আলো, বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক!

আলো, বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক!

নিউটনের মহাকর্ষ বলের মতো এখানে দূরক্রিয়ার উপস্থিতি! অর্থাৎ কোনো একটা চার্জের পরিবর্তন ঘটলে আকর্ষণ বা বিকর্ষণ বলের মান কমে যাবে তৎক্ষণাৎ। এটাই কুলম্বের সূত্রের বড় ত্রুটি। এই ত্রুটি ছিল তার চৌম্বক বলের সমীকরণেও। বিদ্যুৎ আকর্ষণ নিয়ে গবেষণা চলল বহুদিন। সেই সঙ্গে গবেষণা চলল সাধারণ চুম্বক নিয়েও। কিন্তু কুলম্বের সূত্রকে ক্রটিমুক্ত করতে পারলেন না কেউ-ই।

হ্যান্স ক্রিশ্চিয়ান ওয়েরস্টেড। ডেনিস পদার্থবিদ। ১৮১৯ সাল। একদিন তিনি বিদ্যুৎ প্রবাহের ওপর বক্তৃতা দিচ্ছিলেন। কাছে ছিল ছিল একটি তড়িৎ বর্তনী। আরেকটি শলকা চুম্বক বা কম্পাস। কম্পাস ছিল কেন এ বিষয়টা সম্পর্কে এখনও নিশ্চিত হতে পারিনি। দর্শকদের বিদ্যুৎ বর্তনী সম্পর্কে বোঝাচ্ছিলনে ওয়েরস্টেড। তখন ওই বর্তনীর ভেতর বিদ্যুৎ প্রবাহ চলছিল। কোনো এক কারণে বিদ্যুৎ বর্তনীটা কম্পাসের খুব কাছে চলে আসে। অভূতপূর্ব এক ঘটনা ঘটল তখন। চমকে উঠলেন ওয়েরস্টেড। কম্পাসের কাঁটাটা ঘুরে গেল।




কেন এমন ঘটল?তবে কি বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে কোনও সম্পর্ক আছে?

ওয়েরস্টেড বিষয়টা ভালো করে পরীক্ষা করে দেখলেন। বর্তনীতে বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক বদলে দিলেন। অর্থাৎ আগে যেদিকে বিদ্যুৎ প্রবাহ চলছিল এবার বিদ্যুৎকে তার উেেল্টা দিকে ঘুরিয়ে দিলেন। দেখলেন, কম্পাসের কাঁটাও ঘুরে গেল। আগেবার কম্পসের কাঁটা যেদিকে ঘুরেছিল এবার ঘুরল তার বিপরীত দিকে। ওয়েরস্টেড নিশ্চিত হলেন বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক আছে।কিন্তু সম্পর্কটা কি, কেমনভাবে এই সম্পর্ক কাজ করে তার কারণ অনুসন্ধান করলেন না। তবে এই ঘটনা অন্য বিজ্ঞানীদের প্রভাবিত করল।

১৮২০ সালে ফরাসী ফ্রানকোসিস অ্যারাগো আরেকটা ঘটনা লক্ষ করলেন। তিনি দেখলেন, একটা তড়িৎবাহী তার চুম্বকের মতো আচরণ করে। তড়িৎবাহী তারের আশপাশে লোহার গুঁড়ো রাখলে তারটি সেগুলোকে আকর্ষণ করে। চুম্বক যেভাবে লোহার গুঁড়োকে আকর্ষণ করে সেভাবে। তড়িৎপ্রবহ বন্ধ করে দিলে আর্কষণ ক্ষমতাও হারায় সেই তড়িৎবাহী তার।এরপর থেকে বিজ্ঞানীরা বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সম্পর্ক নির্ণয়ের জন্য উঠে পড়ে লাগলেন।

