విశ్వం అనే ఈ మహా కాన్వాస్ లో….

ఫిజిక్స్ అంటే బౌతిక శాస్త్రం, ఎపుడో చదివి వదిలేసాము. గురుత్వాకర్షణ తప్ప ఇంకేమి గుర్తు లేదు అని ఎపుడైనా అనిపించిందా? మరొకసారి మననం చేసి గుర్తుపెట్టుకోటానికి వీలుగా కొన్ని ముఖ్య విషయాలని ఇక్కడ ప్రస్తావించలని అనిపించింది.  కార్లో రోవెల్లి రాసిన ‘సెవెన్ బ్రీఫ్ లెస్సన్స్ ఆన్ ఫిజిక్స్ ‘ అనే పుస్తకంలో కొన్ని విషయాలు అర్థం చేసుకున్నాక ఇది రాయాలని అనిపించింది. ఒక క్రమపద్దతిలో ఫిజిక్స్ ఆవిర్భవించటం తెలుస్తుంది. దానితో అర్థం చేసుకోవటం సులువు అవుతుంది అనుకుంటున్నాను.

న్యూటన్ లో ఉదయించిన మొదటి ప్రశ్న

17వ శతాబ్దంలో న్యూటన్ ఒక గొప్ప ప్రశ్న అడిగాడు:

“ఆపిల్ ఎందుకు కింద పడుతుంది? చంద్రుడు ఎందుకు భూమి చుట్టూ తిరుగుతాడు?” అని. తన సమాధానం చాలా సరళంగా ఉంది: బలం. ప్రతి వస్తువు మరో వస్తువుని లాగుతుంది. భూమి ఆపిల్ ని లాగుతుంది, సూర్యుడు గ్రహాలను లాగుతుండు. ఈ లాగుడు బలం.

F = ma (బలం = ద్రవ్యరాశి × త్వరణం (వేగం))

ఈ ఒక్క సమీకరణం ఉపయోగించి న్యూటన్ గ్రహాల కదలికలు, సముద్రపు అలలు, వంతెనల నిర్మాణం – అన్నీ వివరించాడు. మొదటిసారి మానవజాతికి అర్థమైంది: ప్రకృతి గణితం మాట్లాడుతుంది!

లాగ్రాంజ్ – శక్తి భాషలో ఆలోచించడం

1788లో లాగ్రాంజ్ ఒక విప్లవాత్మక ఆలోచన చెప్పాడు: “బలం గురించి మర్చిపోండి. శక్తి గురించి ఆలోచించండి.” అని. తను చెప్పిన విధానం: L = T – V

గతి శక్తి (T) – వస్తువు ఎంత వేగంగా కదులుతోంది

స్థితి శక్తి (V)  – వస్తువు ఎంత ఎత్తులో ఉంది

ప్రకృతి  ఏమి చేస్తుంది అంటే, ఈ L విలువ కనిష్టంగా ఉండే మార్గంలో కదులుతుంది! ఇది అద్భుతం. ప్రకృతి ఏదో ఒక విధంగా “ఆప్టిమైజ్” చేస్తుందనే భావన వచ్చింది. అది మార్గాలన్నిటిని “చూసి” ఉత్తమమైన మార్గాన్ని ఎంచుకుంటుంది. ఇది న్యూటన్ భౌతిక శాస్త్రమే, కానీ చాలా అందంగా, చాలా లోతుగా.

 హామిల్టన్ – మొమెంటమ్ ప్రపంచం

1833లో హామిల్టన్ మరో అడుగు వేశాడు. అతను అన్నాడు: “స్థానం(m), వేగం(v) –

ఈ రెండూ సమానంగా ముఖ్యం. కానీ మొమెంటం (p) = mv ఉపయోగిస్తే మరీ బాగుంటుంది.” అనీ.  ‘phase space’ అనే భావన  తీసుకొచ్చారు.

ప్రతి వస్తువు ఈ స్పేస్ లో ఒక బిందువు. కాలం గడిచేకొద్దీ ఆ బిందువు ఒక అందమైన curve గీస్తుంది. ఈ దృక్పథం తర్వాత క్వాంటం మెకానిక్స్ కి, chaos theory కి పునాది అయింది.

