बेंगलुरु के लोगों को अपने मौसम के गर्म होने के बारे में शिकायत करने की अनुमति नहीं दी जानी चाहिए। दूसरे दिन, एक के रूप में नम्म मित्र ने अपने दिन के तापमान के 33 डिग्री तक पहुँचने पर निराशा व्यक्त करने के लिए फोन किया, मैंने सोचा कि मुझे उसे कानपुर में सुखद 42 डिग्री के बारे में किन अवधी शब्दों में सूचित करना चाहिए। पकी हुई धरती, तेज़ जलती हवा और चकाचौंध भरी तेज़ धूप वाली दोपहरें स्पष्ट रूप से ऐसी चीज़ें हैं जिन्हें वह मिस नहीं कर रही होगी।
यहां तक कि जब आप एक गिलास पीते हैं निम्बू पानी अपने आप को ठंडा करने के लिए, क्या आपने कभी सोचा है: ‘डिग्री’ का वास्तव में क्या मतलब है? इससे मेरा मतलब आपकी योग्यता से नहीं है, बल्कि सिर्फ तापमान से है। क्या आपने कभी सोचा है कि कोई इसे कैसे मापता है?
तापमान की इकाइयाँ
तापमान की मानक इकाई को सेल्सियस कहा जाता है, जिसका नाम स्वीडिश भौतिक विज्ञानी एंडर्स सेल्सियस के नाम पर रखा गया है जिन्होंने कुछ शुरुआती थर्मामीटर डिजाइन किए थे। लेकिन तापमान मापने में एक बुनियादी दिक्कत है। जबकि हम मौसम या वैश्विक समाचारों के आधार पर चिंताजनक रूप से गर्म या निराशाजनक ठंड महसूस कर सकते हैं, तापमान मापने में एक चुनौती इसके लिए शून्य को परिभाषित करना है। आख़िरकार, गैस सिलेंडरों की संख्या या वैध आईडी कार्ड के विपरीत – क्या आप वास्तव में उन्हें अपनी उंगलियों पर गिन सकते हैं, और बता सकते हैं कि आपके पास ‘शून्य’ कब है?
इस शून्य को परिभाषित करने के लिए – हम अपनी सामान्य रोजमर्रा की जादुई सामग्रियों में से एक – पानी का उपयोग करते हैं। तो, पानी यह तय करने में कैसे मदद करता है? आगे बढ़ने के लिए, हमें यह समझने की आवश्यकता है कि वास्तव में तापमान क्या है।
तापमान यह अनुमान लगाने का एक तरीका है कि कोई चीज़ कितनी गर्म है। अब जब हम किसी पदार्थ को गर्म करते हैं, तो हम वास्तव में उस पदार्थ के परमाणुओं और अणुओं को अधिक से अधिक बेचैन कर रहे होते हैं। जैसे-जैसे हम ऊर्जा पंप करते हैं, वे और अधिक तीव्रता से हिलते हैं। इसी तरह जब हम किसी चीज़ को ठंडा करते हैं तो हम परमाणुओं को और अधिक सुस्त बना देते हैं, यानी उनकी ऊर्जा छीन लेते हैं। हमसे बहुत अलग नहीं. तो क्या हम वास्तव में जब तक चाहें तब तक किसी चीज़ को गर्म या ठंडा करना जारी रख सकते हैं?
पता चला कि उत्तर नहीं है। कुछ समय के लिए, सामग्री गर्म या ठंडा होने का निर्णय ले सकती है, लेकिन कुछ बिंदु पर यह अपने चरित्र को पूरी तरह से बदलने का निर्णय ले सकती है। इसे चरण संक्रमण कहा जाता है। ये तो आप रोज देखते हैं. जब पानी को रेफ्रिजरेटर में रखा जाता है, तो वह सबसे पहले ठंडा होना शुरू होता है और बिल्कुल ठंडा पानी जैसा दिखाई देता है।
लेकिन कुछ बिंदु पर, यह तरल के रूप में ठंडा नहीं होगा – बल्कि बर्फ में बदलना शुरू हो जाएगा, जैसा कि हम जानते हैं कि यह एक ठोस है। इस “तापमान” जिस पर पानी बर्फ में बदल जाता है, को ‘शून्य’ डिग्री सेल्सियस नाम दिया गया। इसी प्रकार, जब पानी को गर्म किया जाता है, तो यह तब तक गर्म होता जाता है जब तक कि यह उबलने न लगे और वाष्प में न बदल जाये। इस विशेष “तापमान” के बाद, जिसके बाद पानी फिर गर्म नहीं हो सकता – इसे ‘100’ डिग्री सेल्सियस नाम दिया गया।
इसलिए तापमान के शून्य और 100 को चिन्हित कर सौ भागों में बाँट दिया गया ताकि बाकी सभी चीजों को हम इन इकाइयों में माप सकें। इसी पैमाने पर हमारे शरीर का तापमान 37 डिग्री सेल्सियस होता है। एक और लोकप्रिय पैमाना है – फारेनहाइट, जहां शून्य और 100 को एक अलग प्रोटोकॉल का उपयोग करके चिह्नित किया जाता है। उस पैमाने पर हमारे शरीर का तापमान 98.6 डिग्री फ़ारेनहाइट माना जाता है। 1948 में भौतिकविदों ने अंततः सेल्सियस को एक मानक इकाई के रूप में उपयोग करने का निर्णय लिया।
अब जब हमने शून्य और 100 तापमान को परिभाषित कर लिया है, तो अगला प्रश्न यह है कि हम इसे कैसे मापें? यहाँ एक और जादुई सामग्री आती है – बुध, नहीं – ग्रह नहीं।
पारा थर्मामीटर
