குறிக்கிறது.
இப்போது அந்த மனிதர் அந்தக் கட்டிடத்திலிருந்து கீழே குதிக்கும் போது, அவர் உள்ளே சேமிக்கப்பட்டிருந்த நிலையாற்றலானது இயக்க ஆற்றலாக மாறிவிடுகிறது. ஏனென்றால் அவர் இயங்கத் தொடங்கிவிட்டாரல்லவா?
ஒரு பொருளின் இயக்க ஆற்றலானது, கீழுள்ள சமன்பாட்டின் மூலம் கண்டுபிடிக்கப்படுகிறது.
K.E= (1/2)mv²
இங்கு v என்பது ஏதேனும் ஒரு கணத்தில் ஒரு குறிப்பிட்ட நிறைய உடைய ஒரு பொருளின் திசைவேகம் ஆகும்.
நிலைமம்
ஒரு பொருளின் நிலைமம் என்பது, ஒரு சீரான இயக்கத்திலோ அல்லது நிலையாகவோ இருப்பதற்கு முயற்சி செய்யக் கூடிய, அந்தப் பொருளின் தன்மை ஆகும்.
(அல்லது)
ஒரு பொருள் தன்னை நிலையாக வைத்துக் கொள்ளவோ, அல்லது தன்னை ஒரு சீரான இயக்கத்தில் வைத்துக் கொள்ளவோ, எடுக்கக்கூடிய அதன் முயற்சியே நிலைமம் (Inertia) ஆகும்.
ஒரு பொம்மை மகிழுந்தை (car) எடுத்துக் கொள்வோம். அதனை நகர்த்துவது மிகவும் எளிதாக இருக்கும். ஏனென்றால் அதன் நிலைமத்தன்மை மிகவும் குறைவு. ஆனால் ஒரு உண்மையான மகிழுந்தை நகர்த்துவது மிகவும் சிரமமாக இருக்கும். ஏனென்றால், அதன் நிலைமத்தன்மை மிகவும் அதிகம்.
எனவே ஒரு பொருளின் நிறை அதிகரிக்க அதிகரிக்க அதன் நிலைமத் தன்மையும் அதிகரிக்கிறது என்பதை இங்கு புரிந்து கொள்ள முடிகிறது.
உந்தம்
அடுத்து நாம் பார்க்க இருப்பது உந்தம். (momentum). ஒரு பொருளின், சீரான இயக்கத்தைக் குறிப்பதற்குப் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு வகை காரணியே உந்தம் ஆகும். இது ஒரு பொருளின் நிறை மற்றும் திசைவேகம் ஆகியவற்றைப் பெருக்குவதனால் கிடைக்கிறது.
P=m×v
இங்கு p என்பது உந்தத்தையும் m என்பது அந்தப் பொருளின் நிறையையும், v என்பது திசைவேகத்தையும் குறிக்கிறது.
அதிகப்படியான உந்தத்தில் சென்றுகொண்டிருக்கும் ஒரு பொருள், மற்றொரு பொருளின் மீது மோதினால், அதனால் ஏற்படக்கூடிய விளைவு அதிகமாகவே இருக்கும்.
உந்தம், ஆற்றல், நிலைமம், போன்ற அனைத்தும், ஒரு பொருளின் நிறையுடன் நெருங்கிய தொடர்பில் உள்ளன என்பதை கவனிக்க வேண்டும்.
குறைவான வேகத்தில் சென்று கொண்டிருக்கும் ரயிலோ, அல்லது அதிகப்படியான வேகத்தில் சென்று கொண்டிருக்கும் ஒரு துப்பாக்கி தோட்டாவோ, இவை இரண்டும் அதிகப்படியான உந்தத்தையே கொண்டுள்ளன.
ஏனென்றால் ரயிலுக்கு நிறை அதிகம். ஆனால், திசைவேகம் குறைவாக இருக்கும். தோட்டாவிற்கு, நிறை குறைவாகவும் அதன் திசைவேகம் அதிகமாகவும் இருக்கும். இதனால் இவை இரண்டிற்கும் உந்தம் அதிகப்படியாகவே இருக்கும்.
