തമോവസ്തു

ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ, യാതൊരു വിദ്യുത്കാന്ത വികിരണങ്ങളും പ്രതിഫലിപ്പിക്കാത്ത ഒരു സാങ്കല്പിക വസ്തു. എല്ലാ തരംഗങ്ങളും അതു് ആഗിരണം ചെയ്യും. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഇത്തരമൊരു വസ്തു കറുത്തു് അദൃശ്യമായിരിക്കും. അക്കാരണത്താലാണു് അത്തരമൊരു വസ്തുവിനു് ഈ പേരു് വന്നതു്. 1860ൽ ഗുസ്താവ് കിർഷോഫ് (Gustav Kirchhoff) ആണു് ഈ പേരു് കണ്ടെത്തിയതു്.

ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ ചരിത്രം നോക്കിയാൽ ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആരംഭത്തിൽ നമ്മുടെ ഈ ലോകത്തെ ഏതാണ്ട് പൂർണ്ണമായും നമ്മൾ മനസ്സിലാക്കിക്കഴിഞ്ഞു എന്നൊരു ധാരണ പല ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കിടയിലും പരന്നിരുന്നു. ഐസക് ന്യൂട്ടൻ, ജെയിംസ് മാക്സ്വെൽ തുടങ്ങിയവരുടെ സിദ്ധാന്തങ്ങൾ അതുവരെയുള്ള എല്ലാ ഭൌതിക പ്രതിഭാസങ്ങളെയും ഭംഗിയായി വിശദീകരിച്ചിരുന്നു. ആ നിയമങ്ങൾക്കുണ്ടായിരുന്ന അജയ്യതയും അത്ഭുതകരമായ വിജയവും ആയിരുന്നു അതിന് പ്രധാനകാരണം. എന്നാൽ ഈ നിയമങ്ങൾക്ക് വഴങ്ങാത്ത ചില പ്രതിഭാസങ്ങളും ഉണ്ടായിരുന്നു. അവയിൽ ഏറ്റവും പ്രധാനി black body radiation ആയിരുന്നു. ബ്ലാക് ബോഡി എന്നാൽ കറുത്ത വസ്തു എന്നല്ല കേട്ടോ അർത്ഥം. ആ പേരിന്റെ സാങ്കേതികത പരമാവധി ഒഴിവാക്കി അതുകൊണ്ട് എന്താണ് ഉദ്ദേശിക്കുന്നത് എന്ൻ വളഞ്ഞ വഴിയിൽ പറയാം.

ചൂടാകുന്ന വസ്തുവിൽ നിന്നും വികിരണം (radiation) പുറത്തുവരും എന്നറിയാമല്ലോ. ചൂടാക്കിയ ഒരു ഇസ്തിരിപ്പെട്ടിയുടെ അടുത്ത് കൈ കൊണ്ടുചെന്നാൽ അതിൽ തൊട്ടുനോക്കാതെ തന്നെ അതിന്റെ ചൂട് നമുക്കനുഭവപ്പെടുന്നത് അതിൽ നിന്നുള്ള റേഡിയേഷൻ നമ്മുടെ കൈയിൽ വന്ൻ തട്ടുന്നതുകൊണ്ടുകൂടിയാണ് (ചൂട് വായുവിലൂടെ convection വഴിയാണ് പ്രധാനമായും എത്തുന്നത്. റേഡിയേഷൻ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ അളവിലേ വരുന്നുള്ളൂ എങ്കിലും ആലോചിക്കാനുള്ള എളുപ്പത്തിന് ഈ ഉദാഹരണം ഉപയോഗിക്കാം). ഈ റേഡിയേഷൻ എങ്ങനെ ഉണ്ടാകുന്നു എന്നതിന് പണ്ടത്തെ ഭൌതികശാസ്ത്രം നല്കിയ വിശദീകരണം വസ്തുക്കളിലെ ആറ്റങ്ങളുടെയും തന്മാത്രകളുടെയും കമ്പനവുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തിയായിരുന്നു. നമ്മൾ ഒരു വസ്തുവിനെ ചൂടാക്കുമ്പോൾ അതിലേക്ക് തുടർച്ചയായി ഊർജ്ജം പകർന്നുകൊടുക്കുകയാണ് എന്നറിയാമല്ലോ. അപ്പോൾ ഈ ഊർജ്ജം ഏതെങ്കിലും രീതിയിൽ ചെലവാക്കേണ്ട ആവശ്യമുണ്ട് അതിന്. ഈ ഊർജ്ജം ആഗിരണം ചെയ്ത് ആ വസ്തുവിലെ ആറ്റങ്ങളും തന്മാത്രകളും കമ്പനം (vibration) ചെയ്യാൻ തുടങ്ങും. ഈ വൈബ്രേഷൻ എന്നത് അതിലെ ചാർജുകൾ ത്വരണത്തിന് വിധേയമാകുന്നതിന് (accelerate ചെയ്യപ്പെടുന്നതിന്) തുല്യമാണല്ലോ. ജെയിംസ് ക്ലാർക് മാക്സ്വെൽ രൂപം നല്കിയ Maxwell's equations അനുസരിച്ച് ത്വരണ വിധേയമാകുന്ന ചാർജുകൾ വികിരണോർജ്ജം പുറത്തുവിടാൻ തുടങ്ങും. വികിരണമാണ് ചൂടാക്കപ്പെടുന്ന വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് 'ചൂട്' ആയും 'പ്രകാശം' ആയും പുറത്തുവരുന്നത്

