श्याम विवर कैसे बनते है?:ब्रह्माण्ड की संरचना भाग 14

 

श्याम विवर का जन्म सुपरनोवा विस्फोट के पश्चात होता है।

जब तक तारे जीवित रहते है तब वे दो बलो के मध्य एक रस्साकसी जैसी स्थिति मे रहते है। ये दो बल होते है, तारो की ‘जीवनदायी नाभिकिय संलयन से उत्पन्न उष्मा’ तथा तारों का जन्मदाता ‘गुरुत्वाकर्षण बल’। तारे के द्रव्यमान से उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण उसे तारे पदार्थ को  केन्द्र की ओर संपिड़ित करने का प्रयास करता है, इस संपिड़न से प्रचण्ड उष्मा उत्पन्न होती है, जिसके फलस्वरूप नाभिकिय संलयन प्रक्रिया प्रारंभ होती है। यह नाभिकिय संलयन प्रक्रिया और ऊर्जा उत्पन्न करती है। इस ऊर्जा से उत्पन्न दबाव की दिशा केन्द्र से बाहर की ओर होती है। इस तरह से तारे के गुरुत्व और संलयन से उत्पन्न ऊर्जा की रस्साकशी मे एक संतुलन उत्पन्न हो जाता है। तारे नाभिकिय संलयन के लिए पहले हायड़ोजन, उसके बाद हिलियम,लीथीयम के क्रम मे लोहे तक के तत्वो का प्रयोग करता है। विभिन्न तत्वों का नाभिकिय संलयन परतो मे होता है, अर्थात सबसे बाहर हायड़ोजन, उसके निचे हीलीयम और सबसे निचे लोहा।
लेकिन समस्या उस समय उत्पन्न होती है जब तारे का ईंधन समाप्त हो जाता है। एक सामान्य द्रव्यमान का तारा अपनी बाहरी परतों का झाड़ कर एक ग्रहीय निहारिका(Planetary nebula) बन जाता है। बचा हुआ तारा यदि सूर्य के द्रव्यमान के 1.4 गुणा से कम हो तो वह श्वेत वामन तारा बन जाता है।(1.4 सौर द्रव्यमान की इस सीमा को चंद्रशेखर सीमा कहते है, यह नाम नोबेल पुरस्कार विजेता सुब्रमनयन चंद्रशेखर के सम्मान मे है।)
सूर्य के द्रव्यमान से 1.4 गुणा से ज्यादा भारी तारे अपने द्रव्यमान को नियंत्रित नहीं कर पाते है। इनका केन्द्र अचानक संकुचित(Sudden Collapse) हो जाता है। इस अचानक संकुचन से तारे की बाह्य सतहें एक महाविस्फोट के साथ केन्द्र से दूर चली जाती है, इस विस्फोट को सुपरनोवा कहते है। बचा हुआ तारा न्युट्रान तारा बन जाता है। न्युट्रान तारे का व्यास लगभग 10 मील होता है। यदि बचे हुये तारे के केन्द्र का द्रव्यमान 4 सूर्य के द्रव्यमान से ज्यादा हो तो वह एक श्याम विवर(Black Hole) बन जाता है।
संक्षिप्त मे किसी सुपरनोवा विस्फोट के बाद बचे ताराकेन्द्र के भविष्य की तीन संभावनाएं होती है।

आकाशगंगाओ के टकराव मे भी श्याम विवरो का विलय होकर महाकाय(Super Massive) श्याम विवर बनते है।

• श्वेत वामन तारा : 1.4 सौर द्रव्यमान से कम भारी “शेष तारा केन्द्र” का गुरुत्व इतना शक्तिशाली नही होता कि वह परमाण्विक और नाभिकिय बलो पर प्रभावी हो सके। वह श्वेत वामन तारे के रूप मे परिवर्तित हो जाता है।
• न्युट्रान तारा :1.4 सौर द्रव्यमान से भारी “शेष तारा केन्द्र”का गुरुत्व कुछ सीमा तक परमाण्विक तथा नाभिकिय बलो पर प्रभावी हो जाता है, जिससे तारा केन्द्र न्यूट्रॉन की एक भारी गेंद बन जाता है, जिसे न्युट्रान तारा कहते है।
• श्याम विवर: 4 सौर द्रव्यमान से ज्यादा भारी “शेष तारा केन्द्र” मे अंततः गुरुत्वाकर्षण की विजय होती है, वह सारे परमाण्विक तथा नाभिकिय बलो को तहस नहस करते हुये उस तारे को एक बिंदु के रूप मे संपिड़ित कर देती है, जो कि एक श्याम विवर होता है।

हमारा सूर्य अपनी मृत्यु के बाद श्याम विवर नही बनेगा, वह एक श्वेत वामन के रूप मे मृत्यु को प्राप्त होगा।
महाकाय महाभारी श्याम विवर(Supermassive Blackhole) के जन्म के बारे मे हम ज्यादा नही जानते है। ये महाभारी श्याम विवर आकाशगंगाओ के केन्द्र मे होते है। एक संभावना यह है कि ये श्याम विवर शुरुवाती ब्रह्माण्ड के महाकाय तारो मे हुये सुपरनोवा विस्फोटो से बने होंगे, जो कालांतर अरबो वर्षो मे अपने आसपास के पदार्थ को निगलते हुये महाकाय बन गये होंगे। एक साधारण तारकीय श्याम विवर भी दूसरे श्याम विवर के साथ विलय करते हुये बड़ा हो सकता है, यह घटना आकाशगंगाओ के टकरावो के फलस्वरूप भी हो सकती है।
श्याम विवर कैसे बड़े होते है?

श्याम विवर द्वारा साथी तारे के पदार्थ को निगलना( उदा. सीगनस एक्स 1)

श्याम विवर का द्रव्यमान अपने आसपास के पदार्थ को निगले जाने से बढ़ता है। उसके घटना क्षितीज मे आने वाला हर पदार्थ उसके गुरुत्वाकर्षण के चपेट मे आ जाता है। जो पिंड श्याम विवर से सुरक्षित दूरी नही रखते है वे निगल लिए जाते है।
अपनी छवी के विपरीत श्याम विवर खगोलीय दूरीयों के पिंडो को नही निगलते है। एक श्याम विवर अपने समीप आये पिंडो को ही निगलते है। श्याम विवर ब्रह्माण्डीय वैक्युम क्लीनर नही है, वे मक्खी मारने के विद्युतयंत्र के जैसे है, जो मक्खी पास जायेगी वही मारी जायेगी। उदाहरण के लिये यदि सूर्य की जगह उसी द्रव्यमान का श्याम विवर रख दिया जाये तो सभी ग्रह उसी प्रकार उतनी ही दूरी पर उतनी ही गति से परिक्रमा करते रहेंगे। कोई भी ग्रह श्याम विवर द्वारा निगला नही जायेगा। सूर्य के द्रव्यमान के श्याम विवर द्वारा निगले जाने के लिये पृथ्वी को उसके 10 मील की दूरी पर जाना होगा। पृथ्वी से सूर्य की दूरी 930 लाख मील है।

श्याम विवर द्वारा गैस के निगलने से अक्रीशन डीस्क का निर्माण तथा एक्स रे का उत्सर्जन

ज्ञात श्याम विवरो का भोजन मुख्यतः गैस और धूल होती है जोकि ब्रह्माण्ड के रिक्त स्थान मे फैली हुयी है। श्याम विवर अपने पास के तारो से भी पदार्थ खींच लेते है। कुछ महाकाय श्याम विवर पूरे तारो को भी निगल सकते है। श्याम विवर अन्य श्याम विवरो से टकराकर विलय से भी बड़ सकते है। यह वृद्धी प्रक्रिया श्याम विवर की उपस्थिति दर्शाती है। जब गैस का प्रवाह श्याम विवर की ओर होता है, वह अत्याधिक उष्मा से गर्म होती है, जिससे शक्तिशाली रेडीयो तरंग तथा X किरणो का उत्सर्जन होता है, इस उत्सर्जन से श्याम विवर की उपस्थिती ज्ञात होती है।
खगोलविद श्याम विवरो को कैसे देखते है?

चन्द्रा एक्स रे वेधशाला(सुब्रमनयन चन्द्रशेखर के सम्मान मे)

जब हम अंतरिक्ष की ओर अपनी नजरे उठाते है, हम तारो और अन्य पिंडो से आ रहे प्रकाश को देखते है। हजारो वर्षो से भारतीय और अन्य प्राचिन सभ्यताओं के खगोलविज्ञानीयों ने रात्री आकाश का निरिक्षण किया है। उनके द्वारा दिये गये नाम और सिद्धांत आज भी प्रचलित है। लेकिन मानव आंखे अंतरिक्ष के निरिक्षण के लिए ज्यादा सक्षम नही है और आधुनिक खगोल वैज्ञानिक आधुनिक संवेदनशील दूरबीनो का प्रयोग करते है।
आधुनिक दूरबीने दृश्य प्रकाश का ही प्रयोग नही करती है। दृश्य प्रकाश किरणे ’विद्युत चुंबकीय विकिरण(Electromagnetic Radiation)’ का ही भाग है जिसे हमारी आंखे देख सकती है, लेकिन इसके अतिरिक्त भी कई तरह के विकिरण है। इन विकिरणो को उनके तरंगदैधर्य(wavelength) पर वर्गीकृत किया जाता है। यदि तरगदैधर्य दृश्य प्रकाश की तुलना मे छोटी है तब उसे X किरण कहते है। यदि तरंगदैधर्य दृश्य प्रकाश की तुलना मे ज्यादा हो तो उसे रेडीयो तरंग(Radio Wave) कहते है।

किसी घूर्णन करते हुये श्याम विवर द्वारा घुर्णन अक्ष की दिशा मे इलेक्ट्रान जेट का उत्सर्जन किया जा सकता है, जिनसे रेडीयो तरंग उत्पन्न होती है।

हमारे ब्रह्माण्ड मे श्याम विवर दृश्य किसी भी प्रकार के प्रकाश का उत्सर्जन नही करते है। लेकिन खगोलविज्ञानी ने उन्हे खोजा है और बहुत सी जानकारी प्राप्त की है। यह जानकारी श्याम विवर के आसपास के पदार्थ द्वारा उत्सर्जित दृश्य प्रकाश, X किरण और रेडीयो तरंगो के अध्यन से प्राप्त हुयी है। उदाहरण के लिए जब एक सामान्य तारा किसी श्याम विवर की परिक्रमा करता है, तब हम उस तारे की गति उसके द्वारा उत्सर्जित दृश्य प्रकाश से ज्ञात कर सकते है। उसकी तारे की गति और गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत से यह पता लगाया जा सकता है कि वह किसी अन्य पिंड की जगह किसी श्याम विवर की परिक्रमा कर रहा है। इस गणना से श्याम विवर के द्रव्यमान की भी गणना की जा सकती है। दूसरी विधी मे, जब गैस किसी श्याम विवर परिक्रमा करती है, वह घर्षण से अत्याधिक गर्म हो कर X किरण और रेडीयो तरंग का उत्सर्जन करती है। इस X किरण और रेडीयो तरंग के श्रोत के निरीक्षण और अध्यन से श्याम विवर का पता लगाया जा सकता है।
ब्रह्माण्ड मे कितने श्याम विवर है ?
ब्रह्माण्ड मे श्याम विवरो की संख्या इतनी ज्यादा है कि उनकी गिनती असंभव है। यह कुछ किसी समुद्री तट पर रेत के कणो की गिनती के जैसा है। सौभाग्य से ब्रह्माण्ड हमारी कल्पना से ज्यादा विशाल है और पृथ्वी को हानी पहुंचाने की सीमा मे कोई भी श्याम विवर नही है।

सीगनस एक्स 1: पृथ्वी के सबसे समीप का श्याम विवर, यह चित्र चन्द्रा एक्स रे दूरबीन से लिया गया है।

तारकीय द्रव्यमान वाले श्याम विवर महाकाय तारो के जीवन के अंत मे हुये सुपरनोवा विस्फोट के पश्चात बचे हुये केन्द्रक से बनते है। हमारी आकाशगंगा मे लगभग 100 अरब तारे है। मोटे तौर पर हजार मे से एक तारा श्याम विवर बनने के लायक द्रव्यमान लिए होता है। इसलिए हमारी आकाशगंगा मे कम से कम 10 करोड़ तारकीय द्रव्यमान वाले श्याम विवर होना चाहीये। इनमे से अधिकतर हमे दिखायी नही देते है लेकिन हमने लगभग एक दर्जन को पहचान लिया है। इनमे से हमारे सबसे पास वाला श्याम विवर 1600 प्रकाशवर्ष दूर है। पृथ्वी से दृश्य ब्रह्मांड मे लगभग 100 अरब आकाशगंगायें है। इसमे से हर आकाशगंगा मे 10 करोड़ श्याम विवर है। और लगभग हर सेकंड एक सुपरनोवा विस्फोट होता है जिससे एक श्याम विवर का जन्म होता है।

सीगनस एक्स 1: दृश्य प्रकाश मे ऐसे दिखेगा। यह श्याम विवर अपने साथी तारे का द्रव्यमान खिंच रहा है, जिससे अक्रीशन डिस्क बन रही है। इस डिस्क की गैस गर्म हो एक्स रे उत्सर्जित कर रही है।

महाभारी श्याम विवर सूर्य से करोड़ो से लेकर अरबो गुणा भारी होते है और आकाशगंगाओं के केन्द्र मे पाये जाते है। अधिकतर आकाशगंगाये और शायद सभी के पास कम से कम एक ऐसा श्याम विवर होता है। इस तरह से पृथ्वी से दृश्य ब्रह्माण्ड मे 100 अरब महाभारी श्याम विवर होना चाहीये। सबसे पास का महाभारी श्याम विवर हमारी मंदाकिनी आकाशगंगा के केन्द्र मे है जो 28,000 प्रकाशवर्ष दूर है। सबसे ज्यादा दूरी पर के महाभारी श्याम विवर अरबो प्रकाशवर्ष दूर क्वासर आकाशगंगाओं मे हैं।
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नोट : कुछ और तरह के विद्युत चुंबकिय विकिरण भी होते है। ध्यान दें कि जिस विकिरण की जितनी कम तरंगदैधर्य होती है, उस तरंग मे उतनी ज्यादा ऊर्जा होती है।

• X किरणो से भी छोटी तरंगदैधर्य वाले विकिरण को गामा किरण (Gama rays) कहते है। गामा किरणें अत्यधिक ऊर्जा वाली किरणें होती है।
• X किरणों और दृश्य प्रकाश के मध्य वाली तरंगदैधर्य के विकिरण को पराबैंगनी प्रकाश (Ultraviolet)कहा जाता है। पराबैंगनी प्रकाश के निरीक्षण से तारो के मध्य की गैस का अध्ययन किया जाता है।
• दृश्य प्रकाश के दूसरी ओर रेडीयो तरंग और दृश्य प्रकाश के मध्य के विकिरण को अवरक्त(infrared) किरणे कहा जाता है। इन किरणो के अध्ययन से तारो के बनने का अध्ययन किया जाता है।

श्याम विवर के विचित्र गुण:ब्रह्माण्ड की संरचना भाग 13

श्याम विवर कैसे दिखता है ?
कल्पना कीजिए की आप किसी श्याम विवर की सुरक्षित दूरी पर(घटना क्षितीज Event-Horizon से बाहर) परिक्रमा कर रहे है। आप को आकाश कैसा दिखायी देगा ? साधारणतः आपको पृष्ठभूमी के तारे निरंतर खिसकते दिखायी देंगे, यह आपकी अपनी कक्षिय गति के कारण है। लेकिन किसी श्याम विवर के पास गुरुत्वाकर्षण दृश्य को अत्यधिक रूप से परिवर्तित कर देता है।

श्याम विवर का परिकल्पित चित्र

श्याम विवर के समीप से गुजरने वाली प्रकाश किरणे उसके गुरुत्व की चपेट मे आ जाती है और निकल नही पाती है। इस कारण श्याम विवर के आसपास का क्षेत्र एक काली चकती(Dark Disk) के जैसा दिखायी देता है। श्याम विवर से थोड़ी दूरी पर से गुजरने वाली प्रकाश किरणे गुरुत्व की चपेट मे तो नही आती लेकिन उसके प्रभाव से उनके पथ मे वक्रता आ जाती है। इस प्रभाव के कारण श्याम विवर की पृष्ठभूमि मे तारामंडल विकृत नजर आता है, मनोरंजनगृहों के दर्पणो की तरह। इस प्रभाव से कुछ तारो की एकाधिक छवी दिखायी देती है। आप एक तारे की दो छवियाँ श्याम विवर के दो विपरीत बाजूओं मे देख सकते है क्योंकि श्याम विवर के दोनो ओर से जाने वाली प्रकाश किरणे आपकी ओर मुड़ गयी है। कुछ तारो की कभी कभी असंख्य छवियाँ बन जाती है क्योंकि उनसे निकलने वाली प्रकाश किरणे श्याम विवर के चारो ओर से आपकी ओर मोड़ दी जाती है।

चारो नीले बिंदू एक ही क्वासर के चित्र है,इन क्वासर के सामने की एक आकाशगंगा के गुरुत्व से इस क्वासर की चार छवियाँ बन रही है।

आइंस्टाइन के साधारण सापेक्षतावाद के नियम के अनुसार हर पिंड प्रकाश किरणो को अपने गुरुत्व से वक्र करता है। इसे गुरुत्विय लेंसींग कहते है। हमारे सूर्य के लिए यह प्रभाव कमजोर है लेकिन उसे मापा जा चूका है। ब्रह्माण्ड के बड़े ज्यादा भारी और दूरस्थ पिण्डो से ज्यादा मजबूत गुरुत्विय लेंसींग प्रभाव देखा गया है। हालांकि यह प्रभाव अभी तक श्याम विवर के पास देखा नही जा सका है या काली चकती का चित्र नही लिया जा सका है। लेकिन यह निकट भविष्य मे संभव हो सकता है।

दो श्याम विवरो के टकराने पर क्या होता है?