पारा एक धातु है, जैसे लोहा या एल्यूमीनियम, यानी, जो करंट का संचालन करता है और चमकता है, लेकिन हमारे धातु के बर्तनों या चम्मचों के विपरीत, यह तरल अवस्था में होता है। अब अधिकांश धातुएँ गरम करने पर थोड़ी फैलती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि गर्म होने पर सामग्रियों के भीतर के परमाणु एक-दूसरे से दूर हो जाते हैं। लेकिन पारे के सबसे आश्चर्यजनक गुणों में से एक यह है कि यह उतना ही फैलता है जितना गर्म किया जाता है। इसे एक छड़ की तरह समझें जिसकी लंबाई इस बात पर निर्भर करती है कि वह कितनी गर्म है। तो हमने माप की तरकीब ढूंढ ली है।
विचार सरल है: एक ट्यूब से जुड़े कांच के बल्ब में पारा डालें। बल्ब को बर्फ की बाल्टी में रखें। ट्यूब में पारे का स्तर देखें और इसे शून्य के रूप में चिह्नित करें। – अब उसी बल्ब को उबलते गर्म पानी में डाल दें. पारा का विस्तार होगा और ट्यूब में स्तर बढ़ जाएगा। उस नए स्तर को 100 के रूप में चिह्नित करें। दोनों अंकों के बीच की दूरी को 100 डिवीजनों में समान रूप से विभाजित करने के लिए अपने पसंदीदा पैमाने का उपयोग करें। और आपके पास एक थर्मामीटर है. अब आप इस थर्मामीटर को अपने पसंदीदा सूप, या मिट्टी, या अपने मुंह में रखकर माप सकते हैं कि पारा कितना फैलता है और आपको बताता है कि तापमान क्या है!
दरअसल, कुछ साल पहले तक नियमित थर्मामीटर इसी तरह दिखते थे, जब फोन अभी भी गैर-स्मार्ट थे। आज स्कूल जाने वाले अधिकांश विद्यार्थियों ने ये थर्मामीटर नहीं देखे होंगे। हमारी कोई अच्छी गलती न होने पर भी वे आसानी से टूट सकते हैं और आस-पास के वयस्कों में भारी हंगामा हो सकता है।
लेकिन किसी भी मामले में, पारा थर्मामीटर, हर घर में पाया जा सकता है। लेकिन जैसे-जैसे ग्रीनहाउस गैसों की मात्रा, वैश्विक तापमान, घर, गैजेट और सरकारें बदलीं – हमारे थर्मामीटर भी बदल गए।
डिजिटल थर्मामीटर
इसलिए तापमान मापने के लिए, मूल रूप से एक ऐसी सामग्री की आवश्यकता होती है जो इस बात पर निर्भर करती है कि कोई चीज़ कितनी गर्म है, और जिसके व्यवहार में परिवर्तन को सटीक रूप से मापा जा सके। आख़िरकार, किसी चीज़ को सही ढंग से मापना संपूर्ण विज्ञान के लिए मौलिक है। भौतिकी की यह शाखा जो माप के पीछे के सिद्धांतों में विशेषज्ञता रखती है, मेट्रोलॉजी कहलाती है।
संघनित पदार्थ भौतिकी में प्रगति के साथ – सामग्री की भौतिकी – भौतिकविदों ने 1950 के दशक में अर्धचालक नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग बनाया। अर्धचालक न तो एल्यूमीनियम या तांबे की तरह धातु (यानी कंडक्टर) हैं, न ही कांच या लकड़ी की तरह इंसुलेटर (यानी चीजें जो करंट का संचालन नहीं करती हैं)। इसलिए उपसर्ग “अर्ध”। वे थोड़ी मात्रा में धारा प्रवाहित करते हैं, लेकिन तापमान बढ़ने पर उनमें प्रवाहित धारा की मात्रा बढ़ सकती है।
ऐसा इसलिए है क्योंकि अर्धचालकों में परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की एक दिलचस्प व्यवस्था होती है।
धातुओं में, इलेक्ट्रॉन सूप की तरह, एक परमाणु से दूसरे परमाणु में स्वतंत्र रूप से घूमते हैं – इसलिए जब भी कोई बैटरी जुड़ी होती है तो वे आसानी से बिजली का संचालन कर सकते हैं। इन्सुलेटर में, इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से कसकर बंधे होते हैं। इसलिए जब बैटरी लगाई जाती है तब भी वे हिलने से इनकार कर देते हैं। अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से शिथिल रूप से बंधे होते हैं। वे ज्यादातर परमाणुओं के करीब रहते हैं, लेकिन जब परमाणु गर्मी के कारण उत्तेजित हो जाते हैं, तो वे इन इलेक्ट्रॉनों को हिला देते हैं। ये “मुक्त” इलेक्ट्रॉन अब गति कर सकते हैं और विद्युत धारा उत्पन्न कर सकते हैं।
अब जब एक बैटरी अर्धचालक से जुड़ी होती है और यदि तापमान बढ़ता है, तो परमाणु अधिक तीव्रता से हिलते हैं और अधिक इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं। इसलिए परिवेश जितना अधिक गर्म होगा, उतनी अधिक धारा उत्पन्न होगी और यदि हम उस धारा को माप सकें तो हम पता लगा सकते हैं कि तापमान क्या है!