ഇതേ കാര്യം തിരിച്ചും സംഭവിക്കാം. ഒരു വസ്തുവിൽ റേഡിയേഷൻ വീഴുമ്പോ ആ വസ്തുവിലെ കണങ്ങൾ കമ്പനത്തിന് വിധേയമാകാം. റേഡിയേഷൻ എന്നത് അടിസ്ഥാനപരമായി ക്രമമായി മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് ആയതുകൊണ്ടാണ് ഈ ഫീൽഡിനാൽ ബാധിക്കപ്പെടുന്ന കണങ്ങൾ വൈബ്രെറ്റ് ചെയ്യുന്നത്. അങ്ങനെ വസ്തുവിലെ കണങ്ങളുടെ ശരാശരി ഗതികോർജ്ജം (kinetic energy) കൂടുന്നു. അങ്ങനെ ആ വസ്തു ചൂടാവുന്നു. റേഡിയേഷൻ വീഴുമ്പോ ചൂടാവുന്ന പ്രക്രിയയും ചൂടാവുന്ന വസ്തു റേഡിയേഷൻ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന പ്രക്രിയയും അടിസ്ഥാനപരമായി വിപരീതദിശകളിൽ നടക്കുന്ന ഒരേ പ്രക്രിയ ആണെന്ന് മനസ്സിലായല്ലോ. ഓരോ വസ്തുവിലും ഈ പ്രക്രിയ വ്യത്യസ്ത അളവിലാണ് നടക്കുന്നത്. ഗ്ലാസ്സ് പോലുള്ള വസ്തുക്കളിൽ ഈ റേഡിയേഷൻ-ചൂട് പിടിക്കൽ-റേഡിയേഷൻ ചക്രം അത്ര ഗണ്യമല്ല. അതുകൊണ്ടാണ് പ്രകാശം ഉൾപ്പെടെയുള്ള റേഡിയേഷനുകൾ അതിലൂടെ കടന്ൻ പോകുന്നത്. (ഇതേ കാരണം കൊണ്ടാണ് ഗ്ലാസ് നമ്മുടെ ജനാലകളിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്നത്. അല്ലായിരുന്നെങ്കിൽ ജനൽ ചൂടായി റേഡിയേഷൻ പുറത്തുവിട്ട് മുറിയും ചൂട് പിടിപ്പിച്ചേനെ). ലോഹങ്ങൾ പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ റേഡിയേഷൻ കടത്തിവിടുന്നതിന് പകരം പ്രതിഫലിപ്പിക്കുകയാണ് (reflect) ചെയ്യുന്നത്. അവയും വളരെ കുറച്ചു മാത്രമേ ആഗിരണം ചെയ്യാറുള്ളൂ. പക്ഷേ കരി പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ അവയിൽ വീഴുന്ന ഏതാണ്ട് മുഴുവൻ റേഡിയേഷനും ആഗിരണം ചെയ്യാൻ കഴിവുള്ളവയാണ്. അതുകൊണ്ട് കരി ഒരു ബ്ലാക് ബോഡി ആണെന്ൻ പറയാം. അതായത്, തന്നിലേക്ക് വീഴുന്ന എല്ലാ വികിരണങ്ങളെയും ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തുക്കളെയാണ് ബ്ലാക് ബോഡി എന്ൻ വിളിക്കുന്നത് (Footnote-2). ആഗിരണവും വികിരണവും അടിസ്ഥാനപരമായി ഒരേ പ്രക്രിയ ആയതിനാൽ നല്ല ആഗിരണശേഷി ഉള്ള വസ്തുവിന് അത്ര തന്നെ നല്ല വികിരണശേഷിയും ഉണ്ടാവും. സാധാരണഗതിയിൽ എല്ലാ വസ്തുക്കളും ഏറിയോ കുറഞ്ഞോ ഒരു ബ്ലാക് ബോഡിയുടെ സ്വഭാവം കാണിക്കുന്നുണ്ട്. ചൂടുള്ള ഒരു വസ്തുവിൽ നിന്നും വരുന്ന വികിരണങ്ങളെയാണ് ബ്ലാക് ബോഡി റേഡിയേഷൻ എന്ൻ വിളിക്കുന്നത്.