న్యూటన్, లాగ్రాంజ్, హామిల్టన్ –

ఈ ముగ్గురూ ఒకే భౌతిక శాస్త్రాన్ని వివరిస్తున్నారు. వేర్వేరు భాషల్లో అంతే. కానీ ఈ భాషలు మారుతూ వస్తే, భౌతిక శాస్త్రం మరింత abstract గా, మరింత geometric గా అవుతోంది.

ఐన్‌స్టీన్ – స్పేస్ & టైమ్ విప్లవం (general relativity to special relativity)

1905 లో ఐన్‌స్టీన్ ఒక అద్భుతమైన విషయం కనుగొన్నాడు: స్పేస్, టైమ్ – ఈ రెండూ వేరువేరు కాదు!General Relativity: పెద్ద వస్తువులకు – గ్రహాలు, నక్షత్రాలు, black holes, విశ్వం – అన్నీ ఇది వివరిస్తుంది. ఇవన్నీ కదిలేవి. మరి కదలని ఈ విశంలో ఎలా పనిచేస్తాయి? అన్న ప్రశ్నతో special relativity మొదలైంది. ఇది స్పేస్ కి టైం కి ఉన్న సంబంధాన్ని వివరిస్తుంది. దాని ప్రకారం,  ద్రవ్యరాశి, శక్తి – ఒకటే! E=Energy, Mass=Mass, C=Speed of light.   E = mc²

క్వాంటం మెకానిక్స్ – కణాలు అలలు కూడా!

1920లలో శాస్త్రవేత్తలు అణువులను పరిశీలించారు. ఈ కాలంలో వారికి అర్థం అయ్యింది. ఎలెక్ట్రాన్ ఒక బిందువు కాదు – అది ఒక “సంభావ్యత మేఘం” లాంటిది. అన్న విషయం. అక్కడ నుంచి ‘హైసెన్‌బర్గ్ అన్సర్టెనిటీ’ థియరీ మొదలైంది. మనం ఒక కణం స్థానం కచ్చితంగా తెలుసుకుంటే, మొమెంటం తెలియదు. రెండూ కలిసి తెలుసుకోలేం! అన్నది అతని థియరీ. వస్తువులకు properties స్థిరంగా ఉండవు. మనం కొలిచేంత వరకు, ఎలెక్ట్రాన్ “ఇక్కడ ఉంది” లేదా “అక్కడ ఉంది” అని చెప్పలేం – అది రెండు చోట్ల “ఉంటుంది” సంభావ్యతతో!

 క్వాంటం ఫీల్డ్ థియరీ – కణాలు అలలు కావు, ఫీల్డ్ కంపనాలు!

1940-70ల మధ్య మరో అద్భుత ఆవిష్కరణ: కణాలు లేవు! ఫీల్డ్‌లు మాత్రమే ఉన్నాయి. మనకు నీళ్ళు తెలుసు. దానిపై అలలు ఉంటాయి. అల అనేది నీళ్ళు కదలికే కదా? అలా కాకుండా నీరు ఒక చోట నుండి మరో చోటికి వెళ్లదు. అదేవిధంగా: విద్యుదయస్కాంత ఫీల్డ్ ఉంది space అంతటా. ఆ ఫీల్డ్‌లో ఒక కంపనం –

అది photon (కాంతి కణం)! ఎలెక్ట్రాన్ ఫీల్డ్ ఉంది – దానిలో కంపనాలు electrons!. ఇలా quantum field theory, special relativity కలిసి, మనకు Standard Model ఇచ్చింది.

స్ట్రింగ్ థియరీ – కణాలు బిందువులు కాదు – అవి చిన్న చిన్న తీగలు (strings)!

1970ల నుండి String Theory ఊపందుకుంది. కణాలు బిందువులు కాదు – అవి చిన్న చిన్న “strings” (తీగలుగా) ఉంటాయని. ఆ తీగలు వివిధ frequencies తో vibrate అవుతాయి. ఒక frequency – ఎలెక్ట్రాన్. మరో frequency – photon. మరోటి – graviton (గురుత్వాకర్షణ కణం). మొత్తం విశ్వం ఒక సింఫనీ – strings సంగీతం!

రొవెల్లి తన పుస్తకంలో ఒక అద్భుతమైన విషయం చెప్తాడు: భౌతిక శాస్త్రం మనకు కేవలం సమీకరణాలు చెప్పడం లేదు – అది మన ప్రపంచ దృష్టిని మారుస్తుంది.