विश्वरूपदर्शन - २

भाग १

मागच्या भागात आपण बरीचशी चित्रं आणि थोडीशीच माहिती पाहिली. मुख्य म्हणजे नव्या आलेल्या नकाशात आपण आकाश कसं पहातो आहे हे पाहिलं. आता त्या चित्रातले रंग कसले आहेत, त्याचा अर्थ काय, आणि मुख्य म्हणजे त्या वैश्विक प्रारणांचा उगम कसा झाला त्याचा सर्वमान्य सिद्धांत इत्यादी गोष्टी थोड्या तपशीलात पाहू या. त्यासाठी आपण साधारण १३-१४ अब्ज वर्ष मागे प्रवास करू या. एवढ्या मागच्या भूतकाळात जाताना आपला आकारही फार लहान करावा लागणार आहे. आणि फक्त आकारच कमी करून पुरणार नाही. आणखी काय आणि का करावं लागेल ते ही सांगतेच.

एकाही गणिती समीकरणाशिवाय थोडक्यात महास्फोटाचा सिद्धांत
तर आता घड्याळ्यात काहीच वाजलेले नाहीत. शून्य. आपण सगळेच दाटीवाटीने एकत्र एका बिंदूमधे आहोत. आपणच नाही, तर पलिकडचे, अलिकडचे, पाश्चात्य, पौर्वात्य, स्त्रिया, पुरुष, बाकीचे ग्रह, तारे, वायू, सगळंच. पण या कोणाचाच जन्म झालेला नाही. सगळंच एका बिंदूमधे आहे. आणि या पदार्थाची अवस्था कशी आहे याची आपल्याला कोणालाच कल्पना नाही. एखाद्या लहान पोट्टीने गरोदर बाईचं पोट पाहून "ही एवढी जाडी कशी झाली?" असा किंवा "मी आईच्या पोटात कशी शिरले?" असा प्रश्न विचारला तर आपण कशी गुळमुळीत उत्तरं देतो, तसंच मी तुम्हाला काहीतरी गुळमुळीत सांगते आहे. "माझ्या अस्तित्त्वाचा अर्थ काय" हा प्रश्न जसा भौतिकशास्त्राच्या परीघाबाहेरचा आहे तसंच तो बिंदू तिथे कसा आला, घड्याळ सुरू होण्याच्या आधी काय होतं हे प्रश्न भौतिकशास्त्राच्या परीघाबाहेरचे आहेत. आपला परीघ भौतिकशास्त्रातही फारच मर्यादित करून घेऊ, म्हणजे गणित वगैरे किचकट प्रकार टाळून आपण आपल्या सोयीनुसार निरूपणाकडेच लक्ष देऊ शकतो.

घड्याळात १०^-३७ सेकंद यानंतर काय झालं याबद्दल आपल्याला थोडी माहिती आहे असं समजता येईल. घड्याळात शून्य ते १०^-३७ सेकंद यात त्या बिंदूची, त्या पदार्थाची अवस्था काय हे आपल्यापैकी कोणालाच नीट माहित नाही. त्या बिंदूचं प्रसरण या काळातही सुरू होतंच, असं आपण मानू शकतो. पण त्यापुढे काही तपशील आपल्याला काही प्रमाणात सांगता येतात. त्यातल्या मुख्य गोष्टी म्हणजे ती जागा फारच गरम होती आणि आपल्या माहितीतले आण्विक कण, त्यांचे तुकडे असं काही तिथे टिकूच शकत नव्हतं. विश्वाचं वय १०^-३७ सेकंद असताना 'वैश्विक तेजी' (cosmic infletion) आली. अचानक विश्व प्रसरण पावलं. या सुरूवातीच्या काळात पुराण किंवा बायबलमधल्या चित्रविचित्र गोष्टींना लाजवतील अतिशय अतर्क्य घटना घडल्या; त्यातली ही एक तेजी. सध्याच्या विश्वरचनाशास्त्रज्ञांना याच गोष्टी छळत आहेत, या घटनांचं स्पष्टीकरण काय? शास्त्रज्ञांना त्रास देणार्‍या गोष्टींकडे फार लक्ष देण्यापेक्षा आपण फक्त काठावरून त्यातली गोष्ट पाहू आणि पुढे ते प्लँकने ज्याचा नकाशा बनवला आहे ते वैश्विक प्रारण कसं तयार झालं याकडे तपशीलात पाहू.

