ख्रिस्तपूर्व सहाव्या शतकात कणादमुनींनी वैशेषिक सूत्रात हे सारं जग अतिसूक्ष्म कणांपासून बनलं आहे आणि त्या कणांची पुढे विभागणी शक्य नाही, अशी कल्पना मांडली. अन्नाचा घास घेता घेता, आता याच्यापेक्षा बारीक बारीक असे कुठवर तुकडे करता येतील, असा विचार त्यांना सुचला आणि त्यातून त्यांनी अविभाज्य अशा अणुची कल्पना मांडली. कणादमुनींसारखीच बारीक बारीक कणांची कल्पना, डेमोक्रेटस या ग्रीक विचारवंतांनीही मांडली आहे. आज या विश्वाचा सर्वांत लहान घटक हा अणु (अॅटम) आहे असं आपण मानतो. कोणत्याही वस्तूच्या अविभाज्य अशा कणाला त्यांनीच ‘अॅटम’ हे नाव दिलं. ग्रीक भाषेत टॉमोस म्हणजे तोडणे. जो तोडता येत नाही, जो अतूट, तो अ-टॉमोस म्हणजे अॅटम! याशिवाय ही चराचर सृष्टी पंचमहाभूतांनी (पृथ्वी, आप(जल), तेज(अग्नी), वायू, आकाश) बनली आहे, अशीही कल्पना आहे. आपल्या प्रमाणेच चीनी आणि ग्रीक संस्कृतीतही याबद्दल काही कल्पना होत्या. त्यांच्याकडे ‘चार एलिमेंट्स’ मानली जातात. (पृथ्वी, पाणी, अग्नी आणि हवा.)
खरंच, असं जर आपण एखादी गोष्ट बारीक बारीक करत गेलो, तर कुठवर जाता येईल? विश्वाचा सर्वांत लहान घटक कोणता? हे विश्व बनलंय तरी कशाचं?
प्राथमिक उत्तर आहे, हे विश्व बनलंय अणूंच. सोन्याचा अणु हा सोन्याचा सर्वांत छोटा तुकडा. हा पुढे विभागला तर आता त्यात सोन्याचे गुणधर्म राहणार नाहीत. जी गोष्ट सोन्याची तीच लोहाची आणि इतरही मूलद्रव्यांची.
एकाच प्रकारच्या अणुंनी बनलेल्या पदार्थांना मूलद्रव्ये म्हणतात. लोह, तांबं, सोनं, चांदी यासारखे धातू; ऑक्सिजन, हायड्रोजन, नायट्रोजन यासारखे वायू ही मूलद्रव्ये आहेत. मॉलीब्डीनम् हे अगदी दुर्मिळ मूलद्रव्य आहे. इतकं की कदाचित तुम्ही हे नावही ऐकलं नसेल. पण ते दुर्मिळ आहे इहलोकी, पृथ्वीवर. विश्वात इतरत्र ते विपुल प्रमाणात आढळतं. (असं कसं ते आठव्या प्रकरणात येईल.) अशी सुमारे 100 मूलद्रव्ये आहेत. पैकी निसर्गतः 90 आढळतात. बाकीची अगदी अल्प प्रमाणात, निव्वळ कृत्रिमरित्या निर्माण केलेली आहेत.
एकापेक्षा अधिक अणु एकत्र येऊन रेणु बनतात. रेणुतील हे अणु एकाच मूलद्रव्याचे असतील वा अनेक विविध मूलद्रव्यांचेही असू शकतील.
दोन (किंवा अधिक) वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांच्या अणुपासून जो रेणु बनतो, याला संयुग म्हणतात. उदाः पाणी. पाण्याचा प्रत्येक रेणु हा ऑक्सीजनचा एक अणु आणि हायड्रोजनचे दोन अणु यांच्या संयुक्त विद्यमाने’ बनलेला आहे. ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन या मूलद्रव्यांपासून बनलेले पाणी हे संयुग आहे. पाण्याला म्हणतात H2O. हे आहे पाण्याचं रासायनिक सूत्र. हायड्रोजनचे दोन अणु आणि ऑक्सिजनचा एक अणु, असे मिळून पाण्याचा एक रेणु बनतो, असा याचा अर्थ. आणखीही तर्हेतर्हेचे अणु-रेणु एकत्र येऊन संयुगे बनतात. आपल्या आसपास एकाच मूलद्रव्यांपेक्षा, अनेक मूलद्रव्यांपासून बनलेले, संयुगांनी बनलेले, पदार्थ जास्त आढळतात. फळांतली साखर (Fructose), प्राण्यांची नखं (Keratin), अंड्याचा बलक (lbumin) म्हणजे विविध संयुगेच असतात. काही रेणु अगदी साधेसेच असतात. पाण्याचंच पाहाना. निव्वळ तीन अणुंपासून हा रेणु बनला आहे. आपल्या शरीरात असलेले काही रेणु मात्र हजारो अणुंनी बनलेले असतात. या अणुंची, एक विशिष्ट अशी गुंतागुंतीची, त्रिमिती रचना साधलेली असते. ही रचना आणि त्यातील घटक अणु मिळून, एक विशिष्ट संयुग बनतं. त्याला त्याचे असे खास गुणधर्म प्राप्त होतात.
