Quantum story ▪️ Part 3

Quantum story ▪️ Part 3
தமிழில்

To understand quantum theory, we first need to know the basics of atomic structure, so let's see what an atom looks like.

We know that all matter in the world is made up of atoms i.e. like a big building is made up of millions of bricks stacked together, atoms are the building blocks of all matter in the world.

The atom has a design that comes to our imagination, that is, protons and neutrons in the middle and electrons moving around it in its own specific circular path (orbit).

That design is the one we adopt today, but with a twist.  That turnaround has some surprises. I will tell you some parts about it in the article.

First let's look at the history of the atom, how the atomic structure was discovered step by step and what our understanding of the atom is now.

(It is essential that we travel a little further into the pre-story of the atomic core before we begin the story of the quantum core.)

It took many scientists to explain the structure of this atom step by step so that all the greatest things in the world were not discovered by one man.  The atomic structure was not explained by a single man.

That's because Anu's greatness lies in its subtlety.  Yes, in that sense, it is a cosmic miracle.

We all have some idea of how big (i.e small) an atom is.

Take a white sheet of paper and place it between two palms and hold it like bowing…

Now look at the cross-sectional thickness of the paper, and on its edges, like a thin blade, a million atoms can be arranged in a row one after the other as freely as the school children of prayer time.

There are more atoms in one tablespoon of sea water than there are in the entire ocean.

The number of atoms in a grain of sand is more than the total number of grains of sand on earth.

In other words, if you take a grape and enlarge it to the size of the earth, the atom in it will be the size of a grape.

These are all the associations we all know about the atom.

Since the atom is such a delicate substance, many difficulties had to be faced to discover it.

In a way, we can say Marie Curie, the discoverer of radium, is the pioneer for the first reason to explore the atom.  (Let me tell you a bit of news, they have kept a letter used by the mother and it still has radiation in it. Marie Curie died from the effects of radiation because she was living with it.)

Following his discovery of radioactivity in the 18th century, Einstein was instrumental in confirming the existence of the atom at a time when there were two opposing views: that there was an atom and that it was not.

We know that Einstein wrote papers that rocked the scientific world in the 1905s, one of which was the paper explaining 'Brownie's Motion'.

Long before Einstein, in 1827, Brown put some visible particles in water and looked at them through a microscope to see what was happening.  This motion is called Brownian motion (If sunlight falls in a dark room at home we can see dust moving here and there and that is the same Brownian motion).

Einstein later wrote about this and explained the reason for this movement.  In other words, he said that there must be something called an atom to carry out this kind of motion in the particles.  Only then is the atom valid.

Well now there is one thing you need to do is imagine a room.  It was a dark room.  It is nothing but our atom.  We have enlarged it to the size of a room for convenient examination.  But the room is dark without a light so its design makes no sense for now.

But don't worry, there are some scholars coming now in line to light the lamp in that room.  J. J. Thomson is the first to come.

Welcome you Thomson...

In 1897 it was this J.J. who said that the atom has a single particle called an electron and that it is a thousand times smaller than the atom.  Thomson.

How did he find it?  Through a cathode ray tube.

This tube is a tube with a large portion of air expelled.  Anode (forward end) at one end and cathode (reverse end) at the other end and a high voltage is applied to investigate what happens when a light beam arrives from the cathode end to the anode point.  This ray... is the cathode ray.  It was through this that Thomson discovered that there is a charge of the opposite charge called the electron.  So remember, the electron was discovered by J. J. Thomson.

குவாண்டம் தியரி என்பதை புரிந்து கொள்ள முதலில் நாம் அணு அமைப்பை பற்றிய அடிப்படைகளை ஓரளவு தெரிந்திருக்க வேண்டியது அவசியம் என்பதால் ஒரு அணு என்பது எப்படி இருக்கும் என்பதை பார்ப்போம்.

உலகில் உள்ள மொத்த பொருட்களும் அணுக்களால் ஆனது என்று நமக்கு தெரியும் அதாவது ஒரு பெரிய கட்டிடம் என்பது அடுக்கி வைக்கப்பட்ட லட்சக்கணக்கான செங்கல் என்பதை போல உலகில் அணைத்து பொருளுக்கும் செங்கல்லாக இருப்பது அணுக்கள்.

அணு என்றதும் நமக்கு கற்பனைக்கு வரும் வடிவமைப்பு இருக்கிறதே அதாவது நடுவில் புரோட்டானும், நியுட்ரானும் இருக்க அதை எலக்ட்ரான்கள் தனக்கே உரிய குறிப்பிட்ட வட்ட பாதையில் (ஆர்பிட்) சுற்றி வருவது கற்பனைக்கு வருகிறது அல்லவா அந்த வடிவமைப்பை நமக்கு கொடுத்தவர் டேனிஸ் நாட்டை சேர்ந்த நோபல் பரிசு பெற்ற இயற்பியலாளர் 'நீல்ஸ்போர்' (niels bohr) என்பவர் ஆவார்.

