2021 भौतिकी नोबेल पुरस्कार : सुकोरो मनाबे , क्लाउस हैसलमेन तथा जिओर्जिओ परीसी


वर्ष 2021 का भौतिकी नोबेल पुरस्कार पृथ्वी के वातावरण और ग्लोबल वार्मिंग पर केंद्रित है, इस बार यह पुरस्कार सुकोरो मनाबे , क्लाउस हैसलमेन तथा जिओर्जिओ परीसी को दिया जा रहा है। 5 अक्टूबर 2021 भारतीय समयानुसार दोपहर 3:20 को यह घोषणा की गई।

तीन वैज्ञानिकों ने इस बार का भौतिकी नोबेल साझा किया है, यह पुरस्कार जटिल प्राकृतिक घटनाओं को समझने के लिए दिया गया है। सुकोरो मनाबे तथा क्लाउस हैसलमेन ने पृथ्वी के वातावरण और उसपर मानवता के प्रभाव के ज्ञान की नींव रखी है। जिओर्जिओ परीसी द्वारा अव्यवस्थित तथा अनियमित घटनाओं के क्षेत्र में क्रांतिकारी खोज की है जिसके लिए उन्हें पुरस्कृत किया गया है।

रॉयल स्वीडिश विज्ञान अकादमी ने इस पुरस्कार का आधा भाग संयुक्त रूप से प्रिंसटन विश्वविद्यालय अमरीका के सुकुरों मनाबे (Syukuro Manabe) तथा मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर मिटीऑरोलोजी हैमबर्ग जर्मनी के क्लाउस हैसलमेन(Klaus Hasselmann) को पृथ्वी के वातावरण , वातावरण मे परिवर्तन के मापन और ग्लोबल वार्मिंग के पूर्वानुमान के भौतिकीय मॉडल के निर्माण के लिए दिया गया है।

इस पुरस्कार का दूसरा भाग सेपीएंजा विश्वविद्यालय रोम इटली के जिओर्जिओ परीसी(Giorgio Parisi) को परमाणु से लेकर अंतरग्रहीय भौतिकी प्रणालियों में अव्यवस्था और विचलन की परस्पर क्रिया की खोज के लिए दिया गया है।

सारी जटिल प्रणालियों में बहुत से आपस में प्रतिक्रिया करने वाले घटक होते है। इन सारे घटकों और प्रणालियों का अध्ययन पिछली दो सदियों में वैज्ञानिकों द्वारा किया गया है, इन प्रणालियों को गणितीय रूप से दर्शाना मुश्किल रहा है। इन प्रणालियों में असंख्य घटक हो सकते है या वे किसी अप्रत्याशित कारक द्वारा नियंत्रित हो सकते है। ये प्रणाली मौसम जैसे अव्यवस्थित या अराजक भी हो सकती है जिसमें किसी भी एक कारक के मान में हल्का सा परिवर्तन बाद की स्थितियों में बहुत अधिक बदलाव ला सकता है। मौसम जैसी प्रणाली के लिए कहा जाता है कि ब्राजील मे तितली के पंखों की फड़फड़ाहट से टेक्सास मे तूफान भी आ सकता है, जिसे बटरफ्लाई इफेक्ट कहा जाता है। इस वर्ष के नोबेल पुरस्कार विजेताओं ने ऐसी जटिल प्रणालियों के अध्ययन और उनमें लंबी अवधी में संभावित विकास के अध्ययन मे महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है।

सार संक्षेप

पृथ्वी का वातावरण एक ऐसी ही अत्यधिक जटिल प्रणालियों मे से एक है। मनाबे और हैसलमेन ने वातावरण के भौतिक गणितीय माडेल के निर्माण मे महत्वपूर्ण क्रांतिकारी आरंभिक नींव निर्माण का कार्य किया है। परीसी ने जटिल प्रणाली सिद्धांत संबंधित अनेक समस्याओं के हल के लिए सैद्धांतिक समाधानों पर कार्य किया है।