रेणु हा दोन सारख्या अणुंपासूनही बनू शकतो. उदाः हायड्रोजनचा रेणु. हा हायड्रोजनच्याच दोन अणुंनी बनलेला आहे. एखाद्या रेणुतील अणु, जरी एकाच मूलद्रव्याचे असले तरी त्या रेणुत ते अणु जोडी जोडीनी आहेत, का अणुंचं त्रिकुट आहे, का चौकडी यावरही त्या रेणुचे गुणधर्म ठरतात. ऑक्सिजचंच घ्या ना. एरव्ही हा वायू म्हणजे अणुच्या जोड्या-जोड्या. अणु-जोडगळीच्या ऐवजी अणु-त्रिकुट असेल तर हा वायू ऑक्सिजन न राहता ओझोन म्हणवला जातो. हाच तो बहुचर्चित, पर्यावरणफेम ओझोन. अणु जरी ऑक्सिजनचे असले तरी ते एकटे असताना वेगळे वागतात, दुक्कलीनी वेगळे आणि त्रिकुट बनवलं की आणखी वेगळे.
ओझोन हा एरव्ही हुंगला तर घातक आहे. पण वातावरणाच्या अगदी वरच्या थरात असेल, तर हा पृथ्वीवर येणारी अतिनिल किरणे थोपवून धरतो. अतिनिल किरणांच्या उन्हापासून आपल्याला सावली देणारी ओझोनची छत्रीच धरलेली असते म्हणा ना. दक्षिण गोलार्धात या ओझोनच्या छत्रीचा थर फाटला आहे. त्यामुळे ऑस्ट्रेलियात सूर्यस्नान करणं हे धोक्याचं आहे. तिथे अतिनिल किरणांचा मारा खूप खूप जास्त आहे. जिथे आभाळ फाटलं तिथे ठिगळ कुठवर लावणार?
स्फटिक : अणु रेणुंची कवायत
हिरा हा कार्बनचा एक प्रचंड मोठा स्फटिक असतो. निव्वळ कार्बनला कार्बन जोडून बनलेला महाकाय रेणु. यात कार्बनचे कोट्यवधी अणु विशिष्ट पद्धतीने रचलेले असतात. सैनिकी संचलन असावं तशी ही खांद्याला खांदा लावून, प्रमाणबद्ध, शिस्तबद्ध रचना; शिवाय इथे हे संचलन त्रिमितीत आहे, हे लक्षात असू द्यावे. माशांचा थवा जसा तसे हे. पण इथे अगदी छोट्यात छोट्या हिर्यातही जगातले सारे मासे, अधिक सारी माणसं जमेस धरली, तरी त्याहून अधिक अणु असतात.
पण अणु खांद्याला खांदा लावून’ खडे आहेत, हेही वर्णन तितकंसं बरोबर नाही. हिर्यातले किंवा कुठल्याही पदार्थातले अणु हे एकमेकाला अगदी खेटून खेटून असल्याचं यातून ध्वनित होतं. हे सोल्जर खांद्याला खांदा लावून उभे नाहीत. काही ठराविक अंतरावरच त्यांना उभं राहावं लागतं. मधे बरीच जागा मोकळी असते. हिरा हा अर्थात घन पदार्थ आहे पण तरीही त्यात मोकळी जागाच अधिक आहे! प्रत्यक्षात घन पदार्थ म्हणजे बरीचशी मोकळी जागाच असते! आश्चर्य वाटलं ना? नंतर आपण हे समजावून घेऊया.
