துல்லிய ஒப்பற்ற நவீனப் போலிப் பூதக் கணினி வடிவமைப்பு முறையில் பிரபஞ்சப் படிப்படித் தோற்ற வளர்ச்சி ஆய்வுகள்

Hydrodynamic Simulation

சி. ஜெயபாரதன் B.E.(Hons) P.Eng (Nuclear) கனடா

+++++++

பிரபஞ்சப் பெரு வெடிப்பில்
பொரி உருண்டை சிதறித்
துகளாகித்
துண்டமாகிப் பிண்டமாகித்
துணுக்காகிப்
பிண்டத்தில் பின்னமாகி
அணுவாகி,
அணுவுக்குள் அணுவான
பரமாணு வாகித்
திரண்டு
பல்வேறு மூலகமாய்ப் பின்னி
மூலக்கூறாகி
தொடர்ப் பிளவில்
பேரளவுச் சக்தி வெளியேற்றி
நுண்துகள்கள் பிணைந்து
பேரொளி வீசிப்
பிரமாண்டப் பிழம்பாகி,
விண்மீன்களாகி
பால்மய வீதியாகி, அதனுள் நீந்தும்
பரிதி மண்டலமாகிக்
கோள்கள்
பம்பரமாய்ச் சுழலும் பந்துகளான,
பிரபஞ்சத் தோற்ற
வளர்ச்சியைக் கணினிப் போலி
வடிவமைப்பாய்
விஞ்ஞானிகள் படைத்து,
விந்தை புரிகிறார் !

+++++++++++

Magneticum Pathfinder

முதன்முறையாக பிரபஞ்சத்தின் பல்வேறு பண்பாட்டு உடன்பாடுகளை விளக்கமாகப் போலிக் கணினி வடிவமைப்புகள் [Computer Simulations] மூலமாக, நாசாவின் ஹப்பிள், பிளாங்க் விண்ணோக்கிகள் வழியே காணப் பெற்ற பேரளவு வானியல் தள ஆய்வுகளுடன் [Large-Scale Astronomical Surveys] ஒப்புநோக்க உதவி புரிந்தன.   இவ்விதம் காந்தப் பங்கு வழிமுறை [Magneticum Pathfinder] கணினி மூலமாகப் பிரபஞ்சவியல் [Cosmology] விஞ்னானத்தில் புதிய யுகத்தைத் துவக்கி வைத்தது.  இப்பணி பத்தாண்டு ஆராய்ச்சி மேம்பாடுகளில் சாதிக்கப் பட்டது.  இந்த திட்டப் பிரச்சனையின் மிகப் பெரும் சவால், போலி வடிவமைக்கும், வானியல் பௌதிக மாடலுக்கும் ஏற்ற தனிக்குறியீடுத் [Code] தேர்ச்சியே. அக்குறியீடு மாறிடும் தொழிநுணுக்கம், சாதனங்களுக்கு ஏற்ப வேறுபட வேண்டும்.
கிளாவுஸ் டோலாக்  [கோட்பாடு வானியல் பௌதிக விஞ்ஞானி] [LMU Ludwig Maximilians University Munich, Germany]

building-blocks-of-the-universe1.jpg 

புலப்படும் பிரபஞ்சப் பிண்டத்தின் தனித்துவ கணினி நீர்மைத் துடிப்பு போலி வடிவமைப்பு [Computer Hydrodynamic Simulation]

நவீனப் பிரபஞ்சவியலில் [Cosmology] பெருவெடிப்பு பிரபஞ்சத் துவக்கம், பிண்டப் படைப்பு, காலவெளித் தோற்றம் ஆகியவை 13.8 பில்லியன் ஆண்டுக்கு முன்பு உருவாகி இருக்க வேண்டும் என்று கருதப் படுகிறது. அதுமுதல் வாயு, தூசி, விண்மீன்கள் பின்னிப் பிணைத்துக் கண்ணுக்குத் தெரியும் பில்லியன் கணக்கான காலக்ஸி [ஒளிமந்தைகள்] அமைப்புகள், ஈர்ப்பு விசை கொண்டுள்ள அண்டக் கோள்கள், அவற்றின் நடுவே உள்ள பேரசுர வல்லமை கொண்ட பெருநிறைக் கருந்துளைகள் [Supermassive Black Holes] போன்றவை எல்லாம் பிரபஞ்சம் ஆரம்ப நிலையில் இருந்த போது எப்படி உருவாயின ? இதற்குப் பதில் கூற வானியல் விஞ்ஞானிகள் பிரபஞ்சவியல் போலி வடிவமைப்பு [Cosmological Simulations] முறைகளைப் பூதக் கணினிகள் மூலம் ஆராய வேண்டிய தாயிற்று.  அதாவது நமது பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய நமது பல பில்லியன் ஆண்டு கால விஞ்ஞான அறிவை உன்னதக் கணினிகள் மூலம் பெருங்கணித மாடல்களாக [Huge Mathematical Models] மாற்றி விட்டார்.

Computer simulation -1

இந்த விஞ்ஞானத் திட்டம்தான் காந்தப் பங்கு வழிமுறைத் திட்டம் [Magneticum Pathfinder Project]  எனப்படுவது.  திட்டக் குழுத் தலைமை விஞ்ஞானி மியூனிக் பல்கலைக் கழகத்தின் கிளாவுஸ் டோலாக்  [Klaus Dolag (LMU) Ladwig Maximilians University Munich, Germany].  அவர் எடுத்துக் கொண்ட மூன்று பிரபஞ்ச உறுப்புகள் : கருஞ்சக்தி, கரும்பிண்டம், காணும் பிண்டம் [Dark Energy, Dark Matter & Visible Matter].  