सुकीरों मनाबे ने दर्शाया कि वातावरण में कार्बन डाई आक्साइड की बड़ी हुई मात्रा से पृथ्वी की सतह पर तापमान बढ़ा है। 1960 के दशक मे उन्होंने पृथ्वी के वातावरण के माडेल के निर्माण कार्य मे योगदान दिया और वे विकिरण संतुलन और उसके द्वारा वायु द्रव्यमान के ऊर्ध्वाधर स्थानांतरण के मध्य सम्बन्ध खोजने वाले पहले व्यक्ति थे। उनके इस कार्य से मौसमी माडेल निर्माण की नींव का निर्माण हुआ।

इसके दस वर्ष पश्चात क्लाउस हैसलमेन ने वातावरण और मौसम को जोड़ने वाला माडेल बनाया। इस माडेल ने दर्शाया कि किस तरह से वातावरण के अव्यवस्थित और अराजक होने के बावजूद मौसमी माडल मे मे बदलाव की गणना की जा सकती है और सटीक पूर्वानुमान लगाए जा सकते है। उन्होंने ऐसी विधियों की खोज की जिसके द्वारा मौसम मे प्राकृतिक तथा मानवीय हस्तक्षेप द्वारा पड़ने वाले विशिष्ट संकेतों और हस्ताक्षरों को पहचाना जा सकता है। उनकी इन्ही विधियों से प्रमाणित किया गया कि पृथ्वी पर बढ़ते तापमान के लिए मानव द्वारा उत्सर्जित कार्बन डाई आक्साइड उत्तरदाई है।

1980 के आसपास जिओर्जिओ परीसी ने जटिल प्रणालियों मे छुपे हुए पैटर्न की खोज की। उनकी खोज जटिल प्रणाली सिद्धांत के अध्ययन मे सबसे महत्वपूर्ण मानी जाती है। उनकी खोजो के द्वारा किसी पूर्णतः: अव्यवस्थित जटिल पदार्थ या घटना को समझना और उससे संबंधित भिन्न भिन्न कारकों की व्याख्या संभव हुई है। इन खोजों का प्रयोग भौतिकी के अतिरिक्त अन्य क्षेत्र जैसे गणित, जीव विज्ञान, तंत्रिका विज्ञान और मशीन लर्निंग होता है।

जीवन के लिए ग्रीन हाउस प्रभाव महत्वपूर्ण है।

दो सदी पहले फ्रेंच वैज्ञानिक जोसेफ़ फोरियार (Joseph Fourier) ने पृथ्वी की सतह तक पहुँचने वाले सूर्य विकिरण और सतह द्वारा परावर्तित विकिरण के द्वारा ऊर्जा संतुलन का अध्ययन किया था। उन्होंने इस संतुलन प्रक्रिया मे वातावरण की भूमिका समझी थी; पृथ्वी की सतह पर आने वाला सूर्य विकिरण परावर्तित हो कर अदृश्य ऊष्मा के रूप मे वातावरण द्वारा अवशोषित होता है, जिससे वातावरण ऊष्म होता है। वातावरण की इस भूमिका को ग्रीन हाउस प्रभाव कहते है जिसके द्वारा सूर्य द्वारा प्राप्त सारी ऊर्जा वापिस अंतरिक्ष में ना जाकर कुछ मात्रा में पृथ्वी पर बची रहती है। इसी ऊष्मा के कारण पृथ्वी पर जीवन संभव है।

फोरियार द्वारा आरंभ किए गए इस कार्य का एक भाग शेष था, पृथ्वी पर आने वाले कम तरंग दैर्ध्य (शॉर्टवेव) के सौर विकिरण तथा परावर्तित होने वाले अधिक तरंग दैर्ध्य के अवरक्त विकिरण के मध्य संतुलन का अध्ययन। इस सम्बन्ध में बाद में बहुत से मौसम वैज्ञानिकों ने दो सदियों तक अध्ययन किया, बहुत से नई जानकारी जोड़ी गई। वर्तमान मौसमी माडल अत्यधिक शक्तिशाली उपकरण है जबकि ना केवल मौसम को समझने में सहायक है, वे यह भी दर्शाते है कि मानवीय गतिविधियों से किस तरह ग्लोबल वार्मिंग बढ़ी है।