स्फटिकांत सगळेच अणु सैनिकी कवायत करत असतात. त्यामुळे स्फटिकांना आकार प्राप्त होतो. ‘स्फटिक’चा अर्थच मुळी हा. काही अणु-सैनिक वेगवेगळ्या प्रकारे कवायत करू शकतात. कार्बनचंच बघा ना! कार्बनचे अणु वेगवेगळ्या तर्हांनी कवायत करू शकतात. त्यामुळे त्यांना अगदी भिन्न भिन्न गुणधर्म प्राप्त होतात. कठीण असा हिरा म्हणजेही शुद्ध कार्बनच आणि वंगण म्हणून वापरलं जातं, अशा मऊ, मुलायम ग्राफाईटही शुद्ध कार्बनच. ही सारी त्यांच्या स्फटिक रचनेची कमाल.
स्फटिक म्हणजे अणुंची अतिशय शिस्तबद्ध अशी रचना असते. स्फटीक म्हणताच आपल्या डोळ्यापुढे येतात, स्वच्छ, सुंदर, पारदर्शक खडे. स्वच्छ, निवळशंख, पारदर्शक पाण्याचं वर्णनही आपण स्फटिकासारखं स्वच्छ असं करतो. वास्तविक पाहता बहुतेक घनपदार्थ हे स्फटिकरूपीच असतात आणि पारदर्शक नसतात. लोखंडही स्फटिकरुपीच असतं. हिर्या सारखीच याच्याही अणुंची विशिष्ट रचना असते. शिसं, अॅल्युमिनियम, सोनं, तांबं हेही सारे स्फटिकच. यांचेही अणु एका विशिष्ट पद्धतीने रचलेले आहेत. याच रचनेची आवर्तनं या पदार्थात दिसतात. ग्रॅनाईट किंवा वालुकाश्म (डरपवीीेंपश) हे खडकही स्फटिकच आहेत. पण यात एकाच एका प्रकारचे नाही तर अनेक प्रकारचे स्फटिक आढळतात. स्फटिकांची गिचमिड असते अगदी.
वाळूतही स्फटिकं असतात. वार्याने, उन्हापावसाने खडक झिजतात. वाळू म्हणजे खडकांचा भुगा. तेव्हा तीही स्फटिकरूपच असते. माती म्हणजे वाळूचा भुगा. माती, चिखल, दलदल, गाळ यातही स्फटिकं असतात. समुद्राच्या, नदीच्या, तळ्याच्या तळाशी, वाळूचे, मातीचे, गाळाचे थरच्या थर साठतात. वरच्या दाबाने जाम घट्ट होतात. इतके की पुन्हा खडक होतात त्यांचे. हेच ते स्तरीय खडक. या वालुकाश्मात (Sandstone) मुखत्वे क्वार्ट्झ आणि फेल्डस्पार हे स्फटिक असतात. पृथ्वीच्या कवचात हे दोन्ही स्फटिक मोठया प्रमाणावर आहेत. चुनखडीचा खडक हाही एक प्रकारचा स्तरीय खडक आहे. हा कॅल्शियम कार्बोनेटने बनलेला असतो. प्रवाळ, शंख, शिंपले यांचा लाटांमुळे कीस पडतो. त्याचे थरावर थर साठून चुनखडीचा खडक बनतो. पुळणीवर जी पांढरी वाळू असते, तीही अशीच तयार झालेली असते. प्रवाळ, शंख, शिंपले म्हणजे मुख्यत्वे कॅल्शियम कार्बोनेट. यांचा लाटांनी पाडलेला कीस म्हणजे समुद्रकिनारीची पांढरी वाळू.
