अणू संकल्पना -डॉ.मधुकर आपटे

अणू संकल्पना ‘अणू हा सर्वात सूक्ष्म पदार्थकण,’ अशी अति प्राचीन संकल्पना केली गेली होती. परंतु आधुनिक विज्ञानाला अणूचे अंतरंग आता समजल्याने ती कल्पना आता कालबाह्य झाली आहे. इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे पदार्थकण अणूपेक्षा सूक्ष्म आहेत. शिवाय प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनच्या आत त्याहून लहान पदार्थकण असल्याचे आता सिद्ध झाले आहे. परंतु हे प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनच्या आतील कण अत्यंत अल्पजीवी असल्याने प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन यांनाच अति सूक्ष्म आणि स्थिर कण असे म्हटल्या जाते. हे कण सर्वच पदार्थांमध्ये असल्याने ते एकएकटेपणे पदार्थाचे विशिष्ट गुणधर्म दर्शवीत नाहीत. त्यांचे ठरावीक गट मिळून आल्यानेच निरनिराळे अणू निर्माण होतात आणि हे अणूच विशिष्ट मूलद्रव्याची ओळख देतात. म्हणूनच स्थिर स्वरूपाचा दीर्घायुषी आणि मूलद्रव्याची विशिष्ट ओळख दर्शविणारा सूक्ष्म पदार्थकण म्हणजे अणू, अशी आता अणूची व्याख्या करणे योग्य आहे. ही अणूची खरी ओळख होण्यासाठी कालमानानुसार केव्हा, कशी आणि कुठे कुठे संकल्पना करण्यात आल्या, याची माहिती करून घेऊ या. प्राचीन भारतीय संकल्पना अणू संकल्पना भारतात अति प्राचीन काळापासून करण्यात आली असल्याचे आढळते. ख्रिस्तपूर्व ३००० ते १००० या काळात भारतीय ऋषी, मुनींनी या अनुशंगाने बराच विचार केलेला दिसतो. सर्व सृष्टीतील पदार्थ पृथ्वी, आप, तेज आणि वायूचे बनले असून ते ‘आकाश’ या महाभुतात असल्याचे त्यांनी स्पष्ट केले. हीच ती पंचमहाभुतांची कल्पना. आकाशाव्यतिरिक्त इतर चार भुतांचे स्वरूप असे असते की त्यांची जाणीव त्यांच्या स्पर्शाने होऊ शकते. तसेच ही चार भुतं सूक्ष्म कणांच्या स्वरूपात असल्याचे त्यांनी सांगितले होते. पृथ्वी, आप (जल) आणि वायू रूपातील पदार्थांचे ‘कण’ हे सर्वसामान्यपणे समजू शकते, परंतु ‘तेजाचे कण’ ही संकल्पना साधारणपणे पचनी पडत नाही. त्यावर अनेक आक्षेप देखील घेतले जात असत. आधुनिक प्रगत विज्ञानाने देखील आता तशी कल्पना केल्याचे दिसून येते. ‘तेज’ म्हणजे प्रकाश. त्याची अनेक रूपे आहेत. उष्णता दृश्य प्रकाश, क्ष-किरणं, गामा किरणं इत्यादी रूपाने तेज असल्याचे आपण जाणतो. ही किरणं कणांच्या रूपात मार्गक्रमण करतात. त्या कणांमध्ये विशिष्ट मात्रेतील ऊर्जा असल्याने त्या कणांना ‘ऊर्जाकण’ असे म्हणतात. म्हणून तेज या महाभुताचे स्वरूप कणाच्या रूपात असते, असे समजण्यात काहीच वावगे नाही. आधुनिक विज्ञानातील या कल्पनेशी ऋषी-मुनींची अति प्राचीन कल्पना किती सारखी होती, हे यावरून दिसून येते. चार महाभुतांच्या या सूक्ष्म कणांना ‘परमाणू’ असे संबोधले जात आहे. परमाणू म्हणजे ‘परम् अणू’ असा त्या शब्दाचा विग्रह असल्याने पदार्थाचे अति सूक्ष्म कण म्हणजे अणू अशीच प्राचीन कल्पना केल्याने अणू संकल्पनेचे बीज त्या काळापासून विद्वानांच्या मनात पेरले गेले, असे समजायला काही हरकत नसावी, असे वाटते. या बीजाला कालांतराने अंकुर फुटून त्याचे स्पष्ट स्वरूप दिसू लागले, हेच खरे. अति