क्षेत्र सिद्धांत

क्षेत्र सिद्धांत : ज्या सिद्धांतात क्षेत्रे या मूलभूत राशी असतात, त्याला क्षेत्र सिद्धांत म्हणतात. परंपरागत रीतीत क्षेत्रांचे नियमन करणारी समीकरणे देता येतात. ⇨ पुंज क्षेत्र सिद्धांतात क्षेत्र प्रचालकांद्वारे(कारकांद्वारे) खातरजमा करणारे (आक्षेपांचे निरसन करणारे) क्रमनिरपेक्षी नियमही विनिर्देशित करतात. अशा रीतीने क्षेत्र सिद्धांतात क्षेत्राचे वर्णन वा व्याख्या करतात (अवकाशातील विशिष्ट बिंदूपाशी क्षेत्रकारक कण निर्माण वा नष्ट करतात) . भौतिकीत क्षेत्राची व्याख्या ढोबळपणे पुढीलप्रमाणे करता येते क्षेत्र हा अवकाशाचा असा प्रदेश असतो की, ज्यामधील प्रत्येक बिंदूचे काही गुणधर्म हे गुणवैशिष्ट्य असून हे गुणधर्म ही त्या बिंदूच्या अवकाश व काल यांतील सहनिर्देशकांची ⇨ फलने असतात. क्षेत्र सिद्धांतांचे चार असाधारण प्रकार हे विद्युत् चुंबकीय क्षेत्रे, गुरुत्वीय क्षेत्रे, पुंज क्षेत्रे आणि अणुकेंद्रीय क्षेत्रे यांच्याशी निगडित आहेत. भौतिकीमध्ये अवकाश व काल सर्वसाधारणपणे अखंडित (संतत) असल्याचे मानतात. अशा प्रकारे क्षेत्र सिद्धांत हे सर्वसाधारणपणे अखंडित प्रेरणांशी निगडित असून अवकाशातील किंवा कालातील कोणत्याही बिंदूपासून ते लगतच्या बिंदूंपर्यंत या प्रेरणा सुरळीतपणे बदलतात. क्षेत्र सिद्धांतांत दूरवरील क्रिया अमान्य असल्याचे सूचित होते. कारण क्षेत्रातील दूरवरील बिंदूंदरम्यानची क्रिया ही क्षेत्राच्या परिवर्तनांद्वारे घडते, असे सर्वसाधारणपणे समजण्यात येतेव तिला काही काळ लागतो. क्षेत्र सिद्धांतांना पोकळीचे अस्तित्वहीमान्य नाही. कारण भौतिकीय गुणधर्मांनी वैशिष्ट्यपूर्ण असलेले अवकाश निश्‍चितपणे रिक्त नसते. तथापि ही स्थूल स्वरूपाची साम्ये असली, तरी क्षेत्र सिद्धांत हे भिन्न प्रकारचे आहेत आणि क्षेत्राच्या वास्तवतेविषयीच्या तात्त्विक प्रश्नांची उत्तरे विविध प्रकारे दिली जातात.

एक वस्तू तिच्यापासून दूर असलेल्या दुसऱ्या वस्तूवर (उदा., सूर्यासारखा तारा व त्याचे ग्रह पृथ्वीसारखा ग्रह व तिचा चंद्र हाउपग्रह किंवा चुंबक व त्यापासून दूर असलेली लोखंडी वस्तू) प्रेरणा(उदा., गुरुत्वाकर्षण, चुंबकीय आकर्षण व प्रतिसारण इ.) कशी लावते हे तार्किक दृष्टीने संभवनीय वाटत नसले, तरी प्रत्यक्षत घडते. याघटनेला दूरवरील क्रिया म्हणतात. या प्रश्नाचे उत्तर शोधण्याच्या प्रक्रियेतून भौतिकीत क्षेत्र ही संकल्पना पुढे आली. ⇨ मायकेल फॅराडे यांनी ही संकल्पना पुढे आणली. विद्युत् भारित वस्तूंमधील आकर्षण व प्रतिसारण यांचा अभ्यास करताना त्यांना ही कल्पना सुचली. विद्युत् भारित वस्तू विद्युत् क्षेत्र रेषा (किंवा प्रेरणा रेषा) या माध्यमातून एकमेकींच्या संपर्कात येतात, असे त्यांनी सांगितले व क्षेत्र ही संकल्पना पुढे आली. चुंबकीय प्रेरणेचे स्पष्टीकरणही क्षेत्र या संकल्पनेद्वारे लगेच देण्यात आले.

कोणत्याही वस्तूच्या भोवती अवकाश अस्तित्वात असते. एखादीवस्तू स्वत: विद्युत् भार असण्याच्या गुणधर्मामुळे सभोवतीच्या अवकाशात जे बदल घडवून आणते, ते त्या वस्तूचे विद्युतीय क्षेत्र होय. या अवकाशात वा क्षेत्रात दुसरी विद्यत् भारित वस्तू ठेवल्यास विद्युतीय क्षेत्रामुळे त्या वस्तूवर प्रेरणा लागू होण्याची (प्रक्षेपित होण्याची) क्रिया घडते. चुंबकीय प्रेरणेच्या बाबतीतही असेच घडते. याचा अर्थ वस्तू स्वतःच्या गुणधर्मामुळे सभोवतालच्या अवकाशात जे बदल घडवून आणते, त्याला क्षेत्र म्हणतात आणि या क्षेत्राच्या माध्यमाद्वारे दुसऱ्या वस्तूवर प्रेरणा लागण्याची क्रिया घडते. ⇨ जेम्स क्लार्क मॅक्सवेल यांनी विद्युतीय क्षेत्र व चुंबकीय क्षेत्र यांच्यातील परस्परसंबंध प्रस्थापित केले व त्याला विद्युत् चुंबकीयक्षेत्र हे नाव दिले. ही भौतिकीमधील क्षेत्र सिद्धांताच्या दृष्टीने फार महत्त्वाची घटना असून नंतर भौतिकीमधील क्षेत्र सिद्धांत या संकल्पनेचे महत्त्ववाढत गेले.

