இயற்பியலின் அண்மைக்கால வளர்ச்சிகள்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

இயற்பியலின் அண்மைக்கால வளர்ச்சிகள் பற்றி

கடினம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

நூலின் மற்ற அலகுகளிலிருந்து அலகு 11 வேறுபட்டது. இங்கே நீண்ட வருவித்தல்களோ கணக்குகளோ இல்லை. நீங்கள் ஏற்கெனவே படித்த இயற்பியல் புதிய துறைகளில் எப்படிப் பயன்படுகிறது என்பதை இந்த அலகு காட்டுகிறது: சில நானோமீட்டர் அளவுள்ள பொருள்களை உருவாக்குதல், எந்திரன்களை (ரோபோக்கள்) அமைத்தல், மனித உடலைப் படமெடுத்துச் சிகிச்சை அளித்தல், மிகச் சிறிய துகள்களையும் அண்டத்தின் மிகப் பெரிய பொருள்களையும் ஆராய்தல்.

முதல் பாதி நடைமுறை சார்ந்தது. தாமரை இலை ஏன் ஈரமாகாமல் இருக்கிறது, நானோ பூச்சுகளும் நானோ மருந்துகளும் எப்படித் தயாரிக்கப்படுகின்றன என்பதை நானோ தொழில்நுட்பம் விளக்குகிறது. எந்திரன் எவற்றால் ஆனது, எங்கே பயன்படுகிறது என்பதை எந்திரனியல் விவரிக்கிறது. மருத்துவ இயற்பியல் பகுதி 1895-ல் ரான்ட்ஜென் கண்டறிந்த X-கதிர்களிலிருந்து MRI, CT, PET ஸ்கேன்கள், மாத்திரை வடிவ உள்நோக்கி (Capsule endoscopy), முப்பரிமாண அச்சிடல், எந்திரன் அறுவை சிகிச்சை வரை வளர்ச்சியைப் பின்தொடர்கிறது.

கடைசிப் பகுதி அளவின் இரு எல்லைகளுக்குச் செல்கிறது. புரோட்டான்களும் நியூட்ரான்களும் குளுவான்களால் பிணைக்கப்பட்ட குவார்க்குகளால் ஆனவை என்பது எப்படிக் கண்டறியப்பட்டது, ஹிக்ஸ் துகள் எப்படிக் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது என்பதைத் துகள் இயற்பியல் சொல்கிறது. அண்டவியல் பகுதியில் ஈர்ப்பு அலைகளும் கருந்துளைகளும் வருகின்றன. இந்த அலகு விவரிப்பு முறையில் உள்ளதால், வினாக்கள் பெரும்பாலும் வரையறைகள், பெயர்கள், ஆண்டுகள், எடுத்துக்காட்டுகளைச் சோதிக்கின்றன. எனவே மேலோட்டமாகப் பார்க்காமல் பாடப்பகுதியைக் கவனமாகப் படியுங்கள்.

நீங்கள் கற்பவை

• நானோ அளவை வரையறுத்து, பரப்பு-பருமன் விகிதத்தைக் கொண்டு நானோ பொருள்கள் பருப்பொருள்களிலிருந்து ஏன் வேறுபட்டு நடந்துகொள்கின்றன என்று விளக்குதல்.
• எந்திரனின் முக்கியப் பகுதிகளைப் பெயரிட்டு, ஒவ்வொன்றும் என்ன செய்கிறது என்று கூறுதல்.
• X-கதிர், CT, MRI படமெடுத்தலின் இயற்பியல் தத்துவத்தை விவரித்து, பாடநூலில் உள்ள புதிய மருத்துவத் தொழில்நுட்பங்களைப் பட்டியலிடுதல்.
• கருந்துளைகளை விவரித்து, Sagittarius A*, M87* ஆகியவற்றைப் பெயரிடுதல்.
• பெருவெடிப்பு மாதிரிக்கான சான்றுகளைக் கூறி, ஈர்ப்பு அலைகள் என்றால் என்ன என்று விளக்குதல்.
• குவார்க்குகள், லெப்டான்கள், குளுவான்கள், ஹிக்ஸ் துகள் ஆகியவற்றைத் திட்ட மாதிரியின் பகுதிகளாக அடையாளம் காணுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• அணுவின் அமைப்பு: எலக்ட்ரான்கள், புரோட்டான்கள், நியூட்ரான்கள்.
• மின்காந்த நிறமாலை, குறிப்பாக X-கதிர்களும் ரேடியோ அலைகளும்.
• 11ஆம் வகுப்பில் படித்த விசை, ஈர்ப்பியல், இயக்கம் பற்றிய அடிப்படைக் கருத்துகள்.

