প্রকৃতির এক রহস্যের নাম “প্রোটনের জীবনকাল”

লেখক: ফয়েজ আহমেদ

আমাদের এই প্রকৃতি কতটা বিশাল আর রহস্যময় তার হিসাব করা সত্যিই কষ্টসাধ্য ব্যাপার। তবুও পৃথিবীর মহাপুরুষেরা প্রকৃতির এই রহস্য উম্মোচন করার জন্যে অক্লান্ত পরিশ্রম করে যাচ্ছেন। দিনের পর দিন শ্রম আর সময়ের বিনিময়ে প্রকৃতির রহস্যগুলোর কোনো কোনটা মাঝে মাঝে আমাদের কাছে জট খোলে আবার কোনটা রহস্যই থেকে যায়। জট না খোলা এসকল রহস্য যে কত কত আছে আমাদের আশেপাশে তার হিসাব শুধু প্রকৃতিই জানে। মানুষের পক্ষে হয়ত প্রকৃতির সকল রহস্যের সমাধান কোনোদিনও সম্ভব হবেনা। আবার হয়তবা হতেও পারে। সময় আর প্রযুক্তির আরো উন্নতির ফলে হয়তবা কোনো একদিন আমরা প্রকৃতির মূল অংশে পৌঁছাতে পারব। কিন্তু সেটা কবে তার হিসাব আজও অজানা।
রহস্যের বেড়াজালে ঘূর্ণনরত অসংখ্য অমীমাংসিত রহস্যের একটি হলো ”প্রোটনের জীবনকাল”। প্রোটনের জীবনকাল নিয়ে বিজ্ঞান মহলে আজও অমীমাংসিত সমাধান প্রবাহিত হচ্ছে। যে প্রবাহটার শেষ কোথায় বা আদৌ শেষ হবে কিনা তা প্রযুক্তি আর বিজ্ঞানের চরম উন্নতির এ দ্বারপ্রান্তে দাঁড়িয়ে কেউ সমাধান দিতে পারছেননা। প্রোটনের জীবনকাল ব্যাপারটা এখনো পদার্থ বিজ্ঞানের প্রধান রহস্যগুলোর একটি।
রহস্যটা জানার আগে আমাদের জানা দরকার এই প্রোটনটা আসলে কী ? প্রোটনের অবস্থান-ই বা কোথায় ? প্রোটনের অস্তিত্ব-ই বা কী ?
মানব সভ্যতার শুরুর দিকে যদিও মনে করা হত প্রকৃতির প্রত্যেকটি পদার্থ বা বস্তু চারটি মৌলিক উপাদান দিয়ে গঠিত। আর সেই চারটি উপাদান হল আগুন, পানি, বাতাস এবং মাটি। এই ধারণাটি অবশ্য সেই প্রাচীন গ্রীক আমলের। কিন্তু সময় আর বিজ্ঞান বিপ্লবের কারণে প্রাচীন সেই মতবাদটি ভুল বলে প্রমাণিত হয়। ধীরে ধীরে বিজ্ঞান মহলে ”পরমাণু তত্ত্ব ” ধরা দিতে শুরু করে। পরমাণু তত্ত্বের প্রথম পর্যায়ে ধারণা করা হত প্রত্যেক মৌলিক বা যৌগিক পদার্থকে চূড়ান্ত পর্যায়ে বিশ্লেষণ করলে যে জিনিসটি পাওয়া যায় তা হল পরমাণু। অর্থাৎ পরমাণুই হলো যেকোনো পদার্থের ক্ষুদ্রতম অংশ। এই পরমাণুকে আর ক্ষুদ্রতর অংশে বিভক্ত করা যাবেনা। উপরোক্ত এই ধারণাটির প্রবক্তা ছিলেন ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জন ডাল্টন। যিনি একাধারে রসায়নবিদ, পদার্থবিদ, এবং বায়ুবিজ্ঞানবিদ ছিলেন।
যদিও মহান এ বিজ্ঞানীর ধারণা বা আবিষ্কারটি ভুল ছিল, তবুও তার হাত ধরেই বর্তমান “পরমাণু তত্ত্ব” পূর্ণতা লাভ করেছে। এখানে পূর্ণতা বলা ঠিক হবেনা। কেননা পরমাণুর অসীম রহস্যের খুবই সামান্য আমাদের কাছে উম্মোচিত হয়েছে।