⇨ ॲल्बर्ट आइन्स्टाइन यांनी त्यांच्या व्यापक सापेक्षता सिद्धांतात गुरुत्वाकर्षणविषयक गुरुत्वीय क्षेत्राचे गुणधर्म तपासले. गुरुत्वीय क्षेत्र व विद्युत् चुंबकीय क्षेत्र यांचे एकत्रीकरण करणारी उपपत्ती हे वैज्ञानिकां-समोरील एक भव्य स्वप्न आहे. तिला एकीकृत किंवा एकात्मिक क्षेत्र सिद्धांत म्हणतात. अशी उपपत्ती मांडण्यासाठी आइन्स्टाइन यांनी अनेकवर्षे संशोधन केले. मात्र त्यांच्या व त्या नंतरच्या अनेकांच्या अशाप्रयत्नांना यश मिळाले नाही. नंतर एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतात पुंज क्षेत्रव अणुकेंद्रीय क्षेत्र यांची भर पडली. कारण अणूचे अंतरंग व ⇨ मूलकण यांचे अध्ययन करताना क्षेत्र सिद्धांत महत्त्वाचा असल्याचे लक्षातआले आहे.

दोन जड वस्तूंमध्ये कोणतेही मध्यस्थ माध्यम नसतानाही गुरुत्वीय व विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रिया (आंतरक्रिया) आढळतात. याच्या स्पष्टीकरणाकरिता गुरुत्वीय क्षेत्र व विद्युत् चुंबकीय क्षेत्र या संकल्पना पुढे आल्या. यांनुसार गुरुत्वीय परस्परक्रिया स्पष्ट करण्यासाठी द्रव्यमान असणाऱ्या प्रत्येक जड वस्तूभोवती दूर अंतरापर्यंत पसरलेले गुरुत्वीयक्षेत्र प्रथम अस्तित्वात येते, असे मानतात. दुसरी जड वस्तू व तिच्या-भोवती अस्तित्वात असलेले गुरुत्वीय क्षेत्र यांच्यात परस्परक्रिया प्रत्यक्षात निर्माण होते.

अणुकेंद्रात असणारे अणुकेंद्रीय क्षेत्र आणि अणूच्या अंतर्गत असणारे अणुकेंद्र व इलेक्ट्रॉन यांच्यातील विद्युत् चुंबकीय क्षेत्र ही पुंज क्षेत्रेआहेत, असे मानतात. मूलकणांमधील परस्परक्रिया स्पष्ट करण्यासाठीपुंज क्षेत्र सिद्धांताचा उपयोग करतात.

⇨ अब्दुस सलाम व ⇨ स्टीव्हन वाइनबर्ग यांनी स्वतंत्रपणेदुर्बल अणुकेंद्रीय आणि विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रियांच्या एकीकृत क्षेत्र सिद्धांताची व्यवस्थित मांडणी केली असून त्यांच्या या कार्यासाठीत्यांना १९७९ सालचे भौतिकीचे नोबेल पारितोषिक विभागून देण्यातआले (शेल्डन ली ग्लासहौ हे या पारितोषिकाचे तिसरे मानकरी होते) .

इतिहास : ॲरिस्टॉटल : क्षेत्र सिद्धांताविषयी चर्चा करणारे ॲरिस्टॉटल हे पहिले निसर्गवैज्ञानिक किंवा तत्त्वज्ञ असू शकतील.दूरवरील क्रिया व पोकळी शक्य कोटीतील नाहीत यांविषयी त्यांनी तपशीलवार चर्चा केली आहे. पृथ्वी, वायू, अग्नी व जल या चार मूलतत्त्वांच्या त्यांच्या पृथ्वीच्या मध्याभोवतीच्या गोलीय कवचांमधील नैसर्गिक स्थानांपर्यंतच्या नैसर्गिक गतीविषयीच्या ॲरिस्टॉटल यांनी आपल्या सिद्धांतात अवकाशाची गुणकारिता सूचित (ध्वनित) केली आहे. अवकाशात असलेल्या पिंडांना अरीय (त्रिज्यीय) दिशेत खाली किंवावर जाण्याची क्षमता प्राप्त होण्यासाठी ही गुणकारिता (कार्यसिद्धी वा सामर्थ्य) त्यांनी सुचविली आहे. अशा प्रकारे दूरवर पडत असणारा दगडपृथ्वी स्वत:कडे आकर्षित करीत नाही तर तो दगड जेथे आहे त्या अवकाशाचे गुणवैशिष्ट्य त्याला आकर्षित करते. हे त्याचे नैसर्गिक स्थान नसते व त्यामुळे तो पृथ्वीच्या व्यापाकडे (स्थूलतेकडे) जातो म्हणजे हा व्याप आधीच तिच्या नैसर्गिक स्थानी असतो.

अशा रीतीने ॲरिस्टॉटल यांनी अवकाशाला कारणदर्शक गुणकारिता दिली व ती त्याच्यापेक्षा अधिक प्रभावी (बळकट वा तीव्रतर) आहे. विद्युतीय क्षेत्र वर्चसांचे अभिजात भौतिकीतील उदाहरण आहे. यामध्ये एक विद्युत् भारित वस्तू इतरत्र कोठे तरी असल्यामुळेच केवळ अवकाशात विद्युत् वर्चस् अस्तित्वात असते. ॲरिस्टॉटल यांच्या मता-नुसार अवकाशाच्या गुणवैशिष्ट्यांमुळे द्रव्य हलते वा गतिमान होते.विद्युत् वर्चसाविषयीच्या सिद्धांतात द्रव्य-क्षेत्र वाटणी मूळ स्वभावानेअक्रिय (पॅसिव्ह) अवकाशावर स्थापित (आरोपित) झालेली असते. 

