विश्वाचे आर्त - भाग १८ - गुरुत्वीय लहरी

सुमारे एक अब्ज वर्षांपूर्वी आपल्या अवकाशाच्या पोकळीत दूरवर कुठेतरी एक प्रचंड उत्पात झाला. दोन महाप्रचंड कृष्णविवरं एकमेकांच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे गरागरा फिरली आणि प्रचंड वेगाने जवळ येत एकमेकांवरती आपटली. एकमेकांकडे खेचलं जाण्याची प्रक्रिया आधीच सुरू झालेली होती, मात्र त्यांच्या आपटण्याच्या शेवटच्या सुमारे अर्ध्या सेकंदात जो कल्लोळ झाला तो आपल्यापर्यंत अब्ज वर्षं प्रवास करून काही दिवसांपूर्वी येऊन पोचला. आणि त्यामुळे वैज्ञानिक क्षेत्रातही खळबळ माजली. गुरुत्वीय लहरींची पहिलीवहिली नोंद झाली.

हीच घटना जर दोनशे वर्षं आधी घडली असती तर आपल्याला त्याचा पत्ताही लागला नसता. कारण या कंपनांची मोजमाप करण्याची क्षमताच नव्हती. इतकंच नाही तर अशा लहरी असतात किंवा असू शकतात याचीही कल्पना कोणाला नव्हती. आइन्स्टाइनने जेव्हा सर्वसाधारण सापेक्षता सिद्धांत (जनरल थियरी ऑफ रिलेटिव्हिटी) मांडली तेव्हा कुठे अशा लहरी असतात याचं भाकित त्याला करता आलं होतं. मात्र त्या काळच्या तंत्रज्ञानाने अशा लहरी मोजणं केवळ अशक्यप्रायच होतं. अत्याधुनिक 'दुर्बिण' वापरून शंभर वर्षांनी का होईना, पण या लहरी मोजल्या गेल्या. आणि आइन्स्टाइनचा सिद्धांत आधीपेक्षाही बळकट झाला.

गुरुत्वीय लहरी म्हणजे नक्की काय? हे समजून घेण्यासाठी आधी आइन्स्टाइनची मांडणी थोडक्यात समजावून घ्यायला हवी. आपल्या सामान्यज्ञानाप्रमाणे अवकाश असतं, आणि त्यात वस्तु असतात. काही वस्तू नसलेली पोकळी म्हणजे अवकाश. वस्तू अवकाशात पुढे मागे जाऊ शकतात. अवकाश मात्र आहे तसंच राहातं. अवकाशामुळे वस्तूही बदलत नाहीत. सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतानुसार वस्तुमानाचा परिणाम अवकाशावर होतो. म्हणजे अवकाश वाकडं होतं, ताणलं जातं. ताणलेल्या रबराच्या पृष्ठभागावर चेंडू ठेवला की रबराचा पृष्ठभाग ताणला जातो तसं. समजा या पृष्ठभागावर जर सरळ रेषा काढल्या असतील तर चेंडू ठेवल्यावर त्या ताणलेल्या, वाकलेल्या दिसतील. अवकाशाचंही तसंच आहे. या मूळच्या रेषांवरून प्रकाशकिरण सरळ जातो. मात्र चेंडू किंवा वस्तुमान ठेवल्यावर त्यामुळे ज्या रेषा वाकतात त्यांवरून प्रकाशकिरण गेला तर तो वाकलेला दिसतो. अशा प्रकारे प्रकाशकिरण वेगवेगळ्या ठिकाणी वाकल्यामुळे एखादा महाप्रचंड तारा हा गुरुत्वीय भिंगासारखा परिणाम करू शकतो. असा परिणाम दिसून आलेला आहे. त्यामुळे 'वस्तुमानामुळे अवकाश वक्र होतं' हे आधीच सिद्ध झालेलं आहे.

स्थिर वस्तुमानामुळे अवकाश वाकतं. तर दोन वस्तुमानं एकमेकांभोवती फिरली की या वक्राकाराच्या लाटा तयार होऊ शकतात. आपल्या कल्पनेतल्या रबराच्या पृष्ठभागावर दोन वजनदार गोळे एकमेकांभोवती फिरले तर त्यांच्यामधल्या खळग्यांमध्ये सतत बदल होत राहून आख्ख्या रबरी पृष्ठभागावरच त्याच्या लाटा पसरू शकतील तशा. या गुरुत्वीय लहरी. या लहरींमुळे अवकाशाचा वाकडेपणा कमी-जास्त होतो. म्हणजे मी जर एक मीटरची पट्टी ठेवलेली असेल तर तिची लांबी कमी-जास्त होईल. अर्थात ही लांबी बदललेली आहे हे मला तिच्या शेजारीच पट्टी ठेवून मोजणं शक्य नाही. कारण त्या पट्टीचीही लांबी तितकीच बदलेल. यासाठी मला एका दिशेला ठेवलेल्या पट्टीची लांबी दुसऱ्या दिशेला ठेवलेल्या पट्टीशी तुलना करून मोजावी लागते. ही पद्धत म्हणजे मायकेलसन इंटरफेरॉमीटर.

लायगो (लेझर इंटरफेरॉमीटर ग्रॅव्हिटेशनल-वेव्ह ऑब्झर्व्हेटरी) मध्ये मोजताना ज्या दोन 'पट्ट्या' L च्या आकारात वापरल्या जातात त्या चार किलोमीटर लांब आहेत. अमेरिकेतल्या लुइझियाना राज्यातल्या लिव्हिंगस्टन आणि वॉशिंग्टन राज्यातल्या हार्नफर्ड असा दोन ठिकाणी असे इंटरफेरॉमीटर आहेत. त्यांच्यातलं अंतर सुमारे ३००० मैल असल्यामुळे या गुरुत्वलहरी त्यांच्यापर्यंत वेगवेगळ्या वेळी पोचतात. त्यांच्यातलं वेळातलं अंतर मोजून साधारण कुठून या लहरी आल्या हे शोधणं सोपं जातं.