இயற்பியலின் அண்மைக்கால வளர்ச்சிகள் — விரிவான விளக்கம்

இந்த அலகில் என்ன உள்ளது

நானோ அறிவியலும் நானோ தொழில்நுட்பமும்

ஒரு நானோமீட்டர் என்பது \(10^{-9}\) m. குறைந்தது ஒரு பரிமாணத்தில் ஏறக்குறைய 1 முதல் 100 nm அளவுள்ள பொருள்களைப் பற்றிய படிப்பு நானோ அறிவியல் (Nanoscience). அந்த அறிவைக் கொண்டு பயனுள்ள சாதனங்களையும் பொருள்களையும் உருவாக்குவது நானோ தொழில்நுட்பம் (Nanotechnology). இந்த அளவில் அணுக்களில் மிகப் பெரிய பங்கு பரப்பில் அமைந்திருக்கும். எனவே பரப்புக்கும் பருமனுக்குமான விகிதம் மிக அதிகம். இதனால் பருப்பொருளுடன் ஒப்பிடும்போது நிறம், வினைபுரியும் தன்மை, வலிமை, மின் நடத்தை ஆகியவை மாறுகின்றன. இயற்கை ஏற்கெனவே நானோ அமைப்புகளைப் பயன்படுத்துகிறது: தாமரை இலை நீரை விலக்குகிறது. பட்டாம்பூச்சி இறக்கைகள், மயில் இறகுகளின் நிறங்கள் நிறமிகளால் அல்ல, நானோ அளவு அமைப்புகளால் வருகின்றன. நானோ பொருள்கள் இரண்டு வழிகளில் தயாரிக்கப்படுகின்றன: மேலிருந்து கீழ் முறை (பருப்பொருளை நானோ அளவுக்குச் சிறிதாக்குதல்), கீழிருந்து மேல் முறை (அணுக்கள், மூலக்கூறுகளிலிருந்து கட்டி எழுப்புதல்).

எந்திரனியல்

எந்திரனியல் (Robotics) இயற்பியல், இயந்திரப் பொறியியல், மின் பொறியியல், கணினி அறிவியல் ஆகியவற்றை இணைக்கிறது. பெரும்பாலான எந்திரன்களுக்கு மூன்று முக்கியப் பகுதிகள் உண்டு: நிரலை இயக்கும் மூளையான கட்டுப்படுத்தி, மோட்டார்கள், பிஸ்டன்கள், பற்றிகள் போன்ற இயந்திரப் பகுதிகள், சுற்றுப்புறம் பற்றி எந்திரனுக்குத் தெரிவிக்கும் உணர்விகள். இயக்கிகள் (Actuators) சேமித்த ஆற்றலை இயக்கமாக மாற்றுகின்றன. மனிதனைப் போன்ற எந்திரன்கள் முதல், பொருத்தும் வேலைக்குப் பயன்படும் SCARA கைகள் போன்ற தொழிற்சாலை எந்திரன்கள் வரை பல வகைகள் உள்ளன. உற்பத்தி, விண்வெளி மற்றும் கடலடி ஆய்வு, பாதுகாப்புத் துறை, அறுவை சிகிச்சை ஆகியவற்றில் இவை பயன்படுகின்றன. பெரும்பாலும் மனிதர்களுக்கு ஆபத்தான இடங்களில் இவை வேலை செய்கின்றன.