அவர் பின்பற்றிய மூன்று இயற்கை இயக்கங்கள் :

  1. புலப்படும் பிண்டம் சுழற்சியில் குவிந்து விண்மீன்கள் உருவாவது.
  2. தோற்ற வளர்ச்சியில் சுற்றியுள்ள பிண்டம் சூரியப் புயல்களில் சூடாகி சூப்பர்நோவா வெடிப்பில் பல்வேறு மூலகங்கள் [Chemical Elements] உண்டாவது.
  3. பூதத் திணிவு கருந்துளைகள் பின் விளைவால் பேரளவு சக்தியை வெளியேற்றுவது.

மிக விளக்கமான பேரளவுப் போலி வடிவமைப்புச் சதுர வடிவு [Cube] 12.5 பில்லியன் ஒளியாண்டு தூரத்தைக் கொண்டது. இப்பணி செய்து முடிக்க இரண்டு ஆண்டுகள் எடுத்தன.  இதுவரை இத்தகைய பேரளவு விண்வெளியை யாரும் கணினிப் போலி வடிவில் காட்டியதில்லை.  இந்த அசுரச் சாதனை செய்து முடிக்க  விஞ்ஞானிகளுக்குப் பத்தாண்டுகள் பிடித்தன.

+++++++++++++++++++

six-types-of-quarks.jpg

புரிந்தும் புரியாத பிரபஞ்சப் புதிர்கள் !

அது விட்டுப் போவ தில்லை இன்னும் !
அதை உணர்வேன், ஆனால் புரிவ தில்லை !
கையில் பற்றவும் முடிய வில்லை !
மறந்து போகவும் இயல வில்லை !
அது முழுவதும் அகப் பட்டால்
அளக்க முடிய வில்லை என்னால் !

ரிச்சர்டு வாக்னர், ஜெர்மன் இசைக்கலைஞர் [Richard Wagner (1813-1883)]

மாபெரும் சக்தி வாய்ந்த மிக நுண்ணிய துகள்கள்தான் பிரபஞ்சத்தின் பெரும்பான்மைச் சக்தி இயக்கங்கள் பற்றிய வினாக்களுக்கு விடை அளிக்கின்றன.

ஸ்காட் வேக்லி, (Scott Wakely) துணைப் பேராசியர், சிகாகோ பல்கலைக் கழகம். (2006)

இருபதாம் நூற்றாண்டின் ஆரம்பத்திலே புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களும்தான் முதன்முதல் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட மூலாதாரப் பரமாணுக்கள் (Subatomic Particles).  அவை கண்டுபிடிக்கப்பட்ட சமயத்தில் அவைதான் அணுவின் பிளக்க முடியாத மூலப் பரமாணுக்களாய்க் கருதப்பட்டன.  1960 ஆண்டுகளில் அவற்றுக்கும் நுட்பமான துகள்களால் பரமாணுக்கள் உருவாகியுள்ளன என்று அறியப் பட்டது.  புதுமுறைச் சோதனைகள் மூலம் புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகிய பரமாணுக்களின் உறுதியற்ற உள்ளமைப்பை இப்போது அழுத்தமாய்ச் சொல்ல முடிகிறது.

கிளாஸ் ரித் & ஆன்டிரியா சேஃபர் (Klaus Rith & Andreas Schafer)

நுண்துகள் பௌதிகத்தின் நிலை பெற்ற மாதிரி விதி (The Standard Model of Particle Physics) விஞ்ஞான வரலாற்றில் வெற்றியின் உச்சத்திலும், அதைத் தாண்டிய முன்னேற்ற துவக்கத்திலும் கால அச்சின் மீது ஊஞ்சலாடிக் கொண்டிருக்கிறது !

கார்டன் கேன், (Goron Kane) பௌதிகப் பேராசிரியர், மிச்சிகன் பல்கலைக் கழகம்.

உன்னத இழை நியதி பிரபஞ்ச இயக்க நெறியைக் கூறுகிறது

ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டைனின் “பொது ஒப்பியல் நியதி” (General Theory of Relativity) அண்டங்களின் ஈர்ப்புவிசை தோற்ற அமைப்பை விளக்கும் போது, பிரபஞ்சத்தின் கால-வெளி உண்டாக்கும் வளைவே (Space-Time Curvature) ஈர்ப்பு விசையுடன் தொடர்பு கொள்வதாய்க் கூறுகிறது.

நுண்ணிய அணு வடிவைக் கட்டுப்படுத்தும் பிரபஞ்சத் “குவாண்டம் யந்திர விதியில்” (Quantum Mechanics) ஆட்சி செய்பவை அலைகளா அல்லது துகள்களா என்னும் விஞ்ஞானக் கருத்தில் உள்ள உறுதியின்மை இப்போது வெளிப்படையாகத் தெரிகிறது.

“குளுவான்” அல்லது ஒட்டுவான் (Gluon) என்பது அணுவுக்குள்ளே பரமாணுக்களை (Subatomic Particles) ஒன்றாகக் கட்டிப் பிணைத்திருக்கும் ஒருவித வலுவான அணுக்கரு விசை (Nuclear Force) என்னும் புதிய கருத்தை விஞ்ஞானிகள் அறிவித்துள்ளார்கள்.

மிக்க மூலாதாரமான இயற்கை நுண்துள்களின் (Electrons & Quarks) இயக்கப்பாடுகளுக்கு 1960 -1970 ஆண்டுகளில் ஒரு “நிலை பெற்ற இயக்க மாதிரி நியதியை” (Theory of Interactions – Standard Model) விஞ்ஞானிகள் விரிவாக்கினார்கள்.  ஆனால் அந்த மாதிரி நியதி ஈர்ப்பாற்றலைப் பற்றி இன்னும் விளக்க முடியாத நிலையில்தான் உள்ளது.

பிரபஞ்சம் மற்றும் நுண்ணணு இயக்கங்களை ஒருங்கே விளக்கும் ஓர் “ஐக்கிய நியதி” (A Unified Theory of the Universe) துகள் வடிவில்லாத ஒற்றைப் பரிமாணம் கொண்ட “இழை நியதியாக” (One Dimensional Filament – The String Theory) எழுதப்பட்டிருக்கிறது.  ஆனால் இந்த நூதன இழை நியதி ஒவ்வாத பொது ஒப்பியல் நியதியையும், குவாண்டம் யந்திர விதியையும் ஒருங்கே இணைக்கிறது.