সে বছরই আলোচনায় এলেন আরেক ফরাসী বিজ্ঞানী আন্দ্রে মারি অ্যাম্পেয়ার। তড়িৎ প্রবাহের একককে ‘অ্যাম্পেয়ার’ নামকরণ করা হয়েছে তাঁর নামানুসারেই। তিনি আবিষ্কার করলেন, দুটি বিদ্যুৎবাহী তারকে যদি সমান্তরালে পাশাপাশি রাখা হয় তবে তার দুটি পরস্পরকে আর্কষণ করে। এজন্য তার দুটিতে একই দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহিত করতে হবে। আর যদি দু তারে বিদ্যুৎ প্রবাহ যদি পরস্পরের বিপরীত দিকে হয়, তাহলে তারদুটি পরস্পরকে বিকর্ষণ করবে। তিনি একটা পরীক্ষাও করেছিলেন এ বিষয়ে। একটি তারকে স্পিংয়ের মতো করে পেঁচিয়েছিলেন। ফলে তারে একটি কুণ্ডলি তৈরি হয়েছিল। যাকে বলে কয়েল।

কুণ্ডলির একটি প্যাঁচ আরেকটি প্যাঁচের সাথে সমান্তরালে অবস্থান করে। এরপর সেই কুণ্ডলির ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত করলেন অ্যাম্পিয়ার। যেহেতু একই দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হচ্ছে, তাই প্রতিটা প্যাঁচেরও বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক এক। আবার প্যাঁচগুলো পরস্পরের সমান্তরালে রয়েছে, সুতরাং এদের ভেতরে প্রবল আকর্ষণ বল কাজে করে। একটি প্যাঁচ আরেকটি প্যাঁচের আকর্ষণ শক্তি বাড়িয়ে দেয়। পুরো কুণ্ডলিটি তাই একটা শক্তিশালী চুম্বকের মতো কাজ করে। কুণ্ডলির একটা দিক চুম্বকের উত্তর মেরুর মতো এবং আরেকটা দিক চুম্বকের দক্ষিণ মেরুর মতো কাজ করে।১৮২৩ সালে ব্রিটিশ পদার্থবিদ উইলিয়াম স্টারজেন কুণ্ডলি সিস্টেমকে আরও একধাপ এগিয়ে নিলেন। তিনি ইংরেজি U আকৃতির একটি লোহা পাতের ওপর পরিবাহী তার পেঁচিয়ে কুণ্ডলি তৈরি করলেন। তারপর তার ভেতর দিয়ে বিদুৎপ্রবাহ চালালেন। লোহার প্রভাবে কুণ্ডলির চৌম্বকধর্ম আরও বৃদ্ধি পেল। ফলে শক্তিশালি তড়িৎচুম্বক তৈরি হলো সেই সিস্টেমে।

১৮২৯ সালে মার্কিন পদার্থবিদ যোসেফ হেনরি লোহার এই সিস্টেমে সাধারণ পরিবাহী তারের বদলে অন্তরিত তার ব্যবহার করলেন। এ ধরনের তার আজকালকার কয়েলে ব্যবহার করা হয়। তিনি লোহার পাতের ওপর কয়েকশো প্যাঁচ দিয়ে কয়েল তৈরি করলেন। তার ফলে যে বিদুৎচম্বক তৈরি তার ক্ষমতা সাধারণ চুম্বকের চেয়ে অনেক অনেক বেশি। সেটা বিরাট ওজনের একটা লোহারখণ্ডকে মাটি থেকে উঠিয়ে নিতে সক্ষম হলো।