ഈ പ്രതിഭാസത്തെക്കുറിച്ച് ഏറ്റവും ആദ്യം ശാസ്ത്രലോകം മനസ്സിലാക്കിയത് ബ്ലാക് ബോഡി റേഡിയേഷന്റെ ഊർജ്ജം അത് പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന വസ്തുവിന്റെ താപനിലയ്ക്ക് ആനുപാതികമായിരിക്കും എന്നാണ്. നമുക്ക് ഊഹിക്കാവുന്ന പോലെ, കൂടുതൽ ചൂടുള്ള വസ്തുക്കൾ കൂടുതൽ ഊർജ്ജം പുറപ്പെടുവിക്കും എന്നർത്ഥം. ഇതിനെ സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് സൂചിപ്പിച്ചാൽ. E α T^4

അതായത് താപനില രണ്ടുമടങ്ങായാൽ പുറത്തുവരുന്ന ഊർജ്ജം 16 (2^4) മടങ്ങ് ആകും. ഇത് ബ്ലാക് ബോഡിയിൽ നിന്ൻ വരുന്ന മൊത്തം ഊർജ്ജത്തിന്റെ കാര്യമാണ് പറഞ്ഞത്. ഇനി ഈ വികിരണങ്ങളിൽ ഏതൊക്കെ wavelength ഉള്ള വികിരണങ്ങൾ ഉണ്ടെന്നും അവ ഓരോന്നും ഏതൊക്കെ അളവിൽ ഉണ്ടെന്നും പരിശോധിച്ചു നോക്കാം. ഒരു ഗ്രാഫിൽ നമ്മൾ x-axis ൽ wavelength എടുക്കുന്നു. എന്നിട്ട് ഒരു പ്രത്യേക താപനിലയിലുള്ള ഒരു ബ്ലാക് ബോഡിയിൽ നിന്ൻ വരുന്ന വികിരണങ്ങളിൽ ഓരോ wavelength-ഉം പ്രത്യേകം പരിശോധിച്ചു അവ ഓരോന്നും എത്രയെത്ര അളവിൽ ഉണ്ടെന്ന് y-axis ൽ അടയാളപ്പെടുത്തുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. താഴെ കാണുന്ന രൂപത്തിലുള്ള ഒരു curve ആണ് നമുക്ക് കിട്ടുക.

അതായത് എല്ലാ ഫ്രീക്വെൻസി ഉള്ള റേഡിയേഷനുകളും ഒരേ അളവിലല്ല പുറത്തുവരുന്നത്. ചിത്രത്തിൽ 2000 nm-ൽ താഴെ ഒരു പ്രത്യേക wavelength ഉള്ള റേഡിയേഷൻ ആണ് ഏറ്റവും കൂടുതൽ പുറത്തുവരുന്നത്. ഇതാണ് ഈ റേഡിയേഷൻ കർവിൻറെ ഉച്ചം. മറ്റ് റേഡിയേഷനുകൾ ഈ peak wavelength-നേക്കാൾ എത്രത്തോളം wavelength കൂടിയതോ കുറഞ്ഞതോ ആണോ അത്രത്തോളം കുറഞ്ഞ അളവിലാണ് പുറത്തുവരുന്നത്.