பிரபஞ்ச ஐக்கிய நியதிக்கு வழியிடும் உன்னத இழை நியதி  

உன்னத இழை நியதி (Superstring Theory) பெருவெடிப்புக்கு முந்தய சில அடிப்படை விளைவுகளையும் விளக்க உதவுகின்றது !  ஒற்றை நியதியில் இழை நியதி பராமாணுக்கள், அடிப்படை இயற்கை உந்துவிசைகள் (Particles & Fundamental Forces of Nature) யாவும் உன்னத சீரான நுண்ணிழைகளின் அதிர்வுகள் (Vibrations of Tiny Supersymmetric Strings) என்று தெளிவாகக் கூறுகிறது.  பரமாணுக்களின் அணுக்கூண்டில் இயங்கும் “நுண்துகள் ஈர்ப்பாற்றல்” (Quantum Gravity) தன்மைகளை விளக்கும் மகிமை கொண்டது இந்த உன்னத இழை நியதி !  இது ஏறக்குறைய உயிரியல் பிறவி மூலமான “டியென்னே” (DNA) போன்றது பிரமஞ்சத்தின் ஒற்றை உன்னத இழை நியதி என்று வைத்துக் கொள்ளலாம் !

புரட்சிகரமான இந்த இணைப் பிரபஞ்சக் கோட்பாடு எப்போது உதயமானது என்னும் கேள்வி எழுகிறது இப்போது !  உன்னத இழை நியதி, பெருவெளி, கருமைப் பிண்டம் (Superstring Theory, Hyperspace & Dark Matter) ஆகிய புதிய கோட்பாடுகள் எழுதப்பட்டதும் பௌதிக விஞ்ஞானிகள் பிரமஞ்சத்தின் விஞ்ஞானத்தை விளக்க நாமறிந்த நான்கு காலவெளிப் பரிமாணங்கள் மட்டும் போதா வென்றும், அவை மெய்யாகப் பதினொன்று எண்ணிக்கைகள் என்றும் உணர்ந்தார்கள் !  அவ்வித முடிவுக்கு விஞ்ஞானிகள் வந்ததும், அடுத்தோர் முடிவும் உதயமானது !  அதாவது நாமறிந்த பிரபஞ்சமானது எண்ணிற்ற “சவ்வியல் குமிழிகளில்” (Membraneous Bubbles) ஒன்றானது !  சவ்வுக் குமிழிகள் பதினொன்றாம் பரிமாணத்தில் கொந்தளிக்கும் போது அலைகள் எழுகின்றன !

fig-3-fundamental-particles.jpg

பிரபஞ்சத்தின் புதிய அடிப்படைத் துகள்களும் அவற்றின் பிணைப்புகளும்

விண்வெளியில் மினுமினுக்கும் எண்ணிலா விண்மீன்கள் முதலாக நமது மூலாதார டியென்னே (DNA) அணுக்கள் வரை, அனைத்துப் பிண்டங்களும் (Matter) குறிப்பிட்ட சில அடிப்படைத் துகள்களைக் (Fundamental Particles) கொண்டவை.  பிளக்க முடியாது எனக் கருதப்பட்ட அணுக்கருவின் புரோட்டானும், நியூட்ரானும் மிக நுண்ணிய குளுவான்கள் கொண்டவை என்று அறியப்பட்டது.  மூலாதாரமான அந்த நுண்துகள்களை மேலும் பிளக்க முடியாது.  அவை புரோட்டான், நியூட்ரான் போலத் தனித்துக் காணப்படாதவை. பிரித்து எடுக்க முடியாதவை.  1960 ஆம் ஆண்டுக்கு முன்பு விஞ்ஞான மேதைகள் ரூதர்ஃபோர்டு (1871-1937), நீல்ஸ் போஹ்ர் (1885-1962) ஆகியோர் முன்னோடிகளாய் விளக்கிய அணு அமைப்பின் உட்கருவில் புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களும் உள்ளன வென்றும், அவற்றை எலெக்டிரான்கள் சுற்றி வருகின்றன வென்றும் கூறினார்கள்.  அதாவது எலெக்டிரான், புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவை அணுவின் பிளக்க முடியாத அடிப்படைத் துகள்கள் என்று ஒருகாலத்தில் கருதினார்கள்.  அந்தப் பூர்வீகக் கருத்து 1960 ஆண்டுகளில் மாறிவிட்டது.

1960-1970 ஆண்டுகளில் அடிப்படைத் துகள்கள் பற்றிய பூர்வீக அணுவியல் அமைப்புச் சித்தாந்தம், பின்னால் வந்த விஞ்ஞானிகளால் திருத்தப் பட்டது.  பிரபஞ்சத்தின் புதிய அடிப்படைத் துகள்களில் முதலாகக் “குவார்க்குகள்”  (Quarks) என்பவை அறியப் பட்டது.  குவார்க்குகளை அசுர வலுவுடன் பிணைத்துள்ள “குளுவான்” (Gluon) பற்றி அறியப்பட்டது.  ஆறு வகையான குவார்க்குகள் இருப்பது தெரிய வந்தது.  அதாவது குவார்க்குகள் << மேல், கீழ், நளினம், நூதனம், உச்சம், நீச்சம் >> (Up, Down, Charm, Strange, Top, Bottom) என்று ஆறு விதத்தில் நினைவில் நிற்கும் எளிய பெயர்களில் குறிப்பிடப் பட்டன.  பளுவின்றி மெலிந்த குவார்க்குகள் “மேல்,” “கீழ்” என்று இரு விதத்தில் இருப்பவை.  குவார்க்குகள் இரண்டும் பொதுவாக அணுவின் உட்கருவில் உள்ள புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவற்றில் இருப்பவை.

