#clausius

Nexus #1 (May 1983) by Capital Comics

মূলঃ ডেভিড টং ভাষান্তরঃ মারুফ আহমেদ 

তাপগতিবিদ্যার ইতিহাস সুদীর্ঘ এবং জটিল। এ ইতিহাস সময়ের স্রোতে ভুল দিকে মোড় নেয়ার ইতিহাস, নানাবিধ ভিন্ন শাস্ত্র (যেমন প্রকৌশলবিদ্যা, চিকিৎসাশাস্ত্র ইত্যাদি) হতে অনুপ্রাণিত হয়ে এগিয়ে যাওয়ার ইতিহাস। এ ইতিহাসে আছে কৌতূহলোদ্দীপক বহু চরিত্রের সমাহার, যাদের মধ্যে এমনকি একাধিক ব্যক্তিত্বও রয়েছেন এই গল্পের বিভিন্ন পর্যায়ে নিজেদের নাম বদলে ফেলেছেন।

যদিও “তাপ” এর ধারণা প্রাগৈতিহাসিক যুগ থেকেই বিদ্যমান, এর আধুনিক ধারণার একটা সূচনা ধরা যায় ১৭৮৭ সালে ল্যাভয়সিয়ে’র দেয়া ‘ক্যালরিক’ তত্ত্ব থেকে। এ তত্ত্ব ধরে নেয় যে, তাপ একটা সংরক্ষণশীল (ইংরেজিতে যাকে ‘conserved’ বলা হয়) প্রবাহী (যা প্রবাহিত হতে পারে; যেমন তরল বা গ্যাস), এবং সেহেতু এটা তরল উষ্ণ বস্তু থেকে শীতল বস্তুতে প্রবাহিত হতে পারে। এখন আমরা অবশ্য জানি যে এটা ভুল, কিন্তু সেই সময়ের জন্য এটা ছিল একটা অসাধারণ তত্ত্ব, কেননা তখনকার অনেক পরিলক্ষিত তাপীয় ঘটনাকে এটা ব্যাখ্যা করতে পারতো!

ত্রিশ বছর পরে যখন ফরাসি প্রকৌশলী সাদি কার্নো যখন বাষ্পীয় ইঞ্জিনের ধারণাকে বিশ্লেষণ করতে বসেন, তখনো ল্যাভয়সিয়ের তত্ত্ব বেশ প্রভাবশালী। কার্নো তার সকল প্রক্রিয়া-প্রণালী বুঝতেন সেই ক্যালরিক তত্ত্বের আলোকেই! তিনি ‘ওয়াটারহুইল’ বা জলচালিত চাকার বলবিদ্যার দ্বারা অনুপ্রাণিত হয়েছিলেন। তিনি বিশ্বাস করতেন উষ্ণ থেকে ঠান্ডা বস্তুতে তাপের প্রবাহ হলো পানির উঁচু থেকে নিচুস্থানে গড়িয়ে পড়ার সদৃশ। পরবর্তীতে তারই আরেক স্বদেশী, ফরাসি পদার্থবিজ্ঞানী এমিল ক্ল্যাপেইরন কার্নোর ধারণাগুলোকে আরো বিস্তৃত করেন এবং গাণিতিক কাঠামোয় রূপদান করেন। এ কাজ এতটা সমাদৃত হয় যে, ১৮৪০ সালের দিকে প্রায় সকলেই তাপের বৈশিষ্ট্যগুলোকে কার্নো-ক্ল্যাপেইরনের ক্যালরিক তত্ত্বের আলোকে দেখতেন।

