प्राचीन ब्रह्मांड-विचार
ब्रह्मांड-विचार (cosmology) का मतलब है पूरे आकाश और ब्रह्मांड के बारे में सोच। हर पुरानी सभ्यता ने सूर्य, चंद्रमा और तारों को देखकर कैलेंडर बनाए।
पृथ्वी-केंद्रित मॉडल
यूनानी विचारक टॉलेमी (लगभग 150 ई.) ने पृथ्वी को बीच में स्थिर रखा। ग्रह बड़े गोलों पर छोटे गोलों में घूमते थे। यह मॉडल लगभग 1400 साल तक आकाश से ठीक मेल खाता रहा।
दूसरे पुराने विचार
- भारतीय खगोलविद आर्यभट (लगभग 499 ई.) ने कहा कि पृथ्वी दिन में एक बार घूमती है, इसलिए तारे चलते दिखते हैं।
- चीनी खगोलविदों जैसे झांग हेंग (लगभग 120 ई.) ने तारों का गोला बनाया और ग्रहण व धूमकेतुओं के सही रिकॉर्ड रखे।
- 1543 में कोपरनिकस ने सूर्य को बीच में रखा। बाद में केप्लर ने दिखाया कि ग्रह अंडाकार (दीर्घवृत्त) रास्ते पर चलते हैं।
फंदा क्यों? मंगल कुछ हफ़्ते पीछे जाता दिखता है। जब पृथ्वी सूर्य का चक्कर लगाते हुए मंगल से आगे निकलती है, तो यह बस देखने का असर है। पुराने मॉडल को इसके लिए अतिरिक्त गोले चाहिए थे।
गैलीलियो की विधि
लगभग 1609 में इटली के गैलीलियो ने दूरबीन बनाई और आकाश की ओर घुमाई। उन्होंने वह देखा जो पहले किसी ने नहीं देखा था।
- बृहस्पति के चार चाँद उसके चारों ओर घूमते हैं। यानी कुछ पिंड पृथ्वी के अलावा किसी और के चारों ओर घूमते हैं।
- शुक्र की कलाएँ चंद्रमा जैसी दिखती हैं। यह तब ठीक बैठता है जब शुक्र सूर्य का चक्कर लगाए।
- चंद्रमा पर पहाड़ और गड्ढे हैं। यानी वह पथरीली दुनिया है, चिकनी गेंद नहीं।
ढलान का प्रयोग
गिरना इतना तेज़ है कि समय नापना कठिन है। गैलीलियो ने ढलान से इसे धीमा किया। उन्होंने पाया कि दूरी समय के वर्ग के साथ बढ़ती है: s ∝ t²। बराबर समयों में चली दूरियाँ 1 : 3 : 5 : 7 के अनुपात में होती हैं।
विधि
- ध्यान से देखो।
- एक विचार सोचो।
- प्रयोग और संख्याओं से जाँचो।
- संख्याएँ मेल खाएँ तभी विचार रखो।
प्रकृति को गणित से बताने के कारण गैलीलियो को आधुनिक भौतिकी का जनक कहते हैं।
सापेक्षता और क्वांटा
1900 के आसपास दो हैरान करने वाली बातें सामने आईं।
सापेक्षता (आइंस्टाइन, 1905)
- प्रकाश की चाल c = 3 × 10⁸ m/s हर देखने वाले के लिए बराबर रहती है।
- इसलिए तेज़ चलती घड़ी धीमी चलती है: t = γ t₀, जहाँ γ = 1 / √(1 − v²/c²)। इसे समय विस्तार कहते हैं।
- द्रव्यमान और ऊर्जा जुड़े हैं: E = mc²। थोड़े-से द्रव्यमान में बहुत ऊर्जा होती है। इससे सूर्य और परमाणु ऊर्जा समझ आती है।
- बाद में (1915) आइंस्टाइन ने बताया कि गुरुत्व दिक्-काल का मुड़ना है। GPS में इसका सुधार करना पड़ता है।
रोज़ की चालों पर γ लगभग ठीक 1 होता है, इसलिए हमें पता नहीं चलता।
क्वांटा (प्लांक, 1900)
- प्रकाश और विकिरण ऊर्जा के छोटे पैकेटों में आते हैं, जिन्हें क्वांटा (फ़ोटॉन) कहते हैं।
