কোয়ান্টাম ফিজিক্স-৪: তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ

[বইটির সূচীপত্র এবং সবখন্ডের লিংক একত্রে দেখুন এখানে]

হ্যান্স ক্রিশ্চিয়ান ওয়েরস্টেড। ডেনিস পদার্থবিদ। ১৮১৯ সাল। একদিন তিনি বিদ্যুৎ প্রবাহের ওপর বক্তৃতা দিচ্ছিলেন। কাছে ছিল ছিল একটি তড়িৎ বর্তনী। আরেকটি শলকা চুম্বক বা কম্পাস। কম্পাস ছিল কেন এই বিষয়টা সম্পর্কে এখনও নিশ্চিত হতে পারিনি। দর্শকদের বিদ্যুৎ বর্তনী সম্পর্কে বোঝাচ্ছিলেন। তখন ওই বর্তনীর ভেতর বিদ্যুৎ প্রবাহ চলছিল। কোনও এক কারণে বিদ্যুৎ বর্তনীটা কম্পাসের খুব কাছে চলে আসে। অভূতপূর্ব এক ঘটনা ঘটল তখন। চমকে উঠলেন ওয়েরস্টেড। কম্পাসের কাঁটাটা ঘুরে গেল!

কেন এমন ঘটল?

তবে কি বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে কোনও সম্পর্ক আছে?
ওয়েরস্টেড বিষয়টা ভালো করে পরীক্ষা করে দেখলেন। বর্তনীতে বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক বদলে দিলেন। অর্থাৎ আগে যেদিকে বিদ্যুৎ প্রবাহ চলছিল এবার বিদ্যুৎকে তার উল্টো দিকে ঘুরিয়ে দিলেন। দেখলেন, কম্পাসের কাঁটাও ঘুরে গেল। আগেবার কম্পসের কাঁটা যেদিকে ঘুরেছিল এবার ঘুরল তার উল্টো দিকে। ওয়েরস্টেড নিশ্চিত হলেন বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক আছে। কিন্তু সম্পর্কটা কি, কেমন ভাবে এই সম্পর্ক কাজ করে তার কারণ অনুসন্ধান করলেন না। তবে এই ঘটনা অন্য বিজ্ঞানীদের প্রভাবিত করল।

২৮২০ সালে ফরাসী ফ্রান্সোয়া অ্যারাগো আরেকটা ঘটনা লক্ষ করলেন। তিনি দেখলেন, একটা তড়িৎবাহী তার চুম্বকের মতো আচরণ করে। তড়িৎবাহী তারের আশপাশে লোহার গুঁড়ো রাখলে তারটি সেগুলোকে আকর্ষণ করে। চুম্বক যেভাবে লোহার গুঁড়োকে আকর্ষণ করে সেভাবে। তড়িৎপ্রবহ বন্ধ করে দিলে আর্কষণ ক্ষমতাও হারায় সেই তড়িৎবাহী তার। এরপর থেকে বিজ্ঞানী বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক নির্ণয়ের জন্য উঠে পড়ে লাগলেন।

সে বছরই আলোচনায় এলেন আরেক ফরাসী বিজ্ঞানী আন্দ্রে মারি অ্যাম্পেয়ার। তড়িৎ প্রবাহের একককে ‘অ্যাম্পেয়ার’ নামকরণ করা হয়েছে তাঁর নামানুসারেই। তিনি আবিষ্কার করলেন, দুটি বিদ্যুৎবাহী তারকে যদি সমান্তরালে পাশাপাশি রাখা হয় তবে তার দুটি পরস্পরকে আর্কষণ করে। তবে তারদুটিতে একই দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহিত করতে হবে। আর যদি দু তারে বিদ্যুৎ প্রবাহ যদি পরস্পরের বিপরীত দিকে হয়, তাহলে তারদুটি পরস্পরকে বিকর্ষণ করবে। তিনি একটা পরীক্ষাও করেছিলেন এ বিষয়ে। একটি তারকে স্পিংয়ের মতো করে পেঁচিয়েছিলেন। ফলে তারে একটি কু-লি তৈরি হয়েছিল। যাকে বলে কয়েল।

কুন্ডলির একটি প্যাঁচ আরেকটি প্যাঁচের সাথে সমান্তরালে অবস্থান করে। এরপর সেই কুন্ডলির ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত করলেন অ্যাম্পিয়ার। যেহেতু একই দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হচ্ছে, তাই প্রতিটা প্যাঁচেরও বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক এক। আবার প্যাঁচগুলো পরস্পরের সমান্তরালে রয়েছে, সুতরাং এদের ভেতরে প্রবল আকর্ষণ বল কাজে করে। একটি প্যাঁচ আরেকটি প্যাঁচের আকর্ষণ শক্তি বাড়িয়ে দেয়। পুরো কুন্ডলিটি তাই একটা শক্তিশালি চুম্বকের মতো কাজ করে। কুন্ডলির একটা দিক চুম্বকের উত্তর মেরুর মতো এবং আরেকটা দিক চুম্বকের দক্ষিণ মেরুর মতো কাজ করে।

