प्रतिपदार्थांचे काही गुणधर्म हे पदार्थांच्या गुणधर्माच्या विरुद्ध प्रकारचे असल्यानं, त्यांच्यावर गुरुत्वाकर्षणाचा प्रभावही उलट्या स्वरूपाचा असावा का, हा एक चर्चिला जाणारा प्रश्न आहे. सर्वसाधारण पदार्थ हे (पृथ्वीच्या) गुरुत्वाकर्षणाच्या दिशेनं, म्हणजे ‘खाली’ पडतात; मग हे प्रतिपदार्थ गुरुत्वाकर्षणाच्या दिशेच्या विरुद्ध दिशेनं, म्हणजे ‘वर’ प्रवास करतात का? बहुतेक सर्व संशोधकांच्या मतानुसार, प्रतिपदार्थसुद्धा खालीच पडायला हवेत. परंतु काही संशोधकांनी याबद्दल शंका व्यक्त केली आहे. त्यामुळे या प्रश्नाचा निकाल लागणं, हे गरजेचं होतं. अखेर आता स्विट्झरलँडमधील जिनिव्हा इथल्या युरोपिअन ऑर्गनायझेशन फॉर न्यूक्लिअर रिसर्च म्हणजे सर्न, या संस्थेतील इ.के.अँडरसन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, प्रत्यक्ष प्रयोगाद्वारे प्रतिपदार्थांवरील गुरुत्वाकर्षणाच्या परिणामाचा अभ्यास केला आणि यासंबंधीच्या शंका-कुशंकांना पूर्ण विराम दिला. इ.के.अँडरसन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांंचं हे संशोधन ‘नेचर’ या शोधपत्रिकेत अलीकडेच प्रसिद्ध झालं आहे. या संशोधकांनी आपले हे प्रयोग प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंवर केले आहेत.
प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंची निर्मिती ही मुळातच अत्यंत कठीण आहे. याशिवाय, हे कण निर्माण झाल्यानंतरसुद्धा, त्यांचा आजूबाजूच्या इतर सर्वसाधारण पदार्थांशी संपर्क येऊ द्यायचा नसतो. असा संपर्क आल्यास ते नष्ट होतात. ते नष्ट होऊ नयेत म्हणून त्यांना एखाद्या अत्यंत निर्वात जागेत जखडून ठेवावं लागतं. हायड्रोजनच्या अणूंप्रमाणेच प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंनाही स्वतःचं अल्पसं चुंबकत्व आहे. त्यामुळे बाहेरून चुंबकत्व निर्माण करून, त्या आधारे या प्रतिहायड्रोनच्या अणूंना एखाद्या जागी जखडून ठेवता येतं. मात्र मुळातच अणू हे सतत प्रचंड गतीत असल्यानं, त्यांना जखडून ठेवण्यासाठी, तापमानही अतिशय कमी ठेवून त्यांची गती कमी करावी लागते. हे तापमान निरपेक्ष शून्य तापमानाच्या, म्हणजे शून्याखाली २७३ अंश सेल्सिअसच्या अगदी जवळ असावं लागतं. (तरीही यांतील काही अणू हे आपल्या गतीमुळे बाहेरील चुंबकीय क्षेत्राच्या प्रभावाखालून निसटू शकतात.) या प्रतिहायड्रोजनची नियंत्रितरीत्या निर्मिती करणारी, सर्न प्रयोगशाळेतली अशी सुविधा ही ‘अँटिमॅटर फॅक्टरी’ म्हणून ओळखली जाते. विविध प्रयोगांसाठी आवश्यक असणाऱ्या प्रतिहायड्रोजनची निर्मिती करणाऱ्या या सुविधेची उभारणी म्हणजे, तब्बल तीन दशकांच्या परिश्रमांचं फलित आहे.