from-atom-to-quarks.jpg

பிரபஞ்சத்தில் குவார்க்குகள் வலுமிக்க விசையால் (Strongest Force) ஒன்றை ஒன்று இறுக்கமாகப் பிணைத்துக் கொண்டுள்ளன.  அதாவது குவார்க்குகள் தனியாக இருக்க மாட்டா !  ஒரு குவார்க் மற்ற குவார்க்குடன் வலுவுள்ள விசையால் பரமாணுக்களுக்குள் எப்போதும் இணைந்தே இருப்பது.  அந்த வலுவான விசை குளுவான் அல்லது ஒட்டுவான் (Gluon) என்று அழைக்கப் படுகிறது. அப்படிப்பட்ட அடிப்படைத் துகள்களால் கட்டப் பட்டவையே இந்த பிரபஞ்சமும் அதன் உள்ளே நகரும் கோடான கோடிப் பிண்டப் பொருட்களும் என்பது அறியப்படுகிறது.  அத்தகைய மூலாதாரக் குவார்க்கையும் அவற்றைப் பிணைத்துள்ள அசுர வலுவான விசையையும் ஆழ்ந்து அறிவதே இப்போது விஞ்ஞானிகளின் பிரதமக் குறிக்கோளாக உள்ளது.  பூமியின் மீது பொழிந்து விழும் அகிலக் கதிர்களில் (Cosmic Rays) ஏராளமான அடிப்படைத் துகள்கள் உள்ளன !  அவற்றில் 90% புரோட்டான்கள், எலெக்டிரான்கள்.  அவற்றைத் தவிர மேஸான், நியூட்ரினோ, பாஸிட்ரான், மியூவான், சியான் போன்றவையும் விழுகின்றன.

தற்போதிருக்கும் விஞ்ஞானக் கருவிகளால் அளக்க முடியாதபடிக் குவார்க்குகள் மிக மிக நுண்ணியவை.  அவற்றின் பளுவை நிறுக்க முடியாது.  குவார்க்குகளைப் பிரிக்க முடியாது.  ஒரு புரோட்டானைப் பிளக்க முயலும் போது, குவார்க்குகள் பத்து டன் விசை வலுவுடன் ஒட்டிக் கொள்கின்றன.  அவை மிக நுட்பமாக இருப்பதால் புரோட்டானுள் பில்லியனில் ஓரளவான இடத்தைப் பிடித்துக் கொள்கிறது.  புரோட்டான் பளுவிலும் மிகச் சிறிய விகிதமாகக் குவார்க் உள்ளது.  புரோட்டானில் குவார்க்குகள் அடைத்துக் கொண்ட சிற்றிடம் போகக் காலியாகக் கிடக்கும் இடத்தில் இருப்பதென்ன என்னும் வினா எழுகிறது.  அந்தக் காலி மனையில்தான் குளுவான் எனப்படும் பிசின் குவார்க்குகளைப் பிணைக்கும் ஒட்டு விசையாக நிரப்பிக் கொண்டுள்ளது !  அத்தகைய குவார்க், குளுவான் பிசினே பிரபஞ்சத்தின் 98% பளுவாகவும் பரவியுள்ளது !  இயற்கையானது கோடான கோடி முறைகளில் பளுவில்லா குவார்க்குகளையும், வலுவான குளுவான்களால் பிணைத்து பிரபஞ்சத்தைப் படைத்துள்ளது !

fundamental-particles-chart.jpg

(தொடரும்)

*****************************

Image Credits : Scientific American (May 2003)

தகவல்:

1.  Astronomy’s Explore the Universe 8th Edition (2002) December 31, 2001

2.  National Geographic Magazine (1982) Frontiers of Science The Family of the Sun By: Bradford Smith Ph. D. Professor of Planetary Sciences, The University of Arizona.

3.  National Geographic Magazine (1975) Amazing Universe, The Family of Stars By: Herbert Friedman.

4.  Internet Article “Stellar Evolution”

5. Majestic Universe By: Serge Brunier (1999)

6. Neutron Stars & Pulsars -From the Internet Sources (December 2006)

7. Parallel Universe – BBC Information (February 14, 2002)

8. Scientific American “Parallel Universes” By Max Tegmark, Professor of Physics & Astronomy, University of Pennsylvania (May 2003)

9. Parallel Worlds (The Science of Alternate Universes & Our Future in the Cosmos) By : Michio Kaku  (2005)

10. 50 Greatest Mysteries of the Universe – Astronomy Magazine (August 21, 2007)

11  Astronomy Magazine – What Particle Physics Says about the Universe By: Scott Wakely (September 2006)

12  Scientic American – ” The Mystery o Nucleon (Protons & Neutrons) Spin ”  By : Klaus Rith & Andreas Schafer (July 1999)

13  Scientific American ” The Dawn of Physics Beyond the Standard Model ” By : Gordon Kane Professor of Physics, University of Michigan  (February 20, 2006)

14.  https://idw-online.de/en/news639908  [October 21, 20125]

15.  http://magneticum.org/   [October 21, 2015]

16.  http://www.universe-cluster.de/public-outreach/press-releases/mitteilung/article//Magneticum-Pathfinder-The-evolution-of-the-universe-in-an-unmatched-precision/?  [October 21, 2015]

17.  http://www.magneticum.org/simulations.html  [September 3, 2015]

18.  http://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=3925  [October 23, 2015]

19.  http://myinforms.com/en/a/17961379-magneticum-pathfinder-evolution-of-the-universe-in-unmatched-precision/  [October 21, 2015]

20.  http://www.supercomputingonline.com/latest/58908-dolag-builds-largest-simulation-within-the-magneticum-pathfinder  [October 22, 2015]

21.  www.dailygalaxy.com/my_weblog/2015/11/new-insights-into-subatomic-particles-could-change-how-we-understand-the-formation-of-the-universe.html?  [November 20, 2015]