ये सभी मोडेल भौतिकी के नियमों से बंधे है और वे मौसम के पूर्वानुमान लगाने वाले पुराने माडेलों के संवर्धित रूप है। हम मौसम की व्याख्या विभिन्न मौसमी कारकों जैसे तापमान, वर्षा मात्रा, नमी, वायु गति, बादलों की उपस्थिति के रूप करते है जोकि सागर और भूमि पर होने वाली घटनाओं पर निर्भर करता है। मौसमी माडेल विभिन्न कारकों के विभिन्न मानो से गणना की गई सांख्यिकीय गुण धर्मों जैसे औसत मान, स्टैंडर्ड डेवीएशन , अधिकतम और न्यूनतम मानो जैसे कारकों के आधार पर बनाया जाता है। ये माडेल यह नहीं बता सकते कि 10 दिसंबर 2022 को दिल्ली में कैसा मौसम रहेगा, लेकिन यह अवश्य बात सकता है कि दिसंबर 2022 में दिल्ली में औसत बारिश , अधिकतम और न्यूनतम तापमान कितना रहेगा।

कार्बन डाई आक्साइड़ की भूमिका का निर्धारण

पृथ्वी पर जीवन के लिए ग्रीनहाउस प्रभाव आवश्यक है। पृथ्वी पर तापमान विभिन्न ग्रीन हाउस गैसों जैसे कार्बन डाई आक्साइड , मेथैन, जलबाष्प और कुछ अन्य गैसों द्वारा नियंत्रित होता है जोकि विकिरण को पहले अवशोषित और बाद मे उत्सर्जीत करते है, इस दौरान आसपास की वायु और नीचे की धरती उष्ण होती है।

ग्रीनहाउस गैसें पृथ्वी के वातावरण का एक नन्हा भाग है, जोकि 99% नाइट्रोजन और आक्सीजन से निर्मित है। कार्बन डाई की मात्रा केवल 0.04% है। सबसे अधिक ग्रीनहाउस प्रभाव जलबाष्प द्वारा बनता है। हम वातावरण मे जलबाष्प की मात्रा का नियंत्रण नहीं कर सकते है लेकिन हम कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा नियंत्रित कर सकते है।

वातावरण मे जलबाष्प की मात्रा तापमान पर निर्भर करती है और उसके द्वारा एक फ़ीडबैक प्रणाली निर्मित होती है क्योंकि अब जलबाष्प से तापमान नियंत्रित होता है। वातावरण में अधिक कार्बन ड़ाई आकसाईड से अधिक तापमान होगा, जिससे वातावरण में अधिक जलबाष्प टीके रहेगी, इससे ग्रीन हाउस प्रभाव बढ़ेगा, इससे तापमान और बढ़ेगा। यदि कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा कम होती है, कुछ जलबाष्प संघनित होगी और तापमान कम होगा।

इस पहेली मे कार्बन डाई आकसाईड के महत्वपूर्ण भाग को नोबेल पुरस्कार विजेता स्वीडिश वैज्ञानिक स्वानते अरहेनियस (Svante Arrhenius ) ने हल किया था। उन्हीं के एक सहयोगी मौसम वैज्ञानिक निलस एकलोहम ने 1901 मे ग्रीन हाउस शब्द का प्रयोग किया था।

19 वी सदी के अंत मे अरहेनियस ने ग्रीन हाउस प्रभाव के पीछे की भौतिकी समझ ली थी, जिसके अनुसार उत्सर्जित विकिरण की मात्रा विकिरण करने वाले पिंड के तापमान (T)के चतुर्थ घात (T⁴) के समानुपाती होती है। पिंड का तापमान जितना अधिक होगा उत्सर्जित विकिरण का तरंगदैर्ध्य उतना ही कम होगा। सूर्य की सतह का तापमान 6,000°C है और उत्सर्जन दृश्य प्रकाश के वर्णक्रम मे होता है। पृथ्वी की सतह का तापमान 15°C है और उससे विकिरण अवरक्त वर्णक्रम मे होता है जिसे हम देख नहीं सकते है। यदि वातावरण इस उत्सर्जन को अवशोषित ना करें तो पृथ्वी की सतह का तापमान –18°C से अधिक नहीं होगा।