இவை இரண்டும் ஒரு பொருளின் மீது மோதினால் ஏற்படும் விளைவும் அதிகமாகவே இருக்கும். ஏனென்றால் இவற்றின் உந்தம் அதிகம்.
எனவே, நிறையோ அல்லது திசை வேகமோ, இவை இரண்டில் ஏதேனும் ஒன்று அதிகரித்தால் கூட, நாம் முன்பு கூறியுள்ள சமன்பாட்டின் படி (P=mv) , ஒரு பொருளின் உந்தம் அதிகரிக்கும். இந்த சமன்பாட்டில், ஒரு பொருளின் ஓய்வு நிறையை மட்டுமே நாம் பயன்படுத்துகிறோம்.
ஆனால் இங்கே ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள், புதிதாக ஒரு கோட்பாட்டை முன் வைக்கிறார். அதாவது, “ஒரு பொருள் அதிகப்படியான வேகத்தில் சென்று கொண்டிருக்கும் போது, அந்தப் பொருளின் நிறை அதிகரிக்கிறது” என்கிறார்.
எனவே அதிகப்படியான திசைவேகத்தில் (ஒளியின் வேகத்திற்கு அருகில் ) சென்று கொண்டிருக்கக்கூடிய பொருள்களுக்கு, நாம் முன்பு கூறியிருந்த சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்த முடியாது! அதிகப்படியான வேகத்தில் சென்று கொண்டிருக்கும் பொருள்களின் உந்தத்தைக் குறிக்க, கீழுள்ள சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தலாம்.
இங்கே “γ” என்பது காமா காரணியாகும். அதிகப்படியான வேகத்தில் சென்று கொண்டிருக்கும்போது ஒரு பொருளின் நிறை அதிகரிப்பதால், இந்தக் காரணி பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஆனால் இந்த காரணி, ஒரு பொருள் ஒளியின் வேகத்தை நெருங்கும் போது மட்டுமே அதிகரிக்கிறது. மற்ற நேரங்களில் இதன் மதிப்பு 1 ஆகவே உள்ளது.
இந்த γ காரணியைக் கண்டுபிடிப்பதற்கு, கீழுள்ள சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தலாம்.
இங்கே v என்பது பொருளின் திசைவேகத்தையும் c என்பது, ஒளியின் வேகத்தையும் குறிக்கிறது.
ஒரு பொருளின் வேகம் அதிகரிக்கும் போது அதன் நிறை , எவ்வாறு அதிகரிக்கிறது?
இதற்கு நாம் குவாண்டம் அளவில் இறங்கிப் பார்க்க வேண்டும்.
ஒரு அணுவின் அணுக்கருவில், புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களும் பொதிந்துள்ளன என்பது நமக்குத் தெரிந்ததே. இந்தப் புரோட்டான்களின் உள்ளே, குவார்க்குகள் என்று அழைக்கப்படும் சிறு துகள்கள் உள்ளன. ஒவ்வொரு புரோட்டானின் உள்ளேயும் மூன்று குவார்க் துகள்கள் உள்ளன. அவற்றில் இரண்டு நேர் மின் தன்மை கொண்டதாகவும், மற்றொன்று எதிர் மின் தன்மை கொண்டதாகவும் இருக்கும். மேலும் இவை, புரோட்டானின் உள்ளே அதிகப்படியான வேகத்தில் இயங்கிக் கொண்டிருக்கின்றன.
இந்த மூன்று துகள்களின் ஓய்வு நிறையையும் கூட்டினால் 9.6 meV என்னும் மதிப்பு கிடைக்கிறது. ஆனால் இந்த மூன்று குவார்க் துகள்களை மட்டுமே தன்னில் கொண்டுள்ள, ப்ரோட்டானின் நிறையானது, 938.3 meV எனும் அளவில் உள்ளது!
இது எப்படி சாத்தியமாயிற்று என்று யோசிக்கும் போது தான், ஒரு பொருள் அதிவேக இயக்கத்தில் இருக்கும்போது அதன் நிறை அதிகரிக்கப்படலாம் என்ற முடிவுக்கு ஐன்ஸ்டீன் வருகிறார்.