*******************************
S. Jayabarathan (jayabarathans@gmail.com)  November 21, 2015

பிரபஞ்சப் பெரு வெடிப்பில்
பொரி உருண்டை சிதறித்
துகளாகித்
துண்டமாகிப் பிண்டமாகித்
துணுக்காகிப்
பிண்டத்தில் பின்னமாகி
அணுவாகி,
அணுவுக்குள் அணுவான
பரமாணு வாகித்
திரண்டு
பல்வேறு மூலகமாய்ப் பின்னி
மூலக்கூறாகி
தொடர்ப் பிளவில்
பேரளவுச் சக்தி வெளியேற்றி
நுண்துகள்கள் பிணைந்து
பேரொளி வீசிப்
பிரமாண்டப் பிழம்பாகி,
விண்மீன்களாகி
பால்மய வீதியாகி, அதனுள் நீந்தும்
பரிதி மண்டலமாகிக்
கோள்கள்
பம்பரமாய்ச் சுழலும் பந்துகளான,
பிரபஞ்சத் தோற்ற
வளர்ச்சியைக் கணினிப் போலி
வடிவமைப்பாய்
விஞ்ஞானிகள் படைத்து,
விந்தை புரிகிறார் !

+++++++++++

Magneticum Pathfinder

முதன்முறையாக பிரபஞ்சத்தின் பல்வேறு பண்பாட்டு உடன்பாடுகளை விளக்கமாகப் போலிக் கணினி வடிவமைப்புகள் [Computer Simulations] மூலமாக, நாசாவின் ஹப்பிள், பிளாங்க் விண்ணோக்கிகள் வழியே காணப் பெற்ற பேரளவு வானியல் தள ஆய்வுகளுடன் [Large-Scale Astronomical Surveys] ஒப்புநோக்க உதவி புரிந்தன.   இவ்விதம் காந்தப் பங்கு வழிமுறை [Magneticum Pathfinder] கணினி மூலமாகப் பிரபஞ்சவியல் [Cosmology] விஞ்னானத்தில் புதிய யுகத்தைத் துவக்கி வைத்தது.  இப்பணி பத்தாண்டு ஆராய்ச்சி மேம்பாடுகளில் சாதிக்கப் பட்டது.  இந்த திட்டப் பிரச்சனையின் மிகப் பெரும் சவால், போலி வடிவமைக்கும், வானியல் பௌதிக மாடலுக்கும் ஏற்ற தனிக்குறியீடுத் [Code] தேர்ச்சியே. அக்குறியீடு மாறிடும் தொழிநுணுக்கம், சாதனங்களுக்கு ஏற்ப வேறுபட வேண்டும்.
கிளாவுஸ் டோலாக்  [கோட்பாடு வானியல் பௌதிக விஞ்ஞானி] [LMU Ludwig Maximilians University Munich, Germany]

building-blocks-of-the-universe1.jpg 

புலப்படும் பிரபஞ்சப் பிண்டத்தின் தனித்துவ கணினி நீர்மைத் துடிப்பு போலி வடிவமைப்பு [Computer Hydrodynamic Simulation]

நவீனப் பிரபஞ்சவியலில் [Cosmology] பெருவெடிப்பு பிரபஞ்சத் துவக்கம், பிண்டப் படைப்பு, காலவெளித் தோற்றம் ஆகியவை 13.8 பில்லியன் ஆண்டுக்கு முன்பு உருவாகி இருக்க வேண்டும் என்று கருதப் படுகிறது. அதுமுதல் வாயு, தூசி, விண்மீன்கள் பின்னிப் பிணைத்துக் கண்ணுக்குத் தெரியும் பில்லியன் கணக்கான காலக்ஸி [ஒளிமந்தைகள்] அமைப்புகள், ஈர்ப்பு விசை கொண்டுள்ள அண்டக் கோள்கள், அவற்றின் நடுவே உள்ள பேரசுர வல்லமை கொண்ட பெருநிறைக் கருந்துளைகள் [Supermassive Black Holes] போன்றவை எல்லாம் பிரபஞ்சம் ஆரம்ப நிலையில் இருந்த போது எப்படி உருவாயின ? இதற்குப் பதில் கூற வானியல் விஞ்ஞானிகள் பிரபஞ்சவியல் போலி வடிவமைப்பு [Cosmological Simulations] முறைகளைப் பூதக் கணினிகள் மூலம் ஆராய வேண்டிய தாயிற்று.  அதாவது நமது பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய நமது பல பில்லியன் ஆண்டு கால விஞ்ஞான அறிவை உன்னதக் கணினிகள் மூலம் பெருங்கணித மாடல்களாக [Huge Mathematical Models] மாற்றி விட்டார்.

Computer simulation -1

இந்த விஞ்ஞானத் திட்டம்தான் காந்தப் பங்கு வழிமுறைத் திட்டம் [Magneticum Pathfinder Project]  எனப்படுவது.  திட்டக் குழுத் தலைமை விஞ்ஞானி மியூனிக் பல்கலைக் கழகத்தின் கிளாவுஸ் டோலாக்  [Klaus Dolag (LMU) Ladwig Maximilians University Munich, Germany].  அவர் எடுத்துக் கொண்ட மூன்று பிரபஞ்ச உறுப்புகள் : கருஞ்சக்தி, கரும்பிண்டம், காணும் பிண்டம் [Dark Energy, Dark Matter & Visible Matter].  

அவர் பின்பற்றிய மூன்று இயற்கை இயக்கங்கள் :

  1. புலப்படும் பிண்டம் சுழற்சியில் குவிந்து விண்மீன்கள் உருவாவது.
  2. தோற்ற வளர்ச்சியில் சுற்றியுள்ள பிண்டம் சூரியப் புயல்களில் சூடாகி சூப்பர்நோவா வெடிப்பில் பல்வேறு மூலகங்கள் [Chemical Elements] உண்டாவது.
  3. பூதத் திணிவு கருந்துளைகள் பின் விளைவால் பேரளவு சக்தியை வெளியேற்றுவது.