देकार्त : आधुनिक काळातील पहिला महत्त्वाचा सातत्यक(संततीय) सिद्धांत ⇨ रने देकार्त यांनी मांडला आहे. एका अर्थानेहा क्षेत्र सिद्धांत नव्हता. कारण समग्र (एकूण) द्रव्याचे कण आणिखुद्द द्रव्याचे भिन्न गुणधर्म यांच्या दरम्यान मध्यस्थ ठरणारे अवकाशाचे गुणधर्म या सिद्धांतात गृहीत धरलेले नाहीत. देकार्त यांच्या मते अवकाश हे केवळ भौतिकीय गुणधर्मांद्वारे वैशिष्ट्यपूर्ण बनलेले नाही तर तेद्रव्याने पूर्णपणे भरलेले आहे व या द्रव्याला अवकाशीय विस्तारणाचे गुणधर्म असल्याचे मानतात व त्याचे कोणत्या तरी प्रकारे विविध आकारमानांच्या संकोचनशील नसलेल्या कणांमध्ये विभेदन झालेलेअसून हे कण एकमेकांच्या सापेक्ष हलू शकतात.

देकार्त यांच्या मते अशा कणांच्या थेट आघातांनी व दाबांनी सर्व भौतिक क्रिया घडते आणि अखेरीस असंकोचनशील द्रायूमध्ये (द्रवातवा वायूत) घडणाऱ्या आवर्त (भोवऱ्यासारख्या) गतींशी याचा संबंधयेतो. कारण जर बंदिस्त वक्रातील प्रत्येक कण ताबडतोब (क्षणात) प्रतिष्ठापित झाला, तरच असंकोचनशील सातत्यकात हालचाल घडूशकते. अशा प्रकारे अवकाशात प्रकाशाचा प्रवास क्षणात व्हायला हवा. नंतरच्या सर्व क्षेत्र सिद्धांतांपेक्षा देकार्त सिद्धांत भिन्न आहे. तथापि अठराव्या शतकात लेनर्ड ऑयलर व डॅनियल बेर्नूली यांनी केलेल्या अखंड द्रायूतील व प्रत्यास्थ घन माध्ये यांच्या गणितीय सिद्धांतात केलेल्या पहिल्या विकासाला प्रतिकृती व प्रेरणा (उत्तेजन) लाभली. पर्यायाने हा नंतरच्या सर्व गणितीय क्षेत्र सिद्धांतांचा आधार झाला.

न्यूटन : आयझॅक न्यूटन यांचा गुरुत्वाकर्षणविषयक सिद्धांत हाक्षेत्र सिद्धांताचा प्रतिपक्ष (प्रतिस्थिती) मानतात. खुद्द न्यूटन यांनी गुरुत्वाकर्षणाचे स्पष्टीकरण मध्यस्थ ईथरच्या [→ ईथर–२] भाषेतदेण्यास अनुकूलता दर्शविली होती. हे देकार्त यांच्या लहान कणयुक्त वातावरणापेक्षा जास्त दाब असणाऱ्या बंदिस्त अवकाशातील स्थितीसारखे (प्लेनमसारखे) भिन्न नाही. द्रव्यमानाच्या पिंडांच्या जोड्यांदरम्यानची तत्क्षणिक दूरवरील क्रिया म्हणजे गुरुत्वाकर्षण होय, हे न्यूटन यांच्या प्रिन्सिपिया (१६८७) ग्रंथात व नंतरच्या अभिजात भौतिकीत मानलेगेले. तसेच गुरुत्वाकर्षण हे मध्यवर्ती अवकाशावर व काल्पनिक ईथरवर पूर्णपणे (अजिबात) अवलंबून नसते आणि पोकळीमधून त्याची क्रिया घडू शकते. दीर्घकाळ प्रयोगांतील वस्तुस्थितीने या मताची पुष्टी झाली. म्हणजे गुरुत्वीय प्रेरणेसाठी परिरक्षक साधने (ढाली) तयार करता आली नाहीत (यामुळे प्रशिक्षणाच्या कामासाठी अवकाश प्रवासाचे सदृशीकरण करणे अवघड झाले होते). गुरुत्वीय प्रेरणेला अवकाशातून प्रवास करण्यासाठी काही वेळ लागतो, याचा कोणताही पुरावा नसल्याने या मताची पुष्टीझाली. यांसारख्या कारणांमुळे मायकेल फॅराडे यांनी १८५२ मध्येप्रसिद्ध झालेल्या त्यांच्या शोधनिबंधात गुरुत्वाकर्षण हे दूरवरील क्रियेचे उदाहरण (मासला) मानले. या बाबतीत विद्युत् चुंबकीय क्रियांच्या हे विरुद्ध मत होते.

फॅराडे : विद्युत् चुंबकत्वाचे क्षेत्रीय गुणवैशिष्ट्य दर्शविण्यासाठी फॅराडे यांनी युक्तिवाद व प्रयोग विकसित केले. यामळे क्षेत्र सिद्धांतांच्या इतिहासातील फॅराडे हे विशेष महत्त्वाचे व्यक्तिमत्त्व आहे. त्यांनी खुद्द द्रव्याच्या संकल्पनेसाठीच्या क्षेत्र सिद्धांतविषयक ध्वनितार्थांचे काळजी-पूर्वक विश्लेषण केले. फॅराडे यांच्या आधुनिक क्षेत्र सिद्धांताच्या कल्पनांमध्ये त्याचे मूळ (उत्पत्ती) जाणून घेण्यासाठी रुगीएरो ग्यूसेप्पो बोस्कोव्ह्यिच यांच्या पूर्वीच्या संशोधन कार्याकडे परत जावे लागेल. बोस्कोव्ह्यिच यांच्या ढहशेीळर हिळश्रेीेहिळरश पर्रींीीरश्रळी (१७५८) या पुस्तकात त्यांनी द्रव्याची प्रतिकृती विकसित केली. तिच्यात त्यांनीद्रव्य हे बिंदूसारख्या राशींचे बनलेले असून त्याभोवती आकर्षण व प्रतिसारण प्रेरणा यांचे क्षेत्र विभाग आहेत, असे द्रव्याचे चित्र त्यांनीरेखाटले होते. यांत्रिक, विद्युतीय, चुंबकीय व रासायनिक आविष्कारांचे एकीकरण व स्पष्टीकरण करण्याचे प्रयत्न करताना त्यांनी ही प्रतिकृती वापरली. बोस्कोव्ह्यिच यांचा युक्तिवादात राशी पृथक् (विभक्त) व प्रेरणा अखंड होत्या परंतु प्रेरणा या माध्यमामार्फत क्रिया करीत नाहीत, तर दूरवरील क्रिया करणाऱ्या आहेत, असे त्यांनी मानले होते.

