पदार्थाची पाचवी अवस्था (आनंद घैसास)

पदार्थाची पाचवी अवस्था म्हणजे बोस-आईनस्टाइन कंडेन्सेट’ या कल्पनेचं प्रत्यक्ष रूप तयार करण्यात नुकतंच यश आलं आहे. त्यामुळे एक अतिशय महत्त्वाचा टप्पा शास्त्रज्ञांनी पार पाडला आहे. ही पाचवी अवस्था म्हणजे नक्की काय, तिचं वैशिष्ट्य काय, तो प्रयोग कसा सिद्ध केला गेला, भविष्यात कोणत्या गोष्टी शक्य आहेत आदी गोष्टींचा वेध.

‘स्थानबद्ध- शीत शांत- अलिप्त’... हे वर्णन कोरोनाच्या भयापोटी सध्या आपली जी अवस्था झाली आहे, त्याबद्दल अजिबात नाहीये. ही अशी अवस्था पदार्थांची असते. त्याला पदार्थांची ‘पाचवी अवस्था’ असं म्हणतात. स्थायू म्हणजे घनाकारात, द्रव म्हणजे प्रवाही प्रकारात आणि वायू म्हणजे द्रवाहूनही मुक्त संचार करणाऱ्या रेणूंच्या स्वरूपातल्या पदार्थांच्या तीन अवस्था आपण रोज पाहतो, अनुभवतो, नव्हे हाताळतोही. पदार्थाची चौथी अवस्था ‘प्लाझ्मा’ ही तशी फारशी अनुभवाला येत नाही. वायूतली अणूंची समस्थानिकं म्हणजे आयनीभूत वायू यात असतो. निऑन साइनच्या ट्यूब, घरातल्या ट्यूबलाइटमध्येही त्यातून विद्युतप्रवाह वाहत असताना आयनीभूत कणांनी म्हणजे प्लाझ्मानं भरलेली ती नळी असते, जी प्रकाशप्रारणं उत्सर्जित करत असते. पृथ्वीच्या वातावरणाच्या अगदी वरच्या भागात या आयनीभूत प्लाझ्माचा एक पट्टाच आहे, ज्याला आपण ‘आयनोस्फिअर’ असं म्हणतो. मात्र, या अवस्थेहून अधिक वेगळी जी पदार्थाची पाचवी अवस्था असते, तिला म्हणतात ‘BEC’ अवस्था म्हणजे ‘बोस-आईन्स्टाइन कन्डेन्सेट.’

पदार्थाची पाचवी अवस्था: बीईसी (बोस आईन्स्टाइन कंडेन्सेट) म्हणजे नक्की काय?
‘बोस- आईन्स्टाईन कंडेन्सेट’ ही पदार्थाची एक अवस्था असते, ज्याला पदार्थांची पाचवी अवस्था असं म्हणतात. सामान्यत: जेव्हा कमी घनतेच्या बोसॉन्सच्या (अणूमधले एक प्रकारचे मूलभूत कण, ज्यांमध्ये बल वाहून नेण्याची क्षमता असते. उदाहरणार्थ, फोटॉन, ज्यांमध्ये विद्युतचुंबकीय बल वाहकता असते. असे अनेक कण आहेत. ‘सत्येंद्रनाथ बोस’ यांच्या संशोधनांवरून या मूलभूत कणांना ‘बोसॉन’ असं नाव ‘पॉल डिरॅक’ यांनी दिलं आहे.) वायूला निरपेक्ष शून्य तापमानाच्या (-२७३.१५ अंश सेल्शियस) अगदी जवळ असणाऱ्या तापमानाला थंड केलं जातं, तेव्हा ही अवस्था तयार होते. अशा परिस्थितीत, बोसॉन्सचा एक मोठा अंश सर्वात कमी पुंजीय स्थिती (क्वांटम स्टेट) व्यापतो, त्या क्षणी सूक्ष्म पुंजीय घटना (क्वांटम इव्हेंट) घडून येते, विशेषत: पदार्थकण आणि लहरी असे दोन्ही गुणधर्म या अवस्थेत स्पष्टपणे यात दिसून येतात. अत्यंत कमी घनतेच्या वायूला, जवळजवळ निर्वात स्थितीत, सामान्य हवेच्या घनतेपेक्षा एक लक्षांशापेक्षा कमी घनतेला (१÷१,००,०००) नेल्यावर, आणि अत्यल्प- अतिशीत तापमानापर्यंत थंड करून ही ‘बीईसी’ अवस्था प्रयोगशाळेत तयार केली जाते. मात्र, ही अवस्था फारच क्षणिक असते. अशा अतिशीत, अलिप्त करण्यात आलेल्या अणुकणांना इतरांशी संबंध न येता निर्वात पोकळीमध्ये जखडून ठेवण्यासाठी विविध चुंबकीय क्षेत्रांचा आणि लेझर किरणांचा वापर यात केलेला असतो. पण यात जराही फरक पडला, की हे कण ही अवस्था चटकन सोडताना दिसतात.

