বস্তুর মৌলিক উপাদান বা ‘দ্য আলটিমেট বিল্ডিং ব্লক অব ম্যাটার’ হিসেবে অ্যাটম বা পরমাণুর ধারণাটি এসেছিল গ্রিক দার্শনিক ডেমোক্রিটাসের কাছ থেকে, প্রায় আড়াই হাজার বছর আগে। তবে এই ধারণার পরিচর্যা হয়নি বহুকাল, মানুষ প্রায় ভুলেই গিয়েছিল এর কথা। উনিশ শতকের গোড়ার দিকে ধারণাটিকে আবার ফিরিয়ে আনেন ইংরেজ রসায়নবিদ জন ডালটন। তারপর থেকে ১৮৯৭ সালের আগ পর্যন্ত পরমাণুকেই মৌলিক কণা বলে ভাবা হয়েছে, যা অবিভাজ্য ও অবিনশ্বর। পরমাণুর ভেতরেও যে আরও কিছু থাকতে পারে বা পরমাণুকেও যে ভাঙা যায়, এসব কেউ ভাবেনইনি। ১৮৯৭ সালে জোসেফ জন থমসন ইলেকট্রন আবিষ্কার করে এক নতুন জগতের দ্বার উন্মোচন করেন, সেই জগতের নাম কণা পদার্থবিজ্ঞান বা পার্টিকেল ফিজিকস। অবশ্য তখনো এই নামকরণ হয়নি, ওটা কেবল শুরুর কথা। কিন্তু পরের ৫০ থেকে ৬০ বছর ধরে এত অজস্র মৌলিক কণা আবিষ্কার হতে থাকে যে কণা পদার্থবিজ্ঞান নামে শাখাটির জন্ম অনিবার্য হয়ে পড়ে। ওসব বিষয়ে যাওয়ার আগে ছোট্ট করে ইলেকট্রন আবিষ্কারের গল্পটি বলি।
থমসনের আবিষ্কারের আগে থেকেই ডিসচার্জ টিউব ব্যাপারটি বিজ্ঞানীদের কাছে পরিচিত ছিল। এর এক প্রান্তে থাকে একটা ধাতব পাত। একে অ্যানোড বলা হয়। এই প্রান্তটি ধনাত্মক। অন্য প্রান্তেও একটি পাত থাকে, তবে তারযুক্ত, এর নাম হলো ক্যাথোড। এটি ঋণাত্মক। টিউবটিকে বায়ুশূন্য করে তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎপ্রবাহ পাঠালে এবং অ্যানোডটিকে উঁচু ধনাত্মক ভোল্টেজে রাখলে ক্যাথোড থেকে অ্যানোডের দিকে গ্যাসের একটা উজ্জ্বল রেখা দেখা যায়। এই উজ্জ্বল রেখাটির নামই ক্যাথোড রশ্মি। এটি আসলে কী, তা নিয়ে বিতর্ক ছিল তখন। কেউ কেউ মনে করতেন, এটি একধরনের শক্তির বিকিরণ, মানে একধরনের আলো। আবার কেউ কেউ মনে করতেন, এগুলো একধরনের কণা। কিন্তু দেখা গেল, টিউবের কাছাকাছি চুম্বক নিয়ে এলে ক্যাথোড রশ্মিটি সরে যায়, মানে প্রভাবিত হয়। রশ্মিটি শক্তির বিকিরণ হলে চুম্বকের দ্বারা প্রভাবিত হওয়ার কথা নয়, তার মানে এটা আলো নয়। তাহলে কী?