तर विश्वाचं वय १०^-३७ सेकंद असताना विश्वाचा आकार सटॅक्कन वाढला, exponential गतीने. या महाभन्नाट गतीची कल्पना येण्यासाठी 'मल्टी लेव्हल मार्केटींग'चा विचार करू. सुरूवातीच्या माणसाने पहिल्या दिवशी दोन माणसांना त्या व्यवसायात ओढलं. मग त्या दोघांनी दुसर्‍या दिवशी, प्रत्येकी अन्य दोन लोकांना त्याच व्यवसायात ओढलं. आणि मग त्यातल्या प्रत्येकाने दोन-दोन असं करत गेलं तर १०० व्या दिवशी किती लोकं त्या व्यवसायात असतील? एकावर तीस शून्य एवढी. (प्रत्यक्षात एवढे लोकच अस्तित्त्वात नाही ही बाब अलाहिदा. जगाची लोकसंख्या ६ अब्ज आहे; एवढी लोकसंख्या साधारण एक महिन्यातच व्यवसायात ओढली जाईल.) ही वाढ exponential गतीने होणारी वाढ. तर अशा गतीने विश्व प्रसरण पावलं.

या प्रसरणाची कल्पना करणं तशी कठीण आहे. प्रसरणाची चटकन कल्पना करायची तर एक उदाहरण बघू या. खच्चून भरलेली कर्जत ट्रेन संध्याकाळी दादर स्टेशन सोडते. कोणालातरी खिडकीची जागा मिळालेली आहे. दीडेक तासाने बदलापूर येतं. तिथे बरीच गर्दी उतरते. आता गाडीत फार कोणी चढतही नाही. अचानक त्या खिडकीतल्या नशीबवान माणसाचं नशीब आणखीनच खुलतं. शेजारी तो सोडून आणखी दोनच माणसं असतात. ट्रेनमधलं ते बाकडं पुरेसं मोठं आहे याच्या जाणीवेने तो आता जरा पसरून, ऐसपैस बसतो. विश्वाच्या प्रसरणात आतल्या कणांचं काहीसं असंच आहे. पण त्यात मुख्य फरक असा आहे की ट्रेनमधल्या माणसाला मुळात अस्तित्त्वात असणार्‍या बाकड्याचा भाग गर्दी गेल्यावर वापरता आला. विश्वाच्या बाबतीत मात्र ही जागा प्रसरणातून निर्माण होत होती. ती मुळात तिथे नव्हती. त्यासाठी दुसरं उदाहरण नेहेमी देतात ते म्हणजे फुग्याचं.

वरच्या आकृतीत पहा, समजा फुगा फुगवण्याआधी त्यावर ठिपके काढले आणि नंतर फुगा फुगवला तर ते आतल्या बाजूला जागा तयार होते म्हणून ते ठिपके एकमेकांपासून लांब जातात. विश्वातला प्रत्येक कण तेव्हा आणि आत्ताही अशाच प्रकारे एकमेकांपासून लांब जातो आहे. प्रत्यक्षात आत्ता कण म्हणजे एकेक दीर्घिका असं म्हणावं लागेल. कारण आता या वैश्विक प्रसरणापेक्षा दीर्घिकांमधे असणारं गुरूत्वाकर्षण अधिक शक्तीमान आहे. त्यामुळे दीर्घिकेच्या आतली रचना या प्रसरणामुळे बदलत नाही.

प्रसरणामुळे विश्वाचं तापमान झपाट्याने कमी होत होतं. आपल्या एसीमधे जी भौतिक क्रिया वापरली जाते तीच तापमान कमी करत होती. एसीमधे एका छोट्या खणात ठराविक प्रकारचा वायू ठ्ठासून भरला जातो. दुसर्‍या मोठ्या खणात भस्सकन तो सोडला जातो, त्यातून तो वायू प्रसरण पावतो, वायूचं तापमान एकदम कमी होतं. विश्वाचं प्रसरण होताना एकीकडे तापमान झपाट्याने कमी होत होतं. हा कृष्णपदार्थाचा (black body) गुणधर्म आहे. आपण साध्या उदाहरणात हे पाहू या. पुन्हा गर्दीने भरलेल्या ट्रेनकडे बाहेरूनच बघू. फार गर्दी असते तेव्हा आतल्या लोकांना आपल्या स्टेशनवर उतरण्यासाठी दारापर्यंत जाताना जास्त लोकांचा धक्का बसतो, जास्त लोकांशी संपर्क येतो. पण गर्दी कमी होत जाते तसंतसं धक्के कमी होतात. फारच कमी लोकांशी प्रत्यक्ष संपर्क येतो. जेव्हा जास्त कण फार कमी जागेत ठ्ठासून भरलेले असतात तेव्हा असंच होतं. या कणांचं तापमान फार जास्त असतं याचा अर्थ त्यांची गती फार जास्त असते. जसं दाराशी उभं रहाण्याची हौस असणार्‍यांना आपलं स्टेशन असो वा नसो, प्रत्येक कणाला प्लॅटफॉर्मवर उतरून पुन्हा चढायचं असतं. तर या कणांचं तापमान म्हणजेच दुसर्‍या शब्दांत त्यांची गती आणि गतीमुळे इतर कणांवर आदळणं. जेवढी गर्दी जास्त तेवढे धक्के जास्त, तसं जेवढं तापमान जास्त तेवढं कणांचं एकमेकांवर आदळणं जास्त. आदळणं कमी झालं की तापमान कमी. आणि विश्वाचं प्रसरण होताना हेच होत होतं, गर्दी कमी झाली, त्यामुळे कणांचं एकमेकांवर आदळणं कमी झालं, म्हणजेच तापमान कमी होत गेलं.