बीईसीचा संक्षिप्त इतिहास
सत्येंद्रनाथ बोस यांनी सर्वप्रथम प्रकाशपुंजांच्या (क्वांटम) सांख्यिकीवर (ज्याला आता फोटॉन म्हटलं जातं) आईन्स्टाइनला आपला एक शोधनिबंध पाठविला, ज्यामध्ये त्यांनी शास्त्रीय भौतिकशास्त्राचा कोणताही संदर्भ न घेता, प्लँकचा क्वांटम रेडिएशन नियम निष्कर्ष म्हणून काढला होता. आईन्स्टाईन त्यानं प्रभावित झाले. त्यांनी या शोधनिबंधाचं इंग्रजीमधून स्वत: जर्मन भाषेत भाषांतर केलं आणि ते सन १९२४ मध्ये बोस यांच्यासाठी ‘झिट्सक्रिफ्ट फर फिजिक’ या भौतिकशास्त्र नियतकालिकाकडे सादर केलं. (हे आईन्स्टाइनचं हस्तलिखित लिडेन विद्यापीठातल्या ग्रंथालयात आजही आहे.) ते सन १९२४ मध्ये प्रसिद्धही झालं. त्यानंतर आईन्स्टाईननं बोस यांच्या संकल्पनांना इतर दोन शोधपत्रांमध्ये विस्तारित केलं. त्यांच्या प्रयत्नांचा परिणाम म्हणजे बोस-गॅसची संकल्पना, जी बोस- आईन्स्टाइन सांख्यिकींद्वारे शासित, जी पूर्णांक परिवलनाद्वारे समान कणांच्या सांख्यिकीय वितरणाचे वर्णन करते, ज्याला आता बोसॉन्स कण असं म्हणतात. बॉसन्स, हा अणुकणांचा एक समूह आहे, ज्यामध्ये फोटॉन तसेच हिलियम-४ सारख्या अणूंचा समावेश आहे. आईन्स्टाइननं असा प्रस्ताव मांडला, की बोसॉनिक अणूंना अगदी कमी तापमानात थंड केल्यामुळे ते सर्वांत कमी प्रवेशयोग्य पुंजीय स्थितीत (क्वांटम अवस्थेत किंवा ‘सघनरूप’ होतात) पडतात आणि परिणामी पदार्थाची एक नवीन रूप, वेगळी अवस्था तयार होते. या वेळी हे अनेक कण हे जणू एकच कण असल्याप्रमाणे एकच पुंजीय स्थिती असणारे गुणधर्म दर्शवतात. हीच ती पदार्थांची पाचवी अवस्था ‘BEC’ बोस-आईन्स्टाइन कंडेन्सेट.

हे सैद्धांतिकरित्या १९२४-२५ मध्ये मान्य झालं होतं, तरी प्रत्यक्ष प्रयोगाद्वारे कणांची अशी स्थिती असू शकते, हे ५ जून १९९५ मध्ये ‘एरिक कॉर्नेल’ आणि ‘कार्ल वीमन’ यांनी रुबिडिअमचे अणू १७० नॅनोकेल्विनपर्यंत थंड करून साध्य केले. नंतर लगेचच वूल्फगँग केटर्ले यांनी सोडियमचे अणू वापरून ही अवस्था मिळवता येते हे सिद्ध केलं. या प्रयोगांसाठी या तिघांनाही सन २००१ चं भौतिकशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले आहे.
हे आज लिहिण्याचं कारण म्हणजे आता हा प्रयोग अवकाशात नेलेल्या एका उपकरणाद्वारे यशस्वीरित्या करण्यात आला आहे, त्यात अवकाशातील सूक्ष्मगुरुत्व स्थितीचा फायदाही झाला आहे, तसंच या पाचव्या अवस्थेत राहण्याचा अणुकणांचा कालावधीही थोडा अधिक दिसून आला आहे, शिवाय त्यांचा संचही मोठ्या प्रमाणात होत आहे, असे निष्कर्ष हाती आले आहेत.