अरहेनियस वास्तविक रूप से हिमयुग के पीछे के कारकों का पता लगाने का प्रयास कर रहे थे, हिमयुग की घटना के प्रमाण उसे समय पाए गए थे। वे इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि वातावरण मे कार्बन डाई आक्साइड की मात्रा आधी कर दे तो नए हिमयुग का आगमन हो सकता है। यदि कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा दोगुनी कर दे तो तापमान मे 5–6°C की बढ़ोतरी होगी। एक सदी पहले की गई यह गणना वर्तमान गणना के समीप है।

कार्बन डाई आकसाईड के प्रभाव का क्रांतिकारी आरंभिक माडेल

1950 के दशक मे जापानी भौतिक वैज्ञानिक सुकुरों मनाबे युद्ध की विभीषिका से प्रभावित जापान को छोड़कर अमरीका आए। उनका लक्ष्य अरहेनियस द्वारा 70 वर्ष पहले की गए अध्ययन के जैसे कार्बन डाई आकसाईड के अधिक स्तर द्वारा अधिक तापमान के संबंध को समझना था। अरहेनियस का मुख्य केंद्र विकिरण संतुलन था। मानबे ने 1960 के दशक मे इस माडल मे वायु द्रव्यमान का संवहन(convection)प्रक्रिया द्वारा ऊर्ध्वाधर स्थानातरण(vertical transport)और जलबाष्प की गुप्त ऊष्मा(latent heat) को भी जोड़ा।

इन गणनाओ को आसान बनाने के लिए उन्होंने इस माडेल को छोटा कर एक आयामी बनाया- जिसमे उन्होंने वातावरन मे 40 किमी ऊंचाई के एक ऊर्ध्वाधर कालम को लिया। लेकिन उसमे भी उन्हे सैकड़ों घंटों तक कम्यूटर पर विभिन्न गणना करनी पढ़ी जिसमे वे विभिन्न गैसों की भिन्न मात्राओं का प्रयोग कर माडेल को जाँचते रहे। सतह के तापमान पर आक्सीजन और नाइट्रोजन का न्यूनतम प्रभाव है, जबकि कार्बन डाई आकसाईड का प्रभाव स्पष्ट है। इस माडेल मे कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा दोगुनी करने पर तापमान 2°C बढ़ा।

Source: Manabe and Wetherald (1967) Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity, Journal of the atmospheric sciences, Vol. 24, Nr 3, May.

इस माडेल ने यह तय कर दिया कि तापमान मे वृद्धि कार्बन डाई आकसाईड मे वृद्धि के कारण है क्योंकि इस माडेल ने दर्शाया था कि जमीन के समीप तापमान बढ़ेगा जबकि ऊपरी वातावरण मे तापमान कम होगा। यदि सुर विकिरण मे बदलाव तापमान मे वृद्धि के लिए जिम्मेदार होते तो यह वृद्धि हर ऊंचाई पर समान होती।

आज से साठ वर्ष पहले कंप्यूटर आज की तुलना में हजारों गुना धीमे थे, इसलिए यह माडेल सरल रखा गया था लेकिन इस माडल ने सबसे महत्वपूर्ण कारक और उसके प्रभाव को सफलतापूर्वक पकड़ लिया था। मनाबे कहते है कि आप प्रकृति की जटिलता से स्पर्धा नही कर सकते है, आपको उसे सरल कर ही समझना होगा। आप जल की हर बूंद की भौतिकी नहीं जान पाएंगे। इस एक आयाम वाले माडल का विस्तार बाद मे तीन आयामों वाले माडल मे हुआ जिसे मनाबे 1975 मे प्रकाशित किया जोकि मौसम को समझने में एक और मील का पत्थर था।

मौसम अव्यवस्थित अराजक है।

मनाबे के दस वर्ष पश्चात क्लाउस हैसलमेन ने वातावरण और मौसम को जोड़ने में सफलता पाई जिसके लिए उन्होंने मौसम मे त्वरित और अव्यवस्थित परिवर्तनों को मात देने का तरीका खोज निकाला। त्वरित और अव्यवस्थित परिवर्तनों के कारण गणना कठिन होती थी। हमारे ग्रह पर बहुत से मौसमी क्षेत्र है क्योंकि सौर ऊर्जा का वितरण भी अव्यवस्थित है , यह असमांगी वितरण भौगोलिक और समय दोनों रूप मे है। पृथ्वी गोलाकार है, जिससे उच्च अक्षांशों पर विषुवत की तुलना में कम सूर्य किरणे पहुँचती है। इसके अतिरिक्त पृथ्वी का अतिरिक्त झुका हुआ है जिससे सूर्य ऊर्जा के वितरण में वर्ष की भिन्न अवधियों मे परिवर्तन होते रहता है। उष्ण वायु और शीत वायु के घनत्व मे अंतर भिन्न अक्षांशों के मध्य , सागर और धरती के मध्य अत्यधिक मात्रा मे ऊष्मा का स्थानांतरण करता है, जिससे हमारी धरती का मौसम निर्धारित होता है।