डिजिटल थर्मामीटर में यही होता है जो अब आप अपने घरों में पाते हैं – 70 वर्षों की तकनीकी प्रगति के साथ, मनुष्यों ने धाराओं और वोल्टेज में परिवर्तन को मापने की कला में महारत हासिल कर ली है।
परम शून्य एवं शीत परमाणु
अब, भले ही पानी शून्य डिग्री सेल्सियस पर बर्फ में बदल जाता है – बर्फ में परमाणु अभी भी हिल रहे हैं, हालांकि अधिक धीरे-धीरे। अब यदि हम आगे भी उनकी ऊर्जा छीनते रहें, तो क्या ऐसा कोई बिंदु है जहां अनिवार्य रूप से इसमें “नहीं” ऊर्जा हो सकती है? इसका क्या मतलब होगा तापमान?
उस तापमान को अब निरपेक्ष शून्य के रूप में परिभाषित किया गया है – केल्विन (K) नामक एक अन्य इकाई में: तापमान मापने की वैज्ञानिक इकाई। सेल्सियस के संदर्भ में, इसका मतलब -273 डिग्री सेल्सियस है।
जब तापमान केवल कुछ केल्विन तक गिर जाता है, तो उसे मापना और भी कठिन हो जाता है। इन्हें मापने के लिए हम अपने पारे या अर्धचालकों का उपयोग नहीं कर सकते, क्योंकि इन थर्मामीटरों के गुण स्वयं पूरी तरह से बदल जाएंगे।
वास्तव में, इन तापमानों पर परमाणु भी स्वयं बहुत अजीब हो जाते हैं और उन्हें समझने के लिए हमें क्वांटम यांत्रिकी की पूरी शक्ति का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। अति-निम्न तापमान पर ऐसे परमाणुओं का अध्ययन शीत-परमाणु भौतिकी है।
बोस और उसका संघनन
सामान्यतः परमाणुओं को दो प्रकार के व्यक्तित्वों में से एक माना जा सकता है। एक: ‘फ़रमियन’ प्रकार, जहां वे एक कमरे में एक साथ रहना पसंद नहीं करते। और दूसरा: ‘बोसोन’ जहां मौका मिलने पर वे सभी एक साथ रहना पसंद करते हैं। ‘बोसोन्स’ का नाम भारतीय भौतिक विज्ञानी सत्येन्द्र नाथ बोस के नाम पर रखा गया है। 1924 में, उन्होंने पहली बार सैद्धांतिक रूप से इन ‘बोसोन’ के सांख्यिकीय व्यवहार की भविष्यवाणी की थी।
कई ठंडे परमाणु प्रकृति में बोसोनिक होते हैं और जब वे शून्य केल्विन के बहुत करीब तापमान तक पहुंचते हैं तो वे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) नामक पदार्थ का एक विदेशी चरण बनाते हैं, जिसका नाम बोस और अल्बर्ट आइंस्टीन के नाम पर रखा गया है। 2001 में, तीन अमेरिकी वैज्ञानिकों एरिक ए. कॉर्नेल, वोल्फगैंग केटरले और कार्ल ई. वाइमन को 20 नैनोकेल्विन (एनके) के तापमान पर प्रयोगों में बीईसी प्राप्त करने के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। 1 nK 0.000000001 केल्विन है, जो पूर्ण शून्य से थोड़ा ऊपर है।
तो, अगली बार जब गर्मी आपको परेशान करे, चाहे बेंगलुरु में हो या कानपुर में, और आप बढ़ते तापमान के बारे में शिकायत करने के लिए किसी मित्र को फोन करते हैं – थर्मामीटर की लंबी, शानदार लाइन के प्रति आभार व्यक्त करना न भूलें, जिसने आपके लिए तापमान को सटीक रूप से मापा है।
(अधिप अग्रवाल आईआईटी कानपुर में भौतिकी के सहायक प्रोफेसर हैं)