১৯ শতকের পূর্বেই ক্যালরিক তত্ত্বের এই সর্বজনবিদিত রূপে প্রথম চিড় ধরায় বেনজামিন থম্পসনের গবেষণা। থম্পসনের জন্ম ম্যাসাচুসেটসের এক ইংরেজ কলোনিতে। তার জীবনবৃত্তান্ত বেশ চমকপ্রদ; তিনি ছিলেন একাধারে ভাড়াটে সৈনিক, বৈজ্ঞানিক এবং একজন মানবতাবাদী! তিনি উদ্ভাবন করেছিলেন উষ্ণ অন্তর্বাসের, দরিদ্রদের জন্য প্রবর্তন করেছিলেন লঙরখানা! ১৭ শতাব্দীর শেষ দিকটায় তিনি মিউনিখে (আজকের জার্মানির অন্তর্গত) থাকতেন, সেখানে তিনি নামধারণ করেছিলেন ‘কাউন্ট রামফোর্ড অব দ্যা হোলি রোমান এম্পায়ার’। মিউনিখে তিনি প্রুশিয়ান সেনাদলের কামানবাহী দলের পরিদর্শক ছিলেন। এতদসত্ত্বেও তার মনোনিবেশ ছিলো সুউচ্চ ভাবনায়। কামানের নলে ফুটো করার সময় ঘর্ষণ দ্বারা উৎপন্ন তাপের পরিমাণ তাকে উৎসুক করে তোলে। ল্যাভয়সিয়ের তত্ত্ব অনুসারে যদি এই তাপকে নল থেকে বের করে আনা ক্যালরিক ফ্লুইড হিসেবে ধরেও নেয়া হয়, তাহলে তো সংরক্ষণশীলতার ধর্ম অনুসারে ক্যালরিক কমে যাওয়ার কথা! কিন্তু এরপর আবারো সেই নলে আরেকটি ফুটো করা হলে প্রায় একই পরিমাণ তাপ উৎপাদিত হচ্ছে, যেন এর কোনো শেষ নেই! থম্পসন/রামফোর্ড প্রস্তাব করলেন যে, সংরক্ষণশীল ক্যালরিক তাপের উৎস হতে পারে না। তার পরিবর্তে তিনি তাপকে ( বেশ সঠিকভাবেই) গতির সাথে সম্পর্কিত করতে পারলেন।

ল্যাভয়সিয়ের তত্ত্বের বারোটা বাজিয়েই রামফোর্ড ক্ষান্ত থাকেননি, ল্যাভয়সিয়ের মৃত্যুর পর তার বিধবা বউকে বিয়ে করে সেই কাটা ঘায়ে নুনের ছিটাও দিয়েছেন। তবে সত্যি বলতে, সেই মুহূর্তে মৃত ল্যাভয়সিয়ের নিশ্চয়ই তাতে কিছু যায় আসেনি! রামফোর্ড পরে ব্রিটেনে নাইটহুড উপাধি পান, ফেরত আসেন ‘স্যার’ বেনজামিন থম্পসন নামে। তিনি পরবর্তীতে ব্রিটেনে ‘রয়্যাল ইন্সটিটিউশন’ স্থাপন করেন।

থম্পসনের এই পর্যবেক্ষণ থেকে শুরু করে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্রে পৌঁছানোর রাস্তাটা বেশ লম্বা! দুজন লোককে এই সফরে দুজন লোক বিশেষ করে কৃতিত্বের দাবীদার।

ইংল্যান্ডের ম্যানচেস্টারে জেমস জুল ধারাবাহিকভাবে কতগুলো অতীব সূক্ষ্ম পরীক্ষণের আয়োজন করেন। তিনি দেখান বিভিন্ন ধরনের কাজ – সে যান্ত্রিক হোক বা তড়িৎ দ্বারা পরিচালিত – পানি উত্তপ্ত করতে পারে। এর চেয়েও গুরুত্বপূর্ণ ব্যাপার হলো, উত্তপ্ত পানির তাপমাত্রা কেবল কাজের পরিমাণের উপরই নির্ভর করে, কিভাবে সেই কাজ করা হলো তার ওপর নয়! ১৮৪৩ সালে তার লেখা ‘দ্যা মেকানিকাল ইকুইভ্যালেন্ট অফ হিট’ (তাপের যান্ত্রিক সমতুল্য) নামক গবেষণাপত্রে তিনি কাজকে তাপে রুপান্তরিত করার চমকপ্রদ (পরিমাণগত/Quantitative) প্রমাণ উপস্থাপন করেন।

তবে জুলকেই আপাতদৃষ্টিতে এ কাজের প্রথম কারিগর মনে হলেও বাস্তবে তা কিন্তু নয়! এরও বছরখানেক আগে (১৮৪২ সালে) ইউলিয়াস ফন মায়ার নামে এক জার্মান শরীরতত্ত্ববিদও রক্ত নিয়ে গবেষণা করে একই সিদ্ধান্তে উপনীত হন। ডাচ ইস্ট ইন্ডিজের এক জাহাজে কাজ করার সময় তিনি লক্ষ্য করলেন, জার্মান নাবিকদের শিরায় প্রবাহিত রক্ত একটু বেশিই লালচে। এ থেকে তিনি অনুমান করে নেন যে, খুব সম্ভবত শরীর নিজেকে উষ্ণ রাখতে অতটা বেশি জ্বালানি খরচ হতে দিতে রাজি নয়! তবে শরীর উষ্ণ থাকার শারীরবৃত্তিয় প্রক্রিয়ার পেছনে জারণ প্রক্রিয়ার ভূমিকা আবিষ্কার করেই তিনি কেবল ক্ষান্ত হননি, তার উপর অবিরত চেষ্টার দ্বারা তিনি তাপ ও কাজ – ধারণা দুটির পারস্পরিক সম্পর্ক বুঝতেও সমর্থ হয়েছেন। পদার্থবিজ্ঞানের সীমিত তালিম সত্ত্বেও নিজস্ব ধারণা, উপলব্ধি, গ্যাসের তাপ ধারকত্বের ($C_p$ ও $C_v$ ) পরীক্ষালব্ধ মান ইত্যাদিকে কাজে লাগিয়ে তিনি মূলতঃ জুলের মত একই সিদ্ধানে উপনীত হতে সমর্থ হন।