১৮২৩ সালে ব্রিটিশ পদার্থবিদ উইলিয়াম স্টারজেন কুন্ডলি সিস্টেমকে আরও একধাপ এগিয়ে নিলেন। তিনি ইংরেজি U আকৃতির একটি লোহা পাতের ওপর পরিবাহী তার পেঁচিয়ে কু-লি তৈরি করলেন। তারপর তার ভেতর দিয়ে বিদুৎপ্রবাহ চালালেন। লোহার প্রভাবে কু-লির চৌম্বকধর্ম আরও বৃদ্ধি পেল।

ফলে শক্তিশালী তড়িৎচুম্বক তৈরি হলো সেই সিস্টেমে। ১৯২৯ সালে মার্কিন পদার্থবিদ যোসেফ হেনরি লোহার এই সিস্টেমে সাধারণ পরিবাহী তারের বদলে অন্তরিত তার ব্যবহার করলেন। এ ধরনের তার আজকালকার কয়েলে ব্যবহার করা হয়। তিনি লোহার পাতের ওপর কয়েকশো প্যাঁচ দিয়ে কয়েল তৈরি করলেন। তার ফলে যে বিদুৎচম্বক তৈরি তার ক্ষমতা সাধারণ চুম্বকের চেয়ে অনেক অনেক বেশি। সেটা বিরাট ওজনের একটা লোহার খন্ডকে মাটি থেকে উঠিয়ে নিতে সক্ষম হলো।

বিটিশ বিজ্ঞানী মাইকেল ফ্যারাডে এবার উল্টোভাবে ভাবতে শুরু করলেন। বিদ্যুৎ যদি চুম্বক তৈরি করতে পারে, তাহলে চুম্বকও কি বিদ্যুৎ তৈরি করতে পারে না? শুধু ভাবলেনই না, কাজে লেগে পড়লেন। একটা দন্ড চুম্বক নিলেন ফ্যারাডে। তারপর পরিবাহী তার দিয়ে তৈরি করলেন একটা কুন্ডলি। দন্ড চুম্বকটা ঢোকালেন কুন্ডলির ভেতর। তবে কুন্ডলির দুই প্রান্ত কিন্তু ব্যাটারি বা অন্য কোনও বিদ্যুৎ উৎসের সাথে যুক্ত করলেন না। সুতরাং সেই কুন্ডলিতে বাইরে থেকে বিদ্যুৎ প্রবাহের কোনো সম্ভাবনায় রইল না। তবে এ অবস্থায় কিছু ঘটলই না। এরপর ফ্যারাডে চুম্বকটিকে কুন্ডলির ভেতরে বারবার প্রবেশ করালেন, এবং বের করলেন। এর ফলে বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি হলো পরিবাহী তারে। কিন্তু চুম্বক স্থিরভাবে কুন্ডলির ভেতর রেখে দিলে কোনও বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় না। তবে আরেকটি বিষয় উল্ল্যেখ করার মতো। যখন চুম্বক কুন্ডলির ভেতরে প্রবেশ করানো হচ্ছে তখন  বিদ্যুৎ একদিকে প্রবাহিত হচ্ছে। যখন চুম্বক বের করা হচ্ছে তখন বিদ্যুৎ প্রবাহিত হচ্ছে বিপরীত দিকে। এই ঘটনা মানব সভ্যতার ইতিহাসের মোড় ঘুরিয়ে দিয়েছিল।

১৮৩১ সালে ফ্যারাডে একটা যন্তু তৈরি করলেন। যন্ত্রটিতে একটা চুম্বক ব্যবহার করা হলো। চুম্বকের দুই মেরু বরাবর ঘোরানোর ব্যবস্থা করা হলো একটা তামার চাকতি।  চুম্বককে অব্যাহতভাবে ঘোরানোর ব্যবস্থা করা হলো। দেখা গেল চুম্বকটিতে নিরবিচ্ছিন্নভাবে বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি হচ্ছে। অবশ্য চাকতিটি ঘোরানো বন্ধ করে দিলে বিদু্যুৎপ্রবাহও বন্ধ হয়ে যায়। তবে চাকতিটি কীভাবে ঘোরানো হচ্ছে সেটা বিষয় নয়। যেভাবে যার সাহায্যেই ঘোরানো হোক বিদুৎ প্রবাহ তৈরি হচ্ছে। পাঠক নিশ্চয়ই বুঝতে পারছেন, এটিই ছিল বিশ্বের প্রথম বিদ্যুৎ উৎপন্নকারী জেনারেটর।