‘कोल्ड अ‍ॅटम लॅबोरेटरी’ (सीएएल) उपकरण
अतिशीत आण्विक प्रयोगशाळा ‘कोल्ड अ‍ॅटम लॅबोरेटरी’(सीएएल) हे एक प्रयोगात्मक साधन आहे, जे खरं तर जून २०१७ मध्ये आंतरराष्ट्रीय अंतराळस्थानकावर (इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशन) पाठवण्यासाठी तयार केलं गेलं होतं; पण काही कारणानं त्याला उशीर होत गेला. कारण त्याच्या चाचण्या खाली, जमिनीवरही घेण्यात आल्या. अखेर हे उपकरण २१ मे, २०१८ रोजी आयएसएसकडे प्रक्षेपित केलं गेलं.
हे उपकरण अंतराळस्थानकाच्या सूक्ष्मगुरुत्व वातावरणामध्ये अत्यंत थंड परिस्थिती निर्माण करू शकणारं आहे. ज्यामुळे पृथ्वीवरील प्रयोगशाळांमध्ये तयार होणाऱ्या वस्तूंच्या स्थितीपेक्षा जास्त थंड असलेल्या ‘बोस-आईन्स्टाइन कन्डेन्सेट’ची निर्मिती यात करता येणार आहे. या अंतराळ-आधारित प्रयोगशाळेत, दहा सेकंदांपर्यंत कणांमधील परस्परसंवादाचा कालावधी (पार्टिकल इंटरॅक्शन) आणि 1 पिकोकेल्विनपर्यंत तापमान खाली आणणे (निरपेक्ष शून्य केल्विनच्या तापमानहून किंचित जास्त तापमान) शक्य आहे. यामुळे अज्ञात ‘क्वांटम यांत्रिक वर्तनाचा’ (क्वांटम मेकॅनिकल ऑपरेशन्सचा) शोध घेता येईल आणि भौतिकशास्त्राच्या काही मूलभूत नियमांची चाचणी यातून होऊ शकेल. हे प्रयोग मुक्त-पतन (फ्री फॉल) होत असलेल्या वातावरणात उत्तम प्रकारे केले जाऊ शकतात, कारण ‘बोस-आईनस्टाइन कंडेन्सेट’च्या निर्मितीस हे वातावरण अधिक अनुकूल ठरतं. कंडेन्सेट स्थिती येण्याच्या कालावधीच्या उत्क्रांतीत, उपकरणांशी संयुक्‍तपणे परस्परसंवाद साधण्याच्या प्रयत्नात पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे व्यत्यय येतात, परिणामी पृथ्वीवरच्या प्रयोगशाळेतले प्रयोग अशा अडथळ्यांनी ग्रस्त असतात. अंतराळात पृथ्वीच्या कक्षेमध्ये फिरणाऱ्या यानाच्या पर्यावरणात, सूक्ष्मगुरुत्व असल्यानं हे प्रयोग जास्त काळ कार्यरत राहू शकतात, कारण मुक्त-पतन (फ्री फॉल) इथं अनिश्चित काळासाठी कायम राहते.

