প্রকৃতির মৌলিক বল চারটি কী কী

প্রায় ১৩.৭ বিলিয়ন বছর আগে একটা বিগ ব্যাং বা মহাবিস্ফোরণের মাধ্যমে আমাদের মহাবিশ্বের জন্ম। বিজ্ঞানীদের ধারণা, জন্ম মুহূর্তে আদিম মহাবিশ্বে একটি মাত্র বল বিরাজ করছিল। একে মহাবল বলা চলে। প্রাকৃতিক বলগুলো এতে একীভূত অবস্থায় ছিল। ধীরে ধীরে সেই মহাবল থেকে বলগুলো পরস্পর থেকে আলাদা হয়ে রূপান্তরিত হয় চারটি মৌলিক পৃথক বলে। প্রাকৃতিক সেই বল চারটি হলো বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল, সবল পারমাণবিক বল, দুর্বল পারমাণবিক বল এবং মহাকর্ষ বল। আমরা এখন এই মৌলিক বলগুলো সম্পর্কে বেশ ভালো করেই জানি। এই বলগুলো গোটা মহাবিশ্বকে নিয়ন্ত্রণ করছে। অনেকে মনে করেন, গত প্রায় দুই হাজারের বেশি সময় ধরে পদার্থবিজ্ঞানের অন্যতম প্রধান অর্জন হলো মহাবিশ্ব নিয়ন্ত্রণকারী চারটি বলকে আলাদা করে শনাক্ত করা। চলুন, বলগুলো সম্পর্কে সংক্ষেপে কিছু কথা জানা যাক।

শুরুতে বলি বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের কথা। এককালে বৈদ্যুতিক বল এবং চুম্বকীয় বলকে আলাদা মনে করতেন বিজ্ঞানীরা। বৈদ্যুতিক বল মানবজাতির কাছে দীর্ঘ কালের পরিচিত ছিল। বৈদ্যুতিক চার্জ বহনকারী কণার মধ্যে কাজ করে বৈদ্যুতিক বল। কণা ধনাত্মক হতে পারে, ঋণাত্মক হতে পারে, এমনকি হতে পারে শূন্য বৈদ্যুতিক চার্জেরও। ধনাত্মকভাবে চার্জিত কণা আরেকটা ধনাত্মক চার্জিত কণাকে বিকর্ষণ করে। তবে আকর্ষণ করে অন্য ঋণাত্মক চার্জিত কণাকে। একইভাবে ঋণাত্মক চার্জের কণা আরেকটা ঋণাত্মক চার্জিত কণাকে বিকর্ষণ করবে, কিন্তু আকর্ষণ করেবে ধনাত্মক চার্জের কণাকে। চার্জ নিরপেক্ষ কণা কোনো বৈদ্যুতিক বল অনুভব করে না। আকর্ষণ বা বিকর্ষণ বল সরাসরি কণার বৈদ্যুতিক চার্জের অনুপাতে বাড়ে বা কমে। অর্থাৎ দ্বিগুণ পরিমাণ বৈদ্যুতিক চার্জবাহী কণা বল প্রয়োগ করবে অন্য কণার চেয়ে দ্বিগুণ বেশি। আবার চার্জিত কণার মধ্যে দূরত্ব বাড়লে এই বল কমে যায়। দূরত্ব দ্বিগুণ হলে বলের পরিমাণও কমে ২ × ২ ভাগ। আবার দূরত্ব তিনগুণ বাড়লে, এই বল কমবে ৩ × ৩ ভাগ। এই বলের সূত্র বিপরীত বর্গীয় সূত্র বা ইনভার্স স্কয়ার ল’য়ের সঙ্গে মানানসই (নিউটনের মহাকর্ষ সূত্রে এই বিপরীত বর্গীয় সূত্র ব্যবহার করা হয়েছে।)