हम जानते है कि अगले दस दिनों से अधिक के मौसम का पूर्वानुमान लगाना एक चुनौती है। दो सौ वर्ष पहले फ्रेंच वैज्ञानिक लापलास (Pierre-Simon de Laplace) ने कहा था कि यदि उन्हे ब्रह्मांड मे हर कण की स्तिथि और गति ज्ञात होतो वो भूतकाल और भविष्यकाल दोनों की गणना करने मे सक्षम होंगे। सैद्धांतिक रूप से यह सही होना चाहिये क्योंकि न्यूटन के तीन सदी पुराने गति के तीन नियम वातावरण मे वायु स्थानांतरण पर भी लागू होते है, ये नियम आपको निश्चित मान देते है, जो कि आकस्मिक नहीं होते है।

लेकिन इसे मौसम पर सीधे सीधे लागू नहीं कर सकते है। इसके पीछे कारण यह है कि वायु तापमान , दबाव, नमी और वायु दिशा का वातावरण में हर बिन्दु पर सटीक मापन असंभव है। इसके अतिरिक्त ये समीकरण रैखिक नहीं है, इन कारकों के आरंभिक मान मे एक नन्हा सा हेरफेर मौसम में अप्रत्याशित बदलाव ला देगा। इसके अनुसार ब्राजील मे एक तितली के पंखों की फड़फड़ाहट से टेक्सास मे चक्रवाती तूफान आ सकता है, इसे बटरफ्लाय प्रभाव कहते है। प्रायोगिक रूप से इसका सीधा अर्थ है कि लंबे समय के लिए मौसमी भविष्यवाणी करना असंभव है। मौसम अराजक , अव्यवस्थित है। 1960 मे अमरीकी मौसम वैज्ञानिक एडवर्ड लारेंज (Edward Lorenz)द्वारा की गई इस खोज ने एक नई गणित की शाखा बनाई जिसे केआस थ्योरी(chaos theory) कहते है।

अव्यवस्थित आंकड़ों का विश्लेषण कैसे हो ?

शायद हम अब से कुछ दशकों या सदी पश्चात विश्वसनीय मौसमी माडेल बना सके, भले ही वातावरण के अव्यवस्थित घटकों का समावेश हो। 1980 के आस पास क्लाउस हैसलमेन ने दर्शाया कि किस तरह से अव्यवस्थित रूप से परिवर्तित होते हुए वातावरण के कारकों त्वरित बदलाव होते हुए आंकड़ों के रूप मे रखा जा सकता है, इस खोज ने लंबे समय के लिए मौसमी परिवर्तनों के अनुमान के लिए ठोस वैज्ञानिक आधार दिया। इसके बाद उन्होंने वैश्विक तापमान पर मानव के प्रभाव को पहचानने की विधियों की खोज की।

1950 के दशक मे हैमबर्ग जर्मनी मे हैसलमेन ने अपने शोध छात्र के रूप में द्रव यांत्रिकी(fluid dynamic) का अध्ययन किया था। उसके पश्चात उन्होंने सागरीय लहरों और धाराओ के लिए सैद्धांतिक माडेल बनाए। उसके बाद वे कैलिफोर्निया चले गए और चार्ल्स किलिंग(Charles David Keeling) के साथ सागर विज्ञान (oceanography) पर कार्य आरंभ किया। किलिंग ने 1958 के आसपास हवाई स्थित मोना वेधशाला मे कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा के मापन पर सबसे लंबी अवधि तक कार्य किया था। किलिंग द्वारा कार्बन डाई आकसाईड के मापन और उसकी मात्रा मे आने वाले परिवर्तनों को दर्शाने वाले किलिंग आरेख(Keeling Curve)ने हाइसेलमन की मदद की।