১৮৯৭ সালে থমসন পরীক্ষা করে দেখলেন, এই রশ্মির চার্জ ও ভরের অনুপাত বের করা সম্ভব এবং নিশ্চিত হলেন এটি আসলে একধরনের কণার সমষ্টি। এবং যেহেতু কণাগুলো ক্যাথোড থেকে অ্যানোডের দিকে যায়, মানে ধনাত্মক দিকে যাত্রা করে, তার মানে এটা ঋণাত্মক চার্জবাহী কণা। এই কণাটিরই নাম দেওয়া হলো ইলেকট্রন। মজার ব্যাপার হলো, এর পরের অর্ধশতকে অসংখ্য কণা আবিষ্কৃত হয়েছে। শুরুতে তাদের মৌলিক কণা মনে হলেও পরে দেখা গেছে তাদের অনেকেই অন্য কোনো কণা দিয়ে গঠিত। কিন্তু ইলেকট্রন স্বমহিমায় তার অবস্থান ধরে রাখতে পেরেছে। মৌলিক কণাগুলোর মধ্যে এটিই সবচেয়ে হালকা এবং এটা ভেঙে গিয়ে কখনো অন্য কোনো কণা তৈরি করে না।
থমসন অবশ্য ইলেকট্রন আবিষ্কার করেই থেমে যাননি, একে পরমাণুর ভেতরকার একধরনের কণা হিসেবে ধরে নিয়ে একটা মডেল প্রস্তাব করেন। তাতে বলা হয়, একটা পরমাণু মূলত ধনাত্মক আধান দিয়ে তৈরি, যেখানে ইলেকট্রনগুলো পুঁতে রাখা আছে। পরমাণুর গঠন সম্পর্কে এটাই ছিল প্রথম অভিমত।
থমসনের এই আবিষ্কারের পর এবং পরমাণুর মডেল আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য রাদারফোর্ড একটি পরীক্ষা করেন। তিনি উপলব্ধি করেন, পরমাণুর ভেতরে ধনাত্মক চার্জগুলো মোটেই ছড়িয়ে-ছিটিয়ে নেই, সেগুলো একটা কেন্দ্রে জড়ো হয়ে আছে। সেই নামকরণ করা হলো ‘নিউক্লিয়াস’ হিসেবে (নিউক্লিয়াস শব্দটি এসেছে গ্রিক শব্দ থেকে, যার অর্থ ছোট বাদাম)। রাদারফোর্ড আরও বলেন, ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের চারপাশে ঘুরে বেড়াচ্ছে।
ধনাত্মক কণাগুলোর নামকরণ করা হয় আরও কয়েক বছর পর, ‘প্রোটন’ হিসেবে (প্রোটন শব্দটিও গ্রিক, যার অর্থ প্রথম)। প্রোটনের চার্জ ইলেকট্রনের সমান, কিন্তু এটি ইলেকট্রনের চেয়ে প্রায় ১ হাজার ৮৩৬ গুণ ভারী। তবে এখানেই পরমাণুর মডেল পূর্ণাঙ্গতা পেল না। ১৯৩২ সালে নিউক্লিয়াসের ভেতরে আরেকটি কণার অস্ত্বিত্ব খুঁজে পেলেন বিজ্ঞানীরা, বিশেষ করে জেমস চ্যাডউইক। এই কণাটি চার্জ নিরপেক্ষ, তবে ভর প্রায় প্রোটনের সমান। এর নাম দেওয়া হলো নিউট্রন।
অবশ্য মৌলিক কণা আবিষ্কারের এই ব্যাপারগুলো এ রকম ধারাবাহিকভাবে ঘটেছে তা নয়, ১৮৯৭ থেকে ১৯৩২ সালের মধ্যে অর্থাৎ ইলেকট্রন-প্রোটন-নিউট্রন আবিষ্কারের এই সময়কালেই আরও কিছু মৌলিক কণা ধরা পড়েছে বিজ্ঞানীদের চিন্তায় ও ল্যাবরেটরির পরীক্ষায়। এবার তেমনই কয়েকটির কথা বলা যাক।