ही वैश्विक-तेजी फार काळ टिकली नाही, १०^-३७ सेकंद असताना सुरू झाली आणि १०^-३३ किंवा १०^-३२ सेकंद असताना बंद झाली. म्हणजे फारतर १०^-३२ सेकंद टिकली. पण त्यानंतरही विश्वाचं तापमान फार जास्त होतं, तेव्हाच्या विश्वाच्या छोट्याश्या कढईत काय काय होतं, तर प्रामुख्याने ऊर्जा होती, आणि मूलभूत कण होते. हे मूलभूत कण आपल्याला माहित असलेल्या प्रोटॉन्सपेक्षाही छोटे होते. तीन क्वार्कचा एक प्रोटॉन किंवा एक न्यूट्रॉन बनतो. तर त्या कढईत वेगवेगळ्या आकार, रंग, चवीचे क्वार्क्स होते. इतर काही मूलभूत कण होते आणि या कणांची आपसांत जी प्रक्रिया होते, ती प्रक्रिया वाहून नेणारे कण, ग्लूऑन्स होते. तिथे लगीनघाई कमी वाटावी अशी प्रचंड गडबड होती. हे कण एकमेकांवर आदळल्यावर त्यातून कण नष्ट होऊन ऊर्जा बाहेर पडत होती. काही ठिकाणी एका कणाची ऊर्जा कमी होऊन तिथे नवा कण तयार होत होता. आता या विभागाच्या शीर्षकात थोडी सूट घेऊन तुम्हाला E=mc² या प्रसिद्ध समीकरणाची आठवण करून देते. या समीकरणानुसार ऊर्जा आणि पदार्थ किंवा वस्तूमानाच्या रूपांत सतत अदलाबदल होत होती. यात कढईत फक्त पदार्थ (matter) होता असं नाही, प्रतिपदार्थ (antimatter) होतं. उर्जेचं रूपांतर वस्तूमधे होताना प्रत्येक कणाच्या जोडीला त्याचा प्रतिकणही तयार होत होता. उच्च तापमानामुळे हे कण एकमेकांवर आपटून त्यातून पुन्हा ऊर्जा तयार होत होती. सावळा गोंधळ म्हणावा अशी स्थिती.

पण त्यात आणखी थोडी गडबड झाली, अतिरिक्त प्रमाणात पदार्थ (matter) तयार झाला. म्हणजे असं की ऊर्जेतून वस्तू निर्माण होताना कण आणि त्याचा प्रतिकण असे एकत्रच तयार होत होते. इलेक्ट्रॉन तयार झाला तर त्याचा प्रतिकण पॉझिट्रॉनही. (इलेक्ट्रॉन ॠणभारीत आणि फार कमी वस्तूमान असणारा कण आहे. पॉझिट्रॉनचं वस्तूमान इलेक्ट्रॉनएवढंच, पण तो धनभारीत आहे.) आपण जे काही पहातो ते सगळं कणांनी बनलेलं आहे, या सर्व कणांना एकत्र बॅरिऑन (baryon) असं म्हणतात. तो पदार्थ आणि प्रतिपदार्थ म्हणजे antimatter त्या काळात किंचित कमी पडलं. म्हणजे कण-प्रतिकण अशी टक्कर होऊन ऊर्जा निर्माण होत होतीच, पण सगळे प्रतिकण संपले तरीही काही प्रमाणात कण शिल्लक रहातील असा काही चमत्कार झाला. याला बॅरिऑनजेनेसिस (baryogenesis) असं नाव आहे. हे आहे की नाही बायबलला टक्कर! (बायबलमधे 'जेनेसिस'मधून सर्व सृष्टी उत्पन्न झाली असा सिद्धांत आहे. हे नाव तिथूनच उचललेलं आहे.) शास्त्रज्ञांना न सुटलेला हा दुसरा प्रश्न!