ഇനി ഇതേ വസ്തുവിനെ പല പല താപനിലയിൽ നിർത്തി ഇതേ ഗ്രാഫ് നമ്മൾ വരക്കുന്നു എങ്കിൽ താഴെ കാണുന്നപോലെ ആയിരിയ്ക്കും കിട്ടുക.

എല്ലാ താപനിലയിലും ഗ്രാഫിന്റെ രൂപം ഒരുപോലെ ആണെങ്കിലും താപനില കൂടും തോറും peak wavelength കുറഞ്ഞുവരുന്നതായി കാണാം. അതായത് ചൂട് കൂടുംതോറും വസ്തു കുറഞ്ഞ തരംഗദൈർഘ്യമുള്ള (അല്ലെങ്കിൽ കൂടിയ ഫ്രീക്വൻസി ഉള്ള) വികിരണം പുറപ്പെടുവിക്കാൻ കൂടുതലായി ശ്രമിക്കും. ഇത് നമുക്ക് നേരിട്ടു മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒരു കാര്യമാണ്. ഒരു ഇരുമ്പ് കഷണം എടുത്ത് ചൂടാക്കിയാൽ ചൂട് കൂടുംതോറും അതിന്റെ നിറം മാറി വരുന്നത് കാണാം. ഇരുമ്പ് കഷണം ചൂടാകുമ്പോൾ ആദ്യം ചുവക്കുകയും പിന്നീട് ഓറഞ്ച്, മഞ്ഞ നിറങ്ങളിലേക്ക് മാറുന്നതും ഈ peak wavelength-ൽ വരുന്ന കുറവാണ് കാണിക്കുന്നത്

നമ്മൾ കണ്ട ഗ്രാഫിന്റെ ഒരു ബെൽ കമിഴ്ത്തി വെച്ചപോലത്തെ ഈ രൂപമാണ് (ഇടത്ത് നിന്ൻ വലത്തേയ്ക്ക് പോകും തോറും കൂടി വന്ൻ, ഒരു peak-ൽ എത്തി പിന്നെ അവിടന്ൻ വീണ്ടും കുറയുന്ന രൂപത്തെ പൊതുവേ bell shaped curve എന്ൻ വിളിക്കാറുണ്ട്) ശാസ്ത്രലോകത്തെ വട്ടം ചുറ്റിച്ചത്. എത്രയൊക്കെ ശ്രമിച്ചിട്ടും അന്നുവരെ അറിയപ്പെട്ട സിദ്ധാന്തങ്ങൾ ഒന്നും ഉപയോഗിച്ച് ഇത് പൂർണമായി വിശദീകരിക്കാൻ കഴിഞ്ഞില്ല. പല പ്രഗല്ഭരായ ആളുകളും സിദ്ധാന്തങ്ങൾ അവതരിപ്പിച്ചു എങ്കിലും പരീക്ഷണഫലങ്ങളുമായി പൂർണമായി ഒത്തുപോകുന്ന ഒരു ഗ്രാഫ് പ്രവചിക്കാൻ ആർക്കും കഴിഞ്ഞില്ല.