दो श्याम विवर टकराने पर विशाल गुरुत्विय तरंग उत्पन्न करेंगे।

दो श्याम विवरो का टकराना संभव है। जब वे एक दूसरे के इतना समीप आ जायें कि दोनो एक दूसरे के गुरुत्व से नही बच पाये तब उन दोनो श्याम विवरो के विलय से एक महाकाय श्याम विवर बनता है। लेकिन ऐसी कोई भी घटना अत्यंत विनाशकारी होती है। शक्तिशाली कम्प्युटरो का प्रयोग करते हुये भी हम इस घटना को पूरी तरह से समझ नही पाये है। लेकिन हम इतना जानते है कि श्याम विवरो के विलय से अत्यधिक ऊर्जा उत्पन्न होगी तथा यह ब्रह्माण्डीय काल-अंतराल की चादर((Space Time Fabric) मे विशालकाय गुरुत्विय तरंगे(Gravitational Wave) उत्पन्न करेगी।
अभी तक इस घटना को किसी ने देखा नही है। लेकिन ब्रह्माण्ड मे ढेर सारे श्याम विवर है और यह मानना गलत नही है कि वे टकराते भी होगे। हम जानते है कि महाकाय श्याम विवरो के केन्द्र वाली आकाशगंगायें एक दूसरे के खतरनाक रूप से समीप आ जाती है। सैद्धांतिक रूप से ये दोनो श्याम विवर टकराने से पूर्व दोनो एक दूसरे के आसपास एक स्पाइरल मे परिक्रमा करेंगे, इस विनाशकारी ब्रह्मांडीय तांडव की परिणती दोनो श्याम विवर के विलय मे होगी।

सूर्य की परिक्रमा करता हुये प्रस्तावित लीसा के तीन उपग्रह जो लेसर किरणो के प्रयोग से गुरुत्विय तरंगो की जांच करेंगे।

गुरुत्विय तरंगो का सीधा निरीक्षण अभी तक नही हुआ है लेकिन वह आइंस्टाइन के साधारण सापेक्षतावाद का आधारभूत अनुमान है। इन तरंगो का निरीक्षण गुरुत्वाकर्षण के बारे मे हमारे ज्ञान को एक आधार देगा। यह निरीक्षण श्याम विवर की भौतिकी के बारे मे एक महत्वपूर्ण जानकारी देगा। गुरुत्विय तरंगो के निरीक्षण के लिये महाकाय उपकरण बनाये गये है। इनसे ज्यादा शक्तिशाली उपकरण निर्माणाधिन है। जैसे ही गुरुत्विय तंरगो का निरिक्षण सफल होगा, भौतिकी जगत मे एक भूचाल आयेगा।
श्याम विवर के अंदर क्या होता है ?
हम लोग श्याम विवर को घटना क्षितीज(event horizon) तक ही देख सकते है, उसके पश्चात क्या है वह देखा नही जा सकता क्योंकि कोई प्रकाश या पदार्थ हम तक नही पहुंच सकता। यदि हमने कोई जांच यान भी भेजा तब वह भी हमसे संपर्क नही कर पायेगा। वह जो भी संदेश(प्रकाश/क्ष किरण/रेडीओ तरंग) भेजना चाहेगा, वह श्याम विवर द्वारा ही अवशोषीत कर लिया जायेगा।
वर्तमान भौतिकी के सिद्धांतो के अनुसार श्याम विवर मे पदार्थ एक बिंदु के रूप मे इकठ्ठा होते रहता है, लेकिन हम नही जानते कि यह एक बिंदु नुमा केन्द्रिय सींगुलैरीटी क्या कार्य करती है? इसे सही तरह से समझने के लिये क्वांटम भौतिकी तथा गुरुत्वाकर्षण भौतिकी का विलय आवश्यक है। इस सिद्धांत का नाम तय हो चुका है, “क्वांटम गुरुत्व(Quantum Gravity)” लेकिन यह कैसे कार्य करती है, अभी तक अज्ञात है! यह अब तक की सबसे बड़ी अनसुलझी समस्या है। श्याम विवर का अध्यन शायद इस रहस्य के हल की कुंजी प्रदान करे।

वर्महोल दो ब्रह्माण्डो के मध्य पुल का कार्य कर सकते है, इनसे समय यात्रा भी संभव है।

आइंस्टाइन का साधारण सापेक्षतावाद का सिद्धांत श्याम विवरो के विचित्र गुणधर्मो की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए केन्द्रिय सींगुलैरीटी किसी दूसरे ब्रह्माण्ड के लिए पुल(bridge) का कार्य कर सकती है। यह वर्म होल(Wormhole) के जैसा है। वर्महोल आइन्सटाइन के समीकरणों का एक ऐसा हल है जिसमे घटना क्षितिज नही होता है। यह पुल या वर्महोल दूसरे ब्रह्माण्डो मे यात्रा करने मे सहायक हो सकते है, इनसे समय यात्रा भी संभव है। लेकिन निरिक्षण और प्रायोगिक जानकारी के अभाव मे यह एक कल्पना मात्र है। हम यह नही जानते है कि वर्महोल या पूल का ब्रह्माण्ड मे अस्तित्व है या नही ? या वे सिर्फ सैद्धांतिक रूप से संभव है। इसके विपरीत श्याम विवर का अस्तित्व है और हम जानते है कि उनका निर्माण कैसे होता है।
क्या श्याम विवर चिरंजीवी होते है?
श्याम विवर के गुरुत्वाकर्षण से कुछ भी नही बच सकता है, इसलिए माना जाता रहा कि श्याम विवर का विनाश असंभव है। लेकिन अब हम जानते है कि श्याम विवर बाष्पित होते है और धीमे धीमे अपनी ऊर्जा ब्रह्माण्ड को वापिस देते है। विख्यात भौतिकविद और लेखक स्टीफन हाकिंग ने 1974 मे क्वांटम मेकेनिक्स के नियमो के नियमो की सहायता से घटना क्षितिज के पास के क्षेत्र का अध्यन करते हुये यह सिद्ध किया था।
क्वांटम सिद्धांत पदार्थ के सबसे छोटे पैमाने पर के व्यवहार को परिभाषित करता है। उसके अनुसार परमाण्विक स्तर पर लघु कणों तथा प्रकाश का निर्माण और विनाश निरंतर रूप से जारी रहता है। इस प्रक्रिया मे निर्मित प्रकाश की उसके विनाश से पहले पलायन की छोटी सी संभावना रहती है। किसी बाहरी व्यक्ति के लिए यह घटना क्षितिज की हल्की दीप्ती(glow) के जैसी है। इस दीप्ती द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा श्याम विवर के द्रव्यमान को कम करती है, यह प्रक्रिया श्याम विवर के विलोपन तक चलती है।
यह आश्चर्यजनक तथ्य दर्शाता है कि श्याम विवरो के बारे मे बहुत कुछ जानना शेष है। लेकिन हाकिंग की दीप्ती किसी श्याम विवर के लिये नगण्य होती है। उनके लिए इस दीप्ती का तापमान लगभग शून्य है तथा ऊर्जा मे क्षति नगण्य है। इस प्रक्रिया द्वारा श्याम विवर द्वारा द्रव्यमान के क्षय मे लगने वाला समय कल्पना से ज्यादा है। लेकिन किसी छोटे श्याम विवर के लिए यह विनाशकारी है। किसी क्रुज जहाज के द्रव्यमान के श्याम विवर का विलोपन एक सेकंड से कम मे हो सकता है।

श्याम विवर (Black Hole) क्या है?: ब्रह्माण्ड की संरचना भाग 12

श्याम वीवर

श्याम विवर (Black Hole) एक अत्याधिक घनत्व वाला पिंड है जिसके गुरुत्वाकर्षण से प्रकाश किरणो का भी बच पाना असंभव है। श्याम विवर मे अत्याधिक कम क्षेत्र मे इतना ज्यादा द्रव्यमान होता है कि उससे उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण किसी भी अन्य बल से शक्तिशाली हो जाता है और उसके प्रभाव से प्रकाश भी नही बच पाता है।
श्याम विवर की उपस्थिति का प्रस्ताव 18 वी शताब्दी मे उस समय ज्ञात गुरुत्वाकर्षण के नियमो के आधार पर किया गया था। इसके अनुसार किसी पिंड का जितना ज्यादा द्रव्यमान होगा या उसका आकार जितना छोटा होगा, उस पिंड की सतह पर उतना ही ज्यादा गुरुत्वाकर्षण बल महसूस होगा। जान मीशेल तथा पीयरे सायमन लाप्लास दोनो ने स्वतंत्र रूप से कहा था कि अत्याधिक द्रव्यमान या अत्याधिक लघु पिंड के गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से किसी का भी बचना असंभव है, प्रकाश भी इससे बच नही पायेगा।
इन पिंडो को ’श्याम विवर(Black Hole)’ नाम जान व्हीलर ने 1967 मे दिया था। भौतिक विज्ञानीयों तथा गणितज्ञों ने यह पाया है कि श्याम विवर के पास काल और अंतराल(Space and Time) के विचित्र गुणधर्म होते हैं। इन विचित्र गुणधर्मो की वजह से श्याम विवर विज्ञान फतांसी लेखको का पसंदीदा रहा है। लेकिन श्याम विवर फतांसी नही है। श्याम विवर का आस्तित्व है और जब भी एक महाकाय तारे की मृत्यु होती है एक श्याम विवर का जन्म होता है। यह महाकाय तारे अपनी मृत्यु के पश्चात श्याम विवर बन जाते है। हम श्याम विवर को नही देख सकते है लेकिन उसमे गुरुत्वाकर्षण के फलस्वरूप उसमे गिरते द्रव्यमान को देख सकते है। इस विधि से खगोल वैज्ञानिको ने अब तक ब्रह्माण्ड का निरीक्षण कर सैकड़ो श्याम विवरो की खोज की है। अब हम जानते है कि हमारा ब्रह्माण्ड श्याम विवरो से भरा पड़ा है और उन्होने ब्रह्माण्ड को आकार देने मे एक महत्वपूर्ण भूमिका निभायी है।
क्या श्याम विवर भौतिकी के नियमो का पालन करते है ?
श्याम विवर भौतिकी के सभी नियमों का पालन करते हैं। उसके विचित्र गुणधर्म गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव के फलस्वरूप उत्पन्न होते है।
1679 मे आइजैक न्युटन ने प्रमाणित किया था कि ब्रह्माण्ड के सभी पिण्ड एक दूसरे से गुरुत्वाकर्षण से आकर्षित होते है। गुरुत्वाकर्षण भौतिकी के सभी मूलभूत बलो मे सबसे कमजोर बल है। हमारे दैनिक जीवन मे प्रयुक्त होने वाले अन्य बल जैसे विद्युत, चुंबकत्व इससे कहीं ज्यादा शक्तिशाली है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण हमारे ब्रह्माण्ड को आकार देता है क्योंकि यह खगोलिय दूरीयोँ पर भी प्रभावी है। उदाहरण के लिए इस बल के प्रभाव से चन्द्रमा ग्रहों की ,ग्रह सूर्य की तथा सूर्य आकाशगंगा के केन्द्र की परिक्रमा करता है।

किसी भारी पिंड द्वारा काल-अंतराल मे लायी गयी विकृति(गुरुत्वाकर्षण)

अल्बर्ट आइंस्टाइन ने अपने साधारण सापेक्षतावाद के सिद्धांत के द्वारा हमारे गुरुत्वाकर्षण के ज्ञान को उन्नत किया। उन्होने सिद्ध किया कि प्रकाश एक सीमित गति अर्थात लगभग 3 लाख किमी/सेकंड की गति से चलता है। इसका अर्थ यह है कि काल और अंतराल(Space and Time) एक दूसरे से संबधित हैं। 1915 मे उन्होने सिद्ध किया कि भारी पिण्ड अपने आसपास के 4 आयाम वाले काल-अंतराल को विकृत करते है, यह विकृति हमे गुरुत्वाकर्षण के रूप मे दिखायी देती है। जैसे किसी चादर पर एक भारी लोहे की गेंद रख दे तो वह चादर को विकृत कर देती है, अब उसके पास कंचो को बिखरा दे तो वे उस गेंद की परिक्रमा करते हुये अंत मे गेंद के पास पहुंच जाते है। यहां चादर अंतराल(Space) है, गेंद एक भारी पिंड और चादर मे आयी विकृति गुरुत्वाकर्षण बल। (4 आयाम : लंबाई, चौड़ाई, ऊंचाई और समय)
आइंस्टाइन के पूर्वानुमानो को परखा जा चूका है और विभिन्न प्रयोगो से प्रमाणित किया गया है। अपेक्षाकृत कमजोर गुरुत्वाकर्षण बल जैसे पृथ्वी पर आइन्स्टाइन और न्युटन के पूर्वानुमान समान है। लेकिन मजबूत गुरुत्वाकर्षण जैसे श्याम विवर के पास मे आइन्स्टाइन के सिद्धांत से कई नये विचित्र अद्भुत तथ्यो की जानकारी प्राप्त हुयी है।
श्याम विवर का आकार कितना होता है ?

श्याम विवर का आकार

श्याम विवर के अंदर सारा द्रव्यमान एक अत्यधिक छोटे बिन्दू नुमा क्षेत्र मे सीमित होता है जिसे केन्द्रीय सिंगयुलैरीटी(Central Singularity) कहते है। घटना-क्षितिज(Event Horizon) श्याम विवर को घेरे हुये एक काल्पनिक गोला है जो श्याम विवर के पास जा सकने की सुरक्षित सीमा दर्शाता है। घटना क्षितीज को पार करने के बाद वापसी असंभव है, इस सीमा के बाद आप श्याम विवर के गुरुत्वाकर्षण की चपेट मे आकर केन्द्रिय सिंगयुलैरीटी मे समा जायेंगे। घटना-क्षितिज की त्रिज्या को जर्मन वैज्ञानिक स्क्वार्ज्सचील्ड के सम्मान मे स्क्वार्ज्सचील्ड त्रिज्या (Schwarzschild radius)कहते है।

घूर्णन करता श्याम विवर

स्क्वार्ज्सचील्ड त्रिज्या श्याम विवर के द्रव्यमान के अनुपात मे होती है। खगोल वैज्ञानिको ने स्क्वार्ज्सचील्ड त्रिज्या 6 मील से लेकर हमारे सौर मंडल के आकार तक की पायी है। लेकिन सैद्धांतिक रूप से श्याम विवर इस सीमा से छोटे और बड़े भी हो सकते है। तुलना के लिए यदि पृथ्वी के सारे द्रव्यमान को दबा कर एक कंचे के आकार का कर दे तो वह श्याम विवर बन जायेगी। आप अनुमान लगा सकते है कि श्याम विवर मे पदार्थ किस दबाव मे और कितने ज्यादा घनत्व का होता है। किसी श्याम विवर का अत्याधिक द्रव्यमान का होना आवश्यक नही है, आवश्यक है उसका अत्याधिक घनत्व का होना। सूर्य के द्रव्यमान के लिए यह सीमा 3 किमी है, अर्थात सूर्य के सारे द्रव्यमान को संकुचित कर 3 किमी त्रिज्या मे सीमित कर दे तो वह श्याम विवर मे परिवर्तित हो जायेगा। ध्यान दे सूर्य की त्रिज्या लगभग 700,000 किमी है।
कुछ श्याम विवर अपने अक्ष(axis) पर घूर्णन भी करते है और स्थिति को ज्यादा जटिल बनाते है। घूर्णन के साथ आसपास का अंतरिक्ष भी आसपास खिंचा जाता है, जिससे एक खगोलीय भंवर का निर्माण होता है। इस अवस्था मे सिंगयुलैरीटी एक बिंदू की जगह एक बेहद पतला वलय(ring) होती है। इस मे एक काल्पनिक गोले की बजाये दो घटना क्षितिज होते है। इनके अतिरिक्त एक अर्गोस्फीयर (Ergosphere)नामक क्षेत्र होता है जो की स्थायी सीमा से बंधा होता है। इसमे फंसा पिंड श्याम विवर के घूर्णन के साथ घूमता रहता है, सैधांतिक रूप से वह श्याम विवर के गुरुत्वाकर्षण से मुक्त हो सकता है।
कितनी तरह के श्याम विवर संभव है ?

