जमिनीखालची ‘जीपीएस’!

‘ग्लोबल पोझिशनिंग सिस्टम’ – जीपीएस – ही आजच्या काळातली आघाडीवरची स्थानदर्शक पद्धत आहे. एखाद्या माणसाचं वा वाहनाचं स्थान निश्चित करण्यासाठी या पद्धतीचा वापर केला जातो. या पद्धतीत प्रथम, पृथ्वीभोवती फिरणाऱ्या कृत्रिम उपग्रहाद्वारे रेडिओ लहरी सोडल्या जातात. प्रकाशाच्या वेगानं प्रवास करणाऱ्या या रेडिओ लहरी, रस्त्यावरून चालणाऱ्या माणसाच्या हातातील मोबाइल फोनसारख्या एखाद्या साधनाद्वारे ग्रहण केल्या जातात. रेडिओ लहरी उपग्रहाकडून निघाल्यापासून ते त्या माणसाकडील साधनाकडून ग्रहण होईपर्यंतच्या कालावधीवरून, त्या साधनाचं म्हणजेच त्या माणसाचं उपग्रहापासूनचं अंतर काढता येतं. हे मापन एकाचवेळी एकाहून अधिक उपग्रहांद्वारे करून, त्या माणसाचं वेगवेगळ्या उपग्रहांपासूनचं अंतर समजतं व त्यावरून त्रिकोणांच्या भूमितीद्वारे त्या माणसाचं पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरचं स्थान निश्चित करता येतं.

मात्र जीपीएस ही पद्धत फक्त जमिनीच्या वर वावरणाऱ्यासाठी वापरता येते. कारण उपग्रहाद्वारे सोडलेल्या रेडिओ लहरी त्या माणसापर्यंत पोचायला हव्या. जर तो माणूस जमिनीखाली तळघरात बसला असला, वा तो एखाद्या डोंगराळ भागातील बोगद्यातून प्रवास करीत असला, तर त्या रेडिओ लहरी त्या माणसापर्यंत पोचण्याच्या अगोदरच अडवल्या जातात. त्यामुळे त्या माणसाचं स्थान कळण्यासाठी ही पद्धत निरुपयोगी ठरते. जपानमधील टोक्यो विद्यापीठातील हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी यावर अभिनव मार्ग शोधून काढला आहे. या संशोधकांनी अशा माणसाचं स्थान शोधण्यासाठी, आकाशातून पृथ्वीवर सतत आदळत असलेल्या म्यूऑन कणांची मदत घेतली आहे. हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांचं हे संशोधन ‘आयसायन्स’ या शोधपत्रिकेत नुकतंच प्रसिद्ध झालं आहे. हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी या पद्धतीत ज्या म्यूऑन कणांचा उपयोग केला आहे, त्या म्यूऑन कणांचं मूळ हे पृथ्वीवर होणाऱ्या वैश्विक किरणांच्या माऱ्यात दडलं आहे.

वैश्विक किरण हे मुख्यतः विविध प्रकारच्या शक्तिशाली विद्युतभारित कणांचं मिश्रण असतं. या कणांचा उगम वेगवेगळा असू शकतो. हे किरण सूर्याच्या अंतर्भागात निर्माण होतात, ते दूरवरच्या अतिनवताऱ्यात (म्हणजे ताऱ्याच्या मृत्यूच्या वेळी होणाऱ्या स्फोटात) निर्माण होतात, तसंच ते आपल्या दीर्घिकेबाहेरील काही स्रोतांतही निर्माण होतात. या वैश्विक किरणांतील सुमारे नव्वद टक्के कण हे हायड्रोजनची केंद्रकं असतात, तर उर्वरित सुमारे दहा टक्के कण म्हणजे हेलिअमची आणि इतर काही मूलद्रव्यांची केंद्रकं असतात. जेव्हा हे वैश्विक किरण पृथ्वीच्या वातावरणात शिरतात, तेव्हा वातावरणाबरोबर होणाऱ्या क्रियांद्वारे म्यूऑन कणांची निर्मिती होते. अस्थिर (आणि म्हणूनच अल्पजीवी असणाऱ्या) या म्यूऑन कणांचं वजन इलेक्ट्रॉनच्या तुलनेत सुमारे दोनशेपट असतं. पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर प्रत्येक सेकंदाला दर चौरस सेंटिमीटर क्षेत्रफळावर सरासरी एक म्यूऑन कण थडकत असतो. जवळपास प्रकाशाच्या वेगानं प्रवास करणारे हे कण पृथ्वीच्या पृष्ठभागापर्यंत पोचल्यानंतर, जवळजवळ त्याच वेगानं ते जमिनीतूनही प्रवास करू लागतात. जमिनीतील प्रवासादरम्यान यांतील काही म्यूऑन कण हे वाटेत येणाऱ्या खडकांत शोषले जातात. मात्र खडकांत शोषले जाण्याचं हे प्रमाण अल्प असतं. हे कण अल्पायुषी असले तरी, त्यांच्या प्रचंड वेगामुळे कित्येक कण नष्ट होण्याअगोदर काही किलोमीटर जाडीचा खडकांचा थर पार करू शकतात. या सर्व अनुकूल गुणधर्मांमुळे, म्यूऑन कणांच्या मदतीनं जमिनीखालील माणसाचं स्थान शोधणं शक्य झालं आहे.

हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, म्यूऑन कणांवर आधारलेला आपला प्रयोग टोक्योतील ‘इन्स्टिट्यूट ऑफ इंडस्ट्रिअल सायन्स’ या संस्थेच्या इमारतीत केला. या संशोधकांनी आपल्या प्रयोगासाठी या इमारतीच्या सहाव्या मजल्यावर वेगवेगळ्या ठिकाणी, एकमेकांपासून काही मीटर अंतरावर चार म्यूऑन शोधक ठेवले. त्यानंतर त्या इमारतीच्या तळघरात एका व्यक्तीला एक म्यूऑन शोधक घेऊन फिरण्यास सांगितलं. सहाव्या मजल्यावरचे शोधक आणि तळघरातला शोधक यांच्यातलं उभं अंतर सुमारे चोवीस मीटर होतं. तसंच प्रत्येक मजल्याची काँक्रिटची स्लॅब ही सुमारे तीस सेंटिमीटर जाडीची होती. सहाव्या मजल्यावरील शोधकांतून पार होणाऱ्या म्यूऑनपैकी काही म्यूऑन हे, आपल्या पुढच्या प्रवासात तळघरातील शोधकातूनही पार होत असत. या प्रवासात या कणांना प्रत्येक मजल्याची स्लॅबही पार करावी लागे.

म्यूऑन कणाच्या, सहाव्या मजल्यावरील शोधकापासून ते तळघरातील शोधकापर्यंतच्या प्रवासाला लागणारा कालावधी मोजण्याची सोय या शोधकांत करण्यात आली होती. या कालावधीवरून तळघरातील शोधकाचं, म्हणजे अर्थातच त्या व्यक्तीचं, सहाव्या मजल्यावरील शोधकापासूनचं अंतर कळू शकलं. सहाव्या मजल्यावरील चारही शोधकांद्वारे काढल्या गेलेल्या त्या व्यक्तीच्या अंतरांवरून गणिताद्वारे, तळघरातल्या त्या व्यक्तीचं स्थिर असतानाचं स्थान तर काढता आलंच, परंतु त्याचबरोबर तो माणूस चालत असतानाचा त्याच्या चालण्याचा वेधही घेता आला. म्यूऑनच्या मार्गात तीस सेंटिमीटर जाडीच्या सहा स्लॅबचा म्हणजे एकूण सुमारे पावणेदोन मीटर जाडीच्या काँक्रिटचा अडथळा असूनही, तळघरातील व्यक्तीचं स्थान शोधण्यास ही पद्धत उपयुक्त ठरली होती! यावरून खडकाळ जमिनीखालचा वेध घेण्यासाठी या पद्धतीचा वापर करणं, शक्य असल्याचं स्पष्ट झालं.

हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी या संशोधनात, नेहमीच्या जीपीएसच्या गणिती सूत्रांत बदल केला होता व नवी सूत्रं तयार केली होती. या सूत्रांत त्यानी शोधकाचं क्षेत्रफळ, म्यूऑनची एकूण संख्या, सहाव्या मजल्यावरच्या तसंच तळघरातील अशा दोन्ही शोधकांतून पार होऊ शकणाऱ्या म्यूऑनची संख्या, तळघरातील माणसाचा चालण्याचा वेग, अशा अनेक घटकांना सामावून घेतलं होतं. म्यूऑनवर आधारलेल्या या स्थानदर्शक पद्धतीची अचूकता ही जवळपास जीपीएस पद्धतीच्या अचूकतेइतकीच भरली. जीपीएसद्वारे काढलेल्या स्थानातली चूक ही सर्वसाधारणपणे काही मीटर इतकी असू शकते. हिरोयुकी तनाका आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी केलेल्या म्यूऑन कणांवर आधारित प्रयोगातील चूकसुद्धा फक्त काही मीटर इतकीच होती. या संशोधकांनी, पूर्णपणे खडकांनी भरलेल्या जमिनीखालील वस्तूचा शोध घेताना ही अचूकता किती असेल, याचंही गणित मांडलं. या गणितानुसार, ही पद्धत जमिनीखालील पंधरा मीटर खोलीवरील वस्तूच्या शोधासाठी वापरल्यास, तिच्या स्थानातील चूक एक मीटर इतकी असेल. जमिनीखालील शंभर मीटर खोलीवरील वस्तूच्या शोधासाठी ही पद्धत वापरल्यास, त्यातील चूक दहा मीटर इतकी असेल. सुमारे शंभर मीटर खोलीवर, खडकांनी भरलेल्या जमिनीखाली ही पद्धत इतक्या अचूकतेनं वापरता येणं, हे नक्कीच या पद्धतीचं मोठं यश आहे.

म्यूऑनवर आधारलेल्या या जमिनीखालच्या ‘जीपीएस’ पद्धतीचा उपयोग जमिनीखाली, खाणीत किंवा तत्सम धोकादायक ठिकाणी काम करणाऱ्या कामगारांना होऊ शकेल. असं साधन खाणीत काम करणाऱ्या कामगारांकडे असलं तर, एखादी दुर्घटना घडल्यामुळे मातीच्या ढिगाऱ्याखाली अडकलेल्या कामगारांचा ठावठिकाणा त्वरित लागू शकेल. मात्र त्यासाठी हे साधन सहजपणे आपल्याकडे बाळगण्याइतक्या लहान आकाराचं असायला हवं. हिरोयुकी तनाका यांच्या मते, ते इतकं छोटं असायला हवं की, आपल्या स्मार्टफोनमध्येही त्याचा समावेश करता यायला हवा. हे प्रत्यक्षात येण्यासाठी, या पद्धतीत वापरला जाणारा शोधक हा इलेक्ट्रॉनिक साधनांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या चीपच्या आकाराइतका छोटा असायला हवा. हिरोयुकी तनाका हे त्याबद्दल आशावादी आहेत. कारण इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रातील आजची प्रगती पाहता, ही गोष्ट अशक्य नक्कीच नाही!

(छायाचित्र सौजन्य – ASPERA/Novapix/L.Bret / (Credit: Hiroyuki K.M.Tanaka)