இதற்கான காரணம், அந்தப் பொருளின் இயக்க ஆற்றல் மற்றும் நிலை ஆற்றல் போன்றவையே ஆகும்.
ஆனால் ஒளித்துகள்களுக்கு (photons) ஓய்வு நிறையே (rest mass) இல்லை. ஏனென்றால் ஒளித்துகள்கள் எப்போதும் ஓர் இடத்தில் நிற்பதில்லை.
மேலும், குவாண்டம் உலகில் ஒரு துகள்களின் ஓய்வு நிறையானது, அந்தத் துகள், higgs field எனும் புலத்துடன் எந்த அளவு வினைபுரிகிறதோ அதனைப் பொருத்தே கணக்கிடப்படுகிறது. ஆனால் ஒளித்துகள்கள் இந்தப் புலத்தின் வழியாகவே ஊடுருவிச் சென்று விடுகின்றன. மேலும் இந்த புலத்துடன் அவை வினைபுரிவதும் இல்லை. எனவே அவற்றிற்கு ஓய்வுநிறை இல்லை.
இதனால், ஒளியின் ஆற்றலை கண்டுபிடிக்க E=Mc² எனும் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்த முடியாது. ஏனென்றால் ஒளியின் ஓய்வு நிறை பூஜ்ஜியம் அல்லவா?
ஆனால் அதற்கு பதிலாக E=Pc எனும் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தலாம். இங்கே P என்பது ஒளியின் உந்தம் ஆகும். ஆனால் இந்த உந்தத்திற்கும் ஒளியின் நிறைக்கும் சம்பந்தமில்லை. இந்த உந்தத்திற்கான சமன்பாடு கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
P=hλ
இங்கே h என்பது பிளாங்க் மாறிலியையும், λ என்பது ஒளியின் அலை நீளத்தையும் குறிக்கிறது.
ஒளிக்கு ஓய்வு நிறை இல்லை. எனவே, அதற்கு நிலைமமும் இல்லை.
நிலைமம் அதிகமாக உள்ள பொருட்கள் மட்டுமே நகர்த்துவதற்குச் சிரமமாக இருக்கும். நிலைமம் இல்லாத ஒளித்துகளால், அதிகப்படியான வேகத்தில் செல்ல முடியும்.
நம்மால் ஏன் ஒளியின் வேகத்தில் பயணிக்க முடியாது?
அதற்கான எளிமையான பதில், “நமக்கு ஓய்வு நிறை உண்டு, ஆனால் ஒளிக்கு ஓய்வு நிறை இல்லை”.
நாம் முன்பே கூறியது போல், அதிவேக இயக்கத்தில் இருக்கும் ஒரு குறிப்பிட்ட நிறைய உடைய பொருளின் உந்தத்தைக் குறிப்பதற்கு, நாம் P=γmv எனும் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தலாம்.
ஆனால் ஒரு பொருள், ஒளியின் வேகத்தை அடையும்போது இந்த காமா காரணியின் (γ) மதிப்பு, முடிவற்றதாக (∞) உள்ளது. இதனைக் கீழே உள்ள படம் விளக்குகிறது.
எனவே ஒளியின் வேகத்தில் செல்லக்கூடிய ஒரு பொருளுக்கு, அதன் காமா காரணியின் மதிப்பு முடிவற்றதாக இருக்கும் போது, அதற்குத் தேவையான உந்தமும் முடிவற்ற அளவில் (infinite) இருக்க வேண்டும்தானே. இதேபோல் அந்தப் பொருளை நகர்த்துவதற்கு தேவையான ஆற்றலும் முடிவற்றதாக இருக்க வேண்டும் அல்லவா?
முடிவற்ற அளவில் (infinite) ஆற்றலை நம்மால் கண்டிப்பாக கொடுக்க முடியாது.
இதனால்தான், ஒளியின் வேகத்தை எந்தக் காலத்திலும், ஒரு குறிப்பிட்ட நிறைய உடைய பொருளினால், அடையவே முடியாது என்று ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் கூறுகிறார்.
ஆனால் கண்டிப்பாக, நம்மால் ஒளியின் வேகத்தை நெருங்க முடியும்.