ક્રાયોજેનિક એટલે અતિ શીતલતાનું વિજ્ઞાન

ક્રાયોજેનિક એટલે અતિ શીતલતાનું વિજ્ઞાન

ક્રાયોજેનિક એટલે અતિ શીતલતાનું વિજ્ઞાન આપણે આ વિજ્ઞાનનો ઘણી જગ્યાએ ઉપયોગ કરીએ. પૃથ્વીથી આશરે ૩૬૦૦૦ કિલોમીટર ઉંચે વિષુવવૃત્ત પર જે ઉપગ્રહ મૂકાય છે તે ભૂસ્થિર કક્ષામાં છે તેમ કહેવાય છે કારણ પૃથ્વીપરના કોઇ એક સ્થાનની ઉપર તે સ્થિર હોય તેમ લાગે છે. અલબત્ત તે સ્થિર નથી હોતો પણ ચોવીસ કલાકમાં એક પરિભ્રમણ પૂરૃ કરે છે અને પૃથ્વી પણ ચોવીસ કલાક પોતાની ધરી ફરતે એક ભ્રમણ (રોટેશન) પૂરૃ કરતી હોવાથી આવું લાગે છે. આવો ઉપગ્રહ સંચાર ઉપગ્રહ તરીકે કામ આપે છે. ટેલીવીઝન પ્રસારણ, રેડિયો પ્રસારણ, હવામાનની આગાહી વગેરે કરવામાં તેનો ઉપયોગ થાય છે. આટલી ઉંચાઇએ સંચાર ઉપગ્રહ જેવા વજનદાર ઉપગ્રહને મૂકવામાં જે રોકેટ વપરાય છે તેના એક તબક્કામાં ક્રાયોજેનિક એન્જીન વપરાય છે. તેમાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજન અને પ્રવાહી ઓકસીજન ઇંધણ તરીકે વપરાય છે. આ વાયુઓનું પ્રવાહીકરણ અત્યંત નીચા તાપમાને થાય છે. અને નીચા તાપમાને તે ટકે છે. તેથી તેને ક્રાયોજેનિક એન્જીન કહે છે. આ ઉપરાંત કેટલીક તબીબી શસ્ત્રક્રિયામાં ક્રાર્યોસર્જરી થાય છે. જે તે અંગને અતિશીત તાપમાને ઠંડુ પાડતાં તે ખોટું પડી જાય છે અને તે અંગત શસ્ત્રક્રિયા કરતાં તેની ખબર પણ પડતી નથી. આ ઉપરાંત કેટલીક દવાઓ, કેટલાંક સાધનો, પણ અતિશીત તાપમાને રાખવા માટે ક્રાયોજેનિક વિજ્ઞાાનનો ઉપયોગ થાય છે.એક શસ્ત્રક્રિયા દરમિયાન શરીરને ૧૬ અંશ સેલ્સિયસ તાપમાને અત્યંત ઠંડુ પાડી લોહીનું પરિવહન સંપૂર્ણ અટકાવી દઇ તેના ફેફસા અને હૃદયનું કામ અટકાવી દેવાયું હતું. આમ તેને લગભગ નિર્જીવ કરી દેવાયા હતા અને નિર્ધારિત સમય પહેલાં સજીવન કરાયા હતા. અહીં પ્રશ્ન એ છે કે માનવીને શીતસમાધિ અવસ્થામાં નાખીને તેમનું જીવન લંબાવી શકાય ? જો તેમ થાય તો કેટલીક લાંબો સમય તેની જોખમી શસ્ત્રક્રિયામાં શસ્ત્રક્રિયા પૂરી થાય તે પહેલાં તેને સંભવિત મૃત્યુથી