अतिभारी श्याम विवर(Supermassive Black Hole) आकाशगंगा के केन्द्र मे होते है। बड़ी आकाशगंगा मे बड़ा श्याम विवर होता है।

श्याम विवर सामान्यतः एक दूसरे से भिन्न लगते है। लेकिन यह उनके आसपास के क्षेत्रो की भिन्नता के कारण होता है। सभी श्याम विवर एक जैसे होते है, उनके तीन विशिष्ट गुणधर्म होते है:

1. श्याम विवर का द्रव्यमान (कितनी मात्रा पदार्थ से वह निर्मित है)।
2. घूर्णन (वह घूर्णन कर रहा है अथवा नही ?,उसके अपने अक्ष पर घूर्णन की गति)।
3. उसका विद्युत आवेश

विचित्र रूप से श्याम विवर हर निगले गये पिंड के बाकी सभी जटिल गुणधर्मो को मिटा देते है।
खगोलविद किसी श्याम विवर के द्रव्यमान की गणना उसकी परिक्रमा करते पदार्थ के अध्यन से कर सकते है। अभी तक दो तरह के श्याम विवर ज्ञात हुये है।

1. तारकीय द्रव्यमान वाले श्याम विवर(Stellar Mass) - श्याम विवर जिनका द्रव्यमान सूर्य से कुछ गुणा ज्यादा हो
2. अतिभारी श्याम विवर(Super Massive Black Hole) - किसी छोटी आकाशगंगा के द्रव्यमान के तुल्य

हाल के कुछ अध्यनो से ज्ञात हुआ है कि इन दो श्याम विवरो के वर्गो के मध्य द्रव्यमान के भी श्याम विवर हो सकते है।
श्याम विवर एक अक्ष पर घूर्णन कर सकते है, उसकी घूर्णन गति एक विशिष्ट सीमा को पार नही कर सकती है। खगोलविद मानते है कि श्याम विवर को घूर्णन करना चाहिये क्योंकि श्याम विवर जिन पिंड (तारो) से बनते है वे भी घूर्णन करते है। हाल के कुछ निरिक्षण इस पर कुछ प्रकाश डाल रहे है लेकिन सभी वैज्ञानिक इस पर एक मत नही है। श्याम विवर विद्युत आवेशीत भी हो सकते है। लेकिन इस अवस्था मे विपरीत आवेश के पदार्थ को आकर्षित कर और उसे निगल कर तेजी से उदासीन हो जायेंगे, इसकारण वैज्ञानिक मानते है कि ब्रह्माण्ड के सभी श्याम विवर विद्युत उदासीन(Neutral) होते है।

प्रतिपदार्थ(Antimatter) के उपयोग : ब्रह्माण्ड की संरचना भाग 11

प्रति पदार्थ यह मानव जाति के लिए एक वरदान साबित हो सकता है। वर्तमान मे यह चिकित्सा जैसे क्षेत्रो मे प्रयोग किया जा रहा है, तथा भविष्य मे इसे ईंधन , अंतरिक्ष यात्रा के लिए रॉकेट ईंधन तथा विनाशक हथियारों के निर्माण के लिए प्रयोग किया जा सकता है।

चिकित्सा

प्रतिपदार्थ यह वर्तमान चिकित्सा पद्धति मे प्रयोग मे लिया जा रहा है। पाजीट्रान एमीशन टोमोग्राफी(PET) तकनीक पाजीट्रान का प्रयोग कर शरीर के आंतरिक भागो का चित्र लेने मे सक्षम है।

इंधन

जैसा कि हम जानते है पदार्थ और प्रतिपदार्थ एक दूसरे से टकराकर ऊर्जा मे परिवर्तित हो जाते है। इस टकराव से निर्मित ऊर्जा की मात्रा की गणना आइंस्टाइन के प्रसिद्ध समीकरण E=mc² से की जा सकती है।

प्रतिपदार्थ द्वारा प्रति इकाई द्रव्यमान से निर्मित ऊर्जा 9×10¹⁶ J/Kg है जो रासायनिक ऊर्जा से 10,000,000,000 गुणा ज्यादा है। उदाहरण के लिए टी एन टी विस्फोटक द्वारा प्रति इकाइ द्रव्यमान से निर्मित ऊर्जा 4.2×10⁶ J/kg होती है। प्रतिपदार्थ द्वारा निर्मित ऊर्जा नाभिकिय विखण्डन से 10,000 गुणा ज्यादा तथा नाभिकिय संलयन से 100 गुणा ज्यादा होती है।

प्रति पदार्थ से निर्मित ऊर्जा इतनी ज्यादा कैसे ?

सबसे पहले हमे एक मूलभूत नियम जानना होगा जिसे ऊर्जा की अविनाशीता का नियम(Law of conservation of energy) अथवा उष्मागतिकी का प्रथम नियम(First Law of Thermodynamics) जाता है।

ऊर्जा का निर्माण अथवा विनाश असंभव है। केवल एक तरह की ऊर्जा का परिवर्तन दूसरी तरह की ऊर्जा मे किया जा सकता है।

जब हम कोयला, तेल जलाते है तब ऊर्जा रासायनिक बंधनों से मुक्त होती है, कुछ ऊर्जा नये रासायनिक बंधन बनाती है शेष ऊर्जा उष्मा के रूप मे मुक्त होती है जिसका हम उपभोग करते है। नाभिकिय संलयन या विखण्डन मे पदार्थ की कुछ मात्रा ही ऊर्जा मे परिवर्तित हो जाती है जिसकी गणना हम E=mc² कर सकते है। इस कारण यह ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा की तुलना से कई गुणा ज्यादा मात्रा मे होती है लेकिन यह कुल पदार्थ के 1% से भी कम होती है। प्रतिपदार्थ और पदार्थ के टकराव मे कुल मात्रा का 100% भाग ऊर्जा मे परिवर्तन होता है जिससे उत्पन्न ऊर्जा की मात्रा नाभिकिय संलयन/विखंडन से कई गुणा ज्यादा होती है।(तथ्य यह है कि कुल पदार्थ/प्रति पदार्थ का 50% भाग ही ऊर्जा मे परिवर्तन होता है शेष भाग न्युट्रीनो के रूप मे मुक्त होता है।)

प्रतिपदार्थ प्रणोदित राकेट

प्रतिपदार्थ प्रणोदित राकेट" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Antimatter_Rocket.jpg/200px-Antimatter_Rocket.jpg" alt="प्रतिपदार्थ प्रणोदित राकेट" width="200" height="160">

प्रतिपदार्थ प्रणोदित राकेट

प्रति पदार्थ का प्रयोग अंतरिक्ष यात्रा के लिए राकेट की प्रणोदन प्रणाली मे किया जा सकता है। स्टार ट्रेक का अंतरिक्ष यान “एन्टरप्राइज”, प्रतिपदार्थ प्रणोदन प्रणाली का प्रयोग करता है। प्रति पदार्थ चालित प्रणोदन प्रणाली के लिए बहुत से डीजायन बनाये गये है। वर्तमान मे यह सभी राकेट परिकल्पित है क्योंकि हमारे पास उपयुक्त मात्रा मे प्रतिपदार्थ की उपलब्धता नही है। इस प्रणोदन प्रणाली का लाभ यह है कि प्रतिपदार्थ की सूक्ष्म मात्रा के प्रयोग से अत्याधिक ऊर्जा घनत्व तथा प्रणोदन की उत्पत्ति होती है, जिससे किसी भी अन्य राकेट से कहीं ज्यादा सक्षम राकेट बनाया जा सकता है।
प्रतिपदार्थ राकेट को तीन वर्गो मे बांटा जा सकता है:

1. प्रतिपदार्थ का राकेट के प्रणोदन के लिए सीधे प्रयोग करने वाले।
2. प्रति पदार्थ से प्राप्त ऊर्जा से किसी द्रव पदार्थ को गर्म कर प्रणोदन उत्पन्न करने वाले।
3. प्रति पदार्थ से प्राप्त ऊर्जा से किसी द्रव पदार्थ को गर्म कर विद्युत उत्पन्न कर , विद्युत से प्रणोदन उत्पन्न करने वाले।

प्रतिपदार्थ के  प्रयोग मे समस्याएं

१. अव्यवहारिकता

CERN के अनुसार प्रति-पदार्थ का आदर्श इंधन के रूप मे प्रयोग व्यवहारिक नही है, क्योंकि प्रतिपदार्थ के निर्माण मे जितनी ऊर्जा लगती है वह उसके पदार्थ के साथ टकराकर निर्मित ऊर्जा से अत्यंत कम होती है। इस प्रक्रिया मे उत्पन्न ऊर्जा प्रयुक्त ऊर्जा का दस अरबवां (10⁻¹⁰⁾ भाग ही होती है। प्रति पदार्थ के निर्माण मे प्रयुक्त अधिकतर ऊर्जा उष्मा के रूप मे व्यर्थ हो जाती है।
वहीं प्रतिपदार्थ से निर्मित ऊर्जा मे 50% भाग न्युट्रीनो के रूप मे व्यर्थ होता है। ऊर्जा के अविनाशीता के नियमो के अनुसार कोई भी प्रक्रिया 100 % कुशल नही हो सकती, कुछ ना कुछ व्यर्थ ऊर्जा(जैसे न्युट्रीनो) होगी ही। सादे शब्दो मे आमदनी अठन्नी खर्चा रूपैया !

प्रति पदार्थ को ऊर्जा के रूप मे प्रयुक्त किया जा सकता है यदि हम किसी तरीके से उसे अंतरिक्ष से समेट सकें। प्रति पदार्थ अंतरिक्ष मे काफी विरल मात्रा मे फैला हुआ है। शायद भविष्य मे हम किसी अंतरिक्ष के किसी कोने मे प्रतिपदार्थे के श्रोत खोज सकें।

२. भंडारण

पेनींग ट्रैप(प्रतिपदार्थ के भंडारण का एक तरीका)" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b6/Penning_Trap.svg/220px-Penning_Trap.svg.png" alt="पेनींग ट्रैप(प्रतिपदार्थ के भंडारण का एक तरीका)" width="220" height="160">

पेनींग ट्रैप(प्रतिपदार्थ के भंडारण का एक तरीका)

प्रतिपदार्थ को रखा किसमे जाये ? पदार्थ के संपर्क मे आने के बाद वह उसके साथ स्वयं को भी नष्ट कर लेता है। हाल के वर्षो मे प्रतिपदार्थ के भंडारण के लिए कुछ सफलता मिली है। CERN के वैज्ञानिको ने प्रति हाइड्रोजन के 300 परमाणुओ को 1000 सेकंड तक भडांर कर रखा है। लगभग 16 मिनट ज्यादा नही लगते है लेकिन इसके पहले यह समय मीलीसेकंडो मे था।

प्रति पदार्थ के भंडारण के लिए पेनींग ट्रैप(Penning Trap) तकनीक का प्रयोग किया जाता है। इस तकनिक मे एक मजबूत अक्षीय चुंबकिय क्षेत्र के प्रयोग से प्रतिपदार्थ के कणो को क्षैतिज दिशा मेसे तथा चतुध्रुविय विद्युत क्षेत्र से अक्षीय दिशा मे बांधा जा सकता है। स्थायी विद्युत क्षेत्र के निर्माण के लीए तीन विद्युताग्र (Electrode): एक कुंडली तथा दो ढक्कनो का प्रयोग होता है। किसी आदर्श पेनीन्ग ट्रैप कुंडली और ढक्कन हायपरबोलाइड के जैसे होते है। धनात्मक(ऋणात्मल) आयन को रोकने के लिए ढक्कन विद्युताग्रो को धनात्मक(ऋणात्मक) आवेश पर रखा जाता है तथा कुंडली को ॠणात्मक(धनात्मक) आवेश पर रखा जाता है। पेनींग ट्रैप के मध्य मे उत्पन्न विभव(Potential) आयनो को अक्षीय दिशा मे बांध देता है, वहीं कुंडली द्वारा उत्पन्न चुंबकिय क्षेत्र उसे क्षैतिज दिशा मे बांध देता है।

३.उचीं किमंत

वैज्ञानिको के अनुसार प्रतिपदार्थ का निर्माण सबसे महंगा है। 2006 के गेराल्ड स्मिथ के अनुमान के अनुसार 10 मिलीग्राम पाजीट्रान के निर्माण के लिए 2500 लाख डालर अर्थात 25 अरब डालर प्रतिग्राम की आवश्यकता होगी। 1999 के नासा के अनुमान के अनुसार प्रतिहायड्रोजन के एक ग्राम के निर्माण के लिए 62.5 ट्रीलीयन डालर की आवश्यकता होगी। प्रतिपदार्थ के निर्माण की लागत इतनी ज्यादा होने के पिछे एक कारण यह भी है कि प्रति पदार्थ का निर्माण कण त्वरको(Particle Accelerator ) मे होता है और वे प्रतिपदार्थ के निर्माण के लिए नही बनाये गये है। उन्हे वैज्ञानिक प्रयोगो के लिए बनाया गया है। यदि प्रतिपदार्थ के निर्माण के लिए उपकरण बनाये जाये, तो यह लागत कुछ कम होगी।

नासा के अनुसार चुंबकीय जाल की सहायता से पृथ्वी के वान एलन पट्टे मे प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला प्रतिपदार्थ समेटा जा सकता है। इसी तह से इसे बृहस्पति के जैसे गैस महाकाय के चुंबकिय पट्टो से समेटा जा सकता है। यदि हम ऐसा कर पाये तो प्रतिपदार्थ की प्रतिग्राम लागत मे कमी आयेगी और उसका हम प्रयोग कर पायेंगे।

क्या प्रति-ब्रह्माण्ड(Anti-Universe) संभव है? : ब्रह्माण्ड की संरचना भाग १०

सैद्धांतिक रूप से तथा प्रायोगिक रूप से यह प्रमाणित हो चुका है कि प्रति पदार्थ का अस्तित्व है। अब यह प्रश्न उठता है कि क्या प्रति-ब्रह्माण्ड का अस्तित्व संभव है ?

हम जानते है कि किसी भी आवेश वाले मूलभूत कण का एक विपरीत आवेश वाला प्रतिकण होता है। लेकिन अनावेशित कण जैसे फोटान (प्रकाश कण), ग्रैवीटान(गुरुत्व बल धारक कण) का प्रति कण क्या होगा?

कण और प्रतिकण मिल कर ऊर्जा बनाते है। फोटान और ग्रेवीटान जैसे कण बलवाहक कण होते है, इस कारण से वे स्वयं के प्रति कण हो सकते है। ग्रेवीटान कण स्वयं का प्रतिकण है क्योंकि गुरुत्वाकर्षण और प्रतिगुरुत्वाकर्षण एक ही है। प्रति पदार्थ को गुरुत्वाकर्षण/प्रतिगुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से नीचे ही गीरना चाहीये। जिस तरह गुरुत्व के प्रभाव से पदार्थ के कणो मे आकर्षण होता है, उसी तरह से प्रतिगुरुत्वाकर्षण से प्रति पदार्थ के कणो मे आकर्षण ही होगा। अर्थात गुरुत्वाकर्षण और प्रति गुरुत्वाकर्षण दोनो आकर्षण बल ही है।

(प्रतिगुरुत्वाकर्षण यह शब्द इस संदर्भ मे सही शब्द नही है। प्रतिकण एक दूसरे को साधारण कण की तरह आकर्षित करते है, यह एक अवधारणा है, अभी तक इसे प्रयोगशाला मे प्रमाणित नही किया गया है क्योंकि अब तक कुल निर्मित प्रतिपदार्थ १ ग्राम से भी कम है।)

पाल डीरेक का सिद्धांत दो मूल प्रश्नो का हल देने मे सक्षम है। यह दो मूल प्रश्न है:

1. प्रकृति द्वारा प्रतिपदार्थ के निर्माण का उद्देश्य क्या है?
2. क्या प्रति ब्रह्माण्ड का अस्तित्व हो सकता है ?

प्रति बह्माण्ड से पहले कुछ आधारभूत जानकारी

हमारे ब्रह्माण्ड की तीन सममीतीयां है , .C(Charge – आवेश), P(Parity -सादृश्यता) तथाT(Time -समय)। यह माना जाता था कि भौतिकी के नियम इन तीनो सममीतीयों का पालन करते है।

1. सममीती C : कण तथा प्रतिकण के लिए नियम समान है।
2. सममीती P : किसी अवस्था तथा उसकी दर्पण अवस्था के लिए नियम समान है(दाये दिशा मे घुर्णन करते कण की दर्पण अवस्था बायें घूर्णन करती होगी)।
3. सममीती T : यदि आप सभी कण और सभी प्रतिकण के गति की दिशा पलट दे तो सारी प्रणाली भूतकाल मे चली जायेगी, दूसरे शब्दों मे नियम भूतकाल मे तथा भविष्य मे समान है।

किसी भी प्रतिब्रह्माण्ड के लिए हमे इन तीन सममीतीयो मे से कम से कम एक या अधिकतम तीनो को विपरीत करना होगा।

क्या प्रति-ब्रह्माण्ड संभव है ?