বিটিশ বিজ্ঞানী মাইকেল ফ্যারাডে এবার উল্টোভাবে ভাবতে শুরু করলেন। বিদ্যুৎ যদি চুম্বক তৈরি করতে পারে, তাহলে চুম্বকও কি বিদ্যুৎ তৈরি করতে পারে না? শুধু ভাবলেনই না, কাজে লেগে পড়লেন। একটা দণ্ড চুম্বক নিলেন ফ্যারাডে। তাপপর পরিবাহী তার দিয়ে তৈরি করলেন একটা কুBলি। দণ্ডচুম্বকটা ঢোকালেন কুণ্ডলির ভেতর। তবে কুণ্ডলির দুই প্রান্ত কিন্তু ব্যাটারি বা অন্য কোনও বিদ্যুৎ উৎসের সাথে যুক্ত করলেন না। সুতরাং সেই কুণ্ডলিতে বাইরে থেকে বিদ্যুৎ প্রবাহের কোনো সম্ভাবনায় রইল না। তবে এ অবস্থায় কিছু ঘটলই না। এরপর ফ্যারাডে চুম্বকটিকে কুণ্ডলির ভেতরে বারা প্রবেশ করালেন, এবং বের করলেন। এর ফলে বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি হলো পরিবাহী তারে। কিন্তু চুম্বক স্থিরভাবে কুণ্ডলির ভেতর রেখে দিলে কোনও বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় না। তবে আরেকটি বিষয় উল্ল্যেখ করার মতো। যখন চুম্বক কুণ্ডলির ভেতরে প্রবেশ করানো হচ্ছে তখন বিদ্যুৎ একদিকে প্রবাহিত হচ্ছে। যখন চুম্বক বের করা হচ্ছে তখন বিদ্যুৎ প্রবাহিত হচ্ছে বিপরীত দিকে। এই ঘটনা মানব সভ্যতার ইতিহাসের মোড় ঘুরিয়ে দিয়েছিল।

১৮৩১ সালে ফ্যারাডে একটা যন্তু তৈরি করলেন। যন্ত্রটিতে একটা চুম্বক ব্যবহার করা হলো। চুম্বকের দুই মেরু বরাবর ঘোরানোর ব্যবস্থা করা হলো একটা তামার চাকতি। চুম্বককে অব্যাহতভাবে ঘোরানোর ব্যবস্থা করে হলো। দেখা গেল চুম্বকটিতে নিরবিচ্ছিন্নভাবে বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি হচ্ছে। অবশ্য চাকতিটি ঘোরানো বন্ধ করে দিলে বিদু্যুৎ প্রবাহও বন্ধ হয়ে যায়। তবে চাকতিটি কিসের সাহায্যে ঘোরানো হচ্ছে সেটা বিষয় নয়। যেভাবে যার সাহায্যেই ঘোরানো হোক বিদুৎ প্রবাহ তৈরি হচ্ছে। পাঠক নিশ্চয়ই বুঝতে পারছেন, এটিই ছিল বিশ্বের প্রথম বিদ্যুৎ উৎপ্নকারী জেনারেটর। ফ্যারাডের জেনারেটরেকে উল্টো ভাবে তৈরি করার কথা ভাবলেন যোসেফ হেনরি। তিনি চুম্বকের ওপর জড়ানো কয়েলের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ চালনা করলেন। এই এবার বিদ্যুৎ চুম্বক মিলে ঘূর্ণন শক্তি তৈরি করতে সমর্থ হলো। এভাবেই জন্ম হলো বৈদ্যুতিক মোটরের।

ফ্যারাডে শুধু জেনারেটর আবিষ্কার করেই বসে থাকেননি। তিনি চুম্বকের মতো বিদ্যুতের জন্যও ক্ষেত্রতত্ত্ব আবিষ্কার করল। ফ্যারাডে বললেন একটি চার্জ তার চারপাশে একটি বিদ্যুৎ ক্ষেত্র তৈরি করে। ওই ক্ষেত্রের ভেতর চার্জের প্রভাব স্পষ্টরূপে বজায় থাকে। দুটি বিপরীত ধর্মী চার্জ পরস্পরের বিদ্যুৎক্ষেত্রের ভেততর থাকলে তারা বলরেখা তৈরি করতে পারে। শুধু তাই নয়, বিদ্যুৎবাহী তার যে তড়িচ্চুম্বকের জন্ম দেয়, সাধারণ চুম্বকের মতো তাতেও বলরেখা কল্পনা করা যায়।

এতসব ঘটনার সারমর্ম বের করলেন বিজ্ঞানীরা। সেটা হলো বিদ্যুৎ ও চুম্বকের মধ্যে সর্ম্পক। বিদ্যুৎ ও চুম্বক আলাদা কিছু নয়। প্রকৃতির এই দুই শক্তি একসূত্রে গাঁথা। একটাকে আরেকটায় রূপান্তর করা সম্ভব। বিদ্যুৎ ও চুম্বকত্ব কে তো একসূত্রে গাঁথা সম্ভব হলো। কিন্তু আলোর কী হবে? সেটার জন্যই তো ইতিহাসের দড়ি ধরে টানা। একটু পরেই না হয় জানি।