બચાવી શકાય ? આવી શીત સમાધિને વિલંબિત પ્રાણ એટલે કે ’સસ્પેન્ડેડ એનિમેશન’ કહે છે. અહીં પ્રશ્ન એ થાય કે ઓછામાં ઓછું કેટલું તાપમાન ઉત્પન્ન કરી શકાય ? તે સમજવા આપણે એ જાણવું જોઇએ કે તાપમાન શેનું માપ છે. તાપમાન ગરમીનું માપ નથી. ગરમીનું માપ કેલરી છે. તાપમાન વધારે હોય તો પદાર્થ વધારે ગરમ હોય તેવું નથી. દાખલા તરીકે સૂર્યની ફરતે જે યુકુરાવરણ (કોરોના) આવેલ છે તે સૂર્ય અત્યંત દૂર આવેલ છે. તે સામાન્યતઃ દેખાતું નથી પરંતુ સૂર્યનું ખગ્રાસગ્રહણ થાય છે ત્યારે થોડી ક્ષણો માટે કે મિનિટો માટે ઝગારા મારતું દેખાય છે. તેનું તાપમાન લાખો અંશ સેલ્સિયસ હોય છે પરંતુ ત્યાં કોઇ વ્યક્તિ પહોંચી શકે તો તે શીતાગારનો અનુભવ હોય છે. કારણ કે કોરોના અણુઓ, પરમાણુઓ અને આયનોનું ઘટત્વ બહુ જ ઓછું હોય છે. અર્થાત્‌ તેની એકમ કદમાં તેની સંખ્યા નહિવત્‌ હોય છે. અલબત્ત તે અસ્ત-વ્યસ્ત ગતિ કરતાં હોય છે. પરંતુ તે બધા જામીને તેની સરેરાશ કુલ ગતિઊર્જા બહુ જ ઓછી હોય છે. આ સરેરાશ ગતિઊર્જા જ તાપમાનનું કારણ છે. જેમ પદાર્થ, પ્રવાહી કે વાયુ ઠંડો પડતો નથી તેમ આ ગતિઊર્જા ઘટતી જાય છે. તાપમાન ઘટતું જાય છે. અહીં પ્રશ્ન થાય કે તાપમાન કેટલું ઘટી શકે ? સૈધ્ધાંતિક રીતે એવું સાબિત થયેલ છે. ઓછામાં ઓછું તાપમાન શૂન્ય અંશ સેલ્સિયસ પીગળતા બરફનું તાપમાન કરતાં ૨૭૩ અંશ સેલ્સિયસ નીચે જે તાપમાન હોઈ શકે તે સૌથી નીચામાં નીચું તાપમાન છે. તેને નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાન કહે છે. અંગ્રેજીમાં તેને ’એબ્સોલ્યુટ ઝીરો’ તાપમાન કહે છે. તે ઋણ ૨૭૩ સેલ્સિયસ (-૨૭૩ સેલ્સિયસ) છે. તેને શૂન્ય અંશ કેલ્વિન કહે છે. તેનાથી નીચું તાપમાન પ્રયોગશાળામાં ઉત્પન્ન કરવું અશક્ય છે. આપણે એ જોવાનું છે આ નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાનથી નજીકમાં નજીક કેટલું તાપમાન ઉત્પન્ન કરી શકાય. નિરપેક્ષ શૂન્ય આદર્શ તાપમાન છે. તે પહોંચી ન શકાય તેવી અતિશીલતાની પૂર્ણ સ્થિતિની સીમા છે.