अव्यवस्थित और अनियमित वातावरण के आंकड़ों से मौसमी माडेल बनाने की तुलना किसी कुत्ते को घुमाने से की जा सकती है, कुत्ता अपने पट्टे को छुड़ाकर भाग सकता है, आगे जा सकता है, पीछे जा सकता हैं, दायें या बाएं जा सकता है, आपके पैरों के आसपास घूम सकता है। अब आप कुत्ते के पैरो के निशानों से यह कैसे पता कर सकते है कि आप चल रहे थे या खड़े थे ? आप तेज चल रहे थे या धीमे थे ? कुत्ते के पैरों ने निशान वातावरण मे बदलाव है, जबकि आपकी चाल मौसमी गणना। अव्यवस्थित और अनियमित वातावरण के आंकड़ों से मौसमी अनुमान लगाना संभव है भी या नहीं ?

इसके अतिरिक्त एक और परेशानी है कि मौसम में बदलाव लाने वाले कारकों में भी परिवर्तन की मात्रा भी समय के साथ परिवर्तित होती है, ये तीव्र हो सकती है जैसे वायु गति या वायु तापमान, या बहुत धीमी जैसे पिघलती बर्फ की तहे या उष्ण होते हुए सागर। उदाहरण के लिए सागर के तापमान में एक डिग्री के लिये हजारों वर्ष लग सकते है, लेकिन वातावरण में यह कुछ सप्ताह में हो सकता है। वातावरण में तीव्र बदलाव वाले कारकों का समावेश एक निर्णायक युक्ति थी, जिसने गणना में यह दर्शाया कि ये अव्यवस्थित अनियमित आँकड़े किस तरह से मौसम मे बदलाव को प्रभावित करते है।

हैसलमेन ने स्टोकेस्टिक मौसमी माडल बनाया, जिसमें यह अनियमितता , अव्यस्तता माडेल मे ही समाविष्ट थी। उनके इस मोडेल के लिए प्रेरणा अलबर्ट आइन्स्टाइन के ब्राउनियन गति के सिद्धांत पर थी, जिसे अनियमित सैर के रूप में देखा जा सकता है। इस सिद्धांत के द्वारा हैसलमेन ने दर्शाया कि त्वरित रूप से परिवर्तित होते हुए वातावरण से वास्तविकता में सागर में धीमे बदलाव होते है।

मानव प्रभाव का विवेकी विश्लेषण

मौसमी बदलावों के माडेल के निर्माण के पश्चात हैसलमेन ने मौसम प्रणाली पर मानव के प्रभाव के निर्धारण की विधियों का निर्माण किया। उन्होंने पाया कि इस माडेल के साथ निरीक्षण और सैद्धांतिक मान्यताओं मे इतनी जानकारी है कि संकेतों और अनियमित आंकड़ों के गुणधर्मों का निर्धारण हो सके। उदाहरण के लिए सौर विकिरण मात्रा , ज्वालामुखीय कण या ग्रीनहाउस गैसों के स्तर मे परिवर्तन अपने विशिष्ट संकेत या हस्ताक्षर छोड़ जाते है, जिन्हें अलग कर सकते है। इन हस्ताक्षरों को पहचानने की विधि को मानव प्रभाव द्वारा मौसम प्रणाली मे होने वाले परिवर्तनों भी अलग किया जा सकता है। हैसलमेन ने इस तरह से मौसमी बदलाव मे होने वाले अन्य अध्ययनों के लिए मार्ग प्रशस्त किया, जिसने स्वतंत्र निरीक्षणों द्वारा मौसमी बदलाव पर मानव प्रभाव के हस्ताक्षर अलग किए।