প্রথমেই আসবে ফোটনের প্রসঙ্গ। ফোটন হলো আলোর কণা। এখন আমরা যত সহজে আলোর কণার কথা বলি, প্রথমবার বলাটা কিন্তু অতটা সহজ ছিল না। কারণ, আলোর তরঙ্গধর্মের কথা বহু আগে থেকেই জানা ছিল, সেই ধর্মের নানা রকম প্রমাণও ছিল। যদিও বহুকাল আগে নিউটন আলোকে করপাসল নামের অতিক্ষুদ্র স্থিতিস্থাপক কণার সমষ্টি হিসেবে সংজ্ঞায়িত করেছিলেন, কিন্তু আলোর তরঙ্গধর্মের আবিষ্কার ও এর প্রমাণের পরিপ্রেক্ষিতে নিউটনের সেই ধারণা বাতিল হয়ে গিয়েছিল।
১৯০৫ সালে আইনস্টাইন আলোক-তড়িৎ বা ফটো ইলেকট্রিক প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করতে গিয়ে আলোকে ফের কণার প্রবাহ হিসেবে বর্ণনা করেন। অবশ্য এই ব্যাখ্যাতে নিউটনের প্রভাব কতখানি ছিল জানা যায়নি, তবে ম্যাক্স প্ল্যাংকের প্রভাব যে ছিল, তা বোঝা যায়। ১৯০১ সালে প্ল্যাংক তাঁর বিখ্যাত কোয়ান্টাম তত্ত্বে শক্তিকে কণাগুচ্ছ হিসেবে বর্ণনা করেন। ম্যাক্স প্ল্যাংক পরে আর এ নিয়ে কোনো উচ্চবাচ্য করেননি, কিন্তু আইনস্টাইনের সার্থক ব্যাখ্যার পর ধারণাটি জনপ্রিয় হতে থাকে। আলোক-তড়িৎ প্রক্রিয়া হলো এ রকম: কোনো ধাতব তলে যথেষ্ট শক্তিসম্পন্ন আলো এসে পড়লে সেখান থেকে ইলেকট্রন বেরিয়ে আসে। আলোর তরঙ্গধর্ম দিয়ে এই ঘটনাকে ব্যাখ্যা করা যায় না। তবে যদি আলোকে কণার সমষ্টি ধরে নিই, তাহলে তো এমন হতেই পারে যে আলোর একটা কণা একটা ইলেকট্রনকে আঘাত করে ধাতব তল থেকে বের করে আনে!
ম্যাক্স প্ল্যাংক আর আইনস্টাইনের এই নতুন চিন্তা—শক্তির কণাধর্মিতা—কোয়ান্টাম জগতের দিকে বিজ্ঞানীদের মনোযোগ দিতে বাধ্য করে। একে একে আসে অনেক তত্ত্ব, অনেক নতুন চিন্তা। আমরা তার কিছু আলোচনা করব, তবে মূল বিষয়টি ভুলে গেলে চলবে না। আমরা আজ কথা বলছি মৌলিক কণা নিয়ে।
যাহোক, যে সময় নিউট্রন আবিষ্কার হয়, তার কাছাকাছি সময়ে, অর্থাৎ ১৯৩০-এর দশকে, আরও কয়েকটি মৌলিক কণার আবির্ভাব ঘটে মানুষের জ্ঞানজগতে। এই আবির্ভাবগুলো ছিল বৈপ্লবিক। কারণ, এমন কিছু বিষয় এসে দাঁড়িয়েছিল সামনে, যা একেবারেই নতুন, সম্পূর্ণ অচেনা এবং হতবিহ্বলকর। যেমন ইলেকট্রনের প্রতিকণা বা অ্যান্টি-পার্টিকেল পজিট্রনের কথাই বলা যাক। ইলেকট্রন আবিষ্কারই ছিল এক বৈপ্লবিক ব্যাপার, তার আবার প্রতিকণা!