काही स्फटिकं निव्वळ एकाच प्रकारच्या अणुंचे असतात. उदाः शुद्ध सोन्यात फक्त सोन्याचे किंवा हिर्यात फक्त कार्बनचे अणु शिस्तीत उभे असतात. पण एकाहून अधिक प्रकारचे अणु असणारे स्फटिकही असू शकतात. मिठाचा स्फटिक हा सोडियम आणि क्लोरिन या दोन अणुंच्या रचनेने सिद्ध झाला आहे. इथे ‘अणु’ म्हणण्यापेक्षा त्यांना आयन’ म्हणणं योग्य आहे. पण या बारकाव्यात आत्ता नको शिरायला. मीठ म्हणजे सोडियम क्लोराईड (NaCl). हे संयुग आहे. सोडियम आणि क्लोरिन या दोन मूलद्रव्यांचं बनलेलं संयुग. प्रत्येक सोडियमला क्लोरिनच्या सहा अणुंचा काटकोनात शेजार लाभला आहे. पुढे, मागे, दोन्ही बाजूला, वर आणि खाली. आणि प्रत्येक क्लोरिनच्या अणुलाही असाच सोडियमच्या अणुंचा शेजार आहे. एकसमान चौकोनी – चौकोनी ठोकळ्यांनी बनलेली ही मोठी इमारतच जणू. भिंगातून मिठाच्या दाण्याकडे पाहिलंत तर तुम्हाला हे दाणे बरोब्बर चौकोनी ठोकळ्यांसारखेच दिसतील. खडकात, वाळूत, मातीत असे अनेक प्रकार-प्रकारचे स्फटिक आहेत. विविध अणु, विविध रेणु, त्यांचे विविध आकार आणि यायोगे त्यांचे विविध गुणधर्म.
घन, वायू आणि द्रवरूप पदार्थ आणि त्यातील रेणू. घनरूप पदार्थ असतात, तसेच वायुरूप आणि द्रवरूप पदार्थही असतात. वायूतील अणु/रेणु हे इकडे-तिकडे सैरावैरा पळत असतात. म्हणून तर कारखान्याच्या मळीचा वास मैलोन्मैल पसरतो आणि कोपर्यातल्या उदबत्तीचा सुवास खोलीभर दरवळतो. वायूतील अणु/रेणु अगदी सरळ रेषेत इकडे – तिकडे धावत असतात. समोरून कुणी आला तरी साईड देणे वगैरे भानगड नाही. सरळ रेषेतच जायचं म्हटलं की लवकरच त्यांची दुसर्या अणुशी टक्कर होते किंवा ज्या काचपात्रात हा वायू आहे, त्याच्या बाजूवर हे आदळतात. कॅरमच्या सोंगट्यांसारखे हे जिथे तिथे धडकून परत फिरतात. पुन्हा आपला सरळ रेषेत प्रवास सुरू.
वायूवर दाब देऊन ते चेपता येतात. घनपदार्थ असे चेपले जात नाहीत. एखाद्या इंजेक्शनच्या सीरिंजचं तोंड बोटांनी दाबून मागून दटट्या दाबला की आतली हवा दाबली गेल्याचं स्पष्ट जाणवतं. ठराविक प्रमाणापेक्षा जास्त पुढे दाबलाही जात नाही. दाबलेला दट्ट्या पुन्हा मागे उसळतो. यालाच दाब किंवा प्रेशर म्हणतात. दाब म्हणजे हवेचे सीरिंजमधले रेणु (हवेचे म्हणजे नायट्रोजन, ऑक्सिजन आणि काही वायू या हवेतील वायूंचे रेणू) जे त्या दट्टयावर आणि सीरिंजवर आपटताहेत त्यांची एकत्रित शक्ती. प्रेशर वाढत म्हणजे ही आद्लाप्त वाढते. दट्ट्या दाबला की नळीतील हवा आणखी-आणखी कमी जागेत चेपली जाते. दाब/प्रेशर/ आदळआपट वाढते. दट्ट्या अजिबात न हलवता समजा सीरिंज मधली हवा तापवली तरी आतल्या अणु-रेणुंची हालचाल वाढेल, प्रेशर वाढेल. आतलं प्रेशर वाढलं की दट्ट्या बाहेर ढकलला जाईल.
द्रव पदार्थ जवळजवळ हवेसारखेच असतात. वारा वाहतो तसं पाणीही वाहतं. पण द्रव पदार्थातील रेणु हे वायूतील रेणुंपेक्षा एकमेकांच्या खूप खूप जवळ असतात, धरून असतात एकमेकाला. वायूचं तसं नाही. वायू एखाद्या टाकीत भरला, तर तो ती सर्व टाकी समप्रमाणात व्यापून टाकेल. अगदी थोडा वायू जरी टाकीत सोडला, तरी तो टाकी पूर्ण व्यापेल. जे टाकीचं घनफळ, तेच वायूचं घनफळ. द्रवांचं असं नाही. पाणी समजा टाकीत सोडलं तर ते तळाशी बसेल. त्याच्या घनफळाइतकीच जागा ते व्यापेल. पाण्याचं घनफळ ठरलेलं, टाकीचा आकार कसाही असो. वायूचं असं नाही. वायू तुझं घनफळ केवढं? जेवढी टाकी असेल तेवढं!