मान लिजीए किसी वैज्ञानिक गल्प कथा(Science Fiction) मे नायक अंतरिक्ष मे पृथ्वी के जैसा ग्रह खोज निकालता है। यह नया खोजा ग्रह हर मायनो मे पृथ्वी के जैसा ही होता है, एक ही अंतर होता है कि वह प्रतिपदार्थ से बना है। इस ग्रह पर हमारे जुड़वाँ मौजूद है जिनके प्रति-बच्चे है। ये प्रति-मानव प्रति-शहरो मे रहते है। प्रति-रसायनशास्त्र तथा रसायनशास्त्र के नियम समान है, केवल आवेश बदल गये है, इसकारण से प्रतिब्रम्हाण्ड के प्रतिमानवो को पता नही चलता है कि वे प्रति-पदार्थ के बने है। उनकी दृष्टी से हम प्रतिपदार्थ से निर्मित है। (भौतिक विज्ञान के अनुसार इसे विपरीत आवेश ब्रह्माण्ड(विपरीत C ब्रह्माण्ड) कहेंगे क्योंकि यहां धन आवेश और ऋण आवेश मे अदलाबदली हो गयी है लेकिन अन्य सभी कुछ समान है।)

किसी अन्य विज्ञान गल्प कथा मे वैज्ञानिको को अंतरिक्ष मे पृथ्वी का जुड़वाँ ग्रह मिलता है जो कि पृथ्वी की दर्पणाकृति है। इस ग्रह मे हर वस्तु का बायां भाग दायें से तथा दायां भाग बांए से बदला हुआ है। सभी के हृदय दायें है तथा अधिकतर व्यक्ति बाएं हाथ से कामकरने वाले है। वे भी कभी यह नही जान पाएंगे कि वे बायेदायें विपरित दर्पण ब्रह्माण्ड मे रहते है। (भौतिक विज्ञान के अनुसार इस दर्पणाकृति ब्रह्माण्ड को एक विपरीत दिशा ब्रह्माण्ड(विपरीत P ब्रह्माण्ड) कहेंगे।)

लेकिन क्या विपरीत C ब्रह्माण्ड या विपरित P ब्रह्माण्ड का अस्तित्व हो सकता है? भौतिक विज्ञान इन प्रश्नो को गंभीरता से लेते है क्योंकि न्युटन तथा आइंस्टाइन के समीकरणों पर परामाण्विक कणो के आवेश बदलने से या परामाण्विक कणो के की दाएं और बाएं दिशा की अदलाबदली से कोई अंतर नही आता है। वे उसी तरह वैध रहते है। अर्थात न्युटन तथा आइंस्टाइन के समीकरणों के अनुसार सैद्धांतिक रूप से विपरीत C ब्रह्माण्ड या विपरीत P ब्रह्माण्ड का अस्तित्व संभव है।

नोबेल पुरस्कार विजेता वैज्ञानिक रिचर्ड फेनीमन ने इन ब्रह्माण्डो से संबधित एक मनोरंजक प्रश्न पूछा था। मान लिजिए की हमने किसी दिन इन दूरस्थ ग्रह के परग्रहीयो से रेडीयो संपर्क स्थापित कर लिया है लेकिन हम उन्हे देख नही सकते है। हम नही जानते है कि वे पदार्थ से निर्मित है या प्रतिपदार्थ से। क्या हम इन परग्रहीयो को रेडीयो के द्वारा बायें तथा दा्यें के मध्य अंतर समझा सकते है ? आप कोशिश कर के देख लिजीये। यदि भौतिकी के नियम विपरीत P ब्रह्माण्ड के लिए समान रहते है तब यह असंभव है।

रिचर्ड के अनुसार कुछ तथ्यो को समझाना आसान होता है, जैसे हमारे शरीर का आकार, हमारी उंगलियों, हाथो, पैरो की संख्या। हम परग्रहीयो को रसायनशास्त्र और जीवशास्त्र के नियम समझा सकते है। लेकिन यदि हम बायें या दा्यें के सिद्धांत(या घड़ी की दिशा और घड़ी की विपरीत दिशा) को समझाने का प्रयास करे तो हम असफल रहेंगे। हम उन्हे कभी नही समझा पायेंगे कि हमारा हृदय शरीर के बायें है,या किस दिशा मे पृथ्वी घूर्णन करती है या किस दिशा मे डी एन ए के अणुओ के पेंच घुमे हुये है।

लेकिन जब कोलंबीया विश्व विद्यालय के सुंग दाओ ली तथा चेन निंग यांग ने इस सिद्धांत को गलत प्रमाणित कर दिया। उनके अनुसार परमाण्विक कणो की संरचना के अनुसार विपरीत P ब्रह्माण्ड(दर्पणाकृति ब्रह्माण्ड) का अस्तित्व संभव नही है। १९५६ मे दो अमरीकी वैज्ञानिक सुंग दाओ ली तथा चेन निंग यांग ने प्रस्तावित किया कि कमजोर नाभिकिय बल P सममिती को नही मानता है। दूसरे शब्दो मे कमजोर नाभिकिय बल के कारण ब्रह्माण्ड अपनी दर्पण प्रतिकृति ब्रह्माण्ड से भिन्न होगा। उसी वर्ष उनकी एक सहकर्मी चेन शीउंग वु ने इसे प्रमाणित कर दिया। इसे प्रमाणित करने चेन शीउंग वु ने रेडीयो सक्रिय केन्द्रको को चुंबकिय क्षेत्र मे एक पंक्ति से लगा दिया जिससे वे सभी एक ही दिशा मे घुर्णन कर रहे हो और उन्होने निरिक्षण किया की एक दिशा मे इलेक्ट्रान का उत्सर्जन दूसरी दिशा से ज्यादा हो रहा था। बाद मे यह भी पाया गया कि कमजोर नाभिकिय बल C सममीती का भी पालन नही करता। अर्थात प्रतिपदार्थ से बना ब्रह्मांड सामान्य ब्रह्मांड से भिन्न व्यवहार करेगा। एक वैज्ञानिक ने इस अवसर पर कहा था कि

“भगवान ने जरूर ग़लती की है!(The God must have made mistake!)”¹

यांग और ली सममीती को उखाड़ फेंकने वाली इस खोज के लिए को १९५७ का भौतिकी नोबेल मीला।

रीचर्ड फेनीमेन के लिए इस खोज का अर्थ था कि आप परग्रही से रेडीयो से सपर्क करते समय एक भौतिकी प्रयोग के द्वारा बायें या दायें मे अंतर बता सकते है। उदाहरण के लिए कोबाल्ट ६० से उत्सर्जित इलेक्ट्रान समान मात्रा मे घड़ी की दिशा मे या घड़ी की दिशा के विपरीत घूर्णन नही करते है। अधिकतर इलेक्ट्रान एक विशिष्ट दिशा मे घूर्णन करते है जो कि सममीती सिद्धांत के विरूद्ध है।

रीचर्ड फेनीमेन अब मानवो और परग्रहीयो के मध्य एक भेंट का आयोजन कर सकते है। इस भेंट मे हम परग्रहीयो मिलने के समय अपना दायां हाथ आगे बढ़ाकर हाथ मिलाने कहेंगे। यदि हम उन्हे दायें बायें का सिद्धांत सही तरीके समझा पाये है तो वे अपना दायां हाथ आगे कर देंगे।

लेकिन यदि उन्होने अपना बांया हाथ आगे कर दिया तब ? इसका अर्थ यह होगा कि हमने एक भयानक गलती कर दी है, हम उन्हे दायें और बायें का अर्थ नही समझा पाये हैं। इससे बूरा यह है कि इसका अर्थ यह होगा कि ये परग्रही प्रतिपदार्थ से बने है, और उन्होने प्रयोगो मे सब कुछ उल्टा करते हुये बायें और दायें को उल्टा समझा है। यदि हमने उनसे हाथ मिलाया तो दोनो एक विस्फोट के साथ नष्ट होकर ऊर्जा मे परिवर्तित हो जायेंगे।

यह धारणा १९६० तक रही। हम लोग हमारे ब्रह्माण्ड तथा प्रतिब्रह्माण्ड(प्रति पदार्थ से निर्मित तथा दर्पणाकृति) मे अंतर करने मे असमर्थ थे। यदि आप सममीती तथा आवेश दोनो को पलट दे तब बनने वाला ब्रह्माण्ड भौतिकी के सभी नियमो का पालन करेगा। P सममीती या C सममीती को अलग अलग पलटने पर बनने वाला ब्रह्माण्ड संभव नही है लेकिन सममीती और आवेश दोनो को पलट दे, तब विपरीत CP ब्रह्माण्ड संभव था।

इसका अर्थ यह था कि यदि हम परग्रही से फोन पर बात कर रहे हो तब हम साधारण ब्रह्माण्ड तथा विपरीत CP ब्रह्माण्ड मे अंतर नही बता सकते थे।(अर्थात बाये और दायें की अदलाबदली तथा पदार्थ की प्रतिपदार्थ से अदला-बदली करने पर दोनो ब्रह्माण्ड एक जैसे थे)।

१९६४ मे भौतिक वैज्ञानिको को दूसरा झटका लगा कि विपरित CP ब्रह्माण्ड संभव नही है। परमाण्विक कणो के अध्ययन के बाद वैज्ञानिको ने पाया कि आवेश और सममीती को पलटने के बाद भी दायें और बायें मे अंतर करना संभव है। १९६४ मे दो अमरीकी वैज्ञानिक जे डब्ल्यु क्रोनीन तथा वाल फीच ने पाया कि कुछ कण जैसे K-मेसान के क्षय मे CP सममीती का पालन नही होता है।आप फोन पर किसी विपरीत CP ब्रह्माण्ड के परग्रही को दांये और बायें मे अंतर समझा सकते है। इस खोज के लिए जेम्स क्रोनीन तथा वाल फिच को १९८० का भौतिकी नोबेल मिला।

जब वैज्ञानिको ने पाया कि विपरीत CP ब्रह्माण्ड भौतिकी के नियमो के अनुरूप नही है अर्थात उसका आस्तीत्व संभव नही है, वे काफी निराश हुये। लेकिन यह महाविस्फोट के सिद्धांत का पुष्टीकरण था। यह प्रमाणित करता था कि क्यों पदार्थ की मात्रा प्रतिपदार्थ से ज्यादा है। यदि विपरित CP ब्रह्माण्ड का अस्तित्व संभव होता तब महाविस्फोट के दौरान पदार्थ और प्रतिपदार्थ की समान मात्रा होती, और वे एक दूसरे को नष्ट कर ऊर्जा मे परिवर्तित हो जाते। इस अवस्था मे ऊर्जा के अतिरिक्त कुछ नही बचता। हमारा अस्तित्व है, इसका अर्थ है कि पदार्थ की मात्रा प्रतिपदार्थ से ज्यादा थी जो कि CP सममीती विखंडन का प्रमाण है।

अब तक हमने देखा कि विपरित C ब्रह्माण्ड, विपरित P ब्रह्माण्ड, विपरीत CP ब्रह्माण्ड का अस्तित्व संभव नही है। क्या कोई प्रति-ब्रह्माण्ड संभव है ?

उत्तर है हां! विपरीत CP ब्रह्माण्ड का अस्तित्व संभव नही है लेकिन एक प्रति ब्रह्माण्ड संभव है जो कि विचित्र है। यदि हम आवेश को विपरीत कर दे, दिशा विपरीत कर दे(दर्पणाकृति) तथा समय की दिशा पलट दे, तब बनने वाला ब्रह्माण्ड भौतिकी के सभी नियमो का पालन करेगा। विपरीत CPT ब्रह्माण्ड संभव है।

समय की दिशा बदलना विचित्र लगता है, यह सामान्य बुद्धि के विपरित है। विपरीत समय के ब्रह्माण्ड मे, आमलेट के अण्डे खाने की प्लेट से कूदकर तवे मे जायेंगे तथा तवे मे छिलके से जुडकर अंडे मे बदल जायेंगे। लाशे मृतावस्था से जिवित होकर, वृद्धावस्था से युवावस्था, युवावस्था से किशोरावस्था की ओर जायेंगी, बेंजामीन बटन की तरह!

सामान्य बुद्धि कहती है कि विपरीत समय का ब्रह्माण्ड संभव नही है ,लेकिन परमाण्विक कणो के गणितिय समीकरण इसे संभव कहते है। न्युटन के नियम भूतकाल मे पिछे या भविष्य मे सामने दोनो दिशा मे कार्य करते है। बीलीयर्ड के खेल की वीडियो रीकार्डींग किजीये। गेंदे एक दूसरे से टकराने पर न्युटन के नियम का पालन करती है। अब इस वीडियो टेप को विपरीत दिशा मे चलायीये। यह विचित्र अवश्य है लेकिन अब भी गेंदे एक दूसरे से टकराने पर न्युटन के नियम का पालन करती है।

क्वांटम भौतिकी मे स्थिती और जटिल हो जाती है। विपरीत समय क्वांटम भौतिकी के विपरीत है लेकिन विपरीत CPT ब्रह्माण्ड क्वांटम भौतिकी के नियमो के अनुरूप है। इसका अर्थ यह है कि पदार्थ को प्रतिपदार्थ से बदलने, दायें और बायें की अदलाबदली के पश्चात यदि समय को भविष्य से भूतकाल की ओर चलायें तब यह ब्रह्मांड भौतिकी के सभी नियमो का पालन करता है।

दूर्भाग्य से हम ऐसे विपरीत CPT ब्रह्माण्ड से संपर्क नही कर पायेंगे। हमारा कोई भी रेडीयो संकेत उनके भविष्य का भाग होगा। लेकिन वे अपने भविष्य को वे भूल चूके होंगे क्योंकि वहां समय विपरीत चलता है। भविष्य काल से भूतकाल की ओर!

विपरीत CPT ब्रह्मांड एक अविश्वसनीय, विचित्र तथा वैज्ञानिको की सनक से ज्यादा कुछ नही लगता है लेकिन कुछ वर्षो पूर्व ऐसे ही बयान श्याम वीवर, श्याम ऊर्जा के लिए दिये गये थे। लार्ड केल्विन ने कहा था कि हवा से भारी कोई भी वस्तु उड़ नही सकती है। विमानयात्रा आज की सच्चाई है! यह एक सत्य है कि हर नयी खोज के सिद्धांत का पहले मजाक बनाया जाता है, जैसे जार्ज गैमाओ ने “Big Bang अर्थात महाविस्फोट के सिद्धांत” का बनाया था।

अगले अंक मे प्रतिपदार्थ के उपयोग !

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1. अनिश्चितता के सिद्धांत (Theory Of Uncertainty ) आइन्स्टाइन ने कुछ ऐसे ही कहा था :

भगवान पांसे नही फेंकता।(God does not play dice!)

नील्स बोहर(Niels Bohr) ने इसके जवाब मे कहा था:

आइंस्टाइन, तुम मत बताओ कि भगवान को क्या करना चाहीये! (Einstein, don’t tell God what to do)।

प्रति पदार्थ(Anti matter):ब्रह्माण्ड की संरचना भाग ९

प्रकृति^(१) ने इस ब्रह्माण्ड मे हर वस्तु युग्म मे बनायी है। हर किसी का विपरीत इस प्रकृति मे मौजूद है। भौतिकी जो कि सारे ज्ञान विज्ञान का मूल है, इस धारणा को प्रमाणिक करती है। भौतिकी की नयी खोजों ने सूक्ष्मतम स्तर पर हर कण का प्रतिकण ढूंढ निकाला है। जब साधारण पदार्थ का कण प्रतिपदार्थ के कण से टकराता है दोनो कण नष्ट होकर ऊर्जा मे परिवर्तित हो जाते है।

प्रतिपदार्थ की खोज ने शताब्दीयों पुरानी धारणा जो पदार्थ और ऊर्जा को भिन्न भिन्न मानती थी की चूलें हिला दी। अब हम जानते है कि पदार्थ और ऊर्जा दोनो एक ही है। ऊर्जा विखंडित होकर पदार्थ और प्रतिपदार्थ का निर्माण करती है। इसे सरल गणितिय रूप मे निम्न तरिके से लिखा जा सकता है

पदार्थ और प्रतिपदार्थ (हायड्रोजन और प्रति हायड्रोजन)" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/antimatter1.png?w=294&h=174" alt="पदार्थ और प्रतिपदार्थ (हायड्रोजन और प्रति हायड्रोजन)" width="294" height="174">

पदार्थ और प्रतिपदार्थ (हायड्रोजन और प्रति हायड्रोजन)

1. ऊर्जा = पदार्थ + प्रतिपदार्थ
2. E=mc² (E= ऊर्जा, m = पदार्थ का द्रव्यमान, c =प्रकाशगति)

प्रतिपदार्थ का संक्षिप्त इतिहास

१९३० मे पाल डीरेक ने इलेक्ट्रान तथा उसके व्यवहार की जो व्याख्या की थी,वह क्वांटम भौतिकी तथा विशेष सापेक्षतावाद के सिद्धांत दोनो के अनुरूप थी। इस व्याख्या की सबसे विशेषता यह थी कि यह इलेक्ट्रान के विपरीत कण के अस्तित्व की भविष्यवाणी करती थी। इलेक्ट्रान के इस विपरीत कण का द्रव्यमान इलेक्ट्रान के तुल्य था लेकिन विद्युत आवेश तथा चुंबकिय गुरुत्व विपरीत था।