फॅराडे यांनी बोस्कोव्ह्यिच यांचा युक्तिवाद (स्पष्टीकरण) पालटला (उलट केला) . ‘द्रव्य’ हे अवकाशातील प्रेरणांएवढेच बिंदुरूप अणूंचेही बनलेले असल्याचे मानले पाहिजे, असे फॅराडे यांनी सुचविले. त्यानुसार द्रव्याने सर्व अवकाश भरले आहे अथवा जेथपर्यंत गुरुत्वाकर्षण विस्तार-लेले आहे, असे किमान सर्व अवकाश द्रव्याने भरलेले आहे, असे त्यांनी मानले. या खुलाशामध्ये (प्रकाशात) फॅराडे यांच्या विद्युतीय व चुंबकीय क्षेत्रांमधील प्रेरणा रेषा समजून घ्यायला हव्यात. विद्युत् भारित समग्र(सकल) द्रव्याच्या कणांदरम्यानच्या रिक्त अवकाशाची खरी परिवर्तने म्हणजे या प्रेरणा रेषा होत, असे त्यांनी मानले होते. असे असले तरी, ईथर हे द्रव्य प्रेरणा प्रेषित करते असे त्यांनी गृहीत धरले नव्हते. क्षेत्र माध्यम हे पुरेसे आहे व याचे भौतिकीय गुणधर्म निसर्गदत्त होते (याला भौतिकीय गुणधर्मांची देणगी लाभली होती) . तसेच ते किमानपक्षी सर्वसाधारण( नेहमीच्या) द्रव्यासारखे नव्हते. 

मॅक्सवेल : तथापि, दरम्यानच्या काळात प्रकाश, विद्युत् व चुंबकत्व या आविष्कारांचे अधिक परंपरागत यांत्रिक भाषेत स्पष्टीकरण करण्यासाठी द्रव्य ईथरविषयक अनेक सिद्धांत सुचविण्यात आले. प्रकाशाचे तरंगा-सारखे प्रसारण स्पष्ट करण्यासाठी प्रकाश-ईथर सिद्धांतांमध्ये अखंड प्रत्यास्थ (लवचिक) माध्यमांचे गणित वापरले आणि फॅराडे यांच्याप्रेरणा रेषांचे गणितीय निदर्शन विकसित करताना जेम्स क्लार्क मॅक्सवेल यांनी सदर युक्तिवाद विद्युम् चुंबकीय क्षेत्रासाठी विस्तारित (व्यापक) केला. मॅक्सवेल यांनी समग्र द्रव्याचे अनेक यांत्रिक गुणधर्म असलेलेईथर गृहीत धरले. अशा ईथरमुळे अनेक गुंतागुंतीचे मुद्दे पुढे आले.त्यामुळे त्यांनी आपल्या प्रतिकृती निसर्गातील वास्तव गोष्टींऐवजी उदाहरणे वा स्पष्टीकरणे म्हणून सादर केल्या. भोवरे, केंद्रोत्सारक यंत्रे व निष्क्रियकण यांच्या गुंतागुंतीच्या यंत्रणांचे वर्णन करण्यावर याद्वारे प्रकाश टाकायचा होता. जर ईथर यांनी बनलेले असेल, तर त्याच्या वर्तनाद्वारे विद्युत् चुंबकीय आविष्कारांचे सदृशीकरण झाले असते परंतु ईथर ही प्रत्यक्षात अशी यंत्रणा आहे, ही धारणा (गृहीतक) गरजेची नव्हती आणि खरोखर अशा प्रतिकृती वास्तविकपणे गृहीत धरणे अधिकाधिक अवास्तव होत गेले.

तथापि, क्षेत्राच्या ऊर्जेचे वास्तविक स्पष्टीकरण राखून ठेवण्याची मॅक्सवेल यांची इच्छा होती. ऊर्जा ही क्षेत्राची स्वतंत्र बाब असूनविविध परिणामांद्वारे अवकाशातील तिचे स्थान ठरविण्याजोगे असते परंतु आता द्रव्याच्या अस्तित्वावरील हा गुणधर्म अनिष्ट म्हणून समजला जात नाही. द्रव्यमान व गती ही प्रमुख गुणवैशिष्ट्ये असणाऱ्या देकार्तीय–न्यूटोनियन द्रव्याच्या प्रभावाची जागा वास्तविक ऊर्जेने घेतली किंवात्याला किमान पूरक ठरली. ही ऊर्जा मात्रेत संवर्धित होते व विविधरूपांत प्रत्ययास येते. या वाटचालींना हाइन्रिख हर्ट्झ यांच्या विद्युत्चुंबकीय तरंग हे प्रकाशाच्या वेगाएवढ्या वेगाने प्रसारित होतात, याशोधामुळे पाठबळ मिळाले. प्रकाशकी व विद्युत् चुंबकत्व या दोन्हींच्या गणितीय एकीकरणाची खातरजमा झाली. शिवाय यातून ऊर्जा स्रोतातून उत्सर्जित होण्यापासून ते दूरवरच्या ग्राहीपर्यंत येऊन पोहोचेपर्यंतच्या काळात ऊर्जा क्षेत्रामध्ये उपस्थित असते हे ध्वनित होते. सापेक्षता सिद्धांत पुढे येण्याच्या आधीच ईथर हे काहीही असले तरी ते न्यूटोनियन द्रव्याचा भाग नाही, हे सर्वसाधारणपणे मान्य झाले होते.