বৈদ্যুতিক বলের মতোই চুম্বকীয় বলের সঙ্গে মানবজাতি বহু শতাব্দী ধরে পরিচিত। তবে প্রাচীন সভ্যতাগুলোর কাছে একটা বিষয় জানা ছিল না। সেটা হলো, বৈদ্যুতিক ও চুম্বকীয় বল আসলে অনিবার্যভাবে একই জিনিস। চুম্বকীয় বল বা ম্যাগনেটিক ফোর্স তৈরি হয় চলমান বৈদ্যুতিক চার্জের মাধ্যমে। এখানে ‘চুম্বকীয় চার্জ’ নামের নতুন ধরনের কোনো কিছু নেই। তাই এটা আলাদা ধরনের কোনো বল নয়। চলমান চার্জ যেটা তৈরি করে, তাকে সাধারণত বলা হয় বৈদ্যুতিক প্রবাহ। আর বৈদ্যুতিক প্রবাহ চুম্বকীয় ক্ষেত্র তৈরি করে। কাজেই বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলকে একক অস্তিত্ব হিসেবে দেখা উচিত।

বৈদ্যুতিক বল এবং চুম্বকীয় বলকে গাণিতিকভাবে প্রথম একীভূত করেন পদার্থবিদ জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল। এখন একীভূত এই দুটো বলকে একত্রে বলা হয় ইলেকট্রম্যাগনেটিজম (ইএম) বা বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল। এ বলের কারণে আমাদের শহরগুলোক আলোকিত হয়ে ওঠে। লেজার, রেডিও, টিভি, আধুনিক ইলেট্রনিকস, কম্পিউটার, ইন্টারনেট, বিদ্যুৎ, চুম্বকত্ব—সবই বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের ফল। মানবজাতির পোষ মানানো সবচেয়ে উপকারী বলও সম্ভবত এটিই। এ বলটি আকর্ষণ ও বিকর্ষণ দুটোই করতে পারে। 

পরমাণুর নিউক্লিয়াসের ক্ষুদ্র জগতে দেখা পাওয়া যায় শক্তিশালী পারমাণবিক বলের। এ বলটি পরমাণুর নিউক্লিয়াসের গাঠনিক কণাগুলোকে একসঙ্গে আটকে রাখে। সূর্য এবং নক্ষত্রদের শক্তি উৎপন্ন হয় এই নিউক্লিয়ার বল থেকে। সমস্যা হলো, নিউক্লিয়ার বল স্বল্পপাল্লার বল। অর্থাৎ এটি মূলত নিউক্লিয়াসের দূরত্বে (১০^-১৫ মিটার বা ১ ফেমটোমিটারের মধ্যে) কার্যকর। বলটি বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের চেয়ে একেবারেই আলাদা। প্রথমত বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের চেয়ে সেটা বেশ শক্তিশালী। অর্থাৎ নিউক্লিয়াসে পরস্পরের যথেষ্ট কাছে থাকা দুটি প্রোটন শক্তিশালী পারমাণবিক বল অনুভব করে। সেটা তাদের ইলেকট্রোস্ট্যাটিক বিকষর্ণের চেয়ে অনেক বেশি শক্তিশালী। কিন্তু শক্তিশালী বল কেবল তখনই অনুভুত হয় (বা কার্যকর হয়), যখন দুটি কণা পরস্পরের খুবই কাছে থাকে। দুটি প্রোটন যদি পরস্পরের কাছ থেকে ১০^-১৩ সেন্টিমিটার দূরে থাকে, তাহলে বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের তুলনায় সবল পারমাণবিক বল শক্তিশালী হয় প্রায় ১০০ গুণ বেশি। কিন্তু প্রোটনগুলোকে পরস্পরের কাছ থেকে সরিয়ে ১০^-১২ সেমি দূরত্বে নেওয়া হলে, শক্তিশালী বল কমে যায় প্রায় ১০৫ ভাগ। এরকম ক্ষেত্রে বৈদ্যুতিক বল কমে মাত্র ১০২ ভাগ। কাজেই বৈদ্যুতিক বলের সঙ্গে তুলনা করলে দূরত্ব বাড়লে নিউক্লিয়ার বা পারমাণবিক বল অকার্যকর হওয়ার প্রবণতা দেখা যায়।