विश्वाचं वय १०^-११ सेकंद होईपर्यंत विश्वाचं तापमान इतपत उतरलं की आता आपल्याला प्रयोगशाळेत फार छोट्या प्रमाणावर तशा प्रकारची स्थिती निर्माण करून, तेव्हा काय झालं असेल याचे पुरावे शोधता येतात. म्हणजे मनोरंजक, शास्त्रज्ञकल्पना संपल्या आणि प्रत्यक्ष भौतिकशास्त्रात जे सध्या तपासून नक्की करता येतं ते सगळं इथून सुरू झालं. या काळात विश्व एका टोकाला उभं राहून पहाता आल्यास कसं दिसत असेल? हा आवरणरहित फुगा फुलतो आहे, मोठा होतो आहे. आणि फुग्याच्या आत काय आहे? त्या फुग्याच्या आत काय आहे हे कोणालाच दिसत नव्हतं. पावभाजीतल्या भाज्या वेगवेगळ्या दिसतच नाहीत, तसं आतली ऊर्जा आणि वस्तूमान वेगवेगळं नव्हतंच. आता तीन क्वार्क मिळून एक प्रोटॉन बनला होता. ऊर्जा आणि वस्तूमानाचं तापमान समान होतं. प्रकाशकण कुठेही जाऊ बघायला लागले की त्यांच्यामधे वस्तूमानाचे कण येत होते. एका इलेक्ट्रॉनपासून प्रकाशकण निघाला की लगेच पुढच्या कणावर आपटला, तिथे दुसरीकडे गेला की तिथे लगेच पुन्हा तिसरा प्रोटॉन. धुक्यामधे जसं फार लांबचं दिसत नाही, तसं तेव्हा विश्वाचं झालं होतं. त्यातही प्रसरण आणि तापमानघट सुरूच होती. यामुळे कणांची आपसांत होणारी आदळआपट प्रक्रिया कमी झाली, यातून प्रकाशाची ऊर्जा आता कमी पडायला लागली. हे सगळं फार हळूहळू होत होतं. आपल्या सोयीसाठी आपण पुढचा थांबा विश्वाचं वय साधारण तीन लाख वर्ष झालं तिथेच घेऊ. तेव्हा प्रकाशकणांची ऊर्जा फारच कमी पडायला लागली. त्यामुळे प्रकाश आणि पदार्थाची आपसात होणारी कुस्ती थांबली. इलेक्ट्रॉन प्रकाशकणांऐवजी प्रोटॉन्सकडे मोर्चा वळवायला लागले. एक इलेक्ट्रॉन आणि एक प्रोटॉन मिळून आता हायड्रोजनचा अणू बनायला सुरूवात झाली. क्वचित कुठे इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन मिळून न्यूट्रॉन बनले आणि त्यातून पुढे ड्यूटेरियम, हेलियम असे अणूही बनले. प्रकाश आता सरळ रेषेत लांब लांब अंतरं जाऊ लागला आणि विश्व पारदर्शक झालं. विश्वाच्या एका टोकाशी आता उभं राहिलं तर काय दिसत असेल? साधारण ७५% हायड्रोजन आणि २५% हेलियम आहे. हा वायू काही ठिकाणी साकळला आहे, काही ठिकाणी असाच उनाड पसरलेला आहे, आणि काही जागा रिकामीच आहे. तेव्हा पदार्थाच्या जोखडापासून जो प्रकाश मोकळा सुटला तो आता संपूर्ण विश्वात भरून राहिलेला आहे. हेच आपलं वैश्विक मायक्रोवेव्ह प्रारण. कोबे, डब्ल्यूमॅप आणि प्लँकने बनवलेले नकाशे आहेत ते या प्रारणाचे किंवा विश्वाच्या तेव्हाच्या तापमानाचे आहेत.

या आकृतीत वर कोबेचा नकाशा, मधे डब्ल्यूमॅपचा आणि खाली प्लँकने बनवलेला नकाशा आहे. डाव्या बाजूला त्यात समान दिसणार्‍या काही पॅटर्न्सकडे लक्ष वेधून घेतलेलं आहे. उजव्या बाजूला मूळ नकाशे आहेत. यातले रंग चित्रकलेच्या मानकांप्रमाणेच आहेत. निळा रंग थंड जागा दाखवतो. जिथे कमी प्रारण तिथे थंडपणा जास्त. पिवळा-तांबडा रंग उष्ण जागा दाखवतो.

(क्रमशः)
भाग ३