மருத்துவ நோயறிதலிலும் சிகிச்சையிலும் இயற்பியல்

1895-ல் ரான்ட்ஜென் X-கதிர்களைக் கண்டறிந்ததிலிருந்து மருத்துவம் இயற்பியலைப் பயன்படுத்தி வருகிறது. அதன் பிறகு வந்த அணுக்கரு மருத்துவம், மீயொலி, CT, MRI, PET போன்ற மைல்கற்களைப் பாடநூல் பட்டியலிடுகிறது. X-கதிர்களும் CT-யும் அயனியாக்கும் கதிர்வீச்சைப் பயன்படுத்துகின்றன. MRI வலிமையான காந்தப்புலத்தையும் ரேடியோ அலைகளையும் பயன்படுத்துகிறது. மெய்நிகர் உண்மை, துல்லிய மருத்துவம், கம்பியில்லா மாத்திரை வடிவ உள்நோக்கி, மின்னணு சுகாதாரப் பதிவுகள், உடல் உறுப்புகளை முப்பரிமாண அச்சிடல், இலக்கமுறை அறுவை அரங்குகள், எந்திரன் அறுவை சிகிச்சை ஆகிய புதிய கருத்துகளும் இந்த அலகில் உள்ளன. சிகிச்சையில், கவனமாகக் குறிவைத்த உயர் ஆற்றல் கதிர்வீச்சு புற்றுநோய் செல்களை அழிக்கிறது. அதே நேரம் நலமான திசுக்களுக்கு ஏற்படும் சேதத்தைக் குறைக்கிறது.

கருந்துளைகள்

கருந்துளை (Black hole) என்பது மிகப் பெரிய நிறையுள்ள விண்மீனின் இறுதி நிலை. இது மிக அடர்த்தியான பொருள். இதன் ஈர்ப்பு மிக வலிமையானது. ஒளி உட்பட எதுவும் இதிலிருந்து தப்ப முடியாது. நிறை குறைந்த விண்மீன்கள் வெண்குள்ளன்களாகவோ நியூட்ரான் விண்மீன்களாகவோ முடிகின்றன. பெரும்பாலான பெரிய விண்மீன் திரள்களின் மையத்தில் ஒரு மீப்பெரும் கருந்துளை இருப்பதாகக் கருதப்படுகிறது. நமது பால்வழித் திரளில் உள்ளது Sagittarius A*. கருந்துளையின் முதல் படமான M87*-ஐ நிகழ்வு எல்லைத் தொலைநோக்கி (Event Horizon Telescope) உருவாக்கியது. இது புவி முழுவதும் பரவியுள்ள ரேடியோ தொலைநோக்கிகளின் வலையமைப்பு. இது புவி அளவுள்ள ஒரே தொலைநோக்கி போலச் செயல்படுகிறது.

அண்டவியலும் அண்டத்தின் தோற்றமும்

அண்டத்தின் தோற்றம், வளர்ச்சி, விண்மீன்களும் விண்மீன் திரள்களும் உருவாதல் ஆகியவற்றைப் படிப்பது அண்டவியல் (Cosmology). ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட விளக்கம் பெருவெடிப்பு மாதிரி (Big Bang model): அண்டம் மிகச் சூடான, அடர்த்தியான நிலையில் தொடங்கி, அன்று முதல் விரிவடைந்து வருகிறது. இதற்கு இரண்டு சான்றுகள் உள்ளன: தொலைவிலுள்ள விண்மீன் திரள்கள் நம்மை விட்டு விலகிச் செல்கின்றன. அண்ட நுண்ணலைப் பின்புலக் கதிர்வீச்சு விண்வெளி முழுவதும் நிரம்பியுள்ளது. ஒளியின் வேகத்தில் செல்லும் காலவெளியின் சிற்றலைகளான ஈர்ப்பு அலைகளை 1915-ல் ஐன்ஸ்டீன் முன்கூறினார். இணையும் இரண்டு கருந்துளைகளிலிருந்து வந்த அவ்வலைகளை 2015-ல் LIGO கண்டறிந்தது. இந்தக் கண்டுபிடிப்புக்கு 2017 நோபல் பரிசு கிடைத்தது.