বিদ্যুৎ ও চুম্বকের জগতে দেবদূতের মতো হাজির হলেন স্কটিশ বিজ্ঞানী জেমস ক্ল্যার্ক ম্যাক্সওয়েল। তিনি চেষ্টা করলেন কুলম্ব ও ফ্যারাডের সূত্রকে একসঙ্গে ব্যাখ্যা করা যায় কিনা। ম্যাক্সওয়েল প্রথমেই হাত দিলেন ফ্যারাডের সূত্রে। তিনি ধারণা করলেন, কোথাও যদি চুম্বক শক্তির বাড়ানো-কমানো করে বিদ্যুৎ প্রবাহের মান বাড়ানো কমানো যায়, তবে এর উল্টো ঘটনা ঘটালে কী ঘটবে? মানে ওই নির্দিষ্ট স্থানে যদি চুম্বক শক্তির মান স্থির রেখে বিদ্যুৎ প্রবাহের মান বাড়ানো-কমানো হয় তবে কী হবে?

ম্যাক্সওয়েল নিশ্চিত ছিলেন এই ঘটনা ঘটালে অর্থাৎ বিদ্যুৎ বাড়ালে-কমালে অবশ্যই চুম্বক শক্তির মান কম-বেশি হবে। ম্যাক্সওয়েল তাঁর কয়েলে এই পরীক্ষা করে তাঁর ধারণার সত্যতা পেলেন।

জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল

অতএব ম্যাক্সওয়েল চিন্তা করলেন, চুম্বক আর বিদ্যুৎকে আলাদা করে ভাবলে চলবে না। দুটোকে একে অপরের পরিপূরক হিসেবে গণ্য করতে হবে। এই ধারণা থেকেই সৃষ্টি হলো ম্যাক্সওয়েলের অমর তড়িৎচুম্বকীয় তত্ত্ব। এই তত্ত্বই জন্ম দিল আজকের সভ্যতার অপরিহার্য এক তরঙ্গÑ তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ। এই তত্ত্ব আবিষ্কার করে ম্যাক্সওয়েল নিউটনের প্রায় দুশো বছর পরে পদার্থবিজ্ঞানের বিভিন্ন তত্ত্বের সমন্বয়ের রাস্তা পরিষ্কার করলেন। ম্যাক্সওয়েল তাঁর তড়িচ্চুম্বকীয় সমন্বয় তত্ত্বকে একটি মাত্র সূত্রের মধ্যে আটকে রাখলেন না। ব্যাখা করলেন চার চারটি সমীকরণের সাহায্যে। যখন যে পরিস্থিতিতে যেটা দরকার হবে তখন সেই সমীকরণের সাহায্যে ব্যাখ্যা করতে হবে তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গের প্রকৃতি। কুলম্ব, ফ্যারাডে উভয়েরই তত্ত্বে যেসব ফলাফল পাওয়া যায়, তার সবগুলোই একসাথে পাওয়া গেল ম্যাক্সওয়েলের তত্ত্বে। নিউটনের মহাকর্ষ, গতির সূত্র ও আইনস্টাইনের আপেক্ষিকতার মতোই ম্যাক্সওয়েলের এই সূত্র পদার্থবিজ্ঞানে অপরিসীম গুরুত্ব বহন করে।



অনেক প্রশ্নের উত্তর জানা গেল ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণ থেকে। যেমন, যেখানে কোনো চার্জ নেই, বিদ্যুৎ প্রবাহ নেই, চুম্বকও নেই সেখানে আসলে কী ঘটে?