द्रवात अणु-रेणु अगदी जवळजवळ आले तरी घन पदार्थात ते यापेक्षाही खूप-खूप जवळ असतात. द्रवात हे एकमेकांवरून सहज घसरून वाहत जातात. पाणी वाहतं, पेट्रोल वाहतं, तसं घन पदार्थांचं नाही. विटा, दागिने वाहत नाहीत! यांचा आकार ठरलेला, तो बदलत नाही. पण घनपदार्थ दिसायला स्थिर दिसले तरी सूक्ष्म पातळीवर त्यांच्या रेणुंमध्ये सतत हालचाल चालू असते. पण ही निव्वळ थरथर असते. ते स्वतःची जागा सोडून लांब जात नाहीत. रांग मोडत नाहीत. तापमान वाढलं की ही थरथर वाढते. आणखी वाढलं की हालचाल सुरू होते, वाढत जाते. आता कवायत मोडते. हे तर आपण नेहमी बघतो तेच आहे. तापमान वाढलं की बर्फाचं होतं पाणी. आणखी वाढलं की पाण्याची होते वाफ.
काही द्रव पदार्थ अगदी घट्ट असतात. मधासारखे किंवा घट्ट ऑईलसारखे. हे वाहतात; पण महासंथपणे. हे टाकीत सोडले तर तळाशी समपातळीत पसरतील पण अगदी संथपणे. खूप वेळाने. काही तर ‘घन’ म्हणावेत इतक्या हळू हलतात. स्फटिकरचना नसलेले हे दुर्मिळ ‘घन’पदार्थ.
घन, द्रव आणि वायू ही पदार्थांची रूपे आहेत. आपल्या आसपास विविध पदार्थ विविध रूपात दिसतात. काही तर तिन्ही रुपात दिसतात. पदार्थांचं रूप मुख्यत्वे तापमानावर आणि दाबावर अवलंबून असतं. पृथ्वीवर मिथेन (गोबरगॅस) हा वायुरूप आहे. पण शनीच्या टायटन नामे उपग्रहावर इतकी थंडी आहे की हा गॅस तिथे द्रवरूपात आहे. गोबरगॅसचे समुद्र आहेत तिथे. आणखी थंड ग्रहावर गोबरगॅसचे खडक असणंही शक्य आहे. पारा हा आपल्याला द्रव म्हणून माहीत आहे. पण टुंड्रा प्रदेशाच्या थंडीत पार्याचा दगड व्हायला वेळ लागणार नाही. घनरूप लोखंड तापवलं तर त्याचा रस होतो. पुरेशी उष्णता दिली तर त्याची वाफही होईल. पृथ्वीच्या पोटात खोल खोल इतकं उच्च तापमान आहे की तिथे लोहाचा (आणि निकेलचा) रसच आहे. कुणी सांगावं, एखादा अतितप्त ग्रह असेलसुद्धा. त्याच्यावर लोखंडाच्या रसाचे सागर उसळत असतील आणि यात सुखेनैव पोहणारे काही जीवही असतील.
अणुच्या अंतरंगात
कोणताही पदार्थ कापत-कापत गेलं, तर त्याचा सर्वांत छोटा तुकडा म्हणजे त्याचा अणु किंवा रेणु. कोणत्याही मूलद्रव्याचा सर्वांत छोटा कण म्हणजे अणु. कोणत्याही संयुगाचा सर्वात छोटा कण म्हणजे रेणु. इथून पुढे तुकडा पाडला की मूळ पदार्थ शिल्लक राहत नाही, काहीतरी वेगळंच रूप तयार होतं. पण अणु खरंच अविभाज्य आहे का? आणि सोन्याचा अणू खरंच सोन्यासारखा दिसतो का? नाही. तो खरं तर कशा सारखाच दिसत नाही. मुळात तो दिसतच नाही. अगदी इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप खालीही नाही आणि अणु अविभाज्य नाही. तो तोडता येतो. न्यूझीलँडच्या अर्नेस्ट रदरफर्डनी 1919 सालीच हे करून दाखवलंय. पण मग तो मूळ मूलद्रव्याचा अणु राहत नाही. शिवाय हे फार अवघड आहे. यातून प्रचंड ऊर्जा बाहेर पडते. अणुबॉम्बने माजवलेला हाहाकार आपल्याला माहीतच आहे.