আগেই বলেছি, বৈদ্যুতিক বল শুধু বৈদ্যুতিক চার্জ বহনকারী কণার মধ্যেই থাকে। চার্জ নিরপেক্ষ কণাতে এই বলের কোনো প্রভাব দেখা যায় না। অন্যদিকে প্রোটন ও নিউট্রন কণা পারমাণবিক বল অনুভব করে, কিন্তু ইলেকট্রন করে না। এখান থেকে বলা যায়, প্রোটন ও নিউট্রন কণা ‘শক্তিশালী চার্জ’ বহন করে (মানে প্রোটন যেমন বৈদ্যুতিক চার্জ বহন করে, অনেকটা সেরকম)। এদিকে শক্তিশালী পারমাণবিক বলের প্রেক্ষিতে চিন্তা করলে ইলেকট্রন ‘চার্জ নিরপেক্ষ’। সাধারণভাবে মৌলিক কণাগুলোকে লেপটন এবং হ্যাড্রন হিসেবে শ্রেণিবদ্ধ করেছেন পদার্থবিদেরা। লেপটন কণা শক্তিশালী বল অনুভব করে না, তবে হ্যাড্রন কণা অনুভব করে। নিউট্রন ও প্রোটন হলো হ্যাড্রন কণা। অন্যদিকে ইলেকট্রন হলো লেপটন কণা।

শক্তিশালী বল ছাড়াও মৌলিক কণাগুলো আরেক ধরনের বল অনুভব করে। একে বলা হয় উইক নিউক্লিয়ার ফোর্স বা দুর্বল পারমাণবিক বল। দূর্বল বল হলো তেজস্ক্রিয় ক্ষয়ের বল। এ বলটিই পৃথিবীর কেন্দ্রকে উষ্ণ রাখছে, যা রেডিওঅ্যাকটিভ বা তেজস্ক্রিয়। আগ্নেয়গিরি, ভূমিকম্প এবং মহাদেশীয় চলনের পেছনে কাজ করে এই বল।

বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের তুলনায় দুর্বল পারমাণবিক বল প্রায় ১০^১১ ভাগ দুর্বল। আবার বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের তুলনায় এর কার্যকর পরিসরও অনেক কম (প্রায় ১০^-১৮ মিটার। বা ১ ফেমটোমিটারের এক হাজার ভাগের একভাগ)। আসলে এর পরিসর শক্তিশালী বলের সঙ্গে তুলনীয়। তবে শক্তিশালী বলের বিপরীতে লেপটন ও হ্যাড্রন উভয় কণাই এই বল দিয়ে প্রভাবিত হয়।

আধুনিক পদার্থবিজ্ঞান প্রমাণ করেছে যে দুর্বল পারমাণবিক বল এবং বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল হলো একটা মুদ্রার এপিঠ-ওপিঠ। অর্থাৎ এ দুটো বল একক সত্ত্বা। দুটোকে এখন একত্রে বলা হয় ইলেকট্রো-উইক ফোর্স বা বিদ্যুৎ-দুর্বল বল। মিথস্ক্রিয়াকারী কণাগুলোর যখন খুবই উচ্চ শক্তি থাকে (৫০ হাজার মেগা ইলেকট্রন ভোল্টের বেশি), তখন কণাগুলো বিদ্যুৎ-দুর্বল বলের একীভূত প্রভাব অনুভব করে। তবে নিম্নশক্তিতে এই বল কাজ করে আলাদা বল হিসেবে।