மிக விளக்கமான பேரளவுப் போலி வடிவமைப்புச் சதுரம் 12.5 பில்லியன் ஒளியாண்டு தூரத்தைக் கொண்டது. இப்பணி செய்து முடிக்க இரண்டு ஆண்டுகள் எடுத்தன.  இதுவரை இத்தகைய பேரளவு விண்வெளியை யாரும் கணினிப் போலி வடிவில் காட்டியதில்லை.  இந்த அசுரச் சாதனை செய்து முடிக்க  விஞ்ஞானிகளுக்குப் பத்தாண்டுகள் பிடித்தன.

+++++++++++++++++++

six-types-of-quarks.jpg

புரிந்தும் புரியாத பிரபஞ்சப் புதிர்கள் !

அது விட்டுப் போவ தில்லை இன்னும் !
அதை உணர்வேன், ஆனால் புரிவ தில்லை !
கையில் பற்றவும் முடிய வில்லை !
மறந்து போகவும் இயல வில்லை !
அது முழுவதும் அகப் பட்டால்
அளக்க முடிய வில்லை என்னால் !

ரிச்சர்டு வாக்னர், ஜெர்மன் இசைக்கலைஞர் [Richard Wagner (1813-1883)]

மாபெரும் சக்தி வாய்ந்த மிக நுண்ணிய துகள்கள்தான் பிரபஞ்சத்தின் பெரும்பான்மைச் சக்தி இயக்கங்கள் பற்றிய வினாக்களுக்கு விடை அளிக்கின்றன.

ஸ்காட் வேக்லி, (Scott Wakely) துணைப் பேராசியர், சிகாகோ பல்கலைக் கழகம். (2006)

இருபதாம் நூற்றாண்டின் ஆரம்பத்திலே புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களும்தான் முதன்முதல் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட மூலாதாரப் பரமாணுக்கள் (Subatomic Particles).  அவை கண்டுபிடிக்கப்பட்ட சமயத்தில் அவைதான் அணுவின் பிளக்க முடியாத மூலப் பரமாணுக்களாய்க் கருதப்பட்டன.  1960 ஆண்டுகளில் அவற்றுக்கும் நுட்பமான துகள்களால் பரமாணுக்கள் உருவாகியுள்ளன என்று அறியப் பட்டது.  புதுமுறைச் சோதனைகள் மூலம் புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகிய பரமாணுக்களின் உறுதியற்ற உள்ளமைப்பை இப்போது அழுத்தமாய்ச் சொல்ல முடிகிறது.

கிளாஸ் ரித் & ஆன்டிரியா சேஃபர் (Klaus Rith & Andreas Schafer)

நுண்துகள் பௌதிகத்தின் நிலை பெற்ற மாதிரி விதி (The Standard Model of Particle Physics) விஞ்ஞான வரலாற்றில் வெற்றியின் உச்சத்திலும், அதைத் தாண்டிய முன்னேற்ற துவக்கத்திலும் கால அச்சின் மீது ஊஞ்சலாடிக் கொண்டிருக்கிறது !

கார்டன் கேன், (Goron Kane) பௌதிகப் பேராசிரியர், மிச்சிகன் பல்கலைக் கழகம்.

உன்னத இழை நியதி பிரபஞ்ச இயக்க நெறியைக் கூறுகிறது

ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டைனின் “பொது ஒப்பியல் நியதி” (General Theory of Relativity) அண்டங்களின் ஈர்ப்புவிசை தோற்ற அமைப்பை விளக்கும் போது, பிரபஞ்சத்தின் கால-வெளி உண்டாக்கும் வளைவே (Space-Time Curvature) ஈர்ப்பு விசையுடன் தொடர்பு கொள்வதாய்க் கூறுகிறது.

நுண்ணிய அணு வடிவைக் கட்டுப்படுத்தும் பிரபஞ்சத் “குவாண்டம் யந்திர விதியில்” (Quantum Mechanics) ஆட்சி செய்பவை அலைகளா அல்லது துகள்களா என்னும் விஞ்ஞானக் கருத்தில் உள்ள உறுதியின்மை இப்போது வெளிப்படையாகத் தெரிகிறது.

“குளுவான்” அல்லது ஒட்டுவான் (Gluon) என்பது அணுவுக்குள்ளே பரமாணுக்களை (Subatomic Particles) ஒன்றாகக் கட்டிப் பிணைத்திருக்கும் ஒருவித வலுவான அணுக்கரு விசை (Nuclear Force) என்னும் புதிய கருத்தை விஞ்ஞானிகள் அறிவித்துள்ளார்கள்.

மிக்க மூலாதாரமான இயற்கை நுண்துள்களின் (Electrons & Quarks) இயக்கப்பாடுகளுக்கு 1960 -1970 ஆண்டுகளில் ஒரு “நிலை பெற்ற இயக்க மாதிரி நியதியை” (Theory of Interactions – Standard Model) விஞ்ஞானிகள் விரிவாக்கினார்கள்.  ஆனால் அந்த மாதிரி நியதி ஈர்ப்பாற்றலைப் பற்றி இன்னும் விளக்க முடியாத நிலையில்தான் உள்ளது.

பிரபஞ்சம் மற்றும் நுண்ணணு இயக்கங்களை ஒருங்கே விளக்கும் ஓர் “ஐக்கிய நியதி” (A Unified Theory of the Universe) துகள் வடிவில்லாத ஒற்றைப் பரிமாணம் கொண்ட “இழை நியதியாக” (One Dimensional Filament – The String Theory) எழுதப்பட்டிருக்கிறது.  ஆனால் இந்த நூதன இழை நியதி ஒவ்வாத பொது ஒப்பியல் நியதியையும், குவாண்டம் யந்திர விதியையும் ஒருங்கே இணைக்கிறது.