আমরা তো ইতিমধ্যেই জেনে ফেলেছি যে প্রতিকণা হলো কণার বিপরীত। যেমন ইলেকট্রনের চার্জ ঋণাত্মক, এর প্রতিকণা পজিট্রনের চার্জ ধনাত্মক, যদিও তাদের ভর একই। ভর সমান বলেই পজিট্রন হলো পজিট্রন, প্রোটন নয় কিন্তু। তো এই ইলেকট্রন আর পজিট্রনের যদি ‘দেখা’ হয় কখনো, মানে তারা সংঘর্ষ-টংঘর্ষে জড়িয়ে পড়লে, উভয়েই ধ্বংস হয়ে যাবে, উত্পন্ন হবে শক্তি। মানে কী জানেন? যেকোনো বস্তুর যদি একটা প্রতিবস্তু থাকে, কিংবা আপনার যদি একটা প্রতি-আপনি থেকে থাকে কোথাও, তাহলে পরস্পরের সংস্পর্শে ঘটে যাবে লঙ্কাকাণ্ড, ধ্বংস হয়ে যাবে উভয়ই। একেবারে বিহ্বল করে দেয় না এই চিন্তাটা? তা, কীভাবে আবিষ্কার হলো পজিট্রন?
ইলেকট্রনের আচার-আচরণ ব্যাখ্যার জন্য ইতিমধ্যেই অনেক কাজ হয়ে গিয়েছিল। কিন্তু যুগপত্ভাবে কোয়ান্টাম বলবিদ্যা এবং আইনস্টাইনের আপেক্ষিক তত্ত্ব মেনে চলে এমন কোনো তত্ত্ব তখন পর্যন্ত ছিল না। পল ডিরাক সেই সমস্যা সমাধানের জন্য চেষ্টা করছিলেন ১৯২০ সাল থেকেই। ১৯২৭ সালে ডিরাক তাঁর কাঙ্ক্ষিত আপেক্ষিক কোয়ান্টাম সমীকরণ প্রতিষ্ঠা করলেন। তিনি লক্ষ করলেন, এই সমীকরণটি নিয়ে কাজ করলে ধনাত্মক শক্তির জন্য সমাধান যেমন পাওয়া যায়, তেমনই পাওয়া যায় ঋণাত্মক শক্তির জন্য সমাধানও। এবং এটি বাদ দেওয়ার কোনো উপায়ই নেই। কিন্তু এই অবাস্তব ঋণাত্মক শক্তির ইলেকট্রন বলতে কী বোঝায়?
শক্তি তো আর ঋণাত্মক হতে পারে না! আর যদি হয়ই, তাহলে ইলেকট্রনগুলো তো সেখানে ঝাঁপিয়ে পড়ে অদৃশ্য হয়ে যাওয়ার কথা! তা–ও তো হচ্ছে না। এক সমস্যার সমাধান করতে গিয়ে উল্টো নতুন সমস্যায় পড়লেন ডিরাক। তবে দমে যাওয়ার পাত্র তিনি নন। এই অস্বস্তিকর প্রশ্নের উত্তরও তিনি বের করলেন এভাবে: ঋণাত্মক শক্তির এই সমুদ্র ইলেকট্রন দিয়ে পূর্ণ, ফলে বাইরে থেকে আগন্তুক কোনো ইলেকট্রন সেখানে ঝাঁপিয়ে পড়তে পারে না। তবে হ্যাঁ, কখনো কোনো বিশেষ কারণে এই শক্তি–সমুদ্রে কিছু শূন্যস্থান তৈরি হতে পারে, তখন এই শূন্যস্থান (Hole)–গুলো ঋণাত্মক শক্তিসম্পন্ন ধনাত্মক চার্জের মতো আচরণ করবে। তিনি ভেবেছিলেন, এই হোলগুলো আসলে প্রোটন। কিন্তু বুঝতে সময় লাগেনি যে প্রোটন হওয়া সম্ভব নয়, কারণ তাতে ভরের প্রতিসাম্য নষ্ট হয়। ওগুলো যা-ই হোক না কেন, ভর হতে হবে ইলেকট্রনের সমান। তার মানে এগুলো এমন একধরনের কণা, যাদের চার্জ ইলেকট্রনের বিপরীত কিন্তু ভর সমান।