सापेक्षता : ईथर या माध्यमाच्या संदर्भात (सापेक्ष) द्रव्य व ऊर्जा स्थलांतर करतात, असे गृहीत धरणे गरजेचे नाही असे सूचित करून आइन्स्टाइन यांच्या सापेक्षता सिद्धांतामुळे वरील निष्कर्षाला बळ प्राप्त झाले. विश्वामध्ये निष्क्रियतेचे निरपेक्ष मानक म्हणून स्वीकारता येऊशकेल असे पदार्थाचे सातत्यक अस्तित्वात नाही. प्रकाशाची गती(अधिक सामान्यपणे विद्युत् चुंबकीय प्रारणाची – तरंगरूपी ऊर्जेची – गती) हे एकमेव निरपेक्ष मानक आहे. ते सर्व निरीक्षकांना त्यांच्या सापेक्षगतींचा विचार न करता तेच भासते वा दिसते.

तथापि सापेक्षता सिद्धांत हा मुख्यत्वेकरून क्षेत्रसिद्धांत आहे. अभिजात भौतिकीमध्ये अनेक बाबतींत सापेक्षता सिद्धांत सर्वाधिक अर्थसूचक मानला गेलेला आहे. पहिली गोष्ट म्हणजे कोणतीही कारणदर्शक क्रिया प्रकाशापेक्षा जलदपणे प्रसारित होत नाही. विशेषतः न्यूटन यांच्या उपपत्ती विरोधात गुरुत्वाकर्षण क्रिया ही तत्क्षणिक नसते, असे निश्चित झाले आहे. समग्र द्रव्याच्या पिंडांदरम्यानच्या अवकाशात ऊर्जेचे अस्तित्व असते, असे सापेक्षता सिद्धांत मानतो. अभिजात विद्युत् चुंबकत्वापेक्षा अधिक सबळ अर्थाने सापेक्षता सिद्धांत हा क्षेत्र सिद्धांत आहे. कारण अवकाशाची खुद्द भूमितीय वक्रता ही गुरुत्वाकर्षणीय वर्चसांनी आणि म्हणून पिंडाच्या अवकाशातील वाटण्यांद्वारे निश्चित होते, असे सापेक्षता सिद्धांत मानतो. अशा प्रकारे अवकाश क्षेत्रांशी निकटपणे निगडित झालेले आहे. म्हणजे अवकाश ही केवळ निष्क्रिय चौकट नाही की जिच्यावर क्षेत्र प्रेरणा अध्यारोपित झालेल्या आहेत. आइन्स्टाइन अखेरपर्यंत एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतात क्षेत्राचे असे भूमितीकरण विद्युत् चुंबकत्वापर्यंत विस्तारण्याचा (व्यापक करण्याचा) प्रयत्न करीत होते परंतु त्यानंतर या प्रकारचा पूर्णपणे समाधानकारक असा सिद्धांत पुढे आलेला नाही. [→ सापेक्षता सिद्धांत]. 

नंतरचे क्षेत्र सिद्धांत : पुंज क्षेत्र सिद्धांत : नंतरच्या काळात पुंज भौतिकी ही क्षेत्र सिद्धांत म्हणून विकसित झाली, हे म्हणणे विरोधा-भासात्मक वाटू शकेल. कारण पुंज भौतिकीचा संबंध हमखासपणे पृथक् (सुटे) ऊर्जा पुंज तसेच विभक्त सूक्ष्मकण यांच्याशी येतो. त्यामुळे यात कोणत्याही अखंड क्षेत्र क्रियेची शक्यता नसते, असे धरून चालता येते.

तथापि पुंजीकृत क्षेत्र सिद्धांतांविषयी बोलता येऊ शकते. या सिद्धांतांत कणांच्या प्रारणाबरोबरच्या परस्परक्रियांचा संबंध येतो. क्षेत्राचे हे स्पष्टीकरण पुढील वस्तुस्थितीवर आधारलेले आहे. विद्युत् भारित कण जेव्हा एका पृथक् ऊर्जा स्थितीकडून दुसऱ्या स्थितीकडे जातात, तेव्हा ते ऊर्जा प्रारित करतात किंवा शोषून घेतात (अभिजात भौतिकीच्या भाषेत ते प्रवेगित होतात वा प्रतिप्रवेगित होतात) . पुंज सिद्धांतात विद्युत्चुंबकीय प्रारण म्हणजे फोटॉन या पुंजीकृत कणांचे उत्सर्जन मानले जात असल्याने, इलेक्ट्रॉनासारखा विद्युत् भारित कण एका ऊर्जा स्थितीकडून दुसरीकडे जातो तेव्हा तो फोटॉन उत्सर्जित करतो वा शोषून घेतो असे मानतात. ऋण विद्युत् भारित कणाच्या बाबतीत (उदा., इलेक्ट्रॉन) त्याची धन विद्युत् भारित कणाशी गाठ पडते व तो नष्ट होतो ही शक्यताही असते(या बाबतीत पॉझिट्रॉन हा इलेक्ट्रॉनविरुद्धचा कण असतो) . याद्वारे तेवढ्याच संख्येचे प्रोटॉन उत्सर्जित होतात किंवा विरुद्ध प्रक्रियेत फोटॉनांचे शोषण होऊन कणांच्या जोडीची निर्मिती होते.

या वस्तुस्थितीमध्ये निर्वाताच्या अर्थामध्ये महत्त्वाची परिवर्तनेहोतात. मॅक्सवेल सिद्धांतात निर्वात म्हणजे कणांच्या बाबतीत रिकामे असलेले अवकाश असले, तरी त्याला क्षेत्राचे वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म असतात. पुंज क्षेत्र सिद्धांतानुसार जर एका विद्युत् चुंबकीय क्षेत्रातपुरेशी ऊर्जा असेल, तर इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन जोड्या नेहमी निर्माण होऊशकतात. अशा प्रकारे मॅक्सवेल क्षेत्राचा अर्थ या कणांचे (इलेक्ट्रॉन--पॉझिट्रॉनांचे) क्षेत्र असा परत लावता येऊ शकतो. मॅक्सवेल सिद्धांतातील क्षेत्रापेक्षा हे क्षेत्र अधिक ‘क्रियाशील’ आहे. तसेच समग्र द्रव्याच्या पिंडांदरम्यानच्या दूरवरील क्रियेच्या भाषेत याचे स्पष्टीकरण करणे तेवढेसोपे नाही. [→ पुंज क्षेत्र सिद्धांत].