അങ്ങനെയാണ് 1900-ൽ മാക്സ് പ്ലാങ്ക് ഒരു സിദ്ധാന്തവുമായി വരുന്നത്. ഒരു വസ്തുവിലെ ആറ്റങ്ങൾക്കും തൻമാത്രകൾക്കും അങ്ങനെ തോന്നിയപ്പോലെ vibrate ചെയ്യാൻ കഴിയില്ല എന്നും, ചില നിശ്ചിത ഫ്രീക്വൻസികളിൽ മാത്രമേ അവ vibrate ചെയ്യൂ എന്നും അദ്ദേഹം പറഞ്ഞു. ഇതുപോലെ വികിരണം തുടർച്ചയായി പ്രവഹിക്കുകയല്ല മറിച്ച് അവ ഒന്നിടവിട്ട പാക്കറ്റുകൾ ആയിട്ടാണ് പുറപ്പെടുവിക്കപ്പെടുകയോ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുകയോ ചെയ്യുന്നത് എന്നും. ഇസ്തിരിപ്പെട്ടി ചൂടാക്കാൻ വെച്ചിട്ട് അതിനടുത്തേക്ക് കൈ കൊണ്ടുചെന്നാൽ ചൂട് കൈയിൽ തട്ടുന്ന കാര്യം നേരത്തേ പറഞ്ഞല്ലോ. പ്ലാങ്കിന്റെ സിദ്ധാന്തം അനുസരിച്ച് ഈ ചൂട് നേരിട്ട് തുടർച്ചയായി കൈയിലേക്ക് ഒഴുകി വരികയല്ല, മറിച്ച് അത് ഒന്നിടവിട്ട 'ചൂടിന്റെ പാക്കറ്റുകൾ' ആയിട്ടാണ് കൈയിൽ വന്ൻ തട്ടുന്നത് എന്നർത്ഥം. ഇതിനെ സാങ്കേതികഭാഷയിൽ ഊർജ്ജം continuous അല്ല, discrete ആണ് എന്ൻ പറയും. കടയിൽ നിന്നും എണ്ണ വാങ്ങുന്നതും മുട്ട വാങ്ങുന്നതും തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം ആലോചിച്ചാൽ മതി. എണ്ണ നിങ്ങൾക്ക് ഇഷ്ടമുള്ള അളവിൽ വാങ്ങാം. ഒരു ലിറ്റർ, രണ്ട് ലിറ്റർ, ഒന്നര ലിറ്റർ, ഒന്നര ലിറ്ററും പിന്നെ ഒരൽപ്പവും കൂടി.... എന്നിങ്ങനെ continuous ആയ അളവിൽ നിങ്ങൾക്കത് വാങ്ങാം. എന്നാൽ മുട്ട ഒന്ൻ, രണ്ട്, മൂന്ൻ... എന്നിങ്ങനെ discrete അളവിലേ വാങ്ങാൻ കഴിയൂ. ഒന്നര മുട്ടയോ ഒന്നേമുക്കാൽ മുട്ടയോ വാങ്ങാൻ കഴിയില്ലല്ലോ. ഇതുപോലെ ക്വാണ്ടം ലോകത്തെ ഊർജകൈമാറ്റം discrete ഊർജപാക്കറ്റുകളുടെ രൂപത്തിൽ മാത്രമേ നടക്കൂ. ഇത്തരം ഒരു പാക്കറ്റിനെയാണ് ക്വാണ്ടം എന്ൻ വിളിക്കുന്നത്. ഈ കാഴ്ചപ്പാടിൽ അദ്ദേഹം രൂപീകരിച്ച സമവാക്യങ്ങൾ പ്രവചിച്ച ബ്ലാക് ബോഡി റേഡിയേഷൻ കർവ് പരീക്ഷണങ്ങൾ അനുസരിച്ചുള്ള കർവുമായി കൃത്യമായി ഒത്തുപോയി. അതായത് ബ്ലാക് ബോഡി കർവ് എന്ന തലവേദന കൃത്യമായി വിശദീകരിക്കാൻ പ്ലാങ്കിന്റെ സമവാക്യങ്ങൾക്ക് കഴിഞ്ഞു. പ്ലാങ്കിന്റെ ഈ സിദ്ധാന്തമാണ് ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം (Quantum theory) എന്ൻ വിളിക്കപ്പെട്ടത്.