दिसत जरी नसला तरी अणुचं अंतरंग कसं आहे हे आपल्याला आता माहीत झालं आहे. पहिल्या प्रकरणात आपण पाहिलं की एखादी गोष्ट थेट दिसत नसली तरी शास्त्रज्ञ अशा गोष्टींच्या रचनेबद्दल काही अंदाज बांधतात. काही मॉडेल बनवतात. अणुचं मॉडेलही असंच, आत काय बरं असेल, कसं बरं असेल, याचा अंदाज आहे. पण म्हणजे अंदाजपंचे काहीपण ठोकून दिलेलं आहे, असं नाही हं. याची परीक्षा केली जाते. या मॉडेलच्या आधारे निरीक्षणं आणि आडाखे तपासले जातात. जर हे मॉडेल बरोबर असेल तर हे हे घडेल, हे हे दिसेल, हे हे होईल, अशी उत्तरं काढली जातात. मग ते ते घडतं का, ते ते दिसतं का, ते ते खरोखरच होतं का; हे पडताळून पाहिलं जातं. आजवर तरी सारं काही अणुच्या ताज्या मॉडेलमध्ये फिट्ट बसणारं आहे. अनेक प्रयोग झाले, अनेक तपासण्या झाल्या, उलटतपासण्या झाल्या. या मॉडेलनी या सार्याला समर्थपणे तोंड दिलं आहे. सार्या परीक्षणाला ते उतरलंय. म्हणून हा अंदाज ग्राह्य मानला जातोय. निदान सध्यापुरता.
उद्या या मॉडेलद्वारे समजावून घेता येणार नाही, असं काहीतरी आढळू शकेल. पूर्वीही जेव्हा जेव्हा असं आढळलेलं आहे, त्या त्या वेळी मॉडेलमध्ये सुधारणा करण्यात आल्या आहेत. पुढेही होत राहतील… किंवा हे मॉडेल सर्वस्वी बाद ठरवून नवीनच काहीतरी रचना कल्पावी लागेल. पुन्हा तपासावी लागेल. हे पुनरपि मॉडेलम्, पुनरपि मॉडेलम्, पुनरपि सुधारणा पुनरपि मॉडेलम्; हेच विज्ञानाचं तत्त्व आहे, हीच ती वैज्ञानिक पद्धत. विज्ञान सर्वज्ञतेचा दावा करत नाही. आजचं मॉडेल हे काही अंतिम सत्य नाही. सध्याच्या ज्ञानावर आधारित, सत्याच्या अधिकाधिक निकट पोचण्याचा तो एक प्रयत्न आहे. विज्ञानाची भूमिका, अशी अत्यंत विनम्र आहे. कोणत्याही भन्नाट कविकल्पनेपेक्षा, कोणत्याही सुरस आणि चमत्कारिक लोककथेपेक्षा, कोणत्याही धर्मग्रंथातल्या कोणत्याही तथाकथित अपौरुषेय ज्ञानापेक्षा, आपल्या सृष्टीचं यथातथ्य ज्ञान आणि सृष्टीचा कार्यकारणभाव समजावून घ्यायला, हीच पद्धत सर्वांत उपयुक्त ठरली आहे.
एकोणिसाव्या शतकाअखेरीस जे. जे. थॉमसन् या ब्रिटीश शास्त्रज्ञानी सुचवलेलं अणुचं मॉडेल हे योग्य समजलं जात होतं. आता हे बाद ठरलं आहे, तेव्हा त्याची चर्चा इथे नको. थॉमसन् यांचाच विद्यार्थी, अर्नेस्ट रदरफर्ड यांनी, गुरुजींचं मॉडेल बाद ठरवत, नवंच मॉडेल मांडलं. (अणुच्या विभाजनाचीही किमया यांचीच आणि जे. जे. थॉमसननंतर केंब्रीजमध्ये फिजिक्सचं प्राध्यापकपदही याच रदरफर्डनी भूषवलं.) थॉमसन् यांच्या मॉडेलमधील बर्याच त्रुटी त्यांच्या या शिष्योत्तमांनी दूर केल्या. रदरफर्डनी अणुची रचना ही मधोमध केंद्र आणि त्याभोवती फिरणारे इलेक्ट्रॉन, अशी कल्पिली. आपल्या सूर्यमालेसारखंच हे. प्रचंड मोठ्ठा सूर्य आणि त्याच्या भोवती आपाआपल्या कक्षेत फिरणारे, सूर्याच्या मानाने कस्पटासमान असे ग्रह. पण ‘कक्षा’ म्हणजे चित्रात दाखवतात तशी काहीतरी गोल रेघ आहे आणि त्यानुसार हे इलेक्ट्रॉन फिरत असतात, असा तुमचा समज असेल, तर तो मात्र गैर आहे. इलेक्ट्रॉन म्हणजे पृथ्वी, मंगळ वगैरे ग्रहांसारखी एखादी वजनदार वस्तू नाही. हे लक्षात घेऊन, रदरफर्ड यांचा शिष्य, नील्स भोर यांनी गुरुजींच्या मॉडेलमध्ये आणखी सुधारणा केल्या. सध्याची आपली अणुकल्पना ही अशी रदरफर्ड-भोर यांनी मांडलेली कल्पना आहे.
