Getty Images फळ्यावर लिहिताना प्रख्यात शास्त्रज्ञ अल्बर्ट आइन्स्टाईन.

इंजिनिअरनं एक कॅमेरा फ्लॅश गन उचलली, मग डेस्कवर असलेल्या लहान सर्किट बोर्ड कॉम्प्युटरवर नेम धरला आणि प्रकाशाचा मारा केला.

काही क्षण किंवा सेकंदासाठी खोलीत प्रकाश पसरला. सर्वांनीच डोळे मिचकावले. पण कॉम्प्युटर क्रॅश झाल्याचं त्यांना दिसलं.

शाळांमध्ये आणि इलेक्ट्रॉनिक्सबद्दल उत्साही लोकांना विक्री केल्या जाणाऱ्या बजेट कॉम्प्युटरला त्याचा फोटो काढलेला आवडत नव्हता, हे ते कॉम्प्युटर तयार करणाऱ्या रास्पबेरी पायच्या टीमला समजलं होतं. (रास्पबेरी पाय हा एक स्वस्त कॉम्प्युटर होता. जो शाळांमध्ये कॉम्प्युटर सायन्स शिकवण्यासाठी तयार करण्यात आला होता.)

किमान जेव्हा मोठ्या झेनॉन फ्लॅश लाईटचा वापर करून फोटो काढला तेव्हा कॉम्प्युटर क्रॅश होत होता.

"आम्हा सर्वांना तो क्रॅश करण्यात मजा आली", असं रास्पबेरी पायचे संस्थापक एबेन अप्टन त्या प्रसंगाची आठवण सांगताना म्हणाले.

कॉम्प्युटरवर असलेली चिप फोटो इलेक्ट्रिक इफेक्टबाबत संवेदनशील असते, हे त्यांच्या लक्षात आलं होतं.

फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट म्हणजे प्रकाशातून जेव्हा इलेक्ट्रॉन निघतात आणि त्यातून विद्युत प्रवाह तयार होतो. म्हणजे 'लाईट स्वीच'पेक्षा उलटा प्रकार.

अप्टन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांना ही समस्या अपेक्षित नव्हती. 2015 च्या सुरुवातीला रास्पबेरी पाय 2 हे उपकरण विक्रीसाठी आल्यानंतर एका आठवड्याच्या आतच वापर करणाऱ्यांना या समस्येचा शोध लागला होता.

कॉम्प्युटरच्या त्यानंतरच्या आवृत्त्यांमध्ये समस्या निर्माण करणाऱ्या या चिपवर येणारा प्रकाश शोषून घेण्याइतपत जाड काळं कोटिंग करण्यात आलं होतं.

आईनस्टाईन यांना फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टसाठी नोबेल

हे सर्व ज्यामुळे होत होतं फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टमुळं. या सिद्धातांचा जनक होते प्रसिद्ध वैज्ञानिक अल्बर्ट आईनस्टाईन. एक शतकाहून अधिक काळापूर्वी, आईनस्टाईन यांनी एका अभूतपूर्व किंवा ऐतिहासिक शोधनिबंधात या फोटोइलेक्ट्रिक सिद्धांताची माहिती दिली होती.

हा शोधनिबंध त्यांनी 1905 मध्ये प्रकाशित केला होता. त्यांनी त्यावर्षी प्रकाशित केलेल्या चार महत्त्वाच्या शोधनिबंधांपैकी तो एक होता. त्यावेळी ते स्विस पेटंट कार्यालयात कारकून म्हणून काम करत होते.

Getty Images

महत्त्वाची बाब म्हणजे नंतर म्हणजे 1921 मध्ये आईनस्टाईन यांना याच शोधासाठी भौतिकशास्त्रातील नोबेल पुरस्कार मिळाला होता.

आईनस्टाईन यांनी शोधलेल्या या फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टनं सर्वच प्रकारच्या तंत्रज्ञानांना आकार दिला आहे.