અતિશીલતાના વિજ્ઞાન પર સંશોધન માટે ઘણા નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થાય છે. તેમાં પ્રથમ નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયાને આ વર્ષે ૨૦૧૩માં એકસો વર્ષ પૂરા થાય છે. નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાનની જેમ જેમ નજીક વૈજ્ઞાનિકો જતા ગયા તેમ તેમ અદ્વિતીય સૌંદર્ય અને વ્યવસ્થાની નવી અને નવી સ્થિતિ પ્રાપ્ત કરતા ગયા છે.ઘણા વર્ષો સુધી ઉષ્ણતા અને ઉષ્ણતામાનની (તાપમાનની) સાચી સમજૂતિ વિજ્ઞાન પાસે ન હતી. ઉષ્ણતા કેલોરિક નામનું તરલ છે. પ્રતિપાદન કરનારા ગેલિલીયો, ન્યૂટન અને રોબર્ટ બોઈલ જેવા મહાન વૈજ્ઞાનિકોને જાણકારી ન હતી કે દરેક પદાર્થો પરમાણુઓના બનેલ છે. વિજ્ઞાનમાં પરમાણુવાદ પ્રતિપાદિત થતાં ઉષ્ણતા અને ઉષ્ણતામાન (તાપમાન)ની સંકલ્પના સ્પષ્ટ થઈ. પદાર્થના પરમાણુઓ અને અણુઓ સ્થિર નથી થતા. જે સ્થિરતા દેખાય છે તે ભ્રામક છે. પરમાણુ અને અણુઓ સતત અસ્તવ્યસ્ત ગતિ કરતાં હોય છે. આપણને જે સ્થિર દેખાય છે તેઓથી કશું સ્થિર નથી. પરમાણુઓની ગતિના કારણે તેનાં કારણે તેને ગતિઊર્જા હોય છે. આ ગતિઊર્જા ઉષ્ણતા છે. તાપમાન પરમાણુઓ જે ઝડપે ગતિ કરે છે તેનું માપ છે. વધારે ચોક્કસાઈથી કહેવું હોય તો કહી શકાય કે તે અણુઓની સરેરાશ ઝડપના વર્ગ (અણુઓની સરેરાશ ઝડપ ગુણ્યા અણુઓની સરેરાશ ઝડપ) બરાબર હોય છે.
એક વખત પદાર્થમાં અણુઓની અસ્તવ્યસ્ત ગતિની સંકલ્પના સ્વીકારવામાં આવે એટલે તે નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાનની કુદરતી વ્યાખ્યા આપે છે. તે એવું તાપમાનનું બિંદુ છે જ્યારે પરમાણુ સંપૂર્ણ સ્થિર થઈ જાય છે. પ્રશ્ન એ થઈને ઉભો રહે છે કે આવું ક્યા તાપમાને થાય ?
એક પ્રયોગમાં સીલ કરેલ પાત્રમાં વાયુ ભરીને તેને ઉકળતા પાણીના તાપમાનથી પાણી થીજી જાય ત્યાં સુધી ઠંડુ પાડવામાં આવે પાત્રમાં વાયુનું દબાણ ચોથા ભાગનું થઈ જાય છે. તેના પરથી તાપમાન અને દબાણનો આલેખ આગળ લંબાવતાં એક તબક્કે વાયુનું દબાણ છેવટે અદ્રશ્ય થઈ જશે (કારણ કે પરમાણુઓની સરેરાશ ઝડપ શૂન્ય થઈ જાય છે.) તે વખતે તાપમાન ઋણ ૩૦૦ અંશ સેલ્સિયસ (-૩૦૦ અંશ સેલ્સિયસ) થઇ જાય છે. આ પ્રયોગ તો ૧૭મી સદીમાં કરવામાં આવેલો. પરંતુ આદર્શવાયુના દબાણ અને તાપમાનનું ચોક્કસાઈથી માપન કરવામાં આવ્યું. નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાન – ૨૭૩.૧૫ અંશ સેલ્સિયસ માલૂમ પડયું. હવે તે તાપમાનને તાપમાનના કેલ્વિનમાપક્રમમાં શૂન્ય તાપમાન ગણવામાં આવે છે.ત્યાં પહોંચવા માટેની સ્પર્ધા ૧૯મી સદીના અંત ભાગમાં શરૃ થઈ. અલબત્ત તે અજ્ઞાતની સફર હતી. તે સ્પર્ધાનું લક્ષ્ય કદિ પહોંચી શકાયું નહીં.