থম্পসন, মায়ার আর জুলের এই ধারণাগুলোকে কাজে লাগিয়ে হারমান ফন হেলমহোলজ ১৮৪৭ সালে এক যুগান্তকারী গবেষণাপত্র লিখেন। হেলমহোলজকে সাধারণত তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র বর্ণনার কৃতিত্ব দেয়া হয় (যদিও ‘সোয়ানজি’ এলাকার উইলিয়াম গ্রোভ নামে এক ভদ্রলোক এই দাবি করেছিলেন এরও বেশ ক’বছর আগে, তবে তিনি কিছুটা তালগোল পাকিয়ে ফেলেছিলেন)। একটু পরিষ্কার করে নেয়া দরকার, এটা তো জানা কথা যে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র শক্তির সংরক্ষণশীল নীতিরই আরেক রূপ; এই প্রথম কিন্তু সকলে শক্তির সংরক্ষণশীলতার নীতিকে পদার্থবিজ্ঞানের একটা মৌলিক গুরুত্ববহ নীতি হিসেবে ভাবতে শিখলো।  হ্যাঁ, এর আগে যেমন বহু বছর ধরে জানা ছিলো যে বেশ কিছু যান্ত্রিক সিস্টেমে ‘$((1/2)mv^2+V)$’ এ ধরণের কিছু রাশি সংরক্ষিত থাকে, তবে এটাকে লোকে প্রকৃতির অতি গুরুত্বপূর্ণ একটা নীতি হিসেবে ভাবার চাইতে শুধুমাত্র একটা গাণিতিক কৌতূহল হিসেবে ভাবতেই স্বাচ্ছন্দ্যবোধ করতো। এর পেছনে অবশ্য বেশ সাধারণ একটা কারণও আছে, ঘর্ষণ! ঘর্ষণ আসলে কোনো সিস্টেমকেই শক্তি সংরক্ষণ করতে দেয় না। তবে এবার শক্তি, তাপ আর কাজ সম্পর্কে ধারণা থাকার ফলে এই ব্যাপারটাকে ঠিক করে ফেলা গেলো! কিন্তু একটা সিস্টেমে কেনই বা শক্তি সংরক্ষিত থাকবে সে সম্পর্কে সত্যিকার ধারণা পেতে মানবজাতিকে প্রায় আরো শতবর্ষ এমি নোয়েথারের জন্য অপেক্ষা করতে হয়েছিলো!

হেলমহোলজের হাত ধরে তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র দাঁড়িয়ে গেল। কিন্তু দ্বিতীয় সূত্র তো এখনো বাকি। সেটাকে দাঁড় করানো বহুলোকের প্রচেষ্টায়, বিশেষ করে উইলিয়াম থমসন (থম্পসন নয়) আর রুডলফ ক্লসিয়াসের অবদানে। আর তার পেছনে ব্যয় করতে হয়েছে আরো দুটি দশক।

উইলিয়াম থমসনের জন্ম বেলফাস্টে (বর্তমানে উত্তর আয়ারল্যান্ডের রাজধানী), তবে দশ বছর বয়সে তিনি গ্লাসগোতে (স্কটল্যান্ড) চলে আসেন। মাঝে কেমব্রিজে যান পড়াশোনা করতে, কিন্তু অচিরেই আবার ফেরত চলে আসেন গ্লাসগোতে, এবার বাকি জীবনের জন্যই। বৈজ্ঞানিক হিসেবে বেশ কিছুদিন কাজ করার পর খ্যাতি পেয়ে যান প্রকৌশলী (!) হিসেবে। প্রথম ট্রান্স-আটলান্টিক ক্যাবল লাগানোর কাজে বেশ ওতপ্রোতভাবে জড়িত ছিলেন, সে কাজের জন্য ‘লর্ড কেলভিন’ উপাধি পেয়ে যান (গ্লাসগো বিশ্ববিদ্যালয়ের ধারে বয়ে গেছে কেলভিন নদী, সেখান থেকেই তার এই উপাধির নামকরণ)। তিনিই প্রথম অনুধাবন করেছিলেন পরম শূন্য তাপমাত্রার গুরুত্ব; তাতে অবশ্য তাপগতিবিদ্যার তাপমাত্রার স্কেল সংজ্ঞায়িত করা গেছে, আর সে স্কেলের নামকরণও করা হয়েছে তার প্রিয় নদীর নামেই! তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্রের নানা ধরনের বিবৃতি আমরা পাঠ্যপুস্তকে ছেলেবেলা থেকেই পড়ি, আর তার মধ্যে একটা বিবৃতি হলো কেলভিনের বিবৃতি!