प्रतिहायड्रोजनचे अणू निर्माण करण्यासाठी या सुविधेत प्रथम, प्रतिइलेक्ट्रॉनची आणि प्रतिप्रोटॉनची निर्मिती केली जाते. सर्वसाधारण किरणोत्सर्गी समस्थानिक हे आपल्या ऱ्हासादरम्यान अल्फा, बीटा कणांचं उत्सर्जन करतात. काही समस्थानिकांद्वारे मात्र पॉझिट्रॉनचं म्हणजे प्रतिइलेक्ट्रॉनचं उत्सर्जन होते. अँटिमॅटर फॅक्टरीमध्ये प्रतिइलेक्ट्रॉनच्या निर्मितीसाठी सोडिअम या मूलद्रव्याच्या एका विशिष्ट समस्थानिकाचा वापर केला जातो. या समस्थानिकाच्या किरणोत्सर्गी ऱ्हासादरम्यान, प्रतिइलेक्ट्रॉनचं उत्सर्जन होत असतं. हे प्रतिइलेक्ट्रॉन, शून्याखाली २६५ अंश सेल्सिअस इतक्या थंड तापमानात, गोठलेल्या न्यूऑनमधून पाठवले जातात. न्यूऑनच्या अणूंवर आपटत राहिल्यानं, या प्रतिइलेक्ट्रॉनचा वेग खूपच कमी झालेला असतो. त्यानंतर या प्रतिइलेक्ट्रॉनना चुंबकीय क्षेत्राद्वारे, जिथे प्रतिहायड्रोजनची निर्मिती करायची त्या ठिकाणी पाठवलं जातं. याचवेळी दुसऱ्या एका साधनात, इरिडिअम या मूलद्रव्यावर प्रोटॉन कणांचा मारा केला जातो. या माऱ्यात केंद्रकीय क्रियांद्वारे प्रतिप्रोटॉनची निर्मिती होते. चुंबकीय क्षेत्राचा वापर करून या प्रतिप्रोटॉनची गती कमी केली जाते. त्यानंतर हे प्रतिइलेक्ट्रॉन आणि प्रतिप्रोटॉन एकत्र आणले जातात व त्यांतून प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंची निर्मिती होते. या पद्धतीनं एकावेळी काही हजार प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंची निर्मिती करता येते.
इ.के.अँडरसन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी आपल्या प्रयोगासाठी, अँटिमॅटर फॅक्टरीत निर्माण केलेल्या या प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंचा वापर केला. या संशोधकांनी आपल्या प्रयोगासाठी, ‘अल्फा-जी’ या नावानं ओळखलं जाणारं साधन वापरलं. या साधनाच्या मध्यभागी सुमारे तीन मीटर उंचीची, नळकांड्यासारखी रचना आहे. हे नळकांडं चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करणाऱ्या तारांनी वेढलं आहे. अत्यंत निर्वात केलेल्या आणि निरपेक्ष शून्याच्या अगदी जवळ तापमान राखलेल्या या साधनात टप्प्याटप्प्यानं, अँटिमॅटर फॅक्टरीत तयार केले गेलेले प्रतिहायड्रोजनचे अणू सतत सोडले जात होते. चुंबकत्वाचा वापर करून प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंना या नळकांड्याच्या मध्यभागी, एका छोट्या जागेत जखडून ठेवण्यात आलं. हे सर्व प्रतिअणू नळकांड्यातल्याच ज्या जागेत जखडले गेले होते, त्या जागेची उंची सुमारे सव्वीस सेंटिमीटर व व्यास सुमारे साडेचार सेंटिमीटर इतका होता. आता जर या नळकांड्याभोवतालचं चुंबकीय क्षेत्र काढून घेण्यात आलं, तर या प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंवर फक्त गुरुत्वाकर्षणाचाच प्रभाव राहणार होता. हा प्रभाव जर सर्वसाधारण पदार्थांवरील प्रभावासारखा असला, तर हे प्रतिहायड्रोजनचे अणू, इतर वस्तूंप्रमाणेच (पृथ्वीच्या) गुरुत्वाकर्षणाच्या दिशेनं म्हणजे खालच्या दिशेनं पडायला हवेत; जर हा प्रभाव उलट प्रकारचा असला तर हे प्रतिहायड्रोजनचे अणू गुरुत्वाकर्षणाच्या विरुद्ध दिशेला म्हणजे वरच्या दिशेनं सरकायला हवेत.