ম্যাক্সওয়েল নিজেই পরীক্ষা করলেন। এবং আশ্চর্য হয়ে লক্ষ করলেন। শূন্যস্থানেও তড়িচ্চুম্বকের প্রভাব রয়েছে। আর সেই প্রভাব শূন্যস্থানে ছড়িয়ে আছে ঢেউয়ের মতো।তাহলে ম্যাক্সওয়েল কী বললেন শোনা যাক। প্রথম চার্জটির উপস্থিতির জন্য শূন্যস্থানে সৃষ্টি হচ্ছে একটি তড়িচ্চুম্বকীয় ঢেউ বা তরঙ্গ। সেই তরঙ্গ বয়ে নিয়ে যাচ্ছে প্রথম চার্জের বৈদ্যুতিক বার্তা। সেই তরঙ্গের সাথে অন্য যেকোনো চার্জের যখন দেখা হচ্ছে, তখন তরঙ্গের কাছ থেকে অন্য চার্জটি প্রথম চার্জের পাঠানো বার্তা পেয়ে যাচ্ছে।

এখন কথা হচ্ছে বার্তা যখন পাঠানো হয়, সেই বার্তা প্রেরকের হাতে পৌঁছাতে নিশ্চয়ই সময় লাগে। এক্ষেত্রে প্রথম চার্জের পাঠানো বৈদ্যুতিক বার্তা আরেকটি চার্জের কাছে পৌঁছাতে কিছুটা হলেও সময় লাগবে। কত সময় লাগবে, সেটাও ম্যাক্সওয়েল বের করে ফেললেন। তিনি সক্ষম হলেন, কারণ, তিনি বুঝতে পেরেছিলেন আলোও এক প্রকার তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ। তাই যেকোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ আর আলো একই বেগে চলে।

তখন অনেকেই প্রশ্ন করেছিলেন আলো আর তড়িৎচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ যদি একই জিনিস হবে তবে অন্য তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গগুলো কেন দেখা যায় না?

আসলে আমাদের চোখের দর্শনানুভূতির একটা সীমা আছে। আর এই সীমাটা হচ্ছে ০.৪ মাইক্রোমিটার থেকে ০.৭ মাইক্রোমিটার। অর্থাৎ কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ০.৪-০.৭ মাইক্রোমিটার সীমার মধ্যে থাকলেই কেবল আমাদের চোখ আলো হিসেবে সেই তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গকে দেখতে পায়। এই সীমার বাইরের কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ খালি চোখে দেখা সম্ভব নয়।

ম্যাক্সওয়েল যখন তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ নিয়ে গবেষণা করছেন ততদিনে আলোর গতিবেগ মানুষের জানা হয়ে গেছে– সেকেন্ডে ৩ লক্ষ কিলোমিটার। একথাও সবার জানা হয়ে গেছে, আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যরে সাথে এর বেগের কোনো সম্পর্ক নেই। আলোর বেগ ধ্রুব– তা পরে আইনস্টাইনই প্রমাণ করেছেন তাঁর বিশেষ আপেক্ষিকতায় তাই কোনো তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গেরই গতিবেগ বাড়া-কমার কোনো সুযোগ নেই।

১৮৬৫ সালে ম্যাক্সওয়েল তড়িচ্চুম্বকীয় তরঙ্গ তত্ত্ব দাঁড় করেন। ১৮৮৮ সালে হেনরিখ হার্ৎজ ম্যাক্সওয়েলের তড়িচ্চুম্বকীয় তত্ত্বের পরীক্ষামূলক প্রমাণ দেন। আলোর তড়িচ্চুম্বকীয় তত্ত্ব বিজ্ঞানীমহলে ব্যাপক সাড়া ফেলল। এর সাহায্যে আলোর প্রতিফলন, প্রতিসরণ, ব্যতিচার, অপবর্তন, সমবর্তন ইত্যাদি ব্যাখ্যা করা যাচ্ছিল নিপুণভাবে। কিন্তু ত্রুটি তো কিছুটা থাকবেই। যতক্ষণ কোনও বাধা আসছে ততক্ষণ তার জয়ধ্বণি গাইবেই মানুষ। বাধা এলো একসময়। ফটো-ইলেক্ট্রিক ইফেক্ট বা আলোক-তড়িৎক্রিয়ায় গিয়ে হোঁচট খেল তড়িচ্চুম্বকীয় তত্ত্ব। সেই আলোক তড়িৎক্রিয়া ব্যাখ্যা করতে গিয়েই জন্ম হলো কোয়ন্টাম তত্ত্বের। তবে সে গল্প আজ নয়।

লেখকঃ আবদুল গাফফার রনি



Author Image
Faysal Nadim