துகள் இயற்பியல்

ஒரு காலத்தில் அணுவைப் பிளக்க முடியாது என்று கருதினார்கள். பிறகு எலக்ட்ரான்கள், புரோட்டான்கள், நியூட்ரான்கள் கண்டறியப்பட்டன. 1960-களில், புரோட்டான்களும் நியூட்ரான்களும் குளுவான்களால் பிணைக்கப்பட்ட குவார்க்குகளால் ஆனவை என்று கண்டறியப்பட்டது. திட்ட மாதிரி (Standard Model) அடிப்படைத் துகள்களைக் குவார்க்குகள், லெப்டான்கள் (எலக்ட்ரான் போன்றவை), விசையைக் கடத்தும் போசான்கள் (ஃபோட்டான் போன்றவை) எனப் பிரிக்கிறது. 2012-ல் CERN-இன் பெரிய ஹாட்ரான் மோதுவியில் ஹிக்ஸ் துகள் கண்டறியப்பட்டது. அதை முன்கூறியதற்காகப் பீட்டர் ஹிக்ஸ், ஃபிரான்சுவா இங்லர்ட் இருவருக்கும் 2013 நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• நானோ அறிவியலையும் நானோ தொழில்நுட்பத்தையும் குழப்புதல். நானோ அளவில் பொருள்களைப் படிப்பது நானோ அறிவியல். அந்த அறிவைக் கொண்டு பொருள்களை உருவாக்குவது நானோ தொழில்நுட்பம்.
• எந்திரன் மனிதனைப் போலத்தான் இருக்க வேண்டும் என்று நினைத்தல். தொழிற்சாலை SCARA கைகள் போன்ற பெரும்பாலான எந்திரன்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட வேலைக்காகச் செய்யப்படுகின்றன. அவை மனிதர்களைப் போலத் தோன்றுவதே இல்லை.
• MRI X-கதிர்களையோ வேறு அயனியாக்கும் கதிர்வீச்சையோ பயன்படுத்துகிறது என்று எழுதுதல். MRI வலிமையான காந்தப்புலத்தையும் ரேடியோ அலைகளையும் பயன்படுத்துகிறது. X-கதிர்களைப் பயன்படுத்துவது CT.
• பெருவெடிப்பை வெற்று வெளியில் பருப்பொருள் வெடித்துச் சிதறியதாக விவரித்தல். அது சூடான, அடர்த்தியான தொடக்க நிலையிலிருந்து விண்வெளியே விரிவடைவதாகும்.
• ஹிக்ஸ் துகள் 2013-ல் கண்டறியப்பட்டது என்று சொல்லுதல். அது 2012-ல் CERN-இல் அறிவிக்கப்பட்டது. ஹிக்ஸ், இங்லர்ட் இருவருக்கும் நோபல் பரிசு 2013-ல் வழங்கப்பட்டது.
• ஈர்ப்பு அலைகளை ஒலி அலைகள் அல்லது மின்காந்த அலைகள் என்று நினைத்தல். அவை ஒளியின் வேகத்தில் செல்லும் காலவெளியின் சிற்றலைகள்.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

நானோ அறிவியலுக்கும் நானோ தொழில்நுட்பத்துக்கும் என்ன வேறுபாடு?

நானோ அறிவியல் என்பது ஏறக்குறைய 1 முதல் 100 நானோமீட்டர் அளவிலுள்ள அமைப்புகளையும் பொருள்களையும் பற்றிய படிப்பு. இந்த அளவில் பண்புகள் பருப்பொருளிலிருந்து வேறுபடுகின்றன. நானோ தொழில்நுட்பம் என்பது அந்த அளவில் வடிவத்தையும் அளவையும் கட்டுப்படுத்திச் சாதனங்களையும் அமைப்புகளையும் வடிவமைத்தல், உற்பத்தி செய்தல், பயன்படுத்துதல்.