मौसमी माडेल को समय के साथ परिवर्धित किया जाता रहा है, जिसमें मौसमी घटकों की आपसी प्रतिक्रियाओं की नई प्रक्रियाओं को जोड़ा जाता रहा है। इनमे उपग्रहों द्वारा मापन और वातावरणीय निरीक्षणों का समावेश है। इन माडेलों ने स्पष्ट रूप से 19 वी सदी के मध्य से तेज होते हुए ग्रीन हाउस प्रभाव को दर्शाया है, जिसके अनुसार वातावरण मे कार्बन डाई आकसाईड की मात्रा 40% बढ़ी है। पृथ्वी के वातावरण में इतनी मात्रा में कार्बन डाई आकसाईड पिछले कुछ लाख वर्षों मे नहीं रही है। तापमान का मापन दर्शाता है कि पिछले 150 वर्ष में पृथ्वी का तापमान 1°C बढ़ गया है।

मनाबे और हैसलमेन ने मानवता के लाभ के लिए कार्य किया है। उन्होंने कुछ प्रश्नों का स्पष्ट उत्तर दिया है।

क्या पृथ्वी गरम हो रही है ? हाँ।

क्या तापमान मे बढ़ोत्तरी ग्रीन हाउस गैसों के कारण है ? हाँ।

क्या यह प्राकृतिक कारणों से है ? नहीं।

क्या मानव निर्मित उत्सर्जन इसका कारण है ? हाँ।

Source: Hegerl and Zweirs (2011) Use of models in detection & attribution of climate change, WIREs Climate Change.

अव्यवस्थित प्रणालीयों के लिए विधियाँ

1980 के आसपास जिओर्जिओ परीसी ने अपनी खोजों से यह प्रमाणित किया कि किस तरह से कुछ अनियमित घटनाओं का नियंत्रण कुछ गुप्त नियम करते है। उनका यह कार्य वर्तमान में जटिल प्रणाली सिद्धांत(theory of complex systems) में सबसे महत्वपूर्ण माना जाता है।

जटिल प्रणालियों के आधुनिक अध्ययन की नींव 19 वी सदी के उतररार्द्ध मे जेम्स सी मैक्सवेल, लुडविग बोल्टझमन और जे विलार्ड गिब्स द्वारा विकसित सांख्यिकीय यांत्रिकी (Statistical mechanics)मे है। सांख्यिकिय यांत्रिकी का विकास गैस या द्रव जैसी प्रणालियों की व्याख्या के लिए हुआ था, जिनमे अत्यधिक संख्या मे कणों का समावेश होता है। इन विधियों में इन कणों के अनियमित गतिविधियों को गणना मे शामिल करना होता है , जिसमे हर कण के स्वतंत्र प्रभाव की बजाय उन कणों के औसत प्रभाव से गणना की जाती है। उदाहरण के लिए किसी गैस का तापमान उसके गैस कणों की ऊर्जा का औसत मान होता है। सांख्यिकीय यांत्रिकी अत्यधिक सफल तकनीक है, क्योंकि वह गैस और द्रव के बड़े पैमाने के गुणों की व्याख्या सूक्ष्म स्तर पर करती है जैसे तापमान और दबाव।

गैस मे कणों को ऐसी नन्ही गेंदों के रूप मे माना जा सकता है जो उड़ते रहती है, जिनकी गति बढ़ते तापमान के साथ बढ़ती है। जब तापमान कम होता है या दबाव बढ़ता है तब ये गेंदे संघनित होकर पहले द्रव बनती है, उसके बाद ठोस। यह ठोस अधिकतर क्रिस्टल रूप मे होता है जिसमें परमाणु के नियमित पैटर्न के रूप मे व्यवस्थित होते है। लेकिन यदि यह बदलाव तेजी से हो तो तो ये गेंदे अनियमित पैटर्न बनाती है जिनमे और कम तापमान या अधिक दबाव से भी बदलाव नहीं आता है। यदि प्रयोग को दोहराया जाए तो गेंदे एक नया पैटर्न बनाती है, भले ही सारा प्रयोग पुनरावर्ती हो। ये परिणाम भिन्न क्यों है ?