জন ডাল্টনের মতবাদকে পেছনে ফেলে বিজ্ঞানীরা তাদের পরীক্ষা-নিরীক্ষা আর গবেষণার মাধ্যমে পরমাণু তত্ত্বকে আরোও এক ধাপ এগিয়ে নিলেন। গবেষণায় বেরিয়ে আসল পরমাণু যদিও পদার্থের ক্ষুদ্রতম অংশ, কিন্তু এই ক্ষুদ্রতম অংশকেও আরো বিভক্ত করা যায়। অর্থাৎ পরমাণুকেও ভাঙা যায়। আর ভাঙার ফলে যা বেরিয়ে আসে তা হল তিনটি মৌলিক কণিকা- ইলেকট্রন, নিউট্রন এবং প্রোটন। নিউট্রন এবং প্রোটন পরমাণুর ভেতরে একই সাথে অবস্থান করে। তাদের সমন্বিত রূপকে বলা হয় নিউক্লিয়াস। আর সেই নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে বৃত্তাকার পথে ঘুরতে থাকে ইলেকট্রন। ইলেকট্রন ঋণাত্মক চার্জ যুক্ত। অপরদিকে প্রোটন ধনাত্মক চার্জ যুক্ত এবং নিউট্রনের কোনো চার্জ নেই।
পরমাণু তত্ত্বের বিরাট এই উন্নতির ফলে বিজ্ঞান জগৎ সহ স্বাভাবিক পৃথিবীর সর্বত্র নেমে আসে উন্নতির জোয়ার। পরমাণুর এই তত্ত্ব বিশ্লেষণ আর ব্যাখ্যা করতে থাকে আমাদের চিরচেনা পৃথিবীর অজানা অনেক রহস্যকে। পরমাণুর মাঝে অবস্থিত মৌলিক তিনটি কণার মধ্যে ইলেকট্রন আবিষ্কার করেন নোবেল বিজয়ী ব্রিটিশ পদার্থবিদ জে.জে থমসন(Judith Jarvis Thomson) ১৮৯৭ সালে তার “ক্যাথোড রে” পরীক্ষার মাধ্যমে। নিউট্রন আবিষ্কার করেন আরোও এক ব্রিটিশ নোবেল বিজয়ী পদার্থবিদ জেমস চ্যাডউইক ১৯৩২ সালে । আর প্রোটন আবিষ্কার করেন নিউজিল্যান্ডের পদার্থ বিজ্ঞানী এবং নোবেল পুরুস্কার বিজয়ী আর্নেস্ট রাদারফোর্ড ১৯১১ সালে।
ইলেকট্রন, নিউট্রন, প্রোটন এবং এদের গঠন, এদের অবস্থান, একে ওপরের প্রতি এদের বন্ধন, পারস্পরিক ক্রিয়া-প্রতিক্রিয়া, ইত্যাদি ব্যাপারে বিশদ ব্যাখ্যার জন্যে রয়েছে হাইজেন বার্গের অনিশ্চয়তার নীতি, আউফবাউ নীতি, ফার্মি তত্ত্ব, হিগ্স বোসন তত্ত্ব, ডিরাক তত্ত্ব , কোয়ান্টাম তত্ত্ব, কোয়ান্টাম ফিল্ড থিয়রী, স্ট্যান্ডার্ড মডেল সহ আরোও বিভিন্ন তত্ত্ব। ঐ সকল তত্ত্ব আর বিশ্লেষণে মৌলিক কণিকা গুলোর গভীর আলোচনা করা হয়ে থাকে। যেখানে অন্তর্ভুক্ত রয়েছে কোয়ার্ক , ডাউন কোয়ার্ক , ফোটন , গ্লোয়ন, গ্রাভিটি, কণার তরঙ্গ, কণার শক্তি, কণার ভরবেগ, কণার উপস্থিতির সম্ভাব্যতা ইত্যাদি জটিল বিষয়াদি।