১৯৩২ সালে এই কণাটিকে খুঁজে পান কার্ল অ্যান্ডারসন একটি পরীক্ষার মাধ্যমে। তিনি মহাজাগতিক রশ্মির (Cosmic ray) কণাগুলোকে চুম্বকক্ষেত্রের ভেতর দিয়ে পাঠিয়ে এদের গতিপথকে বেঁকে দিয়েছিলেন। ঘটনাটির ছবি তুলে তিনি দেখলেন, এমন এক কণার ছবি এসেছে, যার কক্ষপথ ইলেকট্রনের কক্ষপথের ঠিক উল্টো। তাত্ত্বিকভাবে এ রকম কণার কথা যেহেতু আগেই জানা গিয়েছিল ডিরাকের কাছ থেকে, এবার তাই নিশ্চিত হওয়া গেল—এর অস্তিত্ব সত্যিই আছে। আর যেহেতু এর চার্জ ধনাত্মক, তাই এর নাম দেওয়া যায় পজিটিভ ইলেকট্রন বা পজিট্রন। অবশ্য তারপরও ওই ঋণাত্মক শক্তি–সমুদ্রে অসীমসংখ্যক ইলেকট্রনের বসবাস নিয়ে অস্বস্তিটি রয়েই গিয়েছিল বিজ্ঞানীদের মধ্যে।
১৯৪০-এর দশকে স্টাকেলবার্গ ও ফাইনম্যান এক সহজ, সুন্দর ও চমত্কার সমাধান দেন। তাঁরা ব্যাখ্যা দেন, ইলেকট্রনের জন্য যা ঋণাত্মক শক্তি–সমুদ্র, তা আসলে পজিট্রনের জন্য ধনাত্মক শক্তি–সমুদ্র! তার মানে ওখানে ঋণাত্মক শক্তি নিয়ে ইলেকট্রন থাকে না; থাকে পজিট্রনই, ধনাত্মক শক্তি নিয়ে।
যাহোক, প্রতিকণার এই সন্ধান থেমে থাকেনি। কোয়ান্টাম ফিল্ড থিয়োরিতে ডিরাকের সমীকরণটি যেহেতু সর্বজনীন, তাই প্রতিটি কণারই একটি প্রতিকণা আছে। প্রোটনের প্রতিকণা হলো অ্যান্টি-প্রোটন, এর ভর এবং চার্জ প্রোটনের সমান কিন্তু চার্জটি ঋণাত্মক। নিউট্রনের প্রতিকণা হলো অ্যান্টি-নিউট্রন। যেহেতু নিউট্রনের কোনো চার্জ নেই, তাই এর প্রতিকণার চার্জের প্রশ্নটিও আসেনি। তাহলে তাদের আলাদা করার উপায় কী? উপায় হলো, এদের কোয়ান্টাম সংখ্যা (বিশেষ করে ব্যারিয়ন সংখ্যা) বিপরীত চিহ্নের। মনে রাখতে হবে, কণাগুলোকে কেবল তাদের চার্জ দিয়েই সংজ্ঞায়িত করা হয় না, বরং তাদের সবার জন্যই রয়েছে একাধিক কোয়ান্টাম নম্বর, যা তাদের বিভিন্ন বৈশিষ্ট্যকে বর্ণনা করে। দুটি কণার মধ্যে এর যেকোনো একটি আলাদা হলেই সেটিকে ভিন্ন ধরনের কণা হিসেবে চিহ্নিত করতে হবে।
এই পর্বে আমরা কেবল আমাদের অতিপরিচিত ইলেকট্রন-প্রোটন-নিউট্রন আর তাদের প্রতিকণা নিয়ে কথা বললাম। ১৯৩০ সালের পর আরও অনেকগুলো নতুন কণা আবিষ্কৃত হয়েছে। দ্বিতীয় ও তৃতীয় পর্বে সেগুলোর কথা বলব।
লেখক: অধ্যাপক, পদার্থবিজ্ঞান বিভাগ, ইনডিপেনডেন্ট বিশ্ববিদ্যালয়