பிரபஞ்ச ஐக்கிய நியதிக்கு வழியிடும் உன்னத இழை நியதி  

உன்னத இழை நியதி (Superstring Theory) பெருவெடிப்புக்கு முந்தய சில அடிப்படை விளைவுகளையும் விளக்க உதவுகின்றது !  ஒற்றை நியதியில் இழை நியதி பராமாணுக்கள், அடிப்படை இயற்கை உந்துவிசைகள் (Particles & Fundamental Forces of Nature) யாவும் உன்னத சீரான நுண்ணிழைகளின் அதிர்வுகள் (Vibrations of Tiny Supersymmetric Strings) என்று தெளிவாகக் கூறுகிறது.  பரமாணுக்களின் அணுக்கூண்டில் இயங்கும் “நுண்துகள் ஈர்ப்பாற்றல்” (Quantum Gravity) தன்மைகளை விளக்கும் மகிமை கொண்டது இந்த உன்னத இழை நியதி !  இது ஏறக்குறைய உயிரியல் பிறவி மூலமான “டியென்னே” (DNA) போன்றது பிரமஞ்சத்தின் ஒற்றை உன்னத இழை நியதி என்று வைத்துக் கொள்ளலாம் !

புரட்சிகரமான இந்த இணைப் பிரபஞ்சக் கோட்பாடு எப்போது உதயமானது என்னும் கேள்வி எழுகிறது இப்போது !  உன்னத இழை நியதி, பெருவெளி, கருமைப் பிண்டம் (Superstring Theory, Hyperspace & Dark Matter) ஆகிய புதிய கோட்பாடுகள் எழுதப்பட்டதும் பௌதிக விஞ்ஞானிகள் பிரமஞ்சத்தின் விஞ்ஞானத்தை விளக்க நாமறிந்த நான்கு காலவெளிப் பரிமாணங்கள் மட்டும் போதா வென்றும், அவை மெய்யாகப் பதினொன்று எண்ணிக்கைகள் என்றும் உணர்ந்தார்கள் !  அவ்வித முடிவுக்கு விஞ்ஞானிகள் வந்ததும், அடுத்தோர் முடிவும் உதயமானது !  அதாவது நாமறிந்த பிரபஞ்சமானது எண்ணிற்ற “சவ்வியல் குமிழிகளில்” (Membraneous Bubbles) ஒன்றானது !  சவ்வுக் குமிழிகள் பதினொன்றாம் பரிமாணத்தில் கொந்தளிக்கும் போது அலைகள் எழுகின்றன !

fig-3-fundamental-particles.jpg

பிரபஞ்சத்தின் புதிய அடிப்படைத் துகள்களும் அவற்றின் பிணைப்புகளும்

விண்வெளியில் மினுமினுக்கும் எண்ணிலா விண்மீன்கள் முதலாக நமது மூலாதார டியென்னே (DNA) அணுக்கள் வரை, அனைத்துப் பிண்டங்களும் (Matter) குறிப்பிட்ட சில அடிப்படைத் துகள்களைக் (Fundamental Particles) கொண்டவை.  பிளக்க முடியாது எனக் கருதப்பட்ட அணுக்கருவின் புரோட்டானும், நியூட்ரானும் மிக நுண்ணிய குளுவான்கள் கொண்டவை என்று அறியப்பட்டது.  மூலாதாரமான அந்த நுண்துகள்களை மேலும் பிளக்க முடியாது.  அவை புரோட்டான், நியூட்ரான் போலத் தனித்துக் காணப்படாதவை. பிரித்து எடுக்க முடியாதவை.  1960 ஆம் ஆண்டுக்கு முன்பு விஞ்ஞான மேதைகள் ரூதர்ஃபோர்டு (1871-1937), நீல்ஸ் போஹ்ர் (1885-1962) ஆகியோர் முன்னோடிகளாய் விளக்கிய அணு அமைப்பின் உட்கருவில் புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களும் உள்ளன வென்றும், அவற்றை எலெக்டிரான்கள் சுற்றி வருகின்றன வென்றும் கூறினார்கள்.  அதாவது எலெக்டிரான், புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவை அணுவின் பிளக்க முடியாத அடிப்படைத் துகள்கள் என்று ஒருகாலத்தில் கருதினார்கள்.  அந்தப் பூர்வீகக் கருத்து 1960 ஆண்டுகளில் மாறிவிட்டது.

1960-1970 ஆண்டுகளில் அடிப்படைத் துகள்கள் பற்றிய பூர்வீக அணுவியல் அமைப்புச் சித்தாந்தம், பின்னால் வந்த விஞ்ஞானிகளால் திருத்தப் பட்டது.  பிரபஞ்சத்தின் புதிய அடிப்படைத் துகள்களில் முதலாகக் “குவார்க்குகள்”  (Quarks) என்பவை அறியப் பட்டது.  குவார்க்குகளை அசுர வலுவுடன் பிணைத்துள்ள “குளுவான்” (Gluon) பற்றி அறியப்பட்டது.  ஆறு வகையான குவார்க்குகள் இருப்பது தெரிய வந்தது.  அதாவது குவார்க்குகள் << மேல், கீழ், நளினம், நூதனம், உச்சம், நீச்சம் >> (Up, Down, Charm, Strange, Top, Bottom) என்று ஆறு விதத்தில் நினைவில் நிற்கும் எளிய பெயர்களில் குறிப்பிடப் பட்டன.  பளுவின்றி மெலிந்த குவார்க்குகள் “மேல்,” “கீழ்” என்று இரு விதத்தில் இருப்படுபவை.  குவார்க்குகள் இரண்டும் பொதுவாக அணுவின் உட்கருவில் உள்ள புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவற்றில் இருப்பவை.