या मॉडेलनुसार दोन शेजारी अणुंमध्ये प्रचंड मोकळी पोकळी असते. घनपदार्थ म्हणजे बरीच मोकळी जागा, असं मी म्हटलं होतं. हिरा म्हणजे शिस्तीत संचलन करणारे सैनिक हे आपण पाहिलं. अगदी हिर्यासारख्या सर्वांत कठीण, सर्वांत घट्ट, पदार्थातही दोन अणुकेंद्रांमध्ये प्रचंड अंतर असतं. प्रचंड म्हणजे किती प्रचंड? याचा अंदाज येण्यासाठी आपण या त्या हिर्याच्या अणुंना आपल्या परिचित वस्तूच्या मापात बसवून पाहू. कल्पना करा, की हिर्यातल्या कार्बनच्या एका अणुचं केंद्र हे एखाद्या फुटबॉल एवढे आहे; तर शेजारचा फुटबॉल, हा साधारण 15 कि.मी.वर असेल! …आणि ह्या केंद्राभोवती घिरट्या घालणारे इलेक्ट्रॉन हे चिलटाएवढे असतील. फुटबॉलभोवती काही किलोमीटरवर घिरट्या घालत असतील. बाकी अधेमधे काहीच नाही. नुसती मोकळी जागा. थोडक्यात, सर्वांत कठीण म्हणवला जाणारा हिरा, हा बडा घर पोकळ वासा असतो तर!
हिरा म्हणजे बरीचशी मोकळी जागा, खडक म्हणजे बरीचशी मोकळी जागा. लाकूड म्हणजे बरीचशी मोकळी जागा. तुम्ही, मी, आपण म्हणजेही बरीचशी मोकळी जागा. घन वस्तूंत अणु-रेणु हे एकमेकांजवळ असतात, पण ‘जवळ’चा फिजिक्समधला अर्थ हा आहे. अणु म्हणजे बरीचशी मोकळी जागा. त्यामुळे हे चित्र मोठं केलं की दिसतात, 15 किलोमीटरवर फुटबॉल आणि मधे काही चिलटं!
असं कसं? चांगला घट्टमुट्ट, कडक खडक हा आतून असा पोकळ कसा? बसल्यावर त्याचा भुगा नाही का होणार? पत्त्याच्या बंगल्यासारखा कोसळेल की तो. इतका पोकळ असेल खडक तर त्याच्या आरपार दिसलंही पाहिजे. इतकंच काय, आरपार जाताही आलं पाहिजे, नाही का? मीही पोकळ आणि भिंतही पोकळ, या न्यायाने भिंतीच्याही आरपार जाता आलं पाहिजे. मग खडक इतके कडक का? आणि आपण आणि ते सरळ एकमेकांत मिसळून एकजीव का नाही होत?