আমরা সেদিকে যাবনা। ইতিমধ্যে আমরা আমাদের কাঙ্কিত বস্তু বা কোন “প্রোটন” পেয়ে গেছি। স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুসারে প্রোটন গঠিত হয় দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্ক এর সমন্বয়ে। প্রোটনকে বলা হয় ব্যারিওন শ্রেণীর অন্তর্ভুক্ত কণিকা এবং এটি ফার্মি পরিসংখ্যান মেনে চলে। প্রোটনে অন্তর্গত দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্ক যে শক্তির মাধ্যমে আবদ্ধ থাকে থাকে বলা হয় স্ট্রং ফোর্স এবং এদের মধ্যে মধ্যস্থতাকারী হিসেবে অবস্থান করে গ্লোয়ন। এর স্পিন হল ১/২ (Half)। প্রোটনের ভর হল ১.৬৭৩*১০^-২৭ কে.জি (১.৬৭৩ টাইমস ১০ টু দি পাওয়ার মাইনাস ২৭ কে. জি)।
প্রোটনই হল আমাদের আমাদের আলোচনার মূল বিষয়বস্তু। প্রোটনের গড় আয়ুষ্কাল ধরা হয় ২.১*১০^২৯ বছর (২.১ টাইমস ১০ টু দি পাওয়ার ঊনত্রিশ বছর )। প্রোটনের এই আয়ুষ্কাল নিয়ে রয়েছে যত জল্পনা কল্পনা।(প্রোটনের এই আয়ুষ্কাল সম্পর্কে মতভেদ রয়েছে যা আমরা এখন আলোচনা করবনা )
পদার্থ বিজ্ঞানের ভাষায় হাফ লাইফ(Half Life) বা অর্ধায়ু, ডিকে (Decay) বা ক্ষয়প্রাপ্ত হওয়া, রেডিওএকটিভ ডিকে (Decay) বা তেজস্ক্রিয় ক্ষয় বলে কয়েকটি শব্দ রয়েছে। এগুলো দিয়ে বিভিন্ন পদার্থের বা কণিকার জীবনকাল বা অর্ধায়ু নির্ধারণ করা হয়। অর্থাৎ একটি পদার্থ কতদিন পর্যন্ত টিকে থাকবে বা কতদিনে এটি ক্ষয়প্রাপ্ত হবে পরিমাপ করা হয়।
যদিও আমাদের প্রকৃতির বিভিন্ন বস্তু বা পদার্থের বা মৌলিক ওই কণিকাগুলোর জীবনকাল নির্ধারণ করা হয়েছে বা হচ্ছে। কিন্তু প্রকৃতপক্ষে প্রোটনের ক্ষয়প্রাপ্ত (Decay) হওয়ার ব্যাপারটা এখনো বিজ্ঞান জগতে হাইপোথেটিকাল (Hypothetical-প্রকল্পিত) রয়ে গেছে।
ধারণা করা হয় পাইওন এবং পজিট্রন নামক অতি পারমাণবিক কণা তেজস্ক্রিয় নিঃসরণের মাধ্যমে প্রোটন আরো হালকা কণায় পরিণত হয়। কিন্তু এই ধারণাটি পরীক্ষামূলকভাবে সত্য নয়।
স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুসারে ব্যারিওন শ্রেণীর কণিকা স্থায়ী। সেজন্য স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুসারে প্রোটন ব্যারিওন শ্রেণীর অন্তর্ভুক্ত এবং প্রোটন ক্ষয়ের মাধ্যমে অন্য কণিকায় রূপান্তরিত হয়না। কেননা ব্যারিওন নাম্বার (কোয়ার্ক নাম্বার ) কে সবচাইতে হালকা বলে ধরা হয়।
স্বাভাবিকভাবে প্রত্যেক কণা বা বস্তু নির্দিষ্ট সময়ের ব্যবধানে ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এবং তা পরীক্ষার মাধ্যমে চূড়ান্ত অবস্থা অবলোকন করা যায়। কিন্তু এই প্রোটনের জীবনকাল এতই দীর্ঘ যে বিগ ব্যাং (Bing Bang – বৃহৎ বিস্ফোরণ ) হওয়ার পর থেকে এখন পর্যন্ত পৃথিবী সৃষ্টির বয়স প্রায় বার থেকে চৌদ্দ বিলিয়ন বছর (১৪*১০^৯ = ১৪০০০০০০০০০ = ১৪ টাইমস ১০ টু পাওয়ার ৯ বছর ) হওয়া সত্ত্বেও প্রোটনের অন্তিম দশা অবলোকন করতে বিজ্ঞান ব্যর্থ হয়েছে। কোন পদার্থ বা কণার অন্তিম দশা পূর্ণ রূপে জানতে হলে পদার্থ বিজ্ঞানে যে প্রক্রিয়াটি অবলম্বন করা হয় তা হল হাফ লাইফ (Half Life) বা অর্ধায়ু।