ফ্যারাডে শুধু জেনারেটর আবিষ্কার করেই বসে থাকেননি। তিনি চুম্বকের মতো বিদ্যুতের জন্যও ক্ষেত্রতত্ত্ব আবিষ্কার করলেন। সক্ষম হলেন সাধারণ চুম্বক আর বৈদ্যুতিক শক্তিকে প্রাথমিকভাবে এক সূত্রে বাঁধতে। তিনি দেখালেন, কোনো একটা নির্দিষ্ট স্থানে চুম্বকের আকর্ষণ শক্তির মান যদি বাড়ানো-কমানো হয়, তবে সেখানে বৈদ্যুতিক শক্তির প্রবাহ সৃষ্টি হয়। তিনি চুম্বকের ওপর তড়িৎ পরিবাহী তার জড়িয়ে তৈরি করলেন তড়িচ্চুম্বকীয় কয়েল। ওই চুম্বকের আষর্ষণ বলের মান কমিয়ে-বাড়িয়ে দেখলেন বিদ্যুৎ প্রবাহের মাত্রাও কম বেশি হচ্ছে। ফ্যারাডের এই সূত্র ধরেই তৈরি হলো ডায়নামো।

কুলম্ব ও ফ্যারাডের সূত্রকে একসঙ্গে ব্যাখ্যা করা যায় কিনা, সে চেষ্টায় লেগে রইলেন স্কটিশ বিজ্ঞানী জেমস ক্ল্যার্ক ম্যাক্সওয়েল। ম্যাক্সওয়েল প্রথমেই হাত দিলেন ফ্যারাডের সূত্রে। তিনি ধারণা করলেন, কোথাও যদি চুম্বক শক্তির বাড়ানো-কমানোর মাধ্যমে বিদ্যুৎ প্রবাহের মান বাড়ানো কমানো যায়, তবে এর উল্টো ঘটনা ঘটালে কী ঘটবে? অর্থাৎ ওই নির্দিষ্ট স্থানে যদি চুম্বক শক্তির মান স্থির রেখে বিদ্যুৎ প্রবাহের মান বাড়ানো-কমানো হয় তবে কী হবে?

ম্যাক্সওয়েল নিশ্চিত ছিলেন এই ঘটনা ঘটালে অর্থাৎ বিদ্যুৎ বাড়ালে- কমালে অবশ্যই চুম্বক শক্তির মান কম-বেশি হবে। ম্যাক্সওয়েল তাঁর কয়েলে এই পরীক্ষা করে তাঁর ধারণার সত্যতা পেলেন।

অতএব ম্যাক্সওয়েল চিন্তা করলেন, চুম্বক আর বিদ্যুৎকে আলাদা করে ভাবলে চলবে না। দুটোকে একে অপরের পরিপূরক হিসেবে গণ্য করতে হবে। এই ধারণা থেকেই সৃষ্টি হলো ম্যাক্সওয়েলের অমর তড়িৎ চুম্বকীয় তত্ত্ব। এই তত্ত্বই জন্ম দিল আজকের সভ্যতার অপরিহার্য এক তরঙ্গ, তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ। এই তত্ত্ব আবিষ্কার করে ম্যাক্সওয়েল নিউটনের প্রায় দুশো বছর পরে পদার্থবিজ্ঞানের বিভিন্ন তত্ত্বের সমন্বয়ের রাস্তা পরিষ্কার করলেন। ম্যাক্সওয়েল তাঁর তড়িচ্চুম্বকীয় সমন্বয় তত্ত্বকে একটি মাত্র সূত্রের মধ্যে আটকে রাখলেন না। ব্যাখা করলেন চার চারটি সমীকরণের সাহায্যে। যখন যে পরিস্থিতিতে যেটা দরকার হবে তখন সেই সমীকরণের সাহায্যে ব্যাখ্যা করতে হবে তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গের প্রকৃতি। কুলম্ব, ফ্যারাডে উভয়েরই তত্ত্বে যেসব ফলাফল পাওয়া যায়, তার সবগুলোই একসাথে পাওয়া গেল ম্যাক্সওয়েলের তত্ত্বে। নিউটনের মহাকর্ষ, গতির সূত্র ও আইনস্টাইনের আপেক্ষিকতার মতোই ম্যাক্সওয়েলের এই সূত্র পদার্থবিজ্ঞানে অপরিসীম গুরুত্ব বহন করে।