अणुकेंद्रीय क्षेत्र सिद्धांत : अणुकेंद्राविषयीच्या सिद्धांत मिळविण्यासाठी पुंजीकृत मॅक्सवेल क्षेत्र सिद्धांत व्यापक करण्यात आला. सर्व अणुकेंद्रीय आविष्कारांशी निगडित असलेल्या प्रेरणा या विद्युत् चुंबकीय नाहीत पण त्या वेगळ्या प्रकारच्या असून त्या अंतराच्या आखूड पल्ल्यांत खूप प्रबल असतात, हे या आविष्कारांवरून उघड झाले आहे. ज्याप्रमाणेविद्युत् चुंबकीय परस्परक्रिया फोटॉनांच्या विनिमयाद्वारे दर्शविल्या जातात, त्याचप्रमाणे प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांच्यामधील प्रेरणा मेसॉन या मूलकणांच्या विनिमयाद्वारे दर्शविल्या जातात. मेसॉन या अल्पजीवी मूलकणांच्या अस्तित्वाचे भाकीत ⇨ हीडेकी यूकावा यांच्या क्षेत्र सिद्धांताने १९३५ मध्ये केले होते आणि त्यांच्या अस्तित्वाची तेव्हापासून केलेल्या उच्च-ऊर्जा प्रयोगांद्वारे सविस्तर खात्री झाली आहे.

क्षेत्रीय कणांच्या यातून निष्पन्न झालेल्या सर्वसाधारण (व्यापक) सिद्धांतामध्ये विद्युत् भारित कणांमधील परस्परक्रियाही कणांच्या विनि-मयाच्या भाषेत (संदर्भात) निर्देशित करणे शक्य आहे. उदा., स्थिर विद्युत् भारांदरम्यानच्या कुलंब क्षेत्रांच्या वर्णनातून क्षेत्रीय कणांच्या भासमान विनिमयांची कल्पना पुढे आली. या विनिमयांत फोटॉन उत्स्फूर्तपणे एका विद्युत् भाराकडून उत्सर्जित होतो व नंतर त्याच वा दुसऱ्या विद्युत्भारामार्फत शोषला जातो. यामुळे ऊर्जेच्या अक्षय्यतेचे किंचित उल्लंघनहोते. जर हा भासमान विनिमय पुरेशा जलदपणे झाला, तर ऊर्जेतील असंतुलन ओळखणे अशक्य होते. कारण पुंज अनिश्चिततेच्या तत्त्वात ऊर्जा व काल या पूरक चलराशी आहेत. त्यामुळे ऊर्जेतील अल्प भेदांचे मापन घेण्यासाठी ठराविक निश्चित कालावधी पूर्ण व्हावा लागतो.[→ अणुकेंद्रीय भौतिकी].

एकीकृत क्षेत्र सिद्धांत : हा मूलकण भौतिकीत होत असलेला प्रयत्न आहे. यामध्ये एका सैद्धांतिक चौकटीमध्ये सर्व मूलभूत प्रेरणा आणि मूलकणांमधील परस्परसंबंध विशद करण्याचा प्रयत्न होत आहे. भौतिकी-मध्ये प्रेरणांचे वर्णन क्षेत्रांमार्फत करता येते व ही क्षेत्रे अलग पदार्थांमधील परस्परक्रियांत मध्यस्थ म्हणून कार्य करतात. एकोणिसाव्या शतकाच्या मध्यास जेम्स क्लार्क मॅक्सवेल यांनी आपल्या विद्युत् चुंबकत्व विषयक सिद्धांतात पहिला क्षेत्र सिद्धांत सूत्रबद्ध केला. नंतर ॲल्बर्ट आइन्स्टाइन यांनी विसाव्या शतकाच्या आधीच्या काळात व्यापक सापेक्षता सिद्धांतहा गुरुत्वाकर्षणविषयक क्षेत्र सिद्धांत विकसित केला. नंतर आइन्स्टाइनव इतरांनी एकीकृत (एकविध) क्षेत्र सिद्धांत तयार करण्याचे प्रयत्न केलेल्या एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतात विद्युत् चुंबकत्व व गुरुत्व हे एकामूलभूत क्षेत्राचे भिन्न घटक वा बाबी या रूपात पुढे येणार होते. मात्रयात त्यांना अपयश आले व गुरुत्व एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतासाठीच्या प्रयत्नांच्या पलीकडेच राहिले आहे (२०१५ पर्यंत) . 

भौतिकीत सांप्रत प्रेरणा वस्तूंदरम्यान थेटपणे प्रसारित होत नाहीत तर त्याऐवजी त्या मध्यस्थ बाबींमार्फत म्हणजे क्षेत्रांद्वारे त्यांचे प्रसारणहोते. ज्ञात असलेल्या चार मूलभूत प्रेरणा मध्यस्थ क्षेत्रांमार्फत प्रसारित होतात : विशेषत: पुढील चार परस्परक्रियांचे एकीकरण करावयाचे आहे. (१) क्वॉर्क या मूलकणांना एकत्र ठेवून हेड्रॉन निर्माण करणारी आणिन्यूट्रॉन व प्रोटॉन यांना एकत्र ठेवून अणुकेंद्र निर्मिणारी प्रबल अणुकेंद्रीय परस्परक्रिया ही ग्लुऑन या मध्यस्थ मूलकणांद्वारे प्रसारित होते.(२) विद्युत् भारित कणांवर क्रिया करणाऱ्या परिचित विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रियेचा विनिमयाचा कण फोटॉन आहे. (३) किरणोत्सर्गाच्याकाही प्रकारांना कारणीभूत असणारी लघू पल्ल्याची दुर्बल अणुकेंद्रीय परस्परक्रिया इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो व क्वॉर्क यांच्यावर क्रिया करते आणितिचे नियमन दोन विद्युत् भारित डब्ल्यू (थ) व एक विद्युत् भाररहित झेड (न) बोसॉन या मूलकणांद्वारे होते. (४) गुरुत्वाकर्षणीय परस्परक्रिया ही दीर्घ पल्ल्याची आकर्षण परस्परक्रिया असून तिची सर्व कणांवर क्रियाहोते. हिचा विनिमय करणारा गृहीत धरलेला मूलकण म्हणजे ग्रॅव्हिटॉन हा होय. या चार परस्परक्रिया एका चौकटीत एकत्रित करण्याचा प्रयत्न आधुनिक एकीकृत क्षेत्र सिद्धांतात केला जातो.