ধরা যাক – ১০০ গ্রাম ভরের কোনো পদার্থ ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে ৫০ গ্রামে পরিণত হতে সময় লাগে ১০ বছর। ৫০ গ্রাম থেকে ক্ষয় হয়ে ২৫ গ্রামে পরিণত হতে সময় লাগে আরো ১০ বছর। ২৫ গ্রাম থেকে ১২.৫ গ্রামে পরিণত হতে সময় লাগে আরো ১০ বছর। ১২.৫ গ্রাম থেকে ৬.২৫ গ্রামে পরিণত হতে সময় লাগে আরো ১০ বছর। ৬.২৫ গ্রাম থেকে ৩.১২৫ গ্রামে পরিণত হতে সময় লাগে আরো ১০ বছর। এভাবেই ওই পদার্থ শূন্য অবস্থানে এক সময় পৌঁছাবে। তাহলে দেখা যাচ্ছে আমাদের ধরে নেয়া পদার্থের হাফ লাইফ (Half Life) বা অর্ধায়ু হল ১০ বছর।
যদিও ধারণা করা হয় প্রোটন নামক ওই ব্যারিওন শ্রেণীর কণিকার ক্ষয় হয়না। সেটা স্থায়ী একটি কণিকা। কিন্তু গ্র্যান্ড ইউনিফাইড থিওরি (GUTs) অনুসারে ভবিষ্যদ্বাণী করা হচ্ছে যে প্রোটনের ক্ষয় হওয়া সম্ভব। প্রোটনের ক্ষয় হওয়া সম্পর্কে সর্বশেষ গবেষণা পাওয়া গেছে জাপানের সুপার কামিওকান্ডি (Super-kamiokande) ওয়াটার চেরেনকোভ রেডিয়েশন (Cherenkov Radiation) ডিটেক্টরের মাধ্যমে। ওই ডিটেক্টরের পরীক্ষামূলক বিশ্লেষণ থেকে দেখা যায় যে, প্রোটনেরও অর্ধায়ু রয়েছে। আর তা হল- ১.৬৭*১০^৩৪ বছর (১.৬৭ টাইমস ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর )। ক্ষয়প্রাপ্ত হওয়ার সময় প্রোটন থেকে পজিট্রন নিঃসরিত হয়। আরো একটি পরীক্ষা থেকে দেখা যায় যে , প্রোটন ক্ষয়ের সময় এন্টিমিওন (Antimuon) নিঃসরিত হয় এবং তখন হিসাব নিকাশের মাধ্যমে দেখা যায় যে প্রোটনের অর্ধায়ু ১.০৮*১০^৩৪ বছর (১.০৮ টাইমস ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর )।
এই হিসাবটা আবার সুপার সিমেট্রি (Super Symmetry) তত্ত্বের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ। সুপার সিমেট্রি অনুসারে বলা হয়ে থাকে প্রোটনের অর্ধায়ু ১০^৩৪ থেকে ১০^৩৬ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর থেকে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৬ বছর ) হতে পারে।
গ্রান্ড ইউনিফিকেশন থিওরী – যেমন SU(5), Georgi-Glashow Model অনুসারে প্রোটন ক্ষয়ের সময় তা থেকে পজিট্রন(Positron) এবং নিউট্রাল পাইওন (Nutral Pion) নির্গত হয় এবং তার সাথে গামা রশ্মিও নির্গত হয়। বিভিন্ন থিওরী আর পরীক্ষা নিরীক্ষার মাধ্যমে প্রাপ্ত ফলাফল অনুসারে ধারণা করা হয় প্রোটন ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এবং এর অর্ধায়ু রয়েছে।