प्राचीन काळी कल्पना केलेला भारतीय ऋषी-मुनींचा सूक्ष्म कणांच्या विषयीचा अभ्यास पुन्हा जास्त प्रभावीपणे ख्रिस्तपूर्व सहाव्या शतकात भारतात सुरू झाला. ‘कश्शप’ नावाचा एक तरुण सूक्ष्म कणांच्या निरीक्षणात जास्त लक्ष देत असल्याचे लक्षात येऊ लागले. कणांचा अत्यंत बारकाईने अभ्यास सतत करीत असल्याने त्या तरुणाला विष्णू शर्मा नावाच्या विद्वानाने ‘कणाद’ हे नाव दिले आणि ऋषितुल्य कश्शप नावाचा तरुण तेव्हापासून ‘महर्षी कणाद’ या नावाने ओळखला जाऊ लागला. पकुध कात्यायन नावाचे बुद्ध भिक्कू देखील साधारण त्याच काळात सूक्ष्म पदार्थकणांच्या अभ्यासात जास्त लक्ष देऊ लागले. कणांविषयीच्या महर्षी कणादांच्या संकल्पनेशी ते पूर्णपणे सहमत होत आणि म्हणूनच अणू संकल्पना तेव्हाच भारतात विकसित होऊ लागली, असे म्हटले जाते. ती कल्पना तार्किक स्वरूपाची होती. प्रत्यक्ष प्रयोगाने ती सिद्ध झ्राली नाही, हे जरी खरे असले तरी त्या कल्पनेत विशद केलेली माहिती बरीच खरी असल्याचे आता स्पष्ट होते. अणूविषयीची ती प्राचीन तार्किक संकल्पना नेमकी काय होती, हे आता पाहूया. सर्व पदार्थ अणूंचेच बनले आहेत. हा सूक्ष्म कण एवढा बारीक आहे की तो डोळ्यांनी दिसत नाही. या कणाचे पृथक्करण होत नाही म्हणून ते अभेद्य असल्याचे कणादांचे मत होते. या कणांचा नाश होत नसल्याने ते अविनाशी असतात, परंतु दोन अथवा तीन अणू एकत्र येऊन जरा मोठा कण निर्माण होऊ शकतो. या दोन अणूंच्या जोडगोळीला ‘द्विणुक’, तर तीन अणूंच्या समुदायाला ‘त्रिणुक’ असे शब्दप्रयोग महर्षी कणादांनी सुचविले होते. द्विणुक आणि त्रिणुक बरेच स्थिर स्वरूपाचे असल्याचे तेव्हाच लक्षात आले होते. अशा स्थिर स्वरूपाच्या कणांनाच आता आधुनिक विज्ञानात ‘द्विआणवीय’ आणि ‘त्रिआणवीय’ रेणू असे म्हटले जाते. तेव्हा महर्षी कणादांनी केवळ अणू संकल्पनाच न सांगता रेणूची संकल्पना देखील केली होती, असे समजणे वावगे ठरू नये, असे वाटते. प्राचीन भारतीयांच्या अणू संकल्पनेला सिद्ध करणारी प्रायोगिक बैठक नव्हती, हे जरी सत्य असले तरी त्यायोगे त्यांनी विश्‍वातील पदार्थाच्या भौतिक रचनेबद्दल केलेले स्पष्टीकरण अत्यंत वाखाणण्यासारखे आहे, असे स्पष्ट मत ए. एल. बाशम या ऑस्ट्रेलियन भारतविद्याशास्त्रज्ञाने म्हटले आहे. तसेच त्या संकल्पना आधुनिक भौतिकशास्त्राने प्रस्थापित केलेल्या संकल्पनांशी बर्‍याच प्रमाणात मिळत्या जुळत्या असल्याचे दिसून येत असल्याचे त्यांचे मत आहे. प्राचीन पाश्‍चिमात्य संकल्पना भारताबाहेर पश्‍चिमेकडील ग्रीस देशात अणूविषयीची कल्पना सर्वप्रथम ख्रिस्तपूर्व पाचव्या शतकात काही तत्त्ववेत्त्यांनी मांडली असल्याचे दिसून येते. ख्रिस्तपूर्व ४६० मध्ये म्हणजे कणादांच्या कल्पनेनंतर साधारण १०० वर्षांनी डेमोक्रायटस नावाच्या तत्त्ववेत्त्याने एका महत्त्वाच्या प्रश्‍नाकडे विचार करण्यास सुरुवात केली. ‘एका अतिसूक्ष्म पदार्थकणाचे विभाजन करीत गेल्यास कितपत त्याचे विभाजन होऊ शकेल?’ हा तो प्रश्‍न. त्यावर सखोल विचार करून त्याचे असे मत झाले की, त्या विभाजनाला काही मर्यादा खासच असणार आणि त्या मर्यादेनंतर त्याचे विभाजन असणार नाही, असे त्याने गृहीतक मांडले. लेसीपस नावाच्या एका दुसर्‍या तत्त्ववेत्त्याचे देखील तेच विचार होते. या अशा अंतिम पदार्थ कणाला त्यांनी ऍटोमॉस हे नाव सुचविले आणि या कणाहून लहान पदार्थकण असूच शकत नाही, असे विधान केले. काही काळापर्यंत ही संकल्पना मान्य झाली होती. परंतु पुढे ऍरिस्टॉटल या तत्त्ववेत्त्याला ती पटली नसल्याने त्या प्राचीन संकल्पनेचा लोप झाला. या पाश्‍चिमात्य अणू संकल्पनेला देखील प्रायोगिक बैठक नव्हती. शिवाय अणू हा अविभाज्य पदार्थकण आहे, एवढेच त्यात सुचविले असल्याने या प्राचीन कल्पनांमधील कणादांची कल्पना जास्त व्यापक स्वरूपाची होती, हे निश्‍चित. आधुनिक संकल्पना आधुनिक विज्ञानात जॉन डाल्टन या ब्रिटिश रसायनशास्त्रज्ञाला आणवीय उत्पत्तीचे जनक असे समजले जाते. त्यांच्या आणवीय गृहीतकात त्यांनी खालील चार संकल्पना मांडल्या. १) सर्व पदार्थ अणूंचे बनले असून अणू हे कण अभेद्य आणि कधीही नष्ट न होणारे आहेत. २) प्रत्येक मूलद्रव्याचे अणूंचे वस्तुमान समान असून, त्या सर्वांचे गुणधर्म सारखे असतात. ३) दोन अथवा जास्त वेगळ्या प्रकारचे अणू एकत्र आल्याने संयुगं निर्माण होतात. ४) रासायनिक प्रक्रिया म्हणजे अणूंची पुनर्रचना असते. ही गृहीतके मांडताना त्यांना अणूच्या रचनेची कोणतीही माहिती नव्हती. हा केवळ तार्किक विचार होता. त्याला प्रायोगिक बैठक त्या काळी अजिबात नव्हती, परंतु तत्कालीन काही रासायनिक आविष्कारांचे स्पष्टीकरण जॉन डॉल्टन करू शकत होते. इ. स. १८०० मध्ये त्यांनी बरेच प्रयोग विविध रसायनांचा वापर करून केले असल्याने ते वरील गृहीतक मांडू शकले, हे मात्र खरे. उष्णता देऊन अणूंमध्ये रासायनिक बदल घडून येतात, असे विधान कणादांनी सुद्धा काही उदाहरणे देऊन स्पष्ट केले होते, हे मात्र खरे. डाल्टन यांच्या कार्यानंतर कोणत्याही पश्‍चिमात्य देशात अणूविषयी इतर संशोधन दीर्घ काळापर्यंत झाले नाही. इ. स. १८९७ साली मात्र जे. जे. थॉमसन या ब्रिटिश भौतिकशास्त्रज्ञाने अणूच्या अंतरंगाबद्दल बरेच विवेचनं प्रत्यक्ष प्रयोगाद्वारे केल्याचे दिसते. अणूच्या आत अणूपेक्षा देखील सूक्ष्म असे काही विद्युतभारित कण असल्याचे त्यांनी दाखविले. या कणांना ‘इलेक्ट्रॉन’ असे नाव देण्यात आले. इलेक्ट्रॉन हे वस्तुमानाने हलके असून त्यांना ऋण विद्युतभार असल्याचे त्यांच्या लक्षात आले. परंतु अणूला कोणताही विद्युतभार नसल्याने हे इलेक्ट्रॉन्स धन विद्युतभारित गोळ्यात असावे असे त्यांचे मत होते. पुडींगासारख्या पदार्थामध्ये काही प्लंबचे तुकडे घालून त्याचे गोळे केल्यास जसे दृश्य दिसेल तसे अणूचे रूप असावे, असे त्यांचे म्हणणे होते. अशा रूपाच्या अणूच्या संकल्पनेला वैज्ञानिक वाङ्‌मयात ‘प्लब पुडींग मॉडेल ऑफ ऍडम’ नावाने ओळखले जाते. ही संकल्पना काही काळापर्यंत मान्य झाली होती. अणूतील धन विद्युतभारित कणाची सैद्धांतिक कल्पना इ. स. १८१५ मध्ये विल्यम प्राऊट नामक डॉक्टरने जरी केली होती, तरी तसले कण प्रत्यक्षपणे प्रयोगाने सिद्ध झाले नव्हते. ते शोधण्याचे अनेक प्रयोग सर्वत्र सुरू होते. अर्नेस्ट रदरफोर्ड या ब्रिटिश वैज्ञानिकाच्या या प्रयत्नांना इ. स. १९१७ साली त्यात यश आले. त्या