नासाच्या जेपीएल (जेट प्रॉपल्शन लॅबोरेटरी) इथल्या शास्त्रज्ञांनी म्हटलं आहे, की या ‘सीएएल’मधून (कोल्ड ॲटॉमिक लॅबोरेटरी) होणारी तपासणी अत्यंत संवेदनशील पुंजीय संवेदकांच्या (क्वांटम डिटेक्टरच्या) विकासात आपल्या ज्ञानाची उन्नती करू शकते, ज्याचा उपयोग पृथ्वी आणि इतर ग्रहांच्या गुरुत्वाकर्षणावर नजर ठेवण्यासाठी किंवा प्रगत दिशादर्शक (नेव्हिगेशन) साधने तयार करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.
या प्रकल्पाची प्रारंभिक मुदत जरी बारा महिने ठरवण्यात आली आहे, तरी कार्यकालाची ही मुदत पुढे पाच वर्षापर्यंत विस्तारित करता येईल, असं यात आयोजन केलेलं आहे.
या उपकरणात अणु-कणांची अत्यंत कमी गती, अत्यंत कमी तापमानातून तयार केली जाते. या क्षेत्रातल्या प्रगतींनी अणुप्रणालीवर असं अचूक नियंत्रण मिळवलं आहे, की वैयक्तिक अणूंचा विचार करता, त्यांचं गुरुत्व, जे बहुतेक वेळेस नगण्य असते, हीच एक मोठी अडचण ठरते. विशेषत: कमी क्षमतेचा सापळा जरी कमी तापमानात प्रवेश करू शकला, तरी गुरुत्वाकर्षण या कमकुवत असलेल्या अणूकणांच्या सापळ्याला चक्क रिकामं करतं. या व्यतिरिक्त, या सापळ्यापासून मुक्त केल्यानंतर अणूंचा मुक्तपतन काल (फ्री-फॉल-टाइम) जास्त केला गेला, तर थंड अणूंवर आधारित जडत्व संवेदक अधिक संवेदनशीलतेनं पोचू शकतात.

‘कोल्ड अ‍ॅटम लॅब’ या पृथ्वीभोवती फिरणाऱ्या संशोधन प्रयोगशाळेत ‘रुबिडीयम बोस आईन्स्टाइन कंडेन्सेट’चा जो यशस्वी प्रयोग साध्य झाला, त्याचा एक अहवाल (सायंटिफिक रिपोर्ट) नुकताच ‘नेचर’ या संशोधनांना प्रसिद्धी देणाऱ्या नियतकालिकामधून, अर्थातच ‘ऑनलाइन’ प्रसिद्ध झाला. या प्रयोगातून अणुकणांना जखडून ठेवणाऱ्या कमी क्षमतेच्या चुंबकीय आणि लेझर सापळ्याद्वारे नेहमीच्या बीइसी (बोस आईन्स्टाइन कंडेन्सेट) उत्पादनासह, सब-नॅनो-केल्विन बीईसी उत्पादने, मुक्त-पतन स्थितीत अधिक विस्तारित कालावधीसाठी तयार होऊ शकतात, याचं हे प्रारंभिक प्रात्यक्षिक साध्य झालं आहे. या सुविधेच्या यशस्वी वापराची पडताळणी आता झाली आहे. पुढील वापरातून सूक्ष्मगुरुत्वीय (मायक्रोग्रॅव्हिटी) पर्यावरणात बीईसीच्या स्थितीची व्यापक परीक्षणं आता घेता येतील, यात वापरात आणलेले अणू-लेसर स्रोत, काही-विवक्षित पदार्थविज्ञान, आणि अणुकण-लहरी विवर्तनसाठी (पार्टिकल इंटरफेरोमेट्री) मार्गदर्शक तंत्रांच्या दीर्घकालीन अन्वेषणांना समर्थन देईल. असं यात नमूद करण्यात आलं आहे.