அந்த வடிவமைப்பு இன்று நாம் ஏற்று கொண்டுள்ள வடிவமைப்பு தான் என்றாலும் அதிலும் ஒரு திருப்பம் உள்ளது. அந்த திருப்பம் சில அதிசயங்களை கொண்டது. அதை பற்றி கட்டுரையில் சில பாகங்கள் தள்ளி சொல்கிறேன்.

முதலில் அணு அமைப்பு எப்படி படி படியாக கண்டு பிடிக்க பட்டது என்ற அணு வரலாற்றை பற்றியும் மற்றும் இப்போது அணு பற்றிய நமது புரிதல் என்ன என்பதையும் பார்க்கலாம்.

(குவாண்டம் மெயின் கதை தொடங்குவதற்கு முன் அணு அடிப்படை என்ற முன்கதையில் நாம் கொஞ்ச தூரம் பிரயாணிக்க வேண்டி இருப்பது அத்தியாவசியமானது.)

உலகின் மிக பிரமாண்ட மான பெரிய பெரிய விஷயங்கள் எல்லாம் ஒரே மனிதன் கண்டுபிடித்தாதாக இருக்க இந்த அணுவை அதன் அமைப்பை விளக்க மட்டும் படி படியாக பல அறிவியலாளர்கள் தேவை பட்டார்கள். அணு அமைப்பு ஒற்றை மனிதனால் விளக்கப்பட்டது அல்ல.

அதற்க்கு காரணம் அனுவின் பிரமாண்டம் அதன் நுண்ணிய தன்மையில் உள்ளது. ஆம் அந்த வகையில் இது அண்ட முடியா அதிசய பிரமாண்டம் தான்.

ஒரு அணு எவ்வளவு பெரிதாக (அதாவது சிறிதாக ) இருக்கும் என்று நம் எல்லோருக்குமே ஓரளவு தெரியும்.

ஒரு வெள்ளை தாளை எடுத்து கொள்ளுங்கள் அதை இரண்டு உள்ளங்கையில் நடுவே வைத்து சாமி கும்பிடுவது போல பிடியுங்கள்...

இப்போது காகிததின் குறுக்களவு தடிமனை பாருங்கள் மெல்லிய பிளேடு போன்ற கூறிய அதன் ஓரங்களில் குறுக்கு வாட்டத்தில் ஒரு பத்து லட்சம் அணுக்களை ஒன்றன் பின் ஒன்றாக வரிசையாக ப்ரேயர் நேர ஸ்கூல் பிள்ளைகளை போல தாராளமாக நிற்க வைக்க முடியும்.

ஒரு தேக்கரண்டி அளவு கடல் நீரில் எவ்வளவு அணு இருக்கிறது என்றால் மொத்த கடலில் எத்தனை தேக்கரண்டி அளவு தண்ணீர் இருக்கிறதோ அதை விட அதிகமாக.

ஒரு மணல் துகளில் எத்தனை அணுக்கள் இருக்கிறது என்றால் மொத்தமாக பூமியில் எத்தனை மணல் துகள் இருக்கிறதோ அதனை விட அதிகமாக.

இன்னோரு விதமாக சொல்கிறேன் ஒரு திராட்சை பழத்தை எடுத்து இந்த பூமி அளவு பெரிதாக்கினால் அதில் அணு என்பது ஒரு திராட்சை பழம் அளவு இருக்கும்.

இவை எல்லாம் அணுவை பற்றி நாம் அனைவரும் அறிந்த சங்கதிகள் தான்.

இந்தளவு மகா நுணுக்கமான ஒரு பொருளாக அணு இருப்பதால் தான் அதை கண்டு பிடிக்க பல தடுமாற்றங்களை சந்திக்க வேண்டி வந்தது.

அணுவை ஆராய முதல் காரணமான முன்னோடி என்று நாம் ரேடியத்தை கண்டு பிடித்த அம்மையார் மேரி கியுரியை ஒரு வகையில் சொல்ல முடியும். (ஒரு கொசுறு செய்தி சொல்கிறேன் அம்மையார் பயன்படுத்திய கடிதம் ஒன்றை வைத்து இருக்கிறார்கள் அதில் இன்றும் கதிரியக்கம் உள்ளது. கதிரியக்கத்துடனேயே ஒன்று கலந்து வாழ்ந்ததால் தான் கதிர் வீச்சு பாதிப்பில் தான் மேரி கியூரி இறந்து போனது)

அவர் 18 ஆம் நூற்றாண்டிலேயே கதிரியக்கத்தை ஆராய்ந்ததை தொடர்ந்து பல நாட்களுக்கு அணு என்பது இருக்கு என்றும் அப்படி ஒன்று இல்லை என்றும் இரு வேறு கருத்துக்கள் நிலவி வந்த கால கட்டத்தில் அணு இருப்பதை உறுதி செய்ததில் ஐன்ஸ்டைனுக்கு முக்கிய பங்களிப்பு உண்டு.