প্রকৃতির সবশেষটা এবং সম্ভবত সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বলটা হল মহাকর্ষ বল। গ্র্যাভিটি বা মহাকর্ষ হলো নীরব বল। এ বলটিই আমাদের পাগুলোকে মাটির সাথে আটকে রেখেছে। এ বল পৃথিবী ও নক্ষত্রগুলোকে বিচ্ছিন্ন হয়ে যাওয়া প্রতিরোধ করছে এবং সৌরজগত এবং গ্যালাক্সিকে একসাথে বেধে রেখেছে। মহাকর্ষ ছাড়া গ্রহের ঘূর্ণনের কারণে আমরা পৃথিবী ছেড়ে সেকেন্ডে ১০০০ মাইল বেগে মহাশূন্যে ছিটকে যেতাম। 

দুটি চার্জিত কণার মধ্যে বৈদ্যুতিক বলের মতো মহাকর্ষ বলকেও বিপরীত বর্গীয় সূত্র দিয়ে ব্যাখ্যা করা যায়। কিন্তু বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল এবং মহাকর্ষ বলের মধ্যে উল্লেখযোগ্য তফাত রয়েছে। প্রথমত মহাকর্ষ বল সবসময়ই আকর্ষণধমী, কিন্তু বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল আকর্ষণধর্মীও হতে পারে বিকর্ষণধর্মীও হতে পারে। দুইয়ের মধ্যে কোনটা হবে তা নির্ভর করে কণার চার্জের ওপর। দ্বিতীয়ত অন্য বলগুলোর সাথে তুলনা করলে এটি খুবই দূর্বল বল। তবু তা বিপুল দূরত্ব থেকেও ক্রিয়া করতে পারে। আসলে তুলনামূলক দূরত্বে মহাকর্ষ বল দুর্বল পারমাণবিক বলের চেয়েও দুর্বল। মহাকর্ষ বল দুটি প্রোটনের মধ্যকার শক্তিশালী পারমাণবিক বলের চেয়ে ১০^৩৮ ভাগ দুর্বল। বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের তুলনায় ১০^৩৬ ভাগ দুর্বল। আবার কণার ভরের সঙ্গে মহাকর্ষ বল বাড়ার হার সমানুপাতিক। কোনো কণার ভর দ্বিগুণ হলে, তা থেকে দ্বিগুণ মহাকর্ষ বল পাওয়া যাবে। যেহেতু সব কণারই ভর থাকে, তাই সব কণাই মহাকর্ষ বল অনুভব করে। এখানে বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের সঙ্গে মহাকর্ষ বলের পার্থক্য। বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল শুধু চার্জিত কণা প্রভাবিত করতে পারে, কিন্তু নিউট্রাল কণাকে প্রভাবিত করতে পারে না। মহাকর্ষ বলের আকর্ষণধর্মীতা একটা সত্যের সঙ্গে সম্পর্কিত। সেটা হলো সব কণার ধনাত্মক ভর আছে। বিদ্যুৎচুম্বকীয় বলের পরিস্থিতি বিবেচনা করলে এটা তার বিপরীত। কারণ বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল ধনাত্মক ও ঋণাত্মক উভয়ই হতে পারে। 

চারটি বলের মধ্যে তুলনা করলে, সহজেই বোঝা যায় যে মহাকর্ষ বল সবচেয়ে দুর্বল হলেও সেটা কেন জ্যোতির্পদার্থবিজ্ঞানে বৃহৎ ভরের ক্ষেত্রে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রাখে। শক্তিশালী ও দুর্বল পারমাণবিক বলের পরিসর অতি ক্ষুদ্র। কাজেই পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের বাইরে সেগুলো অকার্যকর। 