প্রোটনের অর্ধায়ু থাকুক আর না থাকুক, প্রোটনের যে জীবনকাল রয়েছে তার গড় হিসাব ধরা হল ১০^৩২ থেকে ১০^৩৪ বা মতান্তরে ১০^৩৬ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ থেকে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বা মতান্তরে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৬ বছর)। অর্থাৎ প্রোটনের অন্তিম দশা অবলোকন করা আদৌ সম্ভব কিনা বিজ্ঞান এ ব্যাপারে এখনো কোনো সদুত্তর দিতে পারছেনা।
দ্বিতীয় ক্ষত্রে দেখা যাচ্ছে প্রোটনের অর্ধায়ু ১০^৩২ থেকে ১০^৩৪ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ থেকে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর)
ধরা যাক প্রোটনের অর্ধায়ু ১০^৩২ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ বছর)
তাহলে একটি নির্দিষ্ট সংখ্যাক বা পরিমানের প্রোটন অর্ধেকে পরিণত হতে সময় লাগবে ১০^৩২ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ বছর )। তারপর অবশিষ্ট অর্ধেক আবার আরো অর্ধেকে পরিণত হতে সময় নেবে ১০^৩২ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ বছর)। এভাবেই চলতে থাকবে। (উপরে প্রদত্ত হাফ লাইফ (Half Life) হিসাব অনুসারে)। আর হয়তো একসময় প্রোটনের শূন্য পর্যায় উপস্থিত হবে। কিন্তু কথা হল সে পর্যায় উপস্থিত হতে কত বিলিয়ন বিলিয়ন বিলিয়ন বিলিয়ন বিলিয়…ন…..ন ………………. বছর লাগবে তার কোন ইয়াত্তা নেই।
উল্লেখ্য যে ,
১। বিগ ব্যাং (Bing Bang – বৃহৎ বিস্ফোরণ ) অনুসারে এই মহাবিশ্বের বয়স প্রায় ১৪ বিলিয়ন বছর (১৪ টাইমস ১০ টু দি পাওয়ার ৯ বছর = ১৪০০০০০০০০০ বছর)।
২। একটি প্রোটনের জীবনকাল হতে পারে ১০^৩২ থেকে ১০^৩৪ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ৩২ বছর থেকে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর) মতান্তরে ১০^২৯ বছর (১০ টু দি পাওয়ার ২৯ বছর )
৩। প্রোটনের অর্ধায়ু প্রায় ১০^৩২ থেকে ১০^৩৪ বছর (১০ টু দি পাওয়া ৩২ বছর থেকে ১০ টু দি পাওয়ার ৩৪ বছর) হতে পারে।
দেখা যাচ্ছে বিগ ব্যাং (Bing Bang – বৃহৎ বিস্ফোরণ ) অনুসারে মহাবিশ্বের যে বয়স তা দিয়ে কোনভাবেই প্রোটনের সম্পূর্ণ বয়সকে পর্যবেক্ষণ সম্ভব নয় । অর্থাৎ বিজ্ঞান এখনো প্রোটনের চিরচেনা রূপকে অন্তিম দশায় নিয়ে বর্ণনা করতে সত্যি ব্যর্থ। কেননা প্রোটনের অন্তিম রূপ কী হতে পারে তা আমরা এখনো জানিনা ।