- E = hf, जहाँ h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s। आवृत्ति ज़्यादा तो हर पैकेट की ऊर्जा ज़्यादा।
- इससे समझ आता है कि धातु से इलेक्ट्रॉन तभी निकलते हैं जब प्रकाश की आवृत्ति काफ़ी हो (प्रकाश-विद्युत प्रभाव), और परमाणुओं के ऊर्जा-स्तर तय क्यों होते हैं।
दुनिया भर के भौतिक विज्ञानी
भौतिकी कई देशों और सदियों की मिली-जुली मेहनत है।
- झांग हेंग (चीन, दूसरी सदी): तारों का गोला और भूकंप पकड़ने का शुरुआती यंत्र।
- आर्यभट (भारत, पाँचवीं सदी): घूमती पृथ्वी और ग्रहण का कारण।
- सी. वी. रमन (भारत): प्रकाश का प्रकीर्णन, 1930 का नोबेल पुरस्कार। एस. एन. बोस (भारत): फ़ोटॉनों की गिनती, जिससे "बोसॉन" नाम आया।
- चिएन-शिउंग वू (चीन/अमेरिका): 1956 के उनके प्रयोग ने दिखाया कि दुर्बल क्षय में प्रकृति बाएँ-दाएँ में फ़र्क करती है। चेन-निंग यांग और त्सुंग-दाओ ली को इस विचार पर 1957 का नोबेल मिला।
- छियान सानछ्यांग और अन्य ने चीन का परमाणु विज्ञान बनाया। पान च्येनवेई ने 2016 में मिशियस उपग्रह का नेतृत्व किया, जिसने अंतरिक्ष से क्वांटम-सुरक्षित प्रकाश-संकेत भेजे।
पैटर्न देखो: हर किसी ने गैलीलियो की तरह जाँचा और परखा।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- समय विस्तार: t = γ t₀, γ = 1 / √(1 − v²/c²)
- द्रव्यमान–ऊर्जा: E = mc²
- फ़ोटॉन की ऊर्जा: E = hf (h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s)
- विराम से ढलान: s = ½ a t², बराबर समयों में दूरी 1 : 3 : 5 : 7
- प्रकाश की चाल: c = 3 × 10⁸ m/s
हल किए गए उदाहरण
1. ढलान पर गेंद पहले सेकंड में 2 cm लुढ़कती है। 3 s में कितनी दूर?
दूरी ∝ t²। इसलिए s = 2 × 3² = 18 cm। (जाँच: 2, 6, 10 का योग 18।)
2. सूर्य का प्रकाश पृथ्वी तक कितने समय में आता है? (दूरी 1.5 × 10¹¹ m)
t = d / c = 1.5 × 10¹¹ / 3 × 10⁸ = 500 s, यानी लगभग 8 मिनट 20 सेकंड।
3. रॉकेट की घड़ी 0.6c पर चल रही है। γ ज्ञात करो।
γ = 1 / √(1 − 0.36) = 1 / 0.8 = 1.25।
4. रॉकेट की घड़ी में 4 s बीतते हैं। पृथ्वी पर कितना समय बीता?
t = γ t₀ = 1.25 × 4 = 5 s।
5. हरे प्रकाश की आवृत्ति 5 × 10¹⁴ Hz है। एक फ़ोटॉन की ऊर्जा ज्ञात करो।
E = hf = 6.63 × 10⁻³⁴ × 5 × 10¹⁴ = 3.3 × 10⁻¹⁹ J।
6. 1 g (0.001 kg) द्रव्यमान में कितनी ऊर्जा है?
E = mc² = 0.001 × (3 × 10⁸)² = 9 × 10¹³ J।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि पुराने लोग मूर्ख थे। उनके मॉडल उनके देखे से मेल खाते थे; बेहतर यंत्रों ने उत्तर बदला।
- यह सोचना कि दूरबीन गैलीलियो ने बनाई। उन्होंने उसे सुधारा और खगोल में सबसे पहले काम में लिया।
- यह सोचना कि सापेक्षता यानी "सब कुछ सापेक्ष"। प्रकाश की चाल सबके लिए बराबर है; समय और लंबाई बदलते हैं।
- यह सोचना कि क्वांटम पदार्थ का छोटा कण है। यह ऊर्जा का पैकेट है।