തുടക്കത്തിൽ ഈ സിദ്ധാന്തത്തെ എല്ലാവരും വെറുമൊരു ട്രിക്ക് ആയിട്ടാണ് കണ്ടത്. കാരണം അതിന്റെ അടിസ്ഥാന സങ്കൽപ്പങ്ങൾ ഭൌതികലോകത്തെ കുറിച്ചുള്ള അന്നത്തെ കാഴ്ചപ്പാട് വെച്ചു നോക്കുമ്പോൾ വെറും ഫിക്ഷൻ ആയിരുന്നു. ബ്ലാക് ബോഡി തലവേദനയ്ക്കുള്ള ഒരു താത്കാലിക മരുന്ൻ മാത്രമായി ഇതിനെ കണക്കാക്കപ്പെട്ടു, വെറുമൊരു technical fix. തന്റെ സിദ്ധാന്തം ഒരിക്കൽ തെറ്റാണെന്ന് തെളിയിക്കപ്പെടും എന്ൻ പ്ലാങ്ക് പോലും കരുതിയിരുന്നു. നിങ്ങളുടെ കൈയിൽ കോൺക്രീറ്റിൽ ഉണ്ടാക്കിയ ഒരു സമചതുരക്കട്ട (ക്യൂബ്) ഉണ്ടെന്നിരിക്കട്ടെ. ഒരാൾ ഒരു ഉളിയും ചുറ്റികയും കൈയിൽ തന്നിട്ട് ആ ക്യൂബിനെ ഒന്ൻ പൊട്ടിക്കാൻ പറയുന്നു. പൊട്ടിക്കാൻ പോകുമ്പോൾ നിങ്ങൾ പ്രതീക്ഷിക്കുന്ന റിസൾട്ട് എന്തായിരിക്കും? നിങ്ങൾ ഉളി വെച്ചു പൊട്ടിക്കുന്നിടത്തുനിന്നും ഒരു ഭാഗം അടർന്ന് വീഴുന്നു ഒപ്പം പല വലിപ്പത്തിലുള്ള കുറെ ചെറിയ ചെറിയ കഷണങ്ങളും ചിതറുന്നു, ല്ലേ? പക്ഷേ നിങ്ങൾ ഉളി പ്രയോഗിക്കുമ്പോൾ ആ ക്യൂബ് മൊത്തത്തിൽ ഒരേ വലിപ്പത്തിലുള്ള അസംഖ്യം കുഞ്ഞ് ക്യൂബുകളായി ചിതറുന്നു എങ്കിലോ? അവയിൽ ഓരോ ക്യൂബും പിന്നീട് പൊട്ടിക്കാൻ കഴിയാത്തവയാണ് എങ്കിലോ? അത്ഭുതം എന്നല്ലാതെ മറ്റൊന്നും വിശേഷിപ്പിക്കാൻ കഴിയില്ല. പറഞ്ഞുവരുമ്പോ ഇതുപോലെ ഒരു അത്ഭുതമാണ് ക്വാണ്ടം തിയറി പറഞ്ഞത്. അതുകൊണ്ടാണ് അതിന്റെ ആവിഷ്കർത്താവിന് പോലും ആ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ അനന്തരഫലങ്ങളെക്കുറിച്ച് വിശ്വാസം ഇല്ലാതിരുന്നത്.

അവതരിപ്പിക്കപ്പെട്ട ശേഷം അഞ്ച് കൊല്ലത്തോളം ആരും ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തേകുറിച്ച് മിണ്ടിയില്ല, 1905-ൽ ഐൻസ്റ്റൈൻ തന്നെ കുഴയ്ക്കുന്ന ചില പ്രശ്നങ്ങളിൽ ഈ സിദ്ധാന്തം വീണ്ടും പ്രയോഗിക്കുന്നതുവരെ. അവിടെയും ഈ സിദ്ധാന്തം കൃത്യമായ പ്രവചനങ്ങൾ നടത്തി. പിന്നീട് ഐൻസ്റ്റൈൻ തന്നെ ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രഭാവത്തെക്കുറിച്ചുള്ള തന്റെ സിദ്ധാന്തത്തിൽ പ്രകാശത്തെ സഞ്ചരിക്കുന്ന പ്രകാശ കണങ്ങൾ ആയിട്ട് കണക്കാക്കി വിജയിച്ചപ്പോൾ പ്ലാങ്കിന്റെ സിദ്ധാന്തം അവഗണിക്കാൻ കഴിയാത്ത ഒന്നായി തിരിച്ചറിയപ്പെടുകയായിരുന്നു. തുടരെത്തുടരെ ക്വാണ്ടം തിയറി പല ഭൌതിക പ്രതിഭാസങ്ങളെയും വിശദീകരിക്കുന്നതായുള്ള തെളിവുകൾ വന്ൻ തുടങ്ങി. ലോകത്തെ കുറിച്ചുള്ള നമ്മുടെ കാഴ്ചപ്പാടിനെ പാടെ മാറ്റിമറിച്ച ഒരു വിപ്ലവം തന്നെയായിരുന്നു അത