१९३२ मे वैज्ञानिक कार्ल एण्डरसन क्लाउड चेम्बर मे ब्रम्हाण्डिय विकिरण(Cosmic Rays) द्वारा बनाये गये पथ का अध्यन कर रहे थे। उन्होने देखा कि एक कण ने इलेक्ट्रान के जैसे ही पथ बनाया था लेकिन चुंबकिय क्षेत्र मे उसके पथ का झुकाव उसके धनात्मक विद्युत आवेश को दर्शाता था। कार्ल ने इस कण का नाम पाजीट्रान रखा। अब हम जानते है कि कार्ल द्वारा खोजा गया यह पाजीट्रान, पाल डीरेक द्वारा पूर्वानुमानित प्रति-इलेक्ट्रान था।

१९५० मे लारेंस विकिरण प्रयोगशाला मे बेवाट्रान त्वरक(Bevatron accelerator) ने प्रति-प्रोटान खोज निकाला, जो कि द्रव्यमान तथा स्पिन मे प्रोट्रान के जैसा लेकिन ऋणात्मक विद्युत आवेश तथा प्रोटान के विपरित चुंबकिय गुरुत्व वाला था। प्रतिप्रोटान के निर्माण के लिए कण त्वरक(Particle Acclerator) मे प्रोटान को अत्याधिक ऊर्जा पर दूसरे प्रोटानो से टकराया जाता है। इस क्रिया मे कभी कभी प्रारंभिक दो प्रोटानो के अतिरिक्त प्रोटान-प्रति प्रोटान युग्म का निर्माण होता है।^(२) इस परिणाम ने इस विश्वास को मजबूती दी कि हर कण का एक प्रति कण होता है।

एक कण तथा उसका प्रतिकण टकराने पर नष्ट होकर ऊर्जा मे परिवर्तित हो जाते है। यह ऊर्जा आइंस्टाइन के समीकरण E=mc² से मापी जा सकती है। उदाहरण के लिए एक इलेक्ट्रान तथा पाजीट्रान(प्रति इलेक्ट्रान) के टकराने से ५११ इलेक्ट्रान वोल्ट की दो गामा किरणे उत्पन्न होती है। ये दोनो गामा किरणे दो विपरित दिशाओ मे प्रवाहित होती है क्योंकि ऊर्जा तथा संवेग का संरक्षण आवश्यक है। जब एक प्रोटान तथा प्रतिप्रोटान टकराते है तब कुछ अन्य कणो का निर्माण होता है लेकिन कुल उत्पन्न ऊर्जा तथा नये कणो का द्रव्यमान का योग प्रोटान तथा प्रतिप्रोटान के द्रव्यमान के योग(२* ९३८MeV) के तुल्य होता है।

प्रतिपदार्थ के निर्माण मे लगे वैज्ञानिको ने प्रतिहायड्रोजन का निर्माण भी कर लिया है। प्रतिहायड्रोजन का निर्माण अन्य तत्वो की तुलना मे आसान है क्योंकि इसके लिए प्रति प्रोटान तथा प्रतिइलेक्ट्रान ही चाहीये होता है। प्रतिपदार्थ के निर्माण से बड़ी समस्या उसके संग्रहण की है? प्रतिपदार्थ साधारण पदार्थ से टकराकर ऊर्जा मे बदल जाता है तो उसे संग्रह कैसे करे?

प्रतिपदार्थ का अस्तित्व क्यों है ?

यह विचित्र लगता है कि प्रकृति ने हर कण का प्रतिकण बनाया है। प्रकृति के किसी भी कार्य के पिछे एक कारण होता है, प्रकृति द्बारा निर्मित कोई भी वस्तु व्यर्थ नही होती है। लेकिन अब हम प्रतिपदार्थ(Antimatter)के बारे मे जानते है जो कि व्यर्थ और अनावश्यक लगता है ? यदि प्रतिपदार्थ का आस्तित्व है तो क्या प्रतिब्रह्माण्ड का आस्तित्व भी है ?

इस प्रश्न के उत्तर के लीए हमे प्रतिपदार्थ की खोज की प्रक्रिया को विस्तार से समझना होगा। क्वांटम भौतिकी के अणुसार इलेक्ट्रान के जैसे कणो की व्याख्या किसी बिंदु के जैसे कण की बजाए श्रोडींगर के तरंग से की जा सकती है। यह तरंग इस कण की उस बिंदू पर होने की संभावना व्यक्त करती है। यह थोड़ा अजीब लगता है लेकिन इस सूक्ष्म स्तर पर प्रकृति विचित्र व्यवहार करती है। इस स्तर पर किसी भी कण की एक निश्चित अवस्था ज्ञात करना असंभव है, हम उस कण के किसी बिंदू पर होने की संभावना ही ज्ञात कर सकते है। यह संभावना एक तरंग के रूप मे व्यक्त की जाती है अर्थात वह कण उस तरंग द्वारा दर्शाये गये पथ मे कहीं भी हो सकता है।

पाल डीरेक ने श्रोडींगर के तरंग सिद्धांत मे एक दोष खोज निकाला था। श्रोडींगर का तरंग सिद्धांत कम ऊर्जा पर इलेक्ट्रान के व्यवहार की व्याख्या करता था लेकिन उच्च ऊर्जा पर यह इलेक्ट्रान के व्यवहार की व्याख्या नही कर पाता था। उच्च ऊर्जा पर कण आइंस्टाइन के सापेक्षतावाद के सिद्धांत का पालन करते थे। पाल डीरेक ने श्रोडींगर के समीकरण मे परिवर्तन कर उसे आइंन्सटाइन के सापेक्षतावाद के समीकरण से जोड़ दिया अर्थात दोनो सिद्धांत का एकीकरण कर दिया। पूरा विश्व चमत्कृत रह गया। इलेक्ट्रान अब श्रोडींगर के तरंग सिद्धांत के साथ सापेक्षतावाद के सिद्धांत दोनो का पालन करता था। पाल डीरेक ने यह कार्य शुद्ध गणितिय रूप से किया था, इसका प्रायोगिक सत्यापन शेष था।

इलेक्ट्रान के लिए नया समीकरण बनाते समय डीरेक ने पाया की आइंस्टाइन का प्रसिद्ध समीकरण E=mc² पूर्णतः सत्य नही है। सही समीकरण है E=±mc² ।(किसी भी संख्या का वर्गमूल करने पर परिणाम धनात्मक या ऋणात्मक दोनो होता है।)

भौतिक विज्ञानी ऋणात्मक ऊर्जा से नफरत करते है। भौतिकी का एक स्वयं-सिद्ध सिद्धांत(Axiom) है कि कोई भी पिंड हमेशा निम्न ऊर्जा की अवस्था प्राप्त करने का प्रयत्न करता है।चूंकि पदार्थ हमेशा निम्न ऊर्जा अवस्था मे प्राप्त करने का प्रयास करता है, ऋणात्मक ऊर्जा का सिद्धांत विनाशकारी था। इसका अर्थ था कि सारे इलेक्ट्रान अनंत ऋणात्मक ऊर्जा की अवस्था मे चले जायेंगे, यह डीरेक के सिद्धांत के साथ ब्रह्मांड को अस्थायी बनाता था।

डीरेक सागर" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9b/Dirac_sea.svg/220px-Dirac_sea.svg.png" alt="डीरेक सागर" width="220" height="117">

डीरेक सागर

डीरेक ने एक नया सिद्धांत “डीरेक सागर(Dirac Sea)“ विकसीत किया। इसके अनुसार सभी ऋणात्मक ऊर्जा अवस्थायें भरी हुयी है, इसकारण इलेक्ट्रान ऋणात्मक अवस्था मे नही जा सकता। यह ब्रह्माण्ड को स्थायी बनाता था। यदि किसी ऋणात्मक ऊर्जा अवस्था के इलेक्ट्रान से गामा किरण टकरायेगी वह उसे धनात्मक ऊर्जा अवस्था मे पहुंचा देगी। इससे हमे यह लगेगा कि ’गामा किरण’ ऊर्जा से एक इलेक्ट्रान तथा ’डीरेक सागर मे एक छेद’ के युग्म मे परिवर्तित हो गयी है।

गामा किरण(ऊर्जा) = इलेक्ट्रान + ’डीरेक सागर मे एक छेद’ (प्रति इलेक्ट्रान)

डीरेक सागर का यह छेद निर्वात मे एक बुलबुले के रूप मे था जिसका आवेश धनात्मक था तथा द्रव्यमान इलेक्ट्रान के बराबर था। दूसरे शब्दो मे यह प्रति-इलेक्ट्रान के जैसा था। इस चित्र मे प्रतिपदार्थ डीरेक सागर के बुलबुलो के रूप मे था।

डीरेक के प्रतिइलेक्ट्रान के पूर्वानुमान के कुछ वर्षो पश्चात कार्ल एण्डरसन ने प्रतिइलेक्ट्रान की खोज कर ली। इस खोज के साथ १९३३ मे डीरेक को नोबेल पुरुष्कार मिला।

लंदन के शाही चर्च वेस्टमीनीस्टर एब्बी मे पाल डीरेक का समीकरण " src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/pauldirac.png?w=300&h=224" alt="लंदन के शाही चर्च वेस्टमीनीस्टर एब्बी मे पाल डीरेक का समीकरण " width="300" height="224">

लंदन के शाही चर्च वेस्टमीनीस्टर एब्बी मे पाल डीरेक का समीकरण

सरल शब्दो मे कहा जाये तो प्रतिपदार्थ का अस्तित्व का कारण यह है कि डीरेक के समीकरण के दो हल है, एक साधारण पदार्थ के लिए दूसरा प्रतिपदार्थ के लिए। यह हल आइंस्टाइन के सापेक्षतावाद के सिद्धांत से निकला हुआ हल है। डीरेक का समीकरण लंदन की वेस्टमीनीस्टर एबी मे पत्थर पर उत्किर्ण किया गया है, जो कि न्युटन की कब्र से ज्यादा दूर नही है। आज तक किसी अन्य समीकरण को ऐसा सम्मान नही दिया गया है।
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(१).आस्तिक इसे भगवान, ईश्वर, अल्लाह या गॉड का नाम देते है।

(२)प्रतिपदार्थ का निर्माण रेडीयोसक्रिय पदार्थो के क्षय मे भी होता है। जब ^१४C का क्षय होता है, एक न्युट्रान का क्षय होकर एक प्रोटान, एक इलेक्ट्रान तथा एक इलेक्ट्रान-प्रतिन्युट्रीनो का निर्माण होता है। जब ^१९N का क्षय होता है, एक प्रोटान का क्षय होकर एक न्युट्रान, एक पाजीट्रान तथा एक इलेक्ट्रान-न्युट्रीनो का निर्माण होता है।

^१४C –>^१४N + e^- +ν^-_e

^१९Ne –>^१९F + e⁺ + ν_e

न्युट्रीनो तथा इलेक्ट्रान लेप्टान कण समूह मे आते है जबकि प्रतिन्युट्रीनो, पाजीट्रान प्रतिलेप्टान समूह मे आते है। लेप्टान बिंदु नुमा कण है जो कि विद्युत-चुंबकिय बल, कमजोर नाभिकिय बल तथा गुरुत्वाकर्षण बल से प्रतिक्रिया करते है लेकिन मजबूत नाभिकिय बल से प्रतिक्रिया नही करते है। एक प्रतिलेप्टान प्रतिकण है। हर क्रिया मे एक लेप्टान तथा प्रतिलेप्टान बनते है। यह प्रतिक्रियायें भौतिकी की मूल क्रिया है कि हर निर्मित लेप्टान के लिए एक प्रतिलेप्टान होना चाहीये।

श्याम ऊर्जा(Dark Energy):ब्रह्माण्ड की संरचना भाग ८

ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति(महाविस्फोट से लेकर)" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/expansionofuniverse.png?w=300&h=187" alt="ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति(महाविस्फोट से लेकर)">

ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति(महाविस्फोट से लेकर)

ब्रह्माण्ड की उत्पत्ति के सबसे प्रचलित तथा मान्य सिद्धांत के अनुसार अरबो वर्ष पहले सारा ब्रह्माण्ड एक बिंदू के रूप मे था। किसी अज्ञात कारण से इस बिंदू ने एक विस्फोट के साथ विस्तार प्रारंभ किया और ब्रह्माण्ड आस्तित्व मे आया। ब्रह्माण्ड का यह विस्तार वर्तमान मे भी जारी है। इसे हम महाविस्फोट का सिद्धांत(The Big Bang Theory) कहते है। एडवीन हब्बल द्वारा किये गये निरिक्षणो तथा आइंस्टाइन के सापेक्षतावाद के सिद्धांत ने इस सिद्धांत को प्रायोगिक तथा तार्किक आधार दिया।

१९९० दशक के मध्य मे कुछ खगोलशास्त्रीयों ने ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति मापने के लिए कुछ प्रयोग किये। गुरुत्वाकर्षण बल द्रव्यमान को आकर्षित करता है, इसलिए अधिकतर वैज्ञानिको का मानना था कि गुरुत्वाकर्षण बल ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति को मंद कर देगा या इस गति को स्थिर कर देगा।

इन प्रयोगो के नतिजे अनपेक्षित निकले। ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति ना कम हो रही थी, ना स्थिर थी, उल्टे वह बढ़ रही थी।

यह प्रयोग कुछ समूह १ए(Type 1A) के सुपरनोवाओं के निरिक्षण पर आधारित था। समूह १ए के सुपरनोवा ब्रह्मांडीय दूरीयो के मापन के लिए मानक दीपस्तंभो (Standard Lamppost or Standard Candles) के रूप मे प्रयोग किए जाते है। विभिन्न दूरीयों के सुपरनोवाओं के निरिक्षण से वैज्ञानिक भूतकाल मे देख सकते है क्योंकि प्रकाश को उन सुपरनोवाओं से हम तक पहुंचने मे अरबों वर्ष लगते है।

श्याम ऊर्जा और श्याम पदार्थ के मध्य रस्साकसी" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/dmde1.png?w=243&h=300" alt="श्याम ऊर्जा और श्याम पदार्थ के मध्य रस्साकसी">

श्याम ऊर्जा और श्याम पदार्थ के मध्य रस्साकसी

वैज्ञानिको ने भिन्न दूरीयो पर स्थित सुपरनोवाओं से उत्सर्जित प्रकाश का निरिक्षण किया जिससे उनके हमसे दूर जाने की गति की गणना की जा सके। यह गणना डाप्लर प्रभाव(Dopler Effect) के कारण उत्पन्न लाल विचलन(Red Shift) के मापन से की जाती है। यह निरिक्षण वैज्ञानिको को भूतकाल मे भिन्न भिन्न बिंदुओं पर ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति की मात्रा की जानकारी देने मे सक्षम था।

वैज्ञानिको ने पाया कि वर्तमान मे ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति भूतकाल मे ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति से अधिक है। यह आश्चर्यजनक था लेकिन सत्य था। यह प्रयोग एक ही समय मे वैज्ञानिको के दो अलग अलग समूहो ने किया था जिससे आंकड़ों मे या निरिक्षणो मे गलती की संभावना भी नही थी। इन सभी का अर्थ यही था कि कोई एक रहस्यमय बल गुरुत्वाकर्षण बल के प्रभाव को ना केवल उदासीन कर रहा था साथ मे ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति को त्वरित कर रहा था।

इसी रहस्यमय बल को श्याम ऊर्जा(Dark Energy) नाम दिया गया है। यदि श्याम ऊर्जा (Dark Energy) किसी विशेष प्रकार का प्रतिकर्षण वाला बल है। यह किसी भी पदार्थ(साधारण बार्योनिक पदार्थ,प्रति पदार्थ(Anti-Matter) या श्याम पदार्थ(Dark Matter)) से संबंधित नही है।

चन्द्रा अंतरिक्ष वेधशाला द्वारा श्याम ऊर्जा की पुष्टि

वैज्ञानिको ने हाल ही मे श्याम ऊर्जा के अस्तित्व को सुपरनोवा के अतिरिक्त नयी विधीयों से भी प्रमाणित किया है। यह नयी विधी चंद्रा एक्स रे वेधशाला के निरिक्षणो से प्राप्त आंकड़ों पर निर्भर है। इसके अनुसार श्याम ऊर्जा आइंस्टाइन के खगोलिय स्थिरांक(Cosmological Constant) का ही रूप है, जिसे आइंस्टाइन ने ही अपनी जिंदगी की सबसे बड़ी भूल(biggest blunder) कह कर नकार दिया था। इन प्रयोगो मे वैज्ञानिको ने कुछ आकाशगंगा समूह के द्रव्यमान मे कमी महसूस की है जो कि किसी श्यामऊर्जा के जैसे विदारक बल के कारण ही हो सकती है। वैज्ञानिको के अनुसार श्याम ऊर्जा का यह प्रभाव भविष्य मे तारो, ग्रहों को तथा हमारा निर्माण करने वाले अणुओ को भी फाड़ सकता है। (चन्द्रा अंतरिक्ष वेधशाला का नाम भारतीय मूल के वैज्ञानिक सुब्रमनियन चन्द्रशेखर के सम्मान मे दिया गया है।)

इस प्रयोग से जुड़े शिकागो विश्वविद्यालय के खगोल शास्त्र तथा खगोल भौतिकी विभाग के वैज्ञानिक माइकल टर्नर के अनुसार

“१० वर्ष पहले ब्रह्मांड के विस्तार मे गति मे त्वरण की खोज पर यदि किसी को संदेह था तब इस खोज से वह दूर हो जाना चाहीये।”

ब्रह्माण्ड की संरचना(अंतर खगोलिय गैस- मुख्यतः हायड्रोजन)" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/universecomposition.png?w=300&h=148" alt="ब्रह्माण्ड की संरचना(अंतर खगोलिय गैस- मुख्यतः हायड्रोजन)">

ब्रह्माण्ड की संरचना

श्याम ऊर्जा की मात्रा

खगोल वैज्ञानिको के अनुसार ब्रह्माण्ड का कूल ७४% से ७६% भाग श्याम ऊर्जा से बना है, २०% से २२% भाग श्याम पदार्थ से तथा शेष ४ % साधारण पदार्थ से बना है। इस शेष ४% मे हम, हमारा सौरमंडल तथा हमारी आकाशगंगा शामिल है। ब्रह्माण्ड मे कितने नगण्य और तुच्छ है हम !