நானோ பொருள்களின் பண்புகள் பருப்பொருள்களிலிருந்து ஏன் வேறுபடுகின்றன?

ஒரு துகள் மிகச் சிறிதாகும்போது அதன் அணுக்களில் பெரும் பங்கு பரப்பில் அமைகிறது. எனவே பரப்பு-பருமன் விகிதம் கூர்மையாக உயர்கிறது. இதனால் அது அதிகமாக வினைபுரிகிறது. நானோ அளவில் குவாண்டம் விளைவுகளும் அதன் ஒளியியல், மின், காந்த நடத்தையை மாற்றுகின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, தங்கம் நானோ துகள்களாக இருக்கும்போது மஞ்சளாக இல்லாமல் சிவப்பாகவோ ஊதாவாகவோ தெரிகிறது.

எந்திரன் உணர்விகளை எப்படிப் பயன்படுத்துகிறது?

ஒளி, ஒலி, தொடுதல், வெப்பநிலை போன்ற சுற்றுப்புறத் தகவல்களை உணர்விகள் சேகரித்துக் கட்டுப்படுத்திக்கு அனுப்புகின்றன. கட்டுப்படுத்தி தனது நிரலின்படி இத்தகவலைச் செயலாக்கி, தேவையான இயக்கத்தைச் செய்யுமாறு இயக்கிகளுக்கும் மோட்டார்களுக்கும் சமிக்கை அனுப்புகிறது.

மருத்துவத்தில் பயன்படும் கதிர்வீச்சு எப்போதும் தீங்கானதா?

இல்லை. அதிக அளவு அயனியாக்கும் கதிர்வீச்சு தீங்கானது. ஆனால் மருத்துவப் பயன்பாடு கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது. படமெடுத்தலில் தெளிவான படம் தரும் மிகக் குறைந்த அளவே பயன்படுகிறது. கதிர்வீச்சு சிகிச்சையில் உயர் ஆற்றல் கற்றைகள் புற்றுநோய் செல்களைக் குறிவைக்கின்றன, முடிந்தவரை நலமான திசுக்களைத் தவிர்க்கின்றன. MRI, மீயொலி போன்ற சில முறைகள் அயனியாக்கும் கதிர்வீச்சைப் பயன்படுத்துவதே இல்லை.

பெருவெடிப்பு மாதிரிக்கு என்ன சான்றுகள் உள்ளன?

தொலைவிலுள்ள விண்மீன் திரள்கள் நம்மை விட்டு விலகிச் செல்கின்றன. அவை எவ்வளவு தொலைவில் உள்ளனவோ அவ்வளவு வேகமாக விலகுகின்றன. இது அண்டம் விரிவடைகிறது என்று காட்டுகிறது. சூடான தொடக்க கால அண்டத்திலிருந்து எஞ்சிய மங்கலான ஒளிர்வான அண்ட நுண்ணலைப் பின்புலக் கதிர்வீச்சு எல்லாத் திசைகளிலும் காணப்படுகிறது.

திட்ட மாதிரியில் உள்ள அடிப்படைத் துகள்கள் யாவை?

பருப்பொருள் குவார்க்குகளாலும் லெப்டான்களாலும் ஆனது. புரோட்டான்களிலும் நியூட்ரான்களிலும் குவார்க்குகள் உள்ளன. எலக்ட்ரான் ஒரு லெப்டான். விசைகளைப் போசான்கள் கடத்துகின்றன: மின்காந்த விசைக்கு ஃபோட்டான், குவார்க்குகளைப் பிணைக்கும் வலிமையான விசைக்குக் குளுவான்கள். அடிப்படைத் துகள்களுக்கு நிறையைத் தரும் புலத்துடன் ஹிக்ஸ் துகள் தொடர்புடையது.