या L च्या कोपऱ्यातून एक लेझर किरण दोन्ही बोगद्यांतून पाठवला जातो. बोगद्यांच्या दुसऱ्या टोकाला आरसे आहेत, आणि तिथून ते किरण परावर्तित होऊन परत येतात आणि एकमेकांत मिसळले जातात. आता यातून कुठच्याही एका बाजूचं अंतर कमीजास्त झालं की नाही हे कसं कळतं?

दुसऱ्या प्रतिमेत वरती दोन एकतानता असलेल्या वेव्ह्ज दाखवलेल्या आहेत. त्यांची बेरीज झाली की नवीन, अधिक तीव्र प्रकाश दिसतो. खाली एकतानता नसलेल्या वेव्हज आहेत, त्यांची बेरीज शून्य होत असल्यामुळे प्रकाश शून्य दिसतो. हे आपल्या सामान्यज्ञानाच्या विरुद्ध आहे - दोन प्रकाशलहरी एकत्रित केल्या तर त्यांतून शून्य प्रकाश कसा निर्माण होईल, हे आपल्याला पटत नसलं तरी घडतं खरं.

इंटरफेरोमीटरच्या दोन बाजूंना जाणारा प्रकाश हा एकतानता असलेला असतो. मात्र समजा, तुम्ही काहीतरी करून एका बाजूची लांबी किंचित वाढवली तर ही एकतानता कमी होते. हे समजून घेण्यासाठी आपण या प्रकाशलहरी म्हणजे मण्यांची माळ आहे असं समजू. प्रत्येक उंचवटा म्हणजे एक मणी. जेव्हा दोन्ही बाजूंची लांबी सारखीच असेल तेव्हा दोन्ही बाजूंसाठी सारखेच मणी लागतील. पण जर एका बाजूची लांबी पाव मण्याने वाढली तर तिथे जाणारी माळ आणि तिथून परत येणारी माळ अर्ध्या मण्याने जास्त लांब होईल. त्यामुळे दोन्ही बाजूंकडून येणाऱ्या माळा मण्याला मणी अशा जुळणार नाहीत. त्यातून वरच्या चित्रात खालच्या बाजूला दाखवलेली परिस्थिती निर्माण होईल. शून्य मणी ते पाव मणी यांच्यामध्ये काहीतरी परिस्थिती असेल तर पूर्ण एकतानता (प्रखर प्रकाश) आणि शून्य एकतानता (शून्य प्रकाश) यामधली परिस्थिती येईल. जर शून्य ते पाव यामध्ये कमीजास्त अशी हालचाल झाली तर ती हालचाल आपल्याला कमीअधिक होणाऱ्या प्रकाशातून मोजता येते. या आरशांची कायमची स्थिती असते ती डिस्ट्रक्टिव्ह इंटरफेरन्सची - म्हणजे शून्य प्रकाशाची. त्यामुळे अंतर कमी किंवा जास्त झालं तर ते प्रकाश वाढल्यामुळे दिसून येतं.

गुरुत्वीय लहरी येतात तेव्हा त्या आरशांना हलवत नाहीत, तर अवकाशाचीच लांबी कमीजास्त करतात. त्यामुळे आरसे हलले नाहीत तरीही मधलं अंतरच कमीजास्त होतं. त्याचं प्रमाण इतकं लहान असतं की आपल्याला त्याची कल्पनाही करता येत नाही.

लेझरच्या प्रकाशासाठी ही मण्यांची लांबी ५०० नॅनोमीटरच्या आसपास असते. म्हणजे अर्धा मायक्रॉन. म्हणजे एका मिलीमीटरच्या सहस्रांशाचा अर्धा भाग. या प्रयोगात मोजली गेलेली लांबी ही साधारण पाव मण्याची, म्हणजे मिलीमीटरच्या एक दशसहस्रांश! आणि एवढा बदल झाला तो चार किलोमीटर लांबीच्या आर्म्समध्ये. म्हणजे चार हजार मीटरची लांबी फक्त साधारण एक कोट्यांश मीटरने बदलली. इतका बारीक फरक मोजण्याची क्षमता अभूतपूर्व आहे.

या शोधाचा फायदा नक्की काय? एक तर उघड आहे की आइन्स्टाइनचा सिद्धांत त्याने मांडल्यापासून बरोब्बर शंभर वर्षांनी अधिक पक्का झाला. वस्तुमानामुळे अवकाश वाकतं हे आधीच सिद्ध झालेलं होतं. त्यामुळे मूळ तत्त्व यातून सिद्ध होत नाही. त्याच तत्त्वातून दिसणारे अपेक्षित परिणामही दिसून आले. पण नुसतीच सिद्धांताला बळकटी मिळण्यापलिकडे खगोलशास्त्रज्ञांना एक नवीन साधन मिळालं हा दुसरा फायदा आहे. अवकाशात कोट्यवधी प्रकाशवर्षं दूर घडणाऱ्या घटनांकडे बघण्यासाठी नवीन दृष्टी मिळाली. विश्वाकडे बघण्यासाठी जितके जास्त डोळे मिळतील तितकं चित्र अधिक स्पष्ट होतं. आपलं विश्व नक्की काय आहे, त्यात काय घडामोडी होतात, विश्वाची उत्पत्ती कशी झाली याचं ज्ञान या संशोधनामुळे निश्चितच वाढत जाईल. या दृष्टीने हा क्रांतीकारी शोध आहे.

(मी मराठी लाइव्हवर पूर्वप्रकाशित)