श्याम ऊर्जा बड़े पैमाने पर(ब्रह्मांडीय स्तर पर) कार्य करती है लेकिन छोटे पैमाने पर(आकाशगंगा) इसका प्रभाव नही होता है। इस कारण इस ऊर्जा का प्रभाव हम अपनी आकाशगंगा या हमारे सौर मंडल मे नही देखते है। इस ऊर्जा का प्रभाव स्थानिय आकाशगंगा समूह मे भी नही देखा गया है, हमारी आकाशगंगा मंदाकिनी तथा पड़ोसी आकाशगंगा एन्ड्रोमीडा इसी समूह की सदस्य है।

क्या है श्याम ऊर्जा

आइंस्टाइन के साधारण सापेक्षतावाद के अनुसार ब्रह्मांडीय स्थिरांक निर्वात के घनत्व तथा दबाव से जुड़ा है। दूसरे शब्दो मे श्याम ऊर्जा , निर्वात की ऊर्जा है। इस व्याख्या के अनुसार श्याम ऊर्जा अंतरिक्ष(निर्वात) का गुणधर्म है।

आइंस्टाइन पहले व्यक्ति थे जिन्होने महसूस किया था कि निर्वात (अंतरिक्ष) का अर्थ शुन्य नही है। अंतरिक्ष “रिक्त स्थान” ही नही है, वह रिक्त स्थान होने के बावजूद कुछ विचित्र गुणधर्म रखता है। इन गुणधर्मो मे से कुछ को समझने की शुरुवात हुयी है। आइंन्सटाइन ने अंतरिक्ष का पहला गुणधर्म पाया था कि अंतरिक्ष “रिक्त स्थान” का निर्माण कर सकता है अर्थात अंतरिक्ष अपना विस्तार कर सकता है। आइंस्टाइन के साधारण सापेक्षतावाद के सिद्धांत मे अंतरिक्ष का एक अन्य गुणधर्म के अनुसार अंतरिक्ष की अपनी ऊर्जा होती है जिसे उन्होने ब्रह्मांडीय स्थिरांक(cosmological constant) कहा था। यह ऊर्जा “रिक्त स्थान” की है इसलिए अंतरिक्ष के विस्तार के साथ इस ऊर्जा मे कमी नही आयेगी। ज्यादा रिक्त स्थान के निर्माण के साथ, रिक्त स्थान की ऊर्जा मे बढो़त्तरी होगी, जिसके परिणाम स्वरूप इस तरह की ऊर्जा ब्रह्माण्ड को और ज्यादा गति से विस्तार देगी।

दुर्भाग्य से कोई भी यह समझ नही पा रहा है कि इस ब्रह्मांडिय स्थिरांक(cosmological constant) का अस्तित्व क्यों है? क्यों इस ब्रह्मांडिय स्थिरांक(cosmological constant) का मूल्य ब्रह्मांड मे विस्तार उत्पन्न करने योग्य ऊर्जा के ठीक बराबर क्यों है?

क्वांटम सिद्धांत की एक दूसरी व्याख्या के अनुसार “रिक्त स्थान(अंतरिक्ष)” अस्थायी आभासी (virtual) कणो से बना है जो सतत रूप मे बनते और अदृश्य होते रहते है। लेकिन जब वैज्ञानिको के रिक्त स्थान(अंतरिक्ष) की इस ऊर्जा की गणना की, तब परिणाम अप्रत्याशित रूप से गलत निकले! यह गणना किया गया मूल्य वास्तविक मूल्य से १०‍‍^१२०गुणा ज्यादा था। अर्थात १ के बाद १२० शून्य ! किसी गणना का इतनी बुरी तरह से गलत होना वैज्ञानिको के लीए शर्मनाक था ! रहस्य अभी बरकरार है!

श्याम ऊर्जा का ब्रह्माण्ड के भविष्य की संभावनाएं

ब्रह्माण्ड का भविष्य दो बलो के बीच की रस्साकसी पर निर्भर है। यह दो बल है, गुरुत्वाकर्षण बल तथा श्याम ऊर्जा। गुरुत्वाकर्षण बल आकर्षण बल है तथा पदार्थ के संकुचित करता है। इसी बल के फलस्वरूप सभी ब्रह्मांडिय पिंडो(आकाशगंगा, आकाशगंगा समूह, तारे, निहारिका, ग्रह इत्यादि) का निर्माण हुआ है। यह बल दृश्य पदार्थ (४% बार्योनिक पदार्थ) तथा २४ प्रतिशत अदृश्य श्याम पदार्थ द्वारा उत्पन्न होता है।

श्याम ऊर्जा रिक्त स्थान या निर्वात का बल है। यह ऊर्जा अंतरिक्ष का विस्तार करती है। ध्यान दे यह प्रतिगुरुत्वाकर्षण बल नही है यह दो पिंडो को एक दूसरे से दूर नही धकेलता है, यह दो पिंडो के मध्य रिक्त स्थान(अंतरिक्ष) का विस्तार करता है।

ब्रह्मांड के भविष्य की तीन संभावनाएं" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/universefuture.png?w=445&h=333" alt="ब्रह्मांड के भविष्य की तीन संभावनाएं" width="445" height="333">

ब्रह्मांड के भविष्य की तीन संभावनाएं

ब्रह्माण्ड का भविष्य इस तथ्य पर निर्भर है कि भविष्य मे कौनसा बल प्रभावी होगा। आज की स्थिती मे तीन संभावनाये बनती है।

श्याम पदार्थ और श्याम ऊर्जा का ब्रह्मांड के भविष्य पर प्रभाव" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/dmde.png?w=285&h=300" alt="श्याम पदार्थ और श्याम ऊर्जा का ब्रह्मांड के भविष्य पर प्रभाव" width="285" height="300">

श्याम पदार्थ और श्याम ऊर्जा का ब्रह्मांड के भविष्य पर प्रभाव

१.महा संकुचन(Big Crunch) : यह उस स्थिती मे संभव है जब भविष्य मे किसी समय श्याम ऊर्जा अपना रूप परिवर्तन कर अंतरिक्ष के विस्तार की जगह अंतरिक्ष का संकुचन प्रारंभ कर दे। इस स्थिती मे गुरुत्वाकर्षण बल प्रभावी हो जायेगा और ब्रह्माण्ड संकुचित होकर एक बिन्दू के रूप मे सिकुड़ जायेगा। यह शायद एक और महाविस्फोट(Big Bang) को जन्म देगा। महा विस्फोट तथा महासंकुचन का यह चक्र सतत रूप से चलते रहेगा। यह एक संभावना मात्र है, अभी तक इस संभावना के पक्ष मे कोई प्रमाण नही मिले है।

२.स्थिर श्याम ऊर्जा (ब्रह्माण्डिय स्थिरांक) : इस स्थिती मे ब्रह्माण्ड का विस्तार अनंत काल तक जारी रहेगा। सभी आकाशगंगाएँ एक दूसरे से दूर होती जायेंगी। लेकिन आकाशगंगाओं के अंदर गुरुत्वाकर्षण प्रभावी रहेगा। अर्थात आकाशगंगाओं के अंदर तारे, सौर मंडल बने रहेंगे, वे गुरुत्वाकर्षण से बंधे रहेंगे।

३. महा-विच्छेद (Big Rip): यह एक भयावह स्थिती है। इस स्थिती मे ऊर्जा का घनत्व समय के साथ समान रहता है तब वैज्ञानिको के अनुसार ब्रह्माण्ड के विस्तार की गति बढते जायेगी तथा अंतरिक्ष के विस्तार के साथ श्याम ऊर्जा की मात्रा बढ़ती जायेगी। । आकाशगंगाए एक दूसरे से क्रिया करने या विलय करने की बजाय एक दूसरे से दूर होते जायेंगी। भविष्य मे किसी समय यह गुरुत्वाकर्षण बल पर भी प्रभावी हो जायेगी, तब यह ऊर्जा आकाशगंगाओं, तारो, ग्रहो को चीर देगी। आज से अरबो वर्ष पश्चात हमारी आकाशगंगाओ का स्थानिय सूपरक्लस्टर भी टूट जायेगा और हमारी आकाशगंगा अकेली रह जायेगी। सभी अणुओ का भी विच्छेद हो जायेगा। जैसे कोई मिट्टी का ढेले के कण पानी मे डालने पर घूल कर एक दूसरे से अलग हो जाते है वैसे ही ब्रह्माण्ड का हर सूक्ष्म कण अलग अलग हो जायेगा। अभी तक के सभी निरिक्षण और प्रमाण इसी स्थिती की ओर संकेत कर रहे है।

श्याम पदार्थ को और अधिक ठीक ढंग से समझने के लिए इस विस्तृत सार्थक लेख को पढ़िए.

यह विषय एक विज्ञान फैटंसी फिल्म की कहानी के जैसा है। श्याम ऊर्जा(Dark Energy), एक रहस्यमय बल जिसे कोई समझ नहीं पाया है, लेकिन इस बल के प्रभाव से ब्रह्मांड के पिंड एक दूसरे से दूर और दूर होते जा रहे है।

यह वह काल्पनिक बल है जिसका दबाव ऋणात्मक है और सारे ब्रह्मांड में फैला हुआ है। सापेक्षता वाद के सिद्धांत के अनुसार , इस ऋणात्मक दबाव का प्रभाव गुरुत्वाकर्षण के विपरीत प्रभाव के समान है।

श्याम ऊर्जा १९९८ मे उस वक्त प्रकाश में आयी , जब अंतरिक्ष वैज्ञानिकों के २ समुहों ने विभिन्न आकाशगंगाओं में विस्फोट की प्रक्रिया से गुजर रहे सितारों(सुपरनोवा)^(१) पर एक सर्वे किया। उन्होने पाया की ये सुपरनोवा की प्रकाश दीप्ति अपेक्षित प्रकाश दीप्ति से कम है, इसका मतलब यह कि उन्हें जितने पास होना चाहिये थी , वे उससे ज्यादा दूर है। इसका एक ही मतलब हो सकता था कि ब्रह्मांड के विस्तार की गति कुछ काल पहले की तुलना में बढ़ गयी है!(लाल विचलन भी देखे)

इसके पहले तक यह माना जाता था कि ब्रह्मांड के विस्तार की गति धीरे धीरे गुरुत्वाकर्षण बल के कारण कम होते जा रही है। लेकिन सुपरनोवा के विश्लेषण से ज्ञात हुआ कि कोई रहस्यमय बल गुरुत्वाकर्षण बल ले विपरीत कार्य कर ब्रह्मांड के विस्तार को गति दे रहा है। यह एक आश्चर्यजनक , विस्मयकारी खोज थी।

पहले तो वैज्ञानिकों को इस प्रयोग के परिणामों की विश्वसनीयता पर ही शक हुआ। उन्हें लगा की सुपरनोवा की प्रकाश दीप्ति किसी गैस या धूल के बादल के कारण कम हो सकती है या यह भी हो सकता है कि सुपरनोवा की प्रकाश दीप्ति के बारे में वैज्ञानिकों का अनुमान ही गलत हो। लेकिन उपलब्ध आँकड़ों को सावधानी पूर्वक जांचने के बाद पता चला कि कोई रहस्यमय बल का अस्तित्व जरूर है जिसे आज हम श्याम ऊर्जा (Dark Energy) कहते है।

वैसे यह विचार एकदम नया नहीं है। आईंस्टाईन ने अपने सापेक्षता वाद के सिद्धांत(Theory of Relativity) मे एक प्रति गुरुत्वाकर्षण प्रभाव को दर्शाने वाला बल ब्रह्मांडीय स्थिरांक (Cosmological Constant) का समावेश किया है। लेकिन आईन्स्टाईन खुद और बाद में अन्य विज्ञानी भी मानते थे कि यह ब्रह्मांडीय स्थिरांक(Cosmological Constant) एक गणितिय सरलता के लिये ही है जिसका वास्तविकता से काफी कम रिश्ता है। १९९० तक किसी ने भी नहीं सोचा था कि यह ब्रह्मांडीय स्थिरांक एक सच्चाई भी हो सकता है।

दक्षिण केलीफोर्निया विश्व विद्यालय की वर्जीनिया ट्रीम्बल कहती है

“श्याम ऊर्जा को प्रति गुरुत्वाकर्षण कहना सही नहीं है। यह बल गुरुत्वाकर्षण के विपरीत कार्य नहीं करता है। यह ठीक वैसे ही व्यवहार करता है जैसे सापेक्षता वाद के सिद्धांत के उसे अनुसार उसे करना चाहिये। सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार इस बल का दबाव ऋणात्मक है।”

उनके अनुसार

“ मान लिजिये ब्रह्मांड एक बड़ा सा गुब्बारा है। जब यह गुब्बारा फैलता है, तब विस्तार से इस श्याम ऊर्जा का घनत्व कम होता है और गुब्बारा थोड़ा और फैलता है। ऐसा इस लिये कि श्याम ऊर्जा से ऋणात्मक दबाव^(२) उत्पन्न होता है। जबकि गुब्बारे के अंदर यह गुब्बारे को खींचने की कोशिश कर रहा है, घनत्व जितना कम होगा यह गुब्बारे को अंदर की ओर कम खिंच पायेगा जिससे विस्तार और ज्यादा होगा। यही प्रक्रिया ब्रह्मांड के विस्तार में हो रही है।”

सुपरनोवा का उदाहरण यह बताता है कि ब्रह्मांड के विस्तार का त्वरण(acceleration) ५ खरब वर्ष पहले शुरू हुआ था। उस समय आकाशगंगाये इतनी दूरी पर जा चुकी थी कि गुरुत्वाकर्षण बल के प्रभाव से श्याम ऊर्जा का प्रभाव ज्यादा हो चुका था।(ध्यान रहे गुरुत्वाकर्षण बल विभिन्न पिण्डो अपनी तरफ खिंचता है, श्याम ऊर्जा वही उन्हे एक दूसरे से दूर ले जाती है।) उस समय के पश्चात श्याम ऊर्जा के प्रभाव से ब्रह्मांड के विस्तार की गति बढ़ते जा रही है। अब ऐसा प्रतीत हो रहा है कि यह गति अनिश्चित काल के लिये बढ़ते जायेगी। इसका मतलब यह है कि आज की तुलना में खरबों वर्षों बाद हर आकाशीय पिंड एक दूसरे तेज और तेज दूर होते जायेगा और हम अकेले रह जायेंगे।

श्याम ऊर्जा के इस नये सिद्धांत ने वैज्ञानिकों को थोड़ा निराश किया है, उन्हें एक अप्रत्याशित और एकदम नये ब्रह्मांड की अवधारणा को स्वीकारना पड़ा है। वे पहले ही एक श्याम पदार्थ(Dark Matter) की अवधारणा को मान चुके है। आज की गणना के अनुसार यह श्याम पदार्थ , वास्तविक पदार्थ से कहीं ज्यादा है। यह एक ऐसा पदार्थ है जिसे आज तक किसी प्रयोगशाला में महसूस नहीं किया गया है लेकिन इसके होने के सबूत पाये गये है। अब श्याम ऊर्जा का आगमन जख्म पर नमक छिड़कने के समान है।

अंतरिक्ष विज्ञानीयो के अनुसार ब्रह्मांड तीन चीजों से बना है साधारण पदार्थ , श्याम पदार्थ और श्याम ऊर्जा। हम सिर्फ साधारण पदार्थ के बारे में जानते है। ब्रह्मांड का ९०-९५% भाग ऐसे दो पदार्थों से बना है जिसके बारे में कोई नहीं जानता , यह सुन कर आप कैसा महसूस करते है ?

क्वांटम भौतिकी को समझने के लिये दो पीढ़ीया लग गयी। यह समय उस विज्ञान के बारे में था जिसे हम प्रयोगशाला में प्रयोग कर के सिद्ध कर सकते थे। एक ऐसे पदार्थ और ऊर्जा को समझना जिसे देखा नहीं जा सकता, प्रयोगशाला में बनाया नहीं जा सकता कितना कठिन है ?