कणांवरील धन विद्युतभाराची मात्रा इलेक्ट्रॉनवरील ऋण भाराच्या मात्रेएवढी असून त्या कणाचे वस्तुमान बरेच जास्त, म्हणजे इलेक्ट्रॉनच्या वस्तुमानाच्या साधारण १८५० पट असल्याचे त्यांनी प्रयोगाने सिद्ध केले. त्या कणाला प्रोटॉन असे नाव देखील रदरफोर्ड यांनीच १९२० साली दिले. एका खास प्रयोगाने रदरफोर्ड यांनी अणूतील धनभारित कण अणूत सर्वत्र विखुरलेले नसून अणूच्या केंद्रभागातच साठविलेले असल्याचे १९११ सालीच दाखविले होते. तसेच अणूचे बरेच मोठे वस्तुमान त्याच्या केंद्रभागी असून त्या भागाला अणुगर्भ हे नाव देण्यात आले. अणुगर्भात प्रोटॉनच्याच बरोबर अजून काही जड, परंतु विद्युतभारविरहित, कण असल्याचे लक्षात आले होते. हे कण पुढे १९३२ साली जेम्स चॅडविक या वैज्ञानिकाने प्रयोगाद्वारे शोधून त्यांना ‘न्यूट्रॉन’ हे नाव देण्यात आले. मध्यंतरी १९१३ साली नील्स बोरन अणूतील इलेक्ट्रॉन्स अणुगर्भाच्या बाहेर त्याच्या बाहेर निरनिराळ्या गोलाकार कक्षांमधून सतत फिरत राहतात, हे स्पष्ट केल्याने अणूचे प्लम पुडींग मॉडेल अमान्य होऊन ‘शेल मॉडेल’ सर्वत्र मान्य झाले. अणू संकल्पनेचा खरा जनक? विज्ञान अभ्यासाची एक विशिष्ट पद्धत आहे. या पद्धतीनुसार प्रथम सूक्ष्म निरीक्षण करून काही गृहीतकं मांडली जातात. त्यांची सत्यासत्यता पाहाण्यासाठी अनेक प्रकारचे प्रयोग करणे आवश्यक असते. त्यांच्या आधारे योग्य असे निष्कर्ष काढले गेल्याने त्या संबंधीचे नियम ठरविले जातात. अधिकाधिक प्रयोग सतत केले जाऊन त्या नियमांमध्ये दुुरुस्त्यादेखील अनेकदा संभवत असून, काही प्रसंगी नियम अमान्य होत असल्याचे देखील घडले आहे. अनेक प्रयोगांतून पूर्ण खात्री होऊन वैज्ञानिक सिद्धांत निर्माण होतात, गणिताच्या मदतीने नियम/सिद्धांत इत्यादींना योग्य अशी ‘गणितीय बैठक’ प्राप्त होत असून, वैज्ञानिक माहिती मजबूत पायावर प्रस्थापित होत असते. असा हा सतत चालू असणारा अभ्यास म्हणजे विज्ञान असेच म्हणावे लागेल. अणूचे अंतरंग अशाच अभ्यासाने कळून आल्याचे स्पष्टपणे दिसते. परंतु या संकल्पनेचा ‘जनक’ कोण? यावर मात्र प्रश्‍नचिन्ह पडत असल्याचे दिसून येते. महर्षी कणाद आणि जॉन डाल्टन या दोन्ही विद्वानांनी भरपूर निरीक्षणांच्या आधारे आपापली गृहीतकं मांडली आहेत. सर्व पदार्थ अणूंचे बनले असून अणू अभेद्य स्वरूपाचे असतात, दोन अथवा जास्त सजातीय अथवा विजातीय अणू एकत्र येऊन परमाणू तयार होतात, अशा अर्थाची विधाने दोघांच्याही गृहीतकांमध्ये समान आहेत. दोघांचीही कामे केवळ तार्किक स्वरूपाची असून त्यांना प्रायोगिक बैठक नाही. परंतु महर्षी कणादांचे विचार जॉन डाल्टन यांनी व्यक्त केलेल्या विचारांच्या जवळ जवळ २४०० वर्षे अगोदरचे असल्याचे अणूंची संकल्पना कणादांनीच आधी मांडली, हे स्पष्ट होते. त्याआधी ‘अणू’ ही संकल्पनाच नव्हती. पदार्थाच्या अति सूक्ष्म कणांची त्यांनीच जगाला ओळख करून दिली. त्या कणांचे महत्त्व देखील किती जास्त आहे याचे सविस्तर विवेचन देखील तेव्हाच कणादांनी केले. नवीन संकल्पना जो सर्वप्रथम करतो तोच त्याचा खरा जनक, असे समजणेच योग्य असल्याने ‘अणू संकल्पनेचे जनक महर्षी कणाद’ असेच खरोखरी मानायला हवेत, असे वाटते.