from-atom-to-quarks.jpg

பிரபஞ்சத்தில் குவார்க்குகள் வலுமிக்க விசையால் (Strongest Force) ஒன்றை ஒன்று இறுக்கமாகப் பிணைத்துக் கொண்டுள்ளன.  அதாவது குவார்க்குகள் தனியாக இருக்க மாட்டா !  ஒரு குவார்க் மற்ற குவார்க்குடன் வலுவுள்ள விசையால் பரமாணுக்களுக்குள் எப்போதும் இணைந்தே இருப்பது.  அந்த வலுவான விசை குளுவான் அல்லது ஒட்டுவான் (Gluon) என்று அழைக்கப் படுகிறது. அப்படிப்பட்ட அடிப்படைத் துகள்களால் கட்டப் பட்டவையே இந்த பிரபஞ்சமும் அதன் உள்ளே நகரும் கோடான கோடிப் பிண்டப் பொருட்களும் என்பது அறியப்படுகிறது.  அத்தகைய மூலாதாரக் குவார்க்கையும் அவற்றைப் பிணைத்துள்ள அசுர வலுவான விசையையும் ஆழ்ந்து அறிவதே இப்போது விஞ்ஞானிகளின் பிரதமக் குறிக்கோளாக உள்ளது.  பூமியின் மீது பொழிந்து விழும் அகிலக் கதிர்களில் (Cosmic Rays) ஏராளமான அடிப்படைத் துகள்கள் உள்ளன !  அவற்றில் 90% புரோட்டான்கள், எலெக்டிரான்கள்.  அவற்றைத் தவிர மேஸான், நியூட்ரினோ, பாஸிட்ரான், மியூவான், சியான் போன்றவையும் விழுகின்றன.

தற்போதிருக்கும் விஞ்ஞானக் கருவிகளால் அளக்க முடியாதபடிக் குவார்க்குகள் மிக மிக நுண்ணியவை.  அவற்றின் பளுவை நிறுக்க முடியாது.  குவார்க்குகளைப் பிரிக்க முடியாது.  ஒரு புரோட்டானைப் பிளக்க முயலும் போது, குவார்க்குகள் பத்து டன் விசை வலுவுடன் ஒட்டிக் கொள்கின்றன.  அவை மிக நுட்பமாக இருப்பதால் புரோட்டானுள் பில்லியனில் ஓரளவான இடத்தைப் பிடித்துக் கொள்கிறது.  புரோட்டான் பளுவிலும் மிகச் சிறிய விகிதமாகக் குவார்க் உள்ளது.  புரோட்டானில் குவார்க்குகள் அடைத்துக் கொண்ட சிற்றிடம் போகக் காலியாகக் கிடக்கும் இடத்தில் இருப்பதென்ன என்னும் வினா எழுகிறது.  அந்தக் காலி மனையில்தான் குளுவான் எனப்படும் பிசின் குவார்க்குகளைப் பிணைக்கும் ஒட்டு விசையாக நிரப்பிக் கொண்டுள்ளது !  அத்தகைய குவார்க், குளுவான் பிசினே பிரபஞ்சத்தின் 98% பளுவாகவும் பரவியுள்ளது !  இயற்கையானது கோடான கோடி முறைகளில் பளுவில்லா குவார்க்குகளையும், வலுவான குளுவான்களால் பிணைத்து பிரபஞ்சத்தைப் படைத்துள்ளது !

fundamental-particles-chart.jpg

(தொடரும்)

*****************************

Image Credits : Scientific American (May 2003)

தகவல்:

1.  Astronomy’s Explore the Universe 8th Edition (2002) December 31, 2001

2.  National Geographic Magazine (1982) Frontiers of Science The Family of the Sun By: Bradford Smith Ph. D. Professor of Planetary Sciences, The University of Arizona.

3.  National Geographic Magazine (1975) Amazing Universe, The Family of Stars By: Herbert Friedman.

4.  Internet Article “Stellar Evolution”

5. Majestic Universe By: Serge Brunier (1999)

6. Neutron Stars & Pulsars -From the Internet Sources (December 2006)

7. Parallel Universe – BBC Information (February 14, 2002)

8. Scientific American “Parallel Universes” By Max Tegmark, Professor of Physics & Astronomy, University of Pennsylvania (May 2003)

9. Parallel Worlds (The Science of Alternate Universes & Our Future in the Cosmos) By : Michio Kaku  (2005)

10. 50 Greatest Mysteries of the Universe – Astronomy Magazine (August 21, 2007)

11  Astronomy Magazine – What Particle Physics Says about the Universe By: Scott Wakely (September 2006)

12  Scientic American – ” The Mystery o Nucleon (Protons & Neutrons) Spin ”  By : Klaus Rith & Andreas Schafer (July 1999)

13  Scientific American ” The Dawn of Physics Beyond the Standard Model ” By : Gordon Kane Professor of Physics, University of Michigan  (February 20, 2006)

14.  https://idw-online.de/en/news639908  [October 21, 20125]

15.  http://magneticum.org/   [October 21, 2015]

16.  http://www.universe-cluster.de/public-outreach/press-releases/mitteilung/article//Magneticum-Pathfinder-The-evolution-of-the-universe-in-an-unmatched-precision/?  [October 21, 2015]

17.  http://www.magneticum.org/simulations.html  [September 3, 2015]

18.  http://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=3925  [October 23, 2015]

19.  http://myinforms.com/en/a/17961379-magneticum-pathfinder-evolution-of-the-universe-in-unmatched-precision/  [October 21, 2015]

20.  http://www.supercomputingonline.com/latest/58908-dolag-builds-largest-simulation-within-the-magneticum-pathfinder  [October 22, 2015]

21.  www.dailygalaxy.com/my_weblog/2015/11/new-insights-into-subatomic-particles-could-change-how-we-understand-the-formation-of-the-universe.html?  [November 20, 2015]

*******************************
S. Jayabarathan (jayabarathans@gmail.com)  November 21, 2015

One thought on “துல்லிய ஒப்பற்ற நவீனப் போலிப் பூதக் கணினி வடிவமைப்பு முறையில் பிரபஞ்சப் படிப்படித் தோற்ற வளர்ச்சி ஆய்வுகள்

Leave a Reply

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 / Change )

Twitter picture

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

Facebook photo

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

Google+ photo

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

Connecting to %s