സാങ്കല്പിക വസ്തു

ഇത്തരത്തിൽ ഒരു വസ്തു യഥാർത്ഥത്തിൽ ഇല്ല. കാർബണിന്റെ (കരി) ഒരു രൂപമായ ഗ്രാഫൈറ്റാണു് തമോവസ്തുവിന്റെ സ്വഭാവത്തിനു് ഏതാണ്ടു് അടുത്തെത്തുന്ന ഒരു യഥാർത്ഥ വസ്തു. അതിൽ പതിക്കുന്ന വിദ്യുത്കാന്ത (പ്രകാശ) രശ്മികളുടെ ഏതാണ്ടു് 97 ശതമാനവും അതു് ആഗിരണം ചെയ്യും എന്നു് കണക്കാക്കിയിരിക്കുന്നു. എണ്ണവിളക്കിൽ നിന്നു് ലഭിക്കുന്ന കരിയും (lamp black) ഈ സ്വഭാവമുള്ള വസ്തുവാണു്. അടുത്ത കാലത്തു് കാർബൺ നാനോട്യൂബുകളുപയോഗിച്ചു് തമോവസ്തുവിനോടു് കൂടുതൽ സാമ്യമുള്ള ഒരു പദാർത്ഥമുണ്ടാക്കാൻ ജാപ്പനീസ് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കു കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ടു്. പരീക്ഷണശാലകളിൽ തമോവസ്തുവിന്റെ സ്ഥാനത്തു് ഉപയോഗിക്കുന്നതു് ഗോളാകൃതിയിലുള്ള ഒരു ഉപകരണമാണു്. അതിലുള്ള ഒരു ചെറിയ ദ്വാരത്തിലൂടെ വികിരണങ്ങൾക്കു് ഉള്ളിൽ കടക്കുകയോ പുറത്തു വരികയോ ചെയ്യാം. ഉള്ളിൽ കടക്കുന്ന വികിരണങ്ങൾ ഉള്ളിൽ തന്നെ പല തവണ പ്രതിഫലിക്കുന്നു. ഓരോ തവണയും അതിന്റെ ഒരു ഭാഗം ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. അങ്ങനെ അതിൽ കടക്കുന്ന ഊർജ്ജം ഏതാണ്ടു് മുഴുവനുംതന്നെ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇതാണല്ലോ തമോവസ്തുവിന്റെ ഒരു സ്വഭാവം. ഇതുപോലെ, ആ ഗോളം ചൂടാക്കുമ്പോൾ അതിൽ നിന്നു് പുറത്തുവരുന്ന വികിരണങ്ങൾ തമോവസ്തുവിന്റെ വികിരണങ്ങളോടു് വളരെയധികം സമാനത പുലർത്തും.

ഓരോ വസ്തുവും അതിന്റെ താപനിലയ്ക്കനുസൃതമായി വിദ്യുതകാന്ത തരംഗങ്ങൾ വികിരണം ചെയ്യും. ഈ തരംഗങ്ങളുടെ സ്പെക്‌ട്രം ഒരു പ്രത്യേക രീതിയിലുള്ളതാണു്; താപനില മാറുന്നതിനനുസരിച്ചു് അതു് മാറുകയും ചെയ്യും. വസ്തുവിന്റെ താപനില ഏതാണ്ടു് 700 ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസ് എത്തുമ്പോൾ നമുക്കതു് ചെന്നിറത്തിൽ ജ്വലിക്കുന്നതു് കാണാനാകും -- കൊല്ലന്റെ ആലയിൽ ഇരുമ്പു് ചൂടാക്കുമ്പോഴും മറ്റും കാണുന്നതുപോലെ. ക്രമേണ നിറം മാറി, ഏതാണ്ടു് 6000 ഡിഗ്രിയാകുമ്പോൾ പ്രസരിക്കുന്നതു് വെളുത്ത നിറമായിരിക്കും; അതായതു് ദൃശ്യമായ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിലെല്ലാം പ്രകാശം വികിരണം ചെയ്യുന്നുണ്ടാകും. ഫിലമെന്റുള്ള ബൾബുകളിൽനിന്നു് പ്രകാശം ലഭിക്കുന്നതു് ഇങ്ങനെയാണു്. (പക്ഷേ ഫിലമെന്റിന്റെ താപനില ഏതാണ്ടു് 3000 ഡിഗ്രിയേ കാണൂ, കാരണം അതിൽ കൂടുതൽ ചൂടു് ഫിലമെന്റിനു് താങ്ങാനാവില്ല. അതുകൊണ്ടാണു് ബൾബിന്റെ പ്രകാശത്തിനു് ചെറിയ മഞ്ഞനിറം കാണുന്നതു്.) അങ്ങനെയിരിക്കെ തന്നെ, വികിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തുവിന്റെ സ്വഭാവമനുസരിച്ചു് സ്പെക്ട്രത്തിൽ മാറ്റങ്ങൾ കാണാം. എന്നാൽ പദാർത്ഥത്തിന്റെ സ്വഭാവം ബാധിക്കാത്ത, ശുദ്ധമായ ഒരു വികിരണസ്രോതസ്സു് എന്ന അർത്ഥത്തിലും തമോവസ്തു എന്ന പദമുപയോഗിക്കും. ശാസ്ത്രതത്വങ്ങളനുസരിച്ചു് ഈ സ്വഭാവമുള്ള വസ്തുക്കൾ എല്ലാ വികിരണങ്ങളും ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിലും സമർത്ഥമായിരിക്കണം.