अणूपेक्षा कमी अंतरांच्या परिस्थितीत क्षेत्रांचे वर्णन ⇨ पुंज क्षेत्र सिद्धांताद्वारे करतात आणि पुंज क्षेत्र सिद्धांतामध्ये मूलभूत क्षेत्राला ⇨ पुंजयामिकी च्या कल्पना लावतात. १९४०-५० या दशकात क्वांटम इलेक्ट्रोडायनॅमिक्स (टएऊ, पुंज विद्युत् गतिकी) हा विद्युत् चुंबकत्वा-विषयीचा पुंज सिद्धांत पूर्णपणे विकसित झाला. पुंज विद्युत् गतिकीमध्ये विद्युत् भारित परस्परक्रिया घडते तेव्हा ते फोटॉन (प्रकाशकण वा विद्युत् चुंबकीय प्रारणाची सूक्ष्म पुडकी) उत्सर्जित करतात वा शोषून घेतात. परिणामी अणूपेक्षा लहान कणांच्या झेल (कॅच) घेण्याच्या या खेळात प्रोटॉनांचा विनिमय (देवाणघेवाण) होतो. या सिद्धांताचा प्रत्यय इतका चांगला आला की, तो इतर प्रेरणांविषयीच्या सिद्धांतांसाठी मूळ नमुनाझाला. क्वॉर्क व लेप्टॉन हे दोन मूलकण आहेत. द्रव्याच्या निर्मितीमधीलहे दोन मूलभूत घटक आहेत. १९६०–८० या काळात मूलकणभौतिकीविदांना हे दोन प्रकारचे द्रव्यनिर्माते मूलकण आहेत, याचा शोध लागला. क्वॉर्क हे नेहमीच प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांसारख्या अधिक मोठ्या निरीक्ष्य कणांमध्ये एकत्र बद्ध झालेले असतात. ते सूक्ष्म पल्ल्याच्या प्रबल अणुकेंद्रीय प्रेरणेने बद्ध झालेले असतात. ही प्रेरणा अणूपेक्षा कमी अंतरावर विद्युत् चुंबकत्वाला दडपून टाकणारी व त्यापेक्षा प्रबळ असते. इलेक्ट्रॉन हे लेप्टॉन असून लेप्टॉन कणांना ही प्रेरणा जाणवत नाही (त्यांच्यावर परिणाम करीत नाही) . तथापि क्वार्क व लेप्टॉन या दोन्ही मूलकणांना दुर्बल अणुकेंद्रीय प्रेरणा या दुसऱ्या प्रेरणेचा अनुभव (प्रत्यय) येतो (किंवातिची जाणीव होते) . ही प्रेरणा किरणोत्सर्गाच्या (भेदक कण वा किरण उत्सर्जित करण्याच्या गुणधर्माच्या) ठराविक प्रकारांना कारणीभूत असून तिला एकत्रितपणे बीटा क्षय म्हणतात ही विद्युत् चुंबकत्वाच्या तुलनेत दुर्बल आहे. 

क्वॉर्क व लेप्टॉन यांच्याविषयीचे हे चित्र स्पष्ट होऊ लागले त्याच सुमारास प्रगतीच्या मोठ्या टप्प्यांमुळे एकीकृत क्षेत्र सिद्धांताच्या विकासाची शक्यता पुढे आली. सैद्धांतिक भौतिकीविज्ञांनी स्थानिक मापन निश्चलतेच्या (अचलतेच्या) संकल्पनेचा नामनिर्देश करण्यास सुरुवात केली. या संकल्पनेत अवकाश व काल यांतील प्रत्येक बिंदूलगतच्या मूलभूत क्षेत्र समीकरणांच्या सममिती गृहीत धरल्या आहेत. विद्युत् चुंबकत्व व व्यापक सापेक्षता या दोन्हींत आधीच अशा सममितींचा संबंध आला होता परंतु पुढील शोध हा यातील महत्त्वाचा टप्पा ठरला. दुर्बल अणुकेंद्रीय प्रेरणेच्या मापक-निश्चल पुंज क्षेत्र सिद्धांतात जादा परस्परक्रिया म्हणजे विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रिया समाविष्ट करायलाच हवी, हा तो शोध होय. शेल्डन ली ग्लासहौ, अब्दुस सलाम व स्टीव्हन वाइनबर्ग यंानी या प्रेरणांचा एकीकृत विद्युत् दुर्बल सिद्धांत स्वतंत्रपणे प्रस्तावित केला व तो चार मूलकणांच्या विनिमयावर आधारलेला आहे. विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रियांसाठी फोटॉन आणि दुर्बल अणुकेंद्रीय परस्परक्रियांकरिता दोन विद्युत् भारित थ (डब्ल्यू) मूलकण व एक विद्युत् भाररहित न (झेड) मूलकण हे ते चार मूलकण होत. १९८३ मध्ये थ व न बोसॉन हे मूलकण कार्लो रुबिया यांच्या पथकाने ⇨ सेर्न येथे निर्माण केले. कार्लो रुबिया सायमन आणि व्हान डर मीर यांना १९८४ सालचे भौतिकीचे नोबेल पारितोषिक मिळाले.