অনেক প্রশ্নের উত্তর জানা গেল ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণ থেকে। যেমন, যেখানে কোনো চার্জ নেই, বিদ্যুৎ প্রবাহ নেই, চুম্বকও নেই সেখানে আসলে কী ঘটে? ম্যাক্সওয়েল নিজেই পরীক্ষা করলেন। এবং আশ্চর্য হয়ে লক্ষ করলেন। শূন্যস্থানেও তড়িচ্চুম্বকের প্রভাব রয়েছে। আর সেই প্রভাব শূন্যস্থানে ছড়িয়ে আছে ঢেউয়ের মতো।

প্রিয় পাঠক, আবার আমরা ফিরে যাই কুলম্বের সূত্রে। ধরা যাক কোনো স্থানে একটি চার্জ আছে। তার থেকে কিছু দূরে আছে আরো একটি চার্জ। সুতরাং প্রথম চার্জটির কাছ থেকে দ্বিতীয় চার্জটি আকর্ষণ বা বিকর্ষণ বল অনুভব করছে। ফিরে যাই সেই পুরানো প্রশ্নে দ্বিতীয় চার্জটি কীভাবে বুঝল যে ওখানে আরেকটি চার্জ আছে? এ প্রশ্নের উত্তরে কুলম্ব বলেছিলেন, দূরক্রিয়ার প্রভাবের কথা। ম্যাক্সওয়েল দূরক্রিয়ার ধারণাটা মানতে পারলেন না।

তাহলে ম্যাক্সওয়েল কী বললেন শোনা যাক। প্রথম চার্জটির উপস্থিতির জন্য শূন্যস্থানে সৃষ্টি হচ্ছে একটি তড়িচ্চুম্বকীয় ঢেউ বা তরঙ্গ। সেই তরঙ্গ বয়ে নিয়ে যাচ্ছে প্রথম চার্জের বৈদ্যুতিক বার্তা। সেই তরঙ্গের সাথে অন্য যে কোনো চার্জের যখন দেখা হচ্ছে, তখন তরঙ্গের কাছ থেকে অন্য চার্জটি প্রথম চার্জের পাঠানো বার্তা পেয়ে যাচ্ছে।

এখন কথা হচ্ছে বার্তা যখন পাঠানো হয়, সেই বার্তা প্রেরকের হাতে পৌঁছাতে নিশ্চয়ই সময় লাগে। এক্ষেত্রে প্রথম চার্জের পাঠানো বৈদ্যুতিক বার্তা আরেকটি চার্জের কাছে পৌঁছাতে কিছুটা হলেও সময় লাগবে। কত সময় লাগবে, সেটাও ম্যাক্সওয়েল বের করে ফেললেন। তিনি সক্ষম হলেন, কারণ, তিনি বুঝতে পেরেছিলেন আলোও এক প্রকার তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ। তাই যেকোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ আর আলো একই বেগে চলে। তখন অনেকেই প্রশ্ন করেছিলেন আলো আর তড়িৎচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ যদি একই জিনিস হবে তবে অন্য তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গগুলো কেন দেখা যায় না?
আসলে আমাদের চোখের দর্শনানুভূতির একটা সীমা আছে। আর এই সীমাটা হচ্ছে ০.৪ মাইক্রোমিটার থেকে ০.৭ মাইক্রোমিটার। অর্থাৎ কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ০.৪-০.৭ মাইক্রোমিটার সীমার মধ্যে থাকলেই কেবল আমাদের চোখ আলো হিসেবে সেই তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গকে দেখতে পায়। এই সীমার বাইরের কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ খালি চোখে দেখা সম্ভব নয়।

ম্যাক্সওয়েল যখন তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ নিয়ে গবেষণা করছেন ততদিনে আলোর গতিবেগ মানুষের জানা হয়ে গেছে; সেকেন্ডে ৩ লক্ষ কিলোমিটার। একথাও সবার জানা হয়ে গেছে, আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সাথে এর বেগের কোনো সম্পর্ক নেই। আলোর বেগ ধ্রুব তা পরে আইনস্টাইনই প্রমাণ করেছেন তাঁর বিশেষ আপেক্ষিকতায় তাই কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গেরই গতিবেগ বাড়া-কমার কোনো সুযোগ নেই।

[বইটির সূচীপত্র এবং সবখন্ডের লিংক একত্রে দেখুন এখানে]

-আব্দুল গাফফার রনি
বিজ্ঞান লেখক
[ফেসবুক প্রোফাইল]

বিজ্ঞান পত্রিকা প্রকাশিত ভিডিওগুলো দেখতে পাবেন ইউটিউবে। লিংক:
১. টেলিভিশনঃ তখন ও এখন
২. স্পেস এক্সের মঙ্গলে মানব বসতি স্থাপনের পরিকল্পনা