आपल्या दृष्टीनं घन म्हणजे केवळ केंद्र आणि इलेक्ट्रॉन (फुटबॉल आणि चिलटं), एवढंच असतं. यांना बांधून ठेवणारी अनेक बलं, बंध, शक्तिक्षेत्र (Forces, Bonds, Fields,) काम करत असतात. यामुळे दोन अणुंच्या केंद्रात (दोन फुटबॉलमध्ये) अंतर राखलं जातं आणि त्या केंद्राचे घटक, प्रोटॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स, एकत्र ठेवले जातात. वस्तू ‘घन’ बनते ती या, बलं, बंध आणि शक्तिक्षेत्रांमुळे. त्यामुळे अणुच्या सूक्ष्म पातळीवर विचार करता, भरीव भाग (Matter) आणि रिकामी जागा, या शब्दांना विशेष अर्थ उरत नाही. केंद्र फुटबॉलसारखं आणि पुन्हा, 15 कि.मी. पुढच्या फुटबॉलपर्यंत मधे रिकामी जागा, हे वर्णन तसं गैरलागू आहे. या फुटबॉलांच्या मधेमधे निरनिराळ्या बलांची, बंधांची आणि शक्तिक्षेत्रांची बलवान भिंत आहे. घन म्हणजे ज्याच्यातून चालता येत नाही, असा पदार्थ, अशी व्याख्या करायला हवी. भिंतीतून आरपार जाता येत नाही. कारण तिच्यातल्या अणु-रेणुतील सगळ्या अणुघटकांना जागच्या जागी ठेवणारे निरनिराळे बंध, निरनिराळी बलं, निरनिराळी शक्तिक्षेत्र. याला म्हणायचं ‘घन’.
द्रव म्हणजेही असंच काहीतरी. पण आता हे बंध अगदी सैल असतील. हे अणु-रेणु एकमेकांवरून सहज सरकणार. तुम्हाला त्याच्यातून चालता येणार. अर्थात, हवेत तुम्ही चालूच काय, पळूही शकता. पाण्यात मात्र हालचाल धीम्या गतीनेच होते. खूप शक्तीही लागते. समुद्रकिनारी फिरणं सोपं, समुद्रात अवघड. हवेचे रेणु हे अगदी सहज इकडे-तिकडे होतात. अर्थात सगळ्याच हवेच्या कणांनी एकच दिशा धरली, म्हणजे जोरात वारा आला; आणि तोही विरुद्ध दिशेने, तर मात्र चालणंही मुश्कील. वादळ आलं की आणखी अवघड.
घनपदार्थातून आपण आरपार नाही जाऊ शकत. पण फोटॉनसारखे काही अतिसूक्ष्म कण, जाऊ शकतात. प्रकाश म्हणजे फोटॉनची लांबच लांब वाहती मालिका. हे फोटॉन काही प्रकारच्या घन वस्तूतून आरपार जातात. उदाहरणार्थ काच. या वस्तूंना आपण पारदर्शक म्हणतो. या पारदर्शक काचेतील, द्रवातील किंवा हिर्यातील फुटबॉलांची रचना अशी असते की फोटॉन त्यामधून सहज आरपार जातात. थोडा वेग मंदावतो त्यांचा, आपला पाण्यातून चालताना मंदावतो तसा. जरा आहिस्ते कदम जातात ते.
क्वॉर्टझसारखे काही स्फटिक वगळता, खडक अपारदर्शक असतात. त्यातून फोटोन आरपार जाऊ शकत नाहीत. खडकांमध्ये फोटॉन शोषले तरी जातात किंवा त्यावरून परावर्तित तरी होतात, आरपार नाही जात. काही अपारदर्शक, घनपदार्थ अगदी सरळ रेषेत फोटॉन परावर्तित करतात. अशांना आपण आरसा म्हणतो. काही अपारदर्शक, घनपदार्थ थोडे फोटॉन परावर्तित करतात; पण आरशासारखे सरळ रेषेत नाही. इकडे तिकडे चोहीकडे, कसेही, वेडेवाकडे. घनपदार्थांचे हे गुणधर्म त्यांच्या रंगावर अवलंबून असतात. किंवा खरंतर त्यांचे रंग, हे त्यांच्या या गुणांवर अवलंबून असतात. पदार्थांचा रंग हे ते कोणत्या रंगाचे फोटॉन परावर्तित करतात आणि कोणते शोषून घेतात, यावर अवलंबून असतो. पुढे सातव्या प्रकरणात आपण इंद्रधनुष्याबद्दल बोलणार आहोत, तेव्हा याबद्दल मी आणखी काही सांगेन. तोवर पुन्हा एकदा अणुच्या अंतरंगात डोकावू या. थेट अणुकेंद्रात पाहू या.
(रिचर्ड डॉकिन्स यांच्या ‘द मॅजिक ऑफ रिअॅलिटी’ या पुस्तकातील ‘व्हाय आर देअर सो मेनी डिफरंट काईंड्स ऑफ अॅनिमल्स?’ या प्रकरणाचा भावानुवाद.)
अनुवादक – डॉ शंतनु अभ्यंकर मो. 98220 10349
Copyright c 2011 by Richard Dawkins Ltd. All right reserved.