૧૮૭૦ના દાયકાના અંતમાં ફ્રાન્સના લુઈ પૌલ કૈલેટેટે ઓક્સિજનનું – ૧૮૩ અંશ સેલ્સિયસ તાપમાને અને નાઇટ્રોજનનું – ૧૯૬ અંશ સેલ્સિયસે પ્રવાહીકરણ કર્યું. (વાયુને ઠંડો પાડતાં પ્રવાહીમાં રૃપાંતર પામે છે) તે વખતે કોઇને ખ્યાલ પણ નહીં હોય આ પ્રવાહીકરણ ૨૦મી સદીમાં કેટલું ઉપયોગી થશે. ૧૮૯૮માં સ્કોટસમેન જેમ્સ દીવરે – ૨૫૦ અંશ સેલ્સિયસ તાપમાને હાઇડ્રોજનનું પ્રવાહીકરણ કર્યું. આરંભમાં આપણે રોકેટના ક્રાયોજેનિક એન્જીનનો ઉલ્લેખ કર્યો. તેમાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજન અને પ્રવાહી ઓક્સિજનનો ઉપયોગ થાય છે. હાઇડ્રોજનના પ્રવાહીકરણ પછી હીલિયમ બાકી રહે છે.
હીલિયમ નિષ્ક્રિય વાયુ હોવાથી આ કામ દુષ્કર હતું. ૧૦ જુલાઈ ૧૯૦૮ના રોજ હેઇકે કેમરલિંધ ઓન્સગમના વૈજ્ઞાનિકે નેધરલેન્ડની યુનિવર્સિટી ઓફ લંડન ૪.૨ અંશ કેલ્વિન તાપમાન પ્રાપ્ત કર્યું અને થોડાં ઘનસેન્ટીમીટર જેટલો પ્રવાહી હીલિયમ મેળવ્યો. તેનાથી ભૌતિક વિજ્ઞાાનમાં નવી દુનિયાના દ્વાર ખુલી ગયા કેમરલીંધ ઓન્સે શોધી કાઢ્યું આ તાપમાને કેટલીક ધાતુઓ અતિવાહક (સુપર કન્ડકટર) થઈ જાય છે. ધાતુની અતિવાહકતા એવી સ્થિતિ છે જ્યારે તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય ત્યારે તેને અવરોધ નડતો નથી આમ વિદ્યુત ઊર્જા વપરાતી નથી. કેમરલીંધ ઓન્સને ૧૯૧૩માં નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું. તેનો ઉપયોગ મેગ્નેટીક રેઝોનન્સ ઇમેજીંગ (એમઆરઆઈ) ટેકનોલોજીમાં થાય છે. એમઆરઆઇનો ઉપયોગ રોગ નિદાન માટે થાય છે. આ ઉપરાંત શક્તિશાળી મેગ્નેટના બાંધકામમાં બિગબેંગ મશીન (લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર)માં પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે. સૌથી આશ્ચર્યશક્તિ કરે તેવી ઘટના તો ત્યારે બની જ્યારે હીલિયમના પ્રવાહી કરણના પ્રથમ દિવસે કેમરલીંધ ઓન્સે ગેપમાંથી જોયું ત્યારે તેણે જોયું કે પ્રવાહી હીલિયમનું પારદર્શક પ્રવાહી ઉકળતું હતું પરંતુ ૨.૧૭ અંશ કેલ્વિન તાપમાનને એકાએક ઉકળવાનું અટકી ગયું અને પ્રવાહી ગૂઢ રીતે સ્થિર થઇ ગયું હતું. વર્ષો પછી ખબર પડી કે તે પ્રવાહીનો અંશ અતિતરલ (સુપર ફલ્યુડ)ની નવી સ્થિતિ પામ્યો હતો.