അത്തരമൊരു വസ്തുവിൽ നിന്നു് വരുന്ന വികിരണത്തിനു് ``തമോവസ്തു വികിരണം (black body radiation) എന്നു പറയും. താപനില വർദ്ധിക്കുമ്പോൾ, വികിരണം ചെയ്യുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ തീവ്രത കൂടിവരുകയും ഏറ്റവും ഉയർന്ന തീവ്രതയുള്ള വികിരണത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യം കുറഞ്ഞുവരുകയും ചെയ്യുന്നു. ഏറ്റവും ഉയർന്ന തീവ്രതയുള്ള വികിരണമുണ്ടാകുന്ന തരംഗദൈർഘ്യം താപനിലയനുസരിച്ചു് മാറുന്നതെങ്ങനെ എന്നു് വീനിന്റെ നിയമം (Wien's displacement law) വ്യക്തമാക്കുന്നു. തമോവസ്തു ആകെ വികിരണം ചെയ്യുന്ന ഊർജ്ജത്തിന്റെ തോതു് സ്റ്റെഫാൻ-ബോൾട്ട്സ്മാൻ നിയമം (Stefan-Boltzmann law) അനുസരിച്ചാണു്.

ക്ലാസിക്കൽ ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ ഈ വികിരണങ്ങളുണ്ടാകുന്നതെങ്ങനെ എന്നും അതിന്റെ സ്പെക്ട്രവും വിശദീകരിക്കാൻ സാദ്ധ്യമല്ല. ഇതിനായി പല ശ്രമങ്ങളും നടന്നെങ്കിലും ഒന്നും പൂർണ്ണമായി വിജയിച്ചില്ല. അങ്ങനെയിരിക്കെയാണു് മാക്സ് പ്ലാങ്ക് (Max Planck) തന്റെ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തവുമായി വന്നതു്. പിന്നീടു് സൂക്ഷ്മ കണികകളുടെ ബലതന്ത്രം മാറ്റിമറിച്ച ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം ആരംഭിച്ചതു് ഇവിടെ നിന്നാണു്. പ്ലാങ്കിന്റെ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തിനു് തമോവസ്തുവികിരണത്തിന്റെ സ്പെക്‌ട്രം കൃത്യമായി വിശദീകരിക്കാനായി. ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ ചരിത്രത്തിലെ പ്രധാനപ്പെട്ടൊരു ചുവടുവയ്പായിരുന്നു ഇതു്.

ഒരു വസ്തു വികിരണം ചെയ്യുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ സ്പെക്ട്രവും അതിന്റെ താപനിലയും തമ്മിൽ ബന്ധമുള്ളതുകൊണ്ടു് താപനില നേരിട്ടു് അളക്കാൻ സാദ്ധ്യമല്ലാത്ത (താപനിലയുടെ ആധിക്യം കാരണമോ വസ്തുവിന്റെ ദൂരം കാരണമോ) സന്ദർഭങ്ങളിൽ അതിന്റെ സ്പെക്ട്രം കണ്ടെത്തിയിട്ടു് അതിൽനിന്നു് താപനില മലസിലാക്കുന്ന രീതി സ്വീകരിക്കാറുണ്ടു്. ജ്യോതിശാസ്ത്രത്തിലും ഉയർന്ന താപനില അളക്കേണ്ടി വരുന്ന ചില വ്യാവസായിക സാഹചര്യങ്ങളിലും മറ്റും ഈ രീതി പലപ്പോഴും ഉപയോഗിക്കാറുണ്ടു്. തമോവസ്തുവിന്റെ വികിരണത്തേക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം ഇതിനു് സഹായകമാണു്.