এদিকে জার্মানদেশে রুডলফ ক্লসিয়াস সমসাময়িককালে একই ধারণা পরিণত করেছিলেন, তবে তাতেই তিনি ক্ষান্ত থাকেননি। বরং এই ধারণাকে বেশ উন্নত করতে সক্ষম হন তিনি। ১৮৬৫ সালে তিনি খুবই সূক্ষ্ম যুক্তি সহকারে এনট্রপির ধারণা প্রবর্তন করেন তিনি। অতি বিনয়ী ছিলেন কি না, সেজন্য তিনি এনট্রপির এককের নাম দেন ‘ক্লসিয়াস’ (হ্যাঁ নিজের নামেই)। এ নামকরণ শেষমেশ অবশ্য ধোপে টেকেনি।  

Writer:  David Tong is a professor of Theoretical Physics (University of Cambridge) and a fellow of Trinity College. His research group focuses on    ‘High Energy Particle Physics’. 

El sistema del mundo propuesto en los Principia de Isaac Newton llegó a ser aceptado absolutamente, a lo largo de los siglos XVIII y XIX, gracias a tres factores: su divulgación entre el público culto pero no especialista, su fundamentación teórico-filosófica (es el caso de Kant) y su confirmación científica, tanto a nivel empírico como matemático.

La validez empírica del sistema quedaría impresionantemente corroborada en astronomía. En 1846 Adams y Leverrier, basándose en ligeras aberraciones de la órbita de Urano, calcularon teóricamente la órbita de un nuevo planeta. Pues si la teoría de la gravitación fallaba en el caso de Urano, la culpa-pensaban- no podía achacarse a la teoría, sino a un hecho todavía oculto. Adams y Leverrier facilitaron sus cálculos al astrónomo alemán Gottfried que enfocó su telescopio al punto designado de antemano, descubriendo, efectivamente, un nuevo planeta: Neptuno. Aquí la teoría –como ya había señalado Kant- iba por delante de la experiencia, haciendo que los fenómenos se atuvieran a una ley prefijada.

En el aspecto puro matemático de la teoría, hombres como Euler y Pierre Simon de Laplace llevaron a la perfección ese nuevo y poderoso sistema del mundo que Laplace podría fingir su famoso “demonio”, sustituto laico y mecánico del Dios cristiano.

Espacio, tiempo, materia y movimiento, conceptos básicos del esquema cinético.corpurcular (continuidad del ámbito, discontinuidad de la materia) se enlazaban así en un férreo determinismo: el concepto de tiempo se diluía en el sistema cerrado y reversible. Es cierto que, paralelamente, se iba desenvolviendo un movimiento de gran alcance: la revalorización de la historia y, por ende, del tiempo como magnitud acumulativa e irreversible. Pero este nuevo tratamiento permanecería ajeno al quehacer científico hasta la eclosión de la teoría de la evolución, con Charles Darwin, y el nacimiento de la Termodinámica, gracias a científicos de la talla de Clausius y Boltzmann.

El sistema del mundo propuesto en los Principia de Isaac Newton llegó a ser aceptado absolutamente, a lo largo de los siglos XVIII y XIX, gracias a tres factores: su divulgación entre el público culto pero no especialista, su fundamentación teórico-filosófica (es el caso de Kant) y su confirmación científica, tanto a nivel empírico como matemático.

La validez empírica del sistema quedaría…

İşaret edilmesi gereken temel sorun şudur: Zaman fiziksel evrenin nesnel bir özelliği midir, yoksa tümüyle öznel bir şey, aklın bir yanılsaması veya gerçek hiçbir ilişkisinin olmadığı şeyleri tanımlamanın uygun bir biçiminden mi ibarettir?Bu sonuncu tutum, hepsi de öznel idealizm felsefesiyle yakından ilişkili bir dizi farklı düşünce ekolü tarafından şu ya da bu ölçüde savunula gelmiştir.…