વધારે ઇન્સાઇટથી માલૂમ પડયું કે હીલિયમ પરમાણુની નાભિ (ન્યૂક્લિયસ) જેમાં બે ન્યુટ્રોન અને બે પ્રોટોન હોય છે અને જે હીલિયમ-૪ તરીકે ઓળખાય છે. તે દુર્લભ એવા હીલિયમ-૩માં રૃપાંતર પામ્યો. તેના ન્યૂક્લિયસમાં એક જ ન્યૂટ્રેઝ હોય છે. આમ તે હલકો હીલિયમ બન્યો. તેનું તાપમાન ૩.૨ અંશ કેલ્વિન માલૂમ પડયું. આ વિચિત્રતાનું કારણ સમજવા આપણે કવોન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રનો ઉપયોગ કરવો જોઇએ. પરંતુ અત્રે આપણે તેમાં ઉતરતા નથી. પરંતુ અતિ અને અતિ શીતલતા તરફ આપણને ગતિ કરતાં ગયા તે તબક્કા આપણે જાણી લઈએ.આપણે પાણીના થીજ બિંદુથી શરૃઆત કરીએ જે ૨૭૩ કેલ્વીન છે. પૃથ્વી પર નોધાયેલ ઓછામાં ઓછું તાપમાન ૧૮૪ કેલ્વીન છે. ૧૮૭૦માં પ્રવાહી નાઇટ્રોજનનું તાપમાન ૯૦ કેલ્વીન ઉત્પન્ન કરી શકાયું અને પ્રવાહી ઓક્સિજનનું તાપમાન ૭૭ કેલ્વીન ઉત્પન્ન કરી શકાયું. ૧૮૯૮માં પ્રવાહી હાઇડ્રોજનનું તાપમાન ૨૩ કેલ્વીન પ્રાપ્ત કરાયું. ૧૯૦૮માં પ્રવાહી હીલિયમ ૪.૨ કેલ્વીન ઉત્પન્ન કરાયું. પ્રથમ સુપર કન્ડકટરની શોધ થઇ તે માટે શોધકને નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું. ૧૯૩૭માં હીલિયમ-૪ અવરોધ વિના વહેતો થયો. પ્રથમ સુપર ફલ્યુડ ૨.૧૩ કેલ્વિન તાપમાને શોધાયુ. તેના શોધકને નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું. ૧૯૭૨માં હીલિયમ-૩માં સુપર ફલ્યુઇડીટી શોધાઇ. તાપમાન ૦.૦૦૧ કેલ્વીન થયું. શોધકને નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું. ૧૯૭૮માં લેસર કુલીંગથી માઇક્રો કેલ્વિન તાપમાન ૦.૦૦૦૦૦૧ કેલ્વીન ઉત્પન્ન કરાયું તે શોધ માટે ૨૦૧૨માં નોબલ પારિતોષિક એનાયત થયું. ૧૯૯૫માં દ્રવ્યની બિલ્કુલ નવી સ્થિતિ શોધાઇ. જેને બોઝ-આઇન્સ્ટાઇન કન્ડેન્સેટ કહે છે. રૃબિડીયમ પરમાણુઓમાં ’લેસર કુલિંગ’ કરતાં શોધાયું. ૨૦૦૧માં તે માટે નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું. તાપમાન માઇક્રો કેલ્વીનથી ઘણું નીચે થયું.હવે ૧૯૯૯માં ૦.૦૦૦૦૦૦૦૦૧ (નેનોકેલ્વિન)થી નીચે જતાં ૧૦૦ પીકો કેલ્વિન (૦.૧ નેનોકેલ્વિન) ઉત્પન્ન કરતાં રહોન્ડયમમાં ન્યૂક્લિયસનું ચક્રણ થયું.૨૦૦૩માં ૪૫૦ પીકો કેલ્વિન પરમાણુઓમાં નિમ્નતમ તાપમાન સોડિયમના ’બોઝ આઇન્સ્ટાઇન કન્ડેન્સેટ’ની સ્થિતિમાં ઉત્પન્ન કરાયું. ૧ પીકો કેલ્વિન એટલે ૦.૦૧ નેનો કેલ્વીન થાય,આ ઉપરાંત ૨.૭૩ કેલ્વીન કોસ્મિક માઇક્રોવેવ બેકગ્રાઉન્ડ (સીએમબી)નું ૧.૯ કેલ્વીન લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડરના ચુંબકોનું, ૧ કેલ્વીન અવકાશમાં નોંધાયેલ તાપમાન શોધાયા.આમ આપણી સફર નિમ્નત્તમ તાપમાન તરફ થતી રહી છે.