लेकिन श्याम ऊर्जा ने एक ऐसे रहस्य को सुलझा दिया है जो ब्रह्मांडीय विकिरण ने उत्पन्न किया था। ब्रह्मांडीय विकिरण की तीव्रता के विचलन पर हाल ही के प्रयोगों से प्राप्त आंकडे ब्रह्मांड के अनंत विस्तार के सिद्धांत का प्रतिपादन करते हैं। लेकिन वैज्ञानिकों के लिये इस विस्तार के पीछे कारणीभूत बल एक पहेली था, श्याम ऊर्जा शायद इसी का हल है।

श्याम ऊर्जा का अस्तित्व चाहे किसी भी रूप मे गणना की गयी ब्रह्मांड की ज्यामिती और ब्रह्मांड के कुल पदार्थ की मात्रा के संतुलन के लिये जरूरी है। ब्रह्मांडीय विकिरण (cosmic microwave background (CMB)), की गणना यह संकेत देती है की ब्रह्मांड लगभग सपाट(Flat) है। ब्रह्मांड के इस आकार के लिये , द्रव्यमान और ऊर्जा का अनुपात एक निश्चित क्रान्तिक घनत्व(Critical Density) के बराबर होना चाहिये। ब्रह्मांड के कुल पदार्थ की मात्रा (बायरान और श्याम पदार्थ को मिला कर), ब्रह्मांडीय विकिरण की गणना के अनुसार क्रान्तिक घनत्व का सिर्फ ३०% ही है। इसका मतलब यह है कि श्याम ऊर्जा ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान का ७०% होना चाहीये।

हाल के अध्ययन से ज्ञात हुआ है कि ब्रह्मांड का निर्माण ७४% प्रतिशत श्याम ऊर्जा से, २२% श्याम पदार्थ से और सिर्फ ४% साधारण पदार्थ से हुआ है। और हम इसी ४% साधारण पदार्थ के बारे में जानते है।

श्याम ऊर्जा की प्रकृति एक सोच का विषय है। यह समांगी, कम घनत्व का बल है जो गुरुत्वाकर्षण के अलावा किसी और मूलभूत बलों^(३) से कोई प्रतिक्रिया नहीं करता है। इसका घनत्व काफी कम है लगभग १०^-२९ g/cm3।इसकी प्रयोगशाला में जांच लगभग असंभव ही है।

श्याम ऊर्जा को समझने के लिये सबसे ज्यादा मान्य सिद्धांत है ब्रह्मांडीय स्थिरांक सिद्धांत:

यह आईन्स्टाईन द्वारा प्रतिपादित सिद्धांत है। यह एक दम सरल है, इसके अनुसार अंतराल मे (Volume of Space)मे एक अंतस्थ मूलभूत ऊर्जा होती है। यह एक ब्रह्मांडीय स्थिरांक है जिसे लैम्डा कहते है। द्रव्यमान और ऊर्जा का ये आईन्सटाईन के समीकरण e=mc² के द्वारा संबंधित है, इससे यह साबित होता है कि ब्रह्मांडीय स्थिरांक पर गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव होना चाहिये। इसे कभी कभी निर्वात ऊर्जा (Vacuum Energy) भी कहते है क्योंकि यह निर्वात की ऊर्जा का घनत्व है। वैज्ञानिकों की गणना के अनुसार ब्रह्मांडीय स्थिरांक का मूल्य १०^-२९ g/cm3 है।

ब्रह्मांडीय स्थिरांक एक ऋणात्मक दबाव वाला बल है जो अपने ऊर्जा घनत्व के बराबर होता है, इसी वजह से यह ब्रह्मांड के विस्तार को त्वरण देता है।

श्याम ऊर्जा का ब्रह्मांड के भविष्य पर प्रभाव

जैसा कि हम पहले देख चुके है सुपरनोवा का उदाहरण यह बताता है कि ब्रह्मांड के विस्तार का त्वरण(acceleration) ५ खरब वर्ष पहले शुरु हुआ था। इसके पहले यह सोचा जाता था कि ब्रह्मांड के विस्तार की गति बायरानीक और श्याम पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण के फलस्वरूप कम हो रही है। विस्तारित होते ब्रह्मांड में श्याम पदार्थ का घनत्व का श्याम ऊर्जा की तुलना में ज्यादा तीव्रता से ह्रास होता है। जिससे श्याम ऊर्जा का पलड़ा भारी रहता है। जब ब्रह्मांड का आकार दुगुना हो जाता है श्याम पदार्थ का घनत्व आधा हो जाता है जबकि श्याम ऊर्जा का घनत्व ज्यों का त्यों रहता है। सापेक्षता वाद के सिद्धांत के अनुसार तो यह ब्रह्मांडीय स्थिरांक(Cosmological Constant) है।

यदि विस्तार की गति इस तरह से बढ़ती रही तो आकाशगंगाये ब्रह्मांडीय क्षितिज के पार चली जायेंगी और दिखायी देना बंद हो जायेंगी। ऐसा इस लिये होगा कि उनकी गति प्रकाश की गति से ज्यादा हो जायेगी। यह सापेक्षता वाद के नियम का उल्लंघन नहीं है। पृथ्वी, अपनी आकाशगंगा मंदाकिनी को कोई असर नहीं पड़ेगा लेकिन बाकी का सारा ब्रह्मांड दूर चला जायेगा।

ब्रह्मांड के अंत के बारे कुछ कल्पनायें है जिसमे से एक है कि श्याम ऊर्जा का प्रभाव बढ़ते जायेगा, और एक समय यह केन्द्रीय बलों और अन्य मूलभूत बलों से भी ज्यादा हो जायेगा। इस स्थिती में श्याम ऊर्जा सौर मंडल, आकाशगंगा, कोई भी पिंड से लेकर अणु परमाणु सभी को विखंडित कर देगी। यह स्थिती महा विच्छेद (Big Rip)की होगी।

दूसरी कल्पना महा संकुचन(Big Crunch)की है, इसमें श्याम ऊर्जा का प्रभाव एक सीमा के बाद खत्म हो जायेगा और गुरुत्वाकर्षण उस पर हावी हो जायेगा। यह एक संकुचन की प्रक्रिया को जन्म देगा। अंत मे एक महा संकुचन से सारा ब्रह्मांड एक बिंदु में तबदील हो जायेगा| यह बिंदु एक महा विस्फोट से एक नये ब्रह्मांड को जन्म देगा।

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(१)सुपरनोवा- कुछ तारों के जीवन काल के अंत में जब उनके पास का सारा इंधन (हायड्रोजन) जला चुका होता है, उनमें एक विस्फोट होता है। यह विस्फोट उन्हें एक बेहद चमकदार तारे में बदल देता है जिसे सुपरनोवा या नोवा कहते है।

(२)ऋणात्मक दबाव - वह दबाव आसपास के द्रव (जैसे वायु) के दबाव से कम होता है।

(३) मूलभूत बल : गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुंबकीय बल, कमजोर केन्द्रीय बल, मजबूत केन्द्रीय बल

श्याम पदार्थ (Dark Matter) का ब्रह्माण्ड के भूत और भविष्य पर प्रभाव : ब्रह्माण्ड की संरचना भाग ७

श्याम पदार्थ की खोज आकाशगंगाओं के द्रव्यमान की गणनाओं मे त्रुटियों की व्याख्या मात्र नही है। अनुपस्थित द्रव्यमान समस्या ने ब्रह्माण्ड की उत्पत्ति के सभी प्रचलित सिद्धांतों पर भी प्रश्नचिह्न लगा दिये हैं। श्याम पदार्थ का अस्तित्व ब्रह्माण्ड के भविष्य पर प्रभाव डालता है।

महाविस्फोट का सिद्धांत(The Big Bang Theory)

1950 के दशक के मध्य मे ब्रह्माण्ड की उत्पत्ति का नया सिद्धांत सामने आया, जिसे महाविस्फोट का सिद्धांत(The Big Bang) नाम दिया गया। इस सिद्धांत के अनुसार ब्रह्माण्ड की उत्पत्ति एक महा-विस्फोट के साथ हुयी। इस सिद्धांत के पीछे आकाशगंगाओं के प्रकाश मे पाया जाने वाला डाप्लर प्रभाव(Dopler Effect) का निरीक्षण था। इसके अनुसार किसी भी दिशा मे दूरबीन को निर्देशित करने पर भी आकाशगंगाओं के केन्द्र से आने वाले प्रकाश मे लाल विचलन(Red Shift) था। (आकाशगंगाओं के दोनो छोरो मे पाया जाने वाला डाप्लर प्रभाव आकाशगंगा का घूर्णन संकेत करता है।) हर दिशा से आकाशगंगाओं के केन्द्र के प्रकाश मे पाया जाने वाला लाल विचलन यह दर्शाता है कि वे हमसे दूर जा रही हैं। अर्थात हर दिशा मे ब्रह्माण्ड का विस्तार हो रहा है।

महाविस्फोट के सिद्धांत के अनुसार सारा पदार्थ किसी समय एक बिंदु पर संपिड़ीत था। एक महाविस्फोट ने सारे पदार्थ को समान रूप से हर दिशा मे वितरित कर दिया। जैसा कि आज हम देखते है ,गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से इस पदार्थ ने गुच्छो मे जमा होकर ग्रहों, तारों तथा आकाशगंगाओं का निर्माण किया। इस महाविस्फोट से जनित विस्तार गुरुत्वाकर्षण को पार पाने मे सफल था, इसका प्रभाव आज भी हम एक दूसरे से दूर जाती हुयी आकाशगंगाओं(लाल विचलन के रूप मे) मे देख सकते है। (महाविस्फोट के सिद्धांत के बारे मे विस्तार से पढे।)

ब्रह्मांडीय पिण्डो का निर्माण: महाविस्फोट के सिद्धांत के साथ यह समस्या है कि वह हर दिशा मे समान रूप से वितरित ब्रह्माण्ड मे तारों, आकाशगंगाओं जैसे ब्रह्मांडीय पिण्डों के निर्माण की व्याख्या नही कर पाता है। ब्रह्मांडीय पदार्थ ने गुच्छे के रूप मे जमा होना कैसे और क्यों प्रारंभ किया ? एक सपाट समान रूप से वितरित ब्रह्मांड मे हर कण पर हर दिशा मे समान रूप से गुरुत्वाकर्षण बल का प्रभाव होना चाहीये, जिससे ब्रम्हांड को यथास्थिति मे रहना चाहिये। लेकिन किसी अज्ञात कारण से शुरुवाती गुरुत्वाकर्षण के कारण पदार्थ का गुच्छो के रूप मे बंधना शुरू हुआ और आकाशगंगाओं का निर्माण हुआ। भौतिक विज्ञानियों के अनुसार श्याम पदार्थ -विम्प इसका हल है। विम्प साधारण बार्योनिक पदार्थ के साथ केवल गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा प्रतिक्रिया करता है जिससे भौतिक विज्ञानियों के अनुसार श्याम पदार्थ आकाशगंगा के निर्माण मे “बीज” का कार्य कर सकता है। आकाशगंगा के निर्माण का कोई पूर्ण सफल माडेल नही है लेकिन एक सफल माडेल के लिए आकाशगंगा के निर्माण के लिए बड़ी मात्रा मे नान-बार्योनिक श्याम पदार्थ का होना आवश्यक है।

ब्रह्मांड का भविष्य : बंद, खूला तथा सपाट

ब्रह्माण्ड का भविष्य पदार्थ का घनत्व ΩM श्याम ऊर्जा घनत्व ΩΛ पर निर्भर है।" src="http://vigyan.files.wordpress.com/2011/05/fateofuniverse.png?w=300&h=249" alt="ब्रह्माण्ड का भविष्य पदार्थ का घनत्व ΩM श्याम ऊर्जा घनत्व ΩΛ पर निर्भर है।" width="300" height="249">

ब्रह्माण्ड का भविष्य पदार्थ का घनत्व ΩM श्याम ऊर्जा घनत्व ΩΛ पर निर्भर है।

ब्रह्माण्ड के भविष्य के तीन परिदृश्य है।

1. यदि ब्रह्माण्ड बंद है, गुरुत्वाकर्षण विस्तार की गति को पकड़ लेगा तथा ब्रह्माण्ड सिकुड़ना प्रारंभ हो जायेगा, अंत मे ब्रह्माण्ड एक बिंदु के रूप मे संपिड़ित हो जायेगा। यह महाविस्फोट तथा महासंकुंचन के अनंत चक्र की संभावना दर्शाता है।
2. यदि ब्रम्हाण्ड खूला है, ब्रम्हांड का विस्तार अनंत काल तक जारी रहेगा। इस अवस्था मे गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव ब्रम्हाण्ड के विस्तार से कम ही रहेगा।
3. यदि ब्रह्मांड सपाट है, गुरुत्वाकर्षण बल अंततः ब्रह्माण्ड के विस्तार को रोक देगा लेकिन उसे वापिस खींच नही पायेगा। इस ब्रम्हाण्ड का संक्रमण घनत्व १ होगा।

ब्रह्माण्ड के विस्तार का अनुपस्थित द्रव्यमान से क्या संबंध है ?

सरल उत्तर है, ज्यादा द्रव्यमान, ज्यादा गुरुत्वाकर्षण ! ब्रह्माण्ड के बंद, खुले या सपाट होने की संभावना उसके कुल द्रव्यमान पर निर्भर है। यहीं पर श्याम पदार्थ चित्र मे आता है। श्याम पदार्थ के बिना संक्रमण घनत्व ०.१ तथा ०.०१ के मध्य है तथा ब्रह्माण्ड खुला है। यदि श्याम पदार्थ की मात्रा ज्यादा है, हम एक बंद ब्रह्माण्ड मे है। यदि श्याम पदार्थ की मात्रा संतुलित मात्रा मे है, हम सपाट ब्रह्माण्ड मे है। श्याम पदार्थ की मात्रा ब्रह्माण्ड के भविष्य को तय करेगी।

ढेर सारे सिद्धांत

वैज्ञानिक एक के बाद एक नया सिद्धांत प्रस्तुत कर रहे है। कुछ विम्प(WIMP) के बारे सशंकित है, कुछ मानते है कि माचो(MACHO) कभी भी ब्रह्माण्ड के ९०% भाग के बराबर नही हो सकते है। कुछ वैज्ञानिक जैसे एच सी आर्प, जी बर्बेगे, एफ़ होयल तथा जयंत विष्णु नारळीकर के अनुसार श्याम पदार्थ के जैसी विसंगतियां महाविस्फोट के सिद्धांत को खारीज करती है।

अनुपस्थित द्रव्यमान समस्या मानव जाति के ब्रह्माण्ड मे विशिष्ट स्थान को चुनौती दे रही है। यदि नान-बार्योनिक पदार्थ का अस्तित्व है, तब हमारा विश्व और मनुष्य जाति ब्रह्माण्ड के केन्द्र से और भी दूर हो जायेगी। डा. सडौलेट के अनुसार

यह एक परम कोपरनिकस क्रांति होगी। हम न ज्ञात ब्रह्माण्ड के केन्द्र मे है, ना ही हम ब्रम्हाण्ड के अधिकतर पदार्थ से निर्मित है। हम केवल थोड़े अतिरिक्त नगण्य तथ्य है तथा ब्रह्माण्ड हमसे पूरी तरह भिन्न है।

श्याम पदार्थ की खोज, ब्रह्माण्ड मे हमारी स्थिति के दृष्टिकोण को बदल देगी। यदि वैज्ञानिक नान-बार्योनिक श्याम पदार्थ के अस्तित्व को प्रमाणित कर देते है, इसका अर्थ होगा कि हमारा विश्व और उस पर जीवन ब्रह्माण्ड के नगण्य तथा तुच्छ हिस्से से निर्मित है। यह खोज हमारे दैनिक कार्य कलाप को प्रभावित नही करेगी लेकिन यह सोचना कि सारा ब्रह्माण्ड किसी अदृश्य अज्ञात वस्तू से बना है कितना अजीब होगा ?

श्याम पदार्थ को और समझने के लिए आगे पढ़े...