আসলে বৃহত্তর পরিসরে সবচেয়ে প্রভাবশালী প্রতিযোগী স্রেফ বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল এবং মহাকর্ষ বল। মহাকর্ষ বলের তুলনায় বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল ১০^৩৬ গুণ শক্তিশালী, সেটা সত্য। কিন্তু বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল শুধু চার্জিত কণার মধ্যেই কার্যকর। বিশাল আকৃতির বস্তুগুলো সামগ্রিকভাবে চার্জ নিরপেক্ষ হয়। কারণ প্রতিটি পরমাণুতে সহজাতভাবে সমান সংখ্যক ইলেকট্রন ও প্রোটন থাকে। এই কারণে জ্যোতির্পদার্থগত পরিসরে ভারী বস্তুগুলো পরস্পরের প্রতি বিদ্যুৎচুম্বকীয় বল প্রয়োগ করে না। তাই বিশাল, বৈদ্যুতিকভাবে নিউট্রাল এবং ভারী বস্তুগুলোর মধ্যে একমাত্র মিথস্ক্রিয়া হিসেবে মহাকর্ষ বলের হাতে চলে যায়। সূর্যের চারপাশের কক্ষপথে গ্রহদের চলাফেরা, গ্যালাক্সির ভেতরে নক্ষত্রদের চলাফেরা কিংবা ক্লাস্টারের ভেতরে গ্যালাক্সিদের চলাফেরা—সবকিছুই নিয়ন্ত্রিত হয় মহাকর্ষ বলের মাধ্যমে।

আগেই উল্লেখ করেছি, মহাকর্ষ বল দুর্বল হলেও, একে বিপরীত বর্গীয় সূত্র বা ইনভার্স স্কয়ার ল দিয়ে ব্যাখ্যা করা যায়। তবে আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতা তত্ত্বে মহাকর্ষ বলকে ‘স্থান ও কালের বক্রতা’ হিসেবে ব্যাখ্যা করা হয়েছে। 

এ ধরনের বর্ণনার সরল ভৌত ছবিটা অনেকটা এরকম: পুরোপুরি সমতল পৃষ্ঠের কুশনের কথা চিন্তা করুন। কুশনটার ওপর একটা ভারী লোহার বল রাখলে কুশনের চারপাশে একটা বক্রতা তৈরি হবে। এখন ওই বক্রতার ওপর একটা ছোট বল রাখলে, সেটা ভারী লোহার বলটার দিকে গড়িয়ে পড়তে থাকবে। এরকম কোনো বক্র কুশনের অস্তিত্বের কথা জানা না থাকলে আমরা হয়তো ভেবে বসতাম যে লোহার বল দুটোর মধ্যে কোন আকর্ষল বল কাজ করছে। দেখা যাচ্ছে, মহাকর্ষ বলের ক্ষেত্রেও একইরকম ভুল ধারণা সৃষ্টি হতে পারে। যেকোনো ভারী বস্তুর উপস্থিতিতে তার চারপাশের স্থান বেঁকে যায়। এরকম কোনো বক্র স্থান অন্য যেকোনো বস্তু, বক্রতার অনুপস্থিতিতে যেরকম আচরণ করত, তার থেকে ভিন্নভাবে চলাফেরা করবে। স্থানটা যে বক্র সেটা যদি বোঝা না যায়, তাহলে ভাববো যে কণাগুলো পরস্পরকে একটা বল দিয়ে আকর্ষণ করছে। এই ব্যাখ্যায় মহাকর্ষ বল হলো স্থানের বক্রতার একটা প্রকাশ মাত্র। বলটা এটা থেকে আলাদা করা যায় না। অবিশ্বাস্য ব্যাপার হলো, বিপরীত বর্গীয় সূত্রের ভিত্তিতে মৌলিক চিত্রের চেয়ে এরকম ব্যাখ্যাটাই বেশি নির্ভুল বলে প্রমাণিত হয়েছে। স্থানের বক্রতা হিসেবে মহাকর্ষের বর্ণনা করেছেন আইনস্টাইন। এটা তাঁর থিওরি অব রিলেটিভিটি বা সাধারণ আপেক্ষিকতার অংশ।

সূত্র: ফিজিকস অব দ্য ইমপসিবল/ মিচিও কাকু, আফটার দ্য ফার্স্ট থ্রি মিনিটস/ থানু পদ্মানাভান