1905 களில் அறிவியல் உலகை உலுக்கி போட்ட கட்டுரைகளை ஐன்ஸ்டைன் எழுதினார் என்பது நமக்கு தெரியும் அதில் ஒரு கட்டுரை 'பிரவுனியின் மோஷன்' ஐ விளக்கும் கட்டுரை.

ஐன்ஸ்டைனுக்கு நீண்ட நாள் முன்பு அதாவது 1827 இல் பிரவுன் என்பவர் நீரில் கண்ணுக்கு தெரிய கூடிய சில துகள்களை போட்டு அதை நுண்நோக்கி வழியாக பார்த்து என்ன நடக்கிறது என்பதை ஆராய்ந்தார் அப்போது சிறு துகள்கள் இஷ்டத்துக்கு அங்கும் இங்கும் சுற்றி திரிவதை கண்டார். இந்த இயக்கத்திற்கு பெயர் பிரௌனியன் இயக்கம் (நமது வீட்டில் இருட்டு அறையில் சூரிய ஒளி விழுந்தால் அதில் தூசுகள் அங்கும் இங்கும் ஓடி கொண்டிருப்பதை பார்க்க முடியும் அதுவும் இதே பிரவுனியின் இயக்கம் தான்)

பிற்காலத்தில் இதை பற்றிய கட்டுரை எழுதிய ஐன்ஸ்டைன் இந்த இயக்கத்திற்க்கு காரணத்தை விளக்கினார். அதாவது துகள்களில் இப்படி பட்ட இயக்கத்தை நிகழ்த்த அணு என்ற ஒன்று நிச்சயம் இருக்க வேண்டும் என்று சொன்னார். அதன் பின்பே அணு இருப்பது ஊர்ஜிதமானது.

சரி இப்போது நீங்கள் செய்ய வேண்டியது ஒன்று இருக்கிறது ஒரு அறையை நீங்கள் கற்பனை செய்து கொள்ளுங்கள். அது ஒரு இருட்டு அறை. அது வேறு ஒன்றும் இல்லை நமது அணு தான். நாம் வசதியாக ஆராய அதை ஒரு அறை அளவு பெரிதாக்கி உள்ளேன். ஆனால் அந்த அறை விளக்கு இல்லாமல் இருட்டாக இருப்பதால் அதன் வடிவமைப்பு இப்போதைக்கு ஒன்றும் புரியவில்லை.

ஆனால் கவலை படாதீர்கள் அந்த அறையில் விளக்கு ஏற்ற வரிசையாக சில அறிஞர்கள் இப்போது வர இருக்கிறார்கள். அதில் முதலில் வந்து இருப்பவர் J. J. தாம்சன் அவர்கள்.

வாங்க தாம்சன் அவர்களே...

1897 இல் அணுவில் எலக்ட்ரான் என்ற ஒரு சமாச்சாரம் இருக்கிறது என்றும் அது அணுவை விட ஆயிரம் மடங்கு சின்னது என்றும் சொன்னவர் தான் இந்த J.J.  தாம்சன்.

அவர் அதை எப்படி கண்டு கொண்டார் ? கேத்தோடு ரே டியூப் மூலமாக.

இந்த டியூப் ஒரு பெரும்பகுதி காற்று வெளியேற்ற பட்ட ஒரு குழாய். அதில் ஒரு முனையில் ஆனோடும் (நேர் முனை) அடுத்த முனையில் கேத்தோடும் (எதிர் முனை) வைத்து உயர் அழுத்த வோல்டேஜ் கொடுத்து என்ன நடக்கிறது என்று ஆராய்ந்து கொண்டு இருக்கும் போது ஒரு ஒளி கற்றை கேத்தோடு முனையில் இருந்து ஆனோடு புள்ளிக்கு வந்து சேர்ந்தது. இந்த ரே... தான் கேத்தோடு ரே. எலெக்ட்ரான் என்ற எதிர் மின் சுமை சமாச்சாரம் ஒன்று இருக்கிறது என்று தாம்சன் கண்டு கொண்டது இதை கொண்டு தான். எனவே குறித்து கொள்ளுங்கள், எலெக்ட்ரானை கண்டு பிடித்தவர் J. J. தாம்சன் ஆவார்