जटिलताओ का अध्ययन

ये संघनित गेंदे साधारण कांच और दानेदार पदार्थ जैसे रेत का सबसे सरल माडेल है। लेकिन परिसी के वास्तविक अध्ययन का विषय एक दूसरे तरह का पदार्थ था, स्पिन कांच। यह एक विशेष तरह का धात्विक मिश्रण है जिसमे लौह परमाणु अनियमित तरह से तांबे के परमाणुओं के ग्रिड में मिश्रित रहते है। इसमे लोहे के परमाणु अत्यल्प होते है लेकिन वे मिश्रधातु के चुंबकीय गुणों को पूरी तरह से बदल देते है। इसमे हर लौह परमाणु एक चुंबक के जैसे व्यवहार करता है, जोकि अपने पास के अन्य लौह परमाणु से प्रभावित होता है। साधारण चुंबक मे सारे लौह परमाणु की चुंबकीय दिशा एक ही होती है, लेकिन स्पिन ग्लास मे इन की दिशा अनियमित होती है। इन परमाणुओं को एक जैसी दिशा कैसे मिले ?

अपनी पुस्तक में परिसी ने लिखा है कि स्पिन ग्लास का अध्ययन शेक्सपियर के नाटकों मे मानवीय त्रासदी के अध्ययन के जैसा है। यदि आप दो व्यक्तियों से मित्रता करना चाहते है और वे दोनों एक दूसरे से नफरत करते हो तो आपके लिए यह एक निराशाजनक स्थिति होगी। एक गणितीय तरीका था जिसमे हर भाग की प्रतिकृति बनाई जाए। लेकिन यह तरीका गणित में ठीक से कार्य करता था लेकिन भौतिकी में कार्य नहीं करता था।

1979 मे परिसी ने स्पिन ग्लास समस्या के हल के लिए प्रतिकृति (replica) तरीका खोज निकाला। उन्होंने इन प्रतिकृति मे एक छुपी संरचना खोजी जिसे गणितीय रूप से व्यक्त किया जा सकता था। परिसी के इस हाल को गणितीय रूप से प्रमाणित करने मे कई बरस लग गए। इसके बाद इस विधि से कई अन्य अनियमीत प्रणालियों पर इस तरीके का प्रयोग किया गया और यह विधि जटिल प्रणालियों के अध्ययन में भी एक मील का पत्थर प्रमाणित हुई।

परिसी ने इसके अतिरिक्त की अन्य प्राकृतिक घटनाओ का अध्ययन किया जिसमे अनियमित प्रक्रियाये ढांचे के निर्माण , विकास मे निर्णायक भूमिकाये निभाती है। इन घटनाओ मे हिमयुगों की आवृत्ती जैसी घटनाए है। क्या अव्यवस्थित प्रणालीयों के लिए एक सामान्य गणितीय समीकरण बनाया जा सकता है ?

स्पिन ग्लास के लिए हल खोजा जा चुका है, लेकिन अन्य जटिल प्रणाली अब भी है। लेकिन परिसी ने प्रमाणित किया है कि सरल व्यवहार से ही जटिल संयुक्त व्यवहार बनते है।

रोचक तथ्य

  • 1901 से 2020 तक 114 भौतिकी नोबेल पुरस्कार दिए जा चुके है।
  • 47 बार भौतिकी नोबेल पुरस्कार एक ही वैज्ञानिक को मिला है अर्थात इन मौकों पर पुरस्कार किसी अन्य वैज्ञानिक के साथ साझा नहीं दिया गया।
  • अब तक चार महिलाओ ने भौतिकी नोबेल जीता है, 1903 मे मेरी क्यूरी( Marie Curie), 1963 मे मारिया गोएपर्ट मेयर(Maria Goeppert-Mayer ), 2018 मे डोना स्टिकलैन्ड(Donna Strickland) तथा 2020 मे एन्डरीया गीज(Andrea Ghez) को यह पुरस्कार मिला है।
  • जॉन बारडीन(John Bardeen) ने यह पुरस्कार दो बार जीता है।
  • 1915 मे लारेंस ब्रेग(Lawrence Bragg) ने अपने पिता के साथ जब भौतिकी नोबेल जीता तो उनकी उम्र केवल 25 वर्ष थी जोकि सबसे कम है।
  • 96 वर्ष की उम्र मे यह पुरस्कार पाने वाले आर्थर आसटीन(Arthur Ashkin) सबसे वृद्ध व्यक्ति थे।

इस लेख पर आपकी राय:(टिप्पणी माड़रेशन के कारण आपकी टिप्पणी/प्रश्न प्रकाशित होने मे समय लगेगा, कृपया धीरज रखें)

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  बदले )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  बदले )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  बदले )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  बदले )

Connecting to %s