हे प्रतिहायड्रोजनचे अणू खाली किंवा वर, अशा कुठल्याही दिशेनं सरकले तरी, नळकांड्याच्या खालच्या आणि वरच्या बाजूला बसवलेल्या संवेदकांवर ते आदळणार होते. हे संवेदक सर्वसाधारण पदार्थांपासून तयार केले असल्यानं, त्या पदार्थांबरोबर होणाऱ्या क्रियेमुळे हे प्रतिहायड्रोजनचे अणू नष्ट होऊन, या क्रियेत ऊर्जेचं व इतर कणांचं उत्सर्जन होणार होतं. या संवेदकांद्वारे हे उत्सर्जन मोजून, किती अणू कोणत्या दिशेनं सरकले ते समजू शकणार होतं. इ.के.अँडरसन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांंनी, पुरेसे प्रतिहायड्रोजनचे अणू नळकांड्यात जखडले गेल्यानंतर, त्यांच्यावरचं बाहेरून निर्माण केलेलं चुंबकीय क्षेत्र हळू हळू कमी करीत, ते पूर्णपणे काढून घेतलं. त्यानंतर, वरच्या आणि खालच्या अशा दोन्ही बाजूंच्या संवेदकांकडून, प्रतिहायड्रोजनचे अणू नष्ट होताना झालेलं ऊर्जेचं आणि विविध कणांचं उत्सर्जन मोजलं गेलं. अनेक चाचण्यांद्वारे पुनः पुनः मोजलं गेलेलं हे उत्सर्जन, प्रतिहायड्रोजनचे ८० टक्के अणू हे खालच्या बाजूला, तर फक्त २० टक्के अणू वरच्या बाजूला मार्गक्रमण करीत असल्याचं दर्शवत होतं. प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंवरील नियंत्रणाची अचूकता, प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंना असलेली गती आणि दिशा, असे वेगवेगळे घटक लक्षात घेता, हे ८० टक्के प्रमाण, प्रतिपदार्थ हे गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली गुरुत्वाकर्षणाच्या दिशेनं खाली पडतात, हे नक्की करण्यास पुरेसं होतं. कारण, याच प्रयोगातील सर्व घटकांच्या तंतोतंत याच स्थितीवर आधारलेलं संगणकीय गणित हेसुद्धा, सर्वसाधारण हायड्रोजनच्या अणूंच्या बाबतीतही खाली येण्याऱ्या कणांचं प्रमाण एवढंच असल्याचं दर्शवत होतं.
आइन्स्टाइननं १९१५ साली आपला, व्यापक सापेक्षतावादाचा सिद्धांत मांडला. हा सिद्धांत ज्या तार्किक बैठकीवर आधारला आहे, त्यानुसार गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम हा लहान-मोठ्या सर्व वस्तूंवर सारखाच व्हायला हवा. मात्र आइन्स्टाइननं जेव्हा हा सिद्धांत मांडला, तेव्हा प्रतिपदार्थांचा शोध लागला नव्हता. आइन्स्टाइनच्या व्यापक सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतानंतर सुमारे तेरा वर्षांनी पॉल डिरॅक यानं, आपल्या गणिताद्वारे प्रतिपदार्थांच्या अस्तित्वाची शक्यता दाखवून दिली. त्यानंतर काही काळानं या प्रतिपदार्थांचं अस्तित्व प्रत्यक्ष सिद्धही झालं. आइन्स्टाइनच्या व्यापक सापेक्षतावादामागच्या बैठकीचं तर्कशास्त्र जर सर्वच पदार्थांना लागू होत असलं, तर प्रतिपदार्थांवर होणारा गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम हासुद्धा सर्वसाधारण पदार्थांवरील गुरुत्वाकर्षणाच्या परिणामासारखाच असायला हवा. इ.के.अँडरसन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांंनी प्रत्यक्ष प्रयोगाद्वारेच, सर्वसाधारण पदार्थ आणि प्रतिपदार्थ यांचं गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखालचं ‘पतन’ सारख्याच प्रकारे होत असल्याचं आता दाखवून दिलं आहे. प्रतिहायड्रोजनच्या अणूंवरील या प्रयोगाद्वारे, आइन्स्टाइनच्या व्यापक सापेक्षतावादाची मूळ तार्किक बैठक ही प्रतिपदार्थांनाही लागू होत असल्याचं त्यामुळे नक्की झालं आहे.
(छायाचित्र सौजन्य – U.S. National Science Foundation / CERN)
Leave a Reply