प्रबल अणुकेंद्रीय प्रेरणेसाठी १९७०–८० दरम्यान यासारखा पुंजक्षेत्र सिद्धांत विकसित झाला. त्याला क्वांटम क्रोमोडायनॅमिक्स (QCD, पुंज वर्णगतिकी) म्हणतात. यामध्ये ग्लुऑन नावाच्या मूलकणांच्या विनिमयाद्वारे क्वॉर्क परस्परक्रिया करतात. एका ग्रँड युनिफाइड थिअरीत (GUT, बृहत् एकीकृत सिद्धांतात) प्रबल प्रेरणेचे विद्युत् दुर्बल प्रेरणेबरोबर एकीकरण होऊ शकेल की नाही हे शोधून काढणे, हे संशोधकांपुढील उद्दिष्ट आहे. भिन्न प्रेरणांची बले ऊर्जेनुसार अशा रीतीने बदलतात की, ती उच्च ऊर्जेला एका केंद्राकडे जातात (केंद्राभिमुख होतात), याचा पुरावा आहे. तथापि संबंधित ऊर्जा अति-उच्च असतात. विद्युत् दुर्बल एकीकरणाच्या प्रमाणापेक्षा (मानापेक्षा) त्या अब्जावधीपट इतक्या जास्त असतात. याची अनेक प्रयोगांद्वारे आधीच खातरजमा केलेली आहे.

बृहत् एकीकृत सिद्धांतामध्ये क्वॉर्क व लेप्टॉन यांच्या परस्परक्रियांचे वर्णन एकाच सैद्धांतिक संरचनेत (चौकटीत) केलेले असते. यावरून क्वॉर्कचा लेप्टॉनांमध्ये क्षय (र्‍हास) होऊ शकतो आणि विशेषतः प्रोटॉनाचा क्षय होऊ शकतो ही शक्यता पुढे आली. बृहत् एकीकृत सिद्धांताविषयीच्या आधीच्या प्रयत्नातून असे भाकीत करण्यात आले की, प्रोटॉनाचे आयुष्य (वा आयुःकाल) सु. १०³² वर्षे आहे. हे भाकीत प्रयोगांतून तपासून पाहण्यात आले. त्यासाठी १०³² एवढे प्रोटॉन असलेल्या मोठ्या प्रमाणातील द्रव्याचे बोधन करण्यात आले वा नजर ठेवण्यात आली परंतु प्रोटॉनाचा क्षय होतो, याचा पुरावा मिळाला नाही. वस्तुतः त्यांचा क्षय होत असल्यास ही क्रिया सर्वांत साध्या बृहत् एकीकृत सिद्धांताने भाकीत केलेल्या आयुःकालापेक्षा त्यांचा आयुःकाल जास्त असायला हवा. उच्चतर ऊर्जांना नवीन परिणाम कार्यप्रवण झाल्याशिवाय प्रेरणांची बले नेमकी केंद्राभिमुख होत नाहीत. एक नवी सममिती हा असा एक परिणाम असू शकेल. तिला महासममिती म्हणतात. [→ सममिति नियम].

आधी उल्लेख केलेल्या संशोधकांव्यतिरिक्त एकीकृत क्षेत्र सिद्धांताच्या विकासात पुढील संशोधकांचे कार्यही उल्लेखनीय आहे. हॅन्स क्रिश्चनओर्स्टेड यांनी विद्युत् प्रवाह चुंबकत्वावर प्रेरणा लावतात, हा शोध लावला होता. ⇨ हेर्मान वाइल यांनी १९१९ च्या सुमारास अभिजात क्षेत्र सिद्धांतात (विद्युत् चुंबकी) मापक (गेज) क्षेत्राची संकल्पना अंतर्भूत केली. १९२१ च्या सुमारास थिओडोर कालुझा यांनी सर्वसाधारण सापेक्षतेचा विस्तार पाच मितींपर्यंत केला. नंतर याच दिशेने १९२६ मध्ये ऑस्कर क्लीन यांनी चवथी अवकाशीय मिती एका लहान, निरीक्षण न केलेल्या वर्तुळात वळवली जाईल, असे प्रस्तावित केले. कालुझा-क्लीन सिद्धांतात जादा अवकाशीय दिशेची गुरुत्वाकर्षणीय वक्रता विद्युत् चुंबकत्वासारखी जादा प्रेरणा म्हणून वर्तन करते. विद्युत् चुंबकत्व व गुरुत्व यांच्या या व इतर प्रतिकृतींचा पाठपुरावा आइन्स्टाइन यांनी आपल्या अभिजात एकीकृत क्षेत्र सिद्धांताविषयीच्या प्रयत्नांत केला होता.

यशस्वी अशा बृहत् एकीकृत सिद्धांतात अजूनही गुरुत्वाचा अंतर्भाव होणार नाही. परिकल्पित ग्रॅव्हिटॉन (गुरुत्व कण) या कणांच्या विनिमयावर आधारलेला गुरुत्वाचा कामचलाऊ पुंज क्षेत्र सिद्धांत कसा सूत्रबद्ध करायचा हे अद्यापि सैद्धांतिक भौतिकीविदांना माहीत नाही आणि ही याबाबतीतील खरी समस्या वा अडचण आहे.

पहा : अणुकेंद्रीय भौतिकी गुरुत्वाकर्षण चुंबकत्व पुंज क्षेत्र सिद्धांत प्रेरणा भौतिकी मॅक्सवेल विद्युत् चुंबकीय समीकरणे मूलकण वर्चस् वाइनबर्ग, स्टीव्हन विद्युत् सलाम, अब्दुस सापेक्षता सिद्धांत हिग्ज, पीटर वेर हिग्ज-बोसॉन मूलकण.

संदर्भ : 1. Cheng, D. K. Field and Wave Electromagnets, 1989.

         2. Dresden, M. Field Theory and General Relativity, 1989.

         3. Landau, L. Course of Theoretical Physics : The Classical Theory of Fields, 1980.

ठाकूर, अ. ना.

“