भौतिकी में श्याम पदार्थ उस पदार्थ को कहते है जो विद्युत चुंबकीय विकिरण (प्रकाश, क्ष किरण) का उत्सर्जन या परावर्तन पर्याप्त मात्रा में नहीं करता जिससे उसे महसूस किया जा सके किंतु उसकी उपस्थिति साधारण पदार्थ पर उसके गुरुत्व प्रभाव से महसूस की जा सकती है। श्याम पदार्थ की उपस्थिति के लिये किये गये निरीक्षणों में प्रमुख है, आकाशगंगाओं की घूर्णन गति, किसी आकाशगंगाओं के समुह में आकाशगंगा की कक्षा मे गति और आकाशगंगा या आकाशगंगा के समुह में गर्म गैसो में तापमान का वितरण है। श्याम पदार्थ की ब्रह्मांड के आकार ग्रहण प्रक्रिया^(१) तथा महा विस्फोट केन्द्रीय संश्लेषण(Big Bang Ncleosynthesis)^(२)प्रमुख भूमिका रही है। श्याम पदार्थ का प्रभाव ब्रह्मांडीय विकिरण के फैलाव और वितरण में भी रहा है। यह सभी सबूत यह बताते है कि आकाशगंगाये, आकाशगंगा समुह(Cluster) और ब्रह्मांड में पदार्थ की मात्रा निरीक्षित मात्रा से कही ज्यादा है, जो कि मुख्यतः श्याम पदार्थ है जिसे देखा नहीं जा सकता।
श्याम पदार्थ का संयोजन^(३) अभी तक अज्ञात है लेकिन यह नये मूलभूत कणों जैसे विम्प (WIMP)^(४) और एक्सीआन(Axions)^(५), साधारण और भारी न्युट्रीनो , वामन तारो और ग्रहो(MACHO)^(६) तथा गैसो के बादल से बना हो सकता है। हालिया सबूतों के अनुसार श्याम पदार्थ की संरचना नये मूलभूत कणों जिसे नानबायरोनिक श्याम पदार्थ(nonbaryonic dark matter) कहते है से होना चाहिये।

श्याम पदार्थ की मात्रा" src="http://static.flickr.com/108/287687766_ca532da32c.jpg" alt="श्याम पदार्थ की मात्रा" width="379" height="270">

श्याम पदार्थ की मात्रा

श्याम पदार्थ की मात्रा और द्रव्यमान साधारण दिखायी देने ब्रह्मांड से कही ज्यादा है। अभी तक की खोजों में ब्रह्मांड मे बायरान और विकिरण का घनत्व लगभग १ हायड्रोजन परमाणु प्रति घन मीटर है। इसका लगभग ४% ऊर्जा घनत्व देखा जा सकता है। लगभग २२% भाग श्याम पदार्थ का है, बचा ७४% भाग श्याम ऊर्जा का है। कुछ मुश्किल से जाँच किये जा सकने वाले बायरानीक पदार्थ भी श्याम पदार्थ बनाते है लेकिन इसकी मात्रा काफी कम है। इस लापता द्रव्यमान की खोज भौतिकी और ब्रह्मांड विज्ञान के सबसे बड़े अनसुलझे रहस्यों में से एक है।

सबसे पहले श्याम पदार्थ के बारे में सबूत देने वाले कैलीफोर्निया ईन्स्टीट्युट आफ टेक्नालाजी के एक स्वीस विज्ञानी फ्रीटज झ्वीस्की थे। उन्होने कोमा आकाशगंगा समुह पर वाइरियल प्रमेय^(७) का उपयोग किया और उन्हें लापता द्र्व्यमान का ज्ञान हुआ। झ्वीस्की ने कोमा आकाशगंगा समुह के किनारे की आकाशगंगाओ की गति के आधार पर कोमा आकाशगंगा समुह के द्रव्यमान की गणना की। जब उन्होने इस द्रव्यमान की तुलना आकाशगंगाओं और उनकी आकाश गंगा समुह (Cluster) की कुल प्रकाश दीप्ति के आधार पर ज्ञात द्रव्यमान से की तो उन्हें पता चला कि वहां पर अपेक्षा से ४०० गुना ज्यादा द्रव्यमान है। इस आकाशगंगा समुह में दिखायी देने वाली आकाशगंगाओं का गुरुत्व इतनी तेज कक्षा के कारण काफी कम होना चाहिये, इन आकाशगंगाओं के पास अपने संतुलन के लिये कुछ और द्रव्यमान होना चाहिये। इसे लापता द्रव्यमान रहस्य(Missisng Mass Problem) कहा जाता है। झ्वीस्की ने इन अनुमानों के आधार पर कहा कि वहां पर कुछ अदृश्य पदार्थ होना चाहीये जो इस आकाशगंगा समुह को उचित द्रव्यमान और गुरुत्व प्रदान कर रहा है जिससे यह आकाशगंगा समुह का विखण्डन नही हो रहा है।

आकाशगंगा का घूर्णन" src="http://farm1.static.flickr.com/109/287687767_6c8f5b8c84.jpg" alt="आकाशगंगा का घूर्णन" width="350" height="295">

आकाशगंगा का घूर्णन

श्याम पदार्थ के बारे में और सबूत आकाशगंगाओं की गति के अध्ययन से प्राप्त हुये। इनमें से काफी आकाशगंगा एकसार है, इन पर वाइरियल प्रमेय लगाने पर इनकी कुल गतिज ऊर्जा(Kinetic Energy) इनके कुल गुरुत्व ऊर्जा का आधा होना चाहीये। प्रायोगिक नतीजों के अनुसार गतिज ऊर्जा इससे कहीं ज्यादा पायी गयी। आकाशगंगा के दृश्य द्रव्यमान के गुरुत्व को ही लेने पर , आकाशगंगा के केन्द्र से दूर तारों की गति वाइरियल्ल प्रमेय द्वारा गणित गति से कहीं ज्यादा पायी गयी। गैलेटीक घूर्णन वक्र कक्षा ^(८) जो घूर्णन गति और आकाशगंगा केन्द्र की व्याख्या करती है, इसे दृश्य द्रव्यमान से समझाया नहीं जा सकता। दृश्य पदार्थ आकाशगंगा समुह का एक छोटा सा ही हिस्सा है मान लेने पर इसकी व्याख्या की जा सकती है। आकाशगंगाये एक लगभग गोलाकार श्याम पदार्थ से बनी प्रतीत होती है जिनके मध्य में एक तश्तरी नुमा दृश्य पदार्थ है। कम चमकदार सतह वाली वामन आकाशगंगाये श्याम पदार्थ के अध्ययन के लिये जरूरी सूचना का महत्वपूर्ण श्रोत है क्योंकि इनमें असाधारण रूप से साधारण पदार्थ और श्याम पदार्थ का अनुपात कम है और इनके केन्द्र में कुछ ऐसे चमकीले तारे है जो बाहरी छोर पर स्थित तारों की कक्षा को विकृत कर देते है।

अगस्त २००६ में प्रकाशित परिणामों के आधार पर श्याम पदार्थ , साधारण पदार्थ से अलग पाया गया है। यह परिणाम दो अलग अलग आकाशगंगा समुह की १५०० लाख वर्ष पहले हुयी भिड़ंत से बने बुलेट आकाशगंगा समुह (Bullet Cluster) के अध्ययन से मिले है। आकाशगंगा की घूर्णन वक्र कक्षा झ्वीस्की के निरीक्षण के ४० वर्षों बाद तक ऐसा कोई निरीक्षण नही मिला जिसमे प्रकाश और द्रव्यमान का अनुपात इकाई से अलग हो। अधिक प्रकाश और द्रव्यमान का अनुपात श्याम पदार्थ की उपस्थिति दर्शाता है। १९७० के दशक की शुरूवात मे कार्नेगी इन्सीट्युट आफ वाशिण्गटन की एक विज्ञानी वेरा रूबीन ने एक नये ज्यादा संवेदनशील स्पेक्ट्रोग्राफ (जो कुंडली नुमा आकाशगंगा के सिरे की गति कक्षा को ज्यादा सही तरीके से माप सकता था) की मदद से कुछ नये परिणाम प्राप्त किये। इस विस्मयकारी परिणाम के अनुसार किसी कुंडली नुमा आकाशगंगा के अधिकतर तारे एक जैसी गति से आकाशगंगा के केन्द्र की परिक्रमा करते है। इसका अर्थ यह था कि द्रव्यमान घनत्व अधिकतर तारो(आकाशगंगा केन्द्र) से दूर भी एकसार था। इसका एक अर्थ यह भी था कि या तो न्युटन का गुरुत्व नियम हर अवस्था में लागू नहीं किया जा सकता या इन आकाशगंगा का ५०% से अधिक द्रव्यमान श्याम पदार्थ से बना है। इस परिणाम की पहले खिल्ली उडायी गयी लेकिन बाद में ये मान लिया गया कि आकाशगंगा का अधिकतर भाग श्याम पदार्थ से बना है।

बाद में इसी तरह के परिणाम इलीप्स के आकार की आकाशगंगाओं मे भी पाये गये। रूबीन के द्वारा ५०% प्रतिशत द्रव्यमान की गणना अब बढ़कर ९५% हो गयी है। कुछ ऐसे भी आकाशगंगा समुह है जो श्याम ऊर्जा की उपस्थिति नकारते है। ग्लोबुलर आकाशगंगा समुह एक ऐसा ही आकाशगंगा समुह है। हाल ही मे कार्डीफ विद्यापिठ के वैज्ञानिकों ने एक श्याम ऊर्जा की बनी हुयी आकाशगंगा की खोज की है। यह कन्या आकाशगंगा समुह (Virgo Cluster) से ५० प्रकाश वर्ष दूर है, इस आकाशगंगा का नाम VIRGOHI21 है। इस आकाशगंगा में तारे नहीं है। इसकी खोज हायड्रोजन की रेडियो तरंगों के निरीक्षण से हुयी है। इसके घूर्णन कक्षा के अध्ययन से वैज्ञानिकों का अनुमान है कि इसमें हायडोजन के द्रव्यमान से १००० गुना ज्यादा श्याम पदार्थ है। इसका कुल द्रव्यमान हमारी आकाशगंगा मंदाकिनी के द्रव्यमान का दसवाँ भाग है। हमारी आकाशगंगा मंदाकिनी में भी दृश्य पदार्थ के द्रव्यमान से १० गुना ज्यादा श्याम पदार्थ मौजूद है।

एबेल आकाशगंगा समूह" src="http://static.flickr.com/115/287687762_cb531389da.jpg" alt="एबेल आकाशगंगा समूह" width="400" height="500">

एबेल आकाशगंगा समूह

श्याम पदार्थ आकाशगंगा समुह पर भी प्रभाव डालता है। एबेल २०२९ आकाशगंगा समुह जो की हज़ारों आकाशगंगाओं से बना है, इसके आसपास चारों ओर गरम गैसो और श्याम पदार्थ का आवरण फैला हुआ है। इस श्याम पदार्थ का द्रव्यमान १०१४ सूर्यों के द्रव्यमान के बराबर है। इस आकाशगंगा समुह के केन्द्र में एक इलीप्स के आकार की आकाशगंगा (जो कुछ आकाशगंगाओं के मिलन से बनी है) है। इस आकाशगंगा समुह की कक्षा की गति श्याम ऊर्जा निरीक्षणों के अनुरूप है।

श्याम ऊर्जा के निरीक्षण के लिये दूसरा साधन गुरुत्विय वक्रता (gravitational lensing)^(९) है। यह प्रक्रिया सापेक्षता वाद के सिद्धांत के द्रव्यमान गणना पर आधारित है जो गतिज ऊर्जा पर निर्भर नहीं करती है। यह पूरी तरह श्याम ऊर्जा के द्रव्यमान की गणना के लिये स्वतंत्र सिद्धांत है। एबेल १६८९ के आसपास प्रबल गुरुत्विय वक्रता पायी गयी है। इस वक्रता को माप कर उस आकाशगंगा समुह का द्रव्यमान ज्ञात किया जा सकता है। द्रव्यमान और प्रकाश के अनुपात से श्याम पदार्थ की उपस्थिति जांची जा सकती है।

श्याम पदार्थ की संरचना

अगस्त २००६ मे श्याम पदार्थ को प्रकाशीय पद्धति से जांच लिया गया है लेकिन अभी भी यह अटकलों के घेरे में है। आकाशगंगा घूर्णन वक्र कक्षा, गुरुत्विय वक्रता, ब्रह्मांडीय पदार्थ का विभिन्न आकार बनाना(Structure Formation), आकाश गंगा समुह मे बायरान की अल्प उपस्थिति जैसे सबूत यह बताते है कि ८५-९०% पदार्थ विद्युत चुंबकीय बल से प्रतिक्रिया नहीं करता है। यह श्याम पदार्थ अपने गुरुत्विय बल से अपनी मौजूदगी दर्शाता है। इस श्याम पदार्थ की निम्नलिखित श्रेणियाँ हो सकती है।

• बायरानीक श्याम पदार्थ
• अबायरानीक श्याम पदार्थ (यह तीन तरह का हो सकता है)
  • अत्याधिक गर्म श्याम पदार्थ
  • गर्म श्याम पदार्थ
  • तल श्याम पदार्थ

अत्यधिक गर्म श्याम पदार्थ में कण सापेक्ष गति(relativistic velocities)^(१०)) से गतिमान रहते है। न्युट्रीनो इस तरह का कण है। इस कण का द्रव्यमान कम होता है और इस पर विद्युत चुंबकीय बल और प्रबल आणविक बल का प्रभाव नहीं पड़ता है। इसकी जांच एक दुष्कर कार्य है। यह भी श्याम ऊर्जा के जैसा है। लेकिन प्रयोग यह बताते है कि न्युट्रीनो श्याम पदार्थ का एक बहुत ही छोटा हिस्सा है। गर्म श्याम पदार्थ महा विस्फोट के सिद्धांत पर खरे नहीं उतरते है लेकिन इनका अस्तित्व है।

शीतल श्याम पदार्थ जिसके कण सापेक्ष गति नहीं करते है। बडे द्रव्यमान वाले पिंड जैसे आकाशगंगा के आकार के श्याम विवर को गुरूतविय वक्रता के आधार पर अलग कर सकते है। संभव उम्मीदवारों मे सामान्य बायरोनिक पदार्थ वाले पिंड जैसे भूरे वामन या माचो (MACHO भारी तत्वों के अत्यंत घनत्व वाले पिंड) भी है। लेकिन महाविस्फोट के आणविक संयुग्मन (big bang nucleosynthesis ) प्रक्रिया ने विज्ञानीयो को यह विश्वास दिला दिया है कि MACHO जैसे बायरानिक पदार्थ कुल श्याम पदार्थ के द्रव्यमान का एक बहुत ही छोटा हिस्सा हो सकते है।

आज की स्थिती मे श्याम पदार्थ की संरचना अबायरानिक कणो, इलेक्ट्रान, प्रोटान, न्युट्रान, न्युट्रीनो जैसे कणों के अलावा, एक्सीआन, WIMP(Weakly Interacting Massive Particles कमजोर प्रतिक्रिया वाले भारी कण जिसमे न्युट्रलिनो भी शामील है), अचर न्युट्रीनो (sterile neutrinos)^(१०) से बनी हुयी मानी जाती है। इनमें से कोई भी कण साधारण भौतिकी की आधारभूत संरचना का कण नहीं है। श्याम पदार्थ की संरचना के उम्मीदवार कणों की खोज के लिये प्रयोग जारी है।

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(१)आकार ग्रहण प्रक्रिया(Structure Formation)- यह ब्रह्मांड निर्माण भौतिकी का एक मूलभूत अन सुलझा रहस्य है। ब्रह्मांड जैसा की हम ब्रह्मांडीय विकिरण(Cosmic Microvave Background Radiation) के अध्ययन से जानते है, एक अत्यंत घने , अत्यंत गर्म बिन्दु के महा विस्फोट से बना है। लेकिन आज की स्थिती में हर आकार के आकाशीय पिंड मौजूद है, ग्रह से लेकर आकाशगंगाओं से आकार से गैसो के बादल (Cluster) के दानवाकार तक के है। एक शुरूवाती दौर के समांगी ब्रह्मांड से आज का ब्रह्मांड कैसे बना ?
(२) महा विस्फोट केन्द्रीय संश्लेषण(Big Bang Ncleosynthesis) : हायड्रोजन(H1) को छोड़कर अन्य तत्वों के परमाणु केन्द्रक निर्माण की प्रक्रिया।
(३) साधारण पदार्थ(Byaronic Matter) मुख्यतः इलेक्ट्रान, न्युट्रान और प्रोटान से बना होता है। इलेक्ट्रान, न्युट्रान और प्रोटान को बायरान भी कहते है।
(४) विम्प(WIMP:weakly interacting massive particles): अभी तक ये काल्पनिक कण है। ये कण कमजोर आणविक बल और गुरुत्वाकर्षण बल से ही प्रतिक्रिया करते है। इनका द्रव्यमान साधारण कणों(बायरान) की तुलना में काफी अधिक होता है। ये साधारण पदार्थ से प्रतिक्रिया नहीं करते जिससे इन्हें देखा और महसूस नहीं किया जा सकता।
(५)एक्सीआन(Axions): यह भी एक काल्पनिक मूलभूत कण है, इन पर कोई विद्युत आवेश नहीं होता है और इनका द्रव्यमान काफी कम १०-६ से १०-२ eV/c2 के बीच होना चाहिये। मजबूत चुंबकीय बलों की उपस्थिति में इन्हें फोटान में बदल जाना चाहिये।
(६) माचो(अत्यंत विशाल सघन प्रकाशित पिंड)(MACHO: Massive compact halo object): ये उन पिंडों के लिये दिया गया नाम है जो श्याम पदार्थ की उपस्थिति को समझने में मदद कर सकते है। ये श्याम विवर (Black Hole) , न्युट्रान तारे, सफेद वामन तारे या लाल वामन तारे भी हो सकते है।
(७)वाइरियल प्रमेय अधिक जानकारी के लिये देखे : http://en.wikipedia.org/wiki/Virial_theorem
(८) देखे http://en.wikipedia.org/wiki/Galactic_rotation_curve
(९)गुरुत्विय वक्र (gravitational lensing) :प्रकाश किरणों के में उस समय आई वक्रता होती है जब ये किसी गुरुत्विय लेंस से गुज़रती है। ये गुरुत्विय लेंस श्याम विवर भी हो सकता है।
(१०)अचर न्युट्रीनो (sterile neutrinos): जिन न्युट्रीनो पर किसी भी मूलभूत बलों का प्रभाव नहीं होता है।