२१ मे २०१८ रोजी ‘ओए - ९ अँटारस-२३०’ रॉकेटच्या प्रक्षेपणानंतर, ‘सीएएल’ यंत्रणा अवकाशस्थानकात जून २०१८ मध्ये स्थापित करण्यात आली आणि जून २०१८ पर्यंत अवकाशस्थानकात ती पूर्णपणे उभारणी करून चालविली गेली होती, ज्यामध्ये दैनंदिन कार्य कक्षाच्या अंतर्गत पहिल्या अतिशीत अणुकण बनवण्याच्या रूपात काम सुरू झालं होतं. ही यंत्रणा तीन प्राथमिक उपप्रणालींची बनलेली आहे. १. विज्ञान कक्ष (सायन्स मॉड्यूल), २. लेझर आणि दृश्यप्रकाश कक्ष (लेझर अँड ऑप्टिक्स सिस्टम) आणि ३. इलेक्ट्रॉनिक्स यंत्रणा, जी औष्णिक (थर्मल), यांत्रिक (मेकॅनिकल) आणि संगणकीय प्रणालींद्वारे (सॉफ्टवेअर कंट्रोल) द्वारे सर्वांवर नियंत्रण राखू शकते. हे सर्व एकत्रितपणे एका भिंतीवर लावलेल्या कपाटासमान तयार केलेलं उपकरण आहे. अतिशीत अणूंना धारण करण्यासाठी आणि हाताळणी करण्यासाठी त्यांची पुनर्रचना करण्यायोग्य सापळे, एका ‘अणू चिप’च्या, सध्याच्या वाहक असलेल्या तारांद्वारे तयार केले जातात, जे यूएचव्ही (अल्ट्रा हाय व्हॅक्यूम) म्हणजे जवळजवळ निर्वात कक्षांतर्गत आयताकृती काचेच्या कक्षाच्या वरच्या भिंतीची रचना करतात. वाष्पीकरण-शीतकरण आणि जखडण्याच्या स्थितीच्या तयारीसाठी वापरात आणलेल्या चिप प्रसारित रेडिओ फ्रिक्वेन्सी (आरएफ) किंवा सूक्ष्मतरंग प्रारणांच्या (मायक्रोवेव्ह रेडिएशनच्या) सभोवतालच्या पृष्ठभागाजवळ, तारांच्या गुंडाळ्या उत्सर्जक कार्यासाठी लावलेल्या असतात.
या प्रयोगासाठी रुबिडिअम हे मूलद्रव्य वापरलं गेलं. निर्वात जागेत रेडिओ तरंगांच्या वापरातून बाष्पीकरण-शीतकरण तंत्रानं तापमान कमी करत नेलं गेलं. लेझर किरण आणि चुंबकीय प्रारणांच्या साह्यानं अणु-कणांना जखडून ठेवण्याचं काम सुरू करण्यात आलं आणि त्यांची निरीक्षणं घेण्यात आली. सूक्ष्मगुरुत्वाच्या परिणामामुळे या कणांची स्थानबद्धता येणं सुकर झालं, तसंच ती अधिक काळपर्यंत टिकवताही आली. जखडण्यातून सुटका झाल्यानंतरही लगेच फरक न पडता सावकाश त्यांचं मुक्तपतन होताना दिसून आलं. जमिनीवर केलेल्या प्रयोगापेक्षा अधिक प्रमाणात अणूकण या बीइसी स्थितीत गेलेले दिसले, तसेच त्यांचे चुंबकीय जखडबिंदूभोवती एखाद्या आभेप्रमाणे गोलाकार गोळा होणे, तेही या जवळजवळ चलनरहित अवस्थेत सुमारे ८०० मिलिसेकंदपर्यंत राहणं दिसून आलं आहे.

पदार्थांच्या पाचव्या अवस्थेच्या विविध प्रयोगांचं आता हे एक नवं दालनच उघडलं आहे. जेमतेम काही शतकांपूर्वी जेव्हा विद्युतशक्तीचा शोध लागला, तेव्हा विचारण्यात आलं होतं, की असते अशी काही चुंबकीय शक्ती...त्याचा उपयोग काय... तेव्हा, ‘एका नव्या बाळाचा जन्म झाल्यावर, तो पुढे कोण कसा होणार, हे आताच सांगता येत नाही’ असं उत्तर त्यावेळी विद्युतधारेत चुंबकीय शक्ती असते हे ओळखणाऱ्या शास्त्रज्ञानं दिलं होतं. त्याची आज आठवण होते आहे. या पाचव्या अवस्थेच्या पुढच्या वाटचालीत नक्की काय काय हाती लागणार आहे, ते याच वेळी सांगता येणार नाही; पण या अवस्थेचं सर्वांगीण ज्ञान होण्यासाठी अजून अनेक विविध प्रयोग करावे लागणार आहेत, हे निश्चित. विश्वरचनेचं गूढ उलगडण्यातलं हे कदाचित पहिलं पाऊल असू शकतं.