अगदी चोरांपासून सावध करणाऱ्या अलार्मपासून ते सौर पॅनेल आणि तुमच्या स्मार्टफोनमधील कॅमेरापर्यंत सर्वत्र हा सिद्धांत लागू पडतो.

'विचित्र घटना'

हा सिद्धांत अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी आपण एका प्रश्नावर विचार करुया. तो म्हणजे प्रकाश कशापासून बनलेला आहे? 1905 मध्ये आईनस्टाईन यांना हाच प्रश्न भेडसावत होता.

त्यावेळी वैज्ञानिकांनी असा सिद्धांत मांडला होता की प्रकाश हा पूर्णपणे एका लहरींच्या (प्रकाश लहरी किंवा लाईट वेव्ह) स्वरुपात अस्तित्वात असतो.

काही जणांनी असा अंदाज लावला होता की, प्रकाश संपूर्ण विश्वात एका 'लाईट-बेरिंग ईथर' म्हणजे 'प्रकाशाचं वहन करणाऱ्या ईथर'मधून प्रवास करतो आणि याचं वर्णन करणं किंवा मोजमाप करणं कठीण आहे.

मात्र 'फादर ख्रिसमस' या कल्पनेप्रमाणेच आईनस्टाईन यांना ही कल्पना हास्यास्पद वाटली, असं अमेरिकेतील गेटीसबर्ग कॉलेजमधील स्टिव्ह गिम्बेल म्हणतात.

Getty Images वैज्ञानिकांनी असा सिद्धांत मांडला होता की प्रकाश हा पूर्णपणे एका लहरींच्या (प्रकाश लहरी किंवा लाईट वेव्ह) स्वरुपात अस्तित्वात असतो.

हेनरिक हर्ट्झ यांच्यासह वैज्ञानिकांनी आधीच फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टच्या वेगवेगळ्या आवृत्त्या सादर केल्या होत्या. यात त्यांनी प्रकाशाचा वापर करून लहान ठिगण्या निर्माण करून दाखवल्या होत्या किंवा सोन्याच्या पातळ तुकड्यांमधून वीज प्रवाहित करून ते एकमेकांपासून दूर करून दाखवले होते.

"अशा काही विचित्र, आकलनाबाहेरच्या घटना होत्या, ज्यात प्रकाश वीजेची निर्मिती करू शकत होता आणि त्यामुळे लोक गोंधळले होते. यातून काही उलगडा होत नव्हता," असं गिम्बेल म्हणतात.

यातील सर्वात विचित्र गोष्ट म्हणजे प्रकाशाच्या तीव्रतेचा निर्माण होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनच्या ऊर्जेवर कोणताही परिणाम होत नव्हता.

मात्र प्रकाशाची वारंवारत (फ्रिक्वेन्सी) किंवा रंगाचा परिणाम होत होता. हे कल्पनेपलीकडचं होतं. म्हणजेच जितका जास्त प्रकाश तितकी जास्त ऊर्जा, बरोबर?

आईनस्टाईन यांच्या लक्षात आलं की, जर प्रकाश फक्त लहरींचाच बनलेला नसेल आणि तो लहरींमधून प्रवास करणाऱ्या स्वतंत्र पॅकेट किंवा कणांपासून बनलेला असेल (नंतर या कणांनाच फोटॉन म्हटलं जाऊ लागलं), तर मग अशा स्थितीत त्या स्वतंत्र कणांमधील ऊर्जेतून हा सर्व परिणाम लक्षात येऊ शकतो.

BBC

"जेव्हा एकच फोटॉन इलेक्ट्रॉनला धडकतो, तेव्हा तो इलेक्ट्रॉन मध्ये बदल घडतो," असं यॉर्क विद्यापीठातील पॉल डेव्हिस म्हणतात.

जोपर्यंत तो फोटॉन पुरेशी ऊर्जा घेऊन खाली येतो, तोपर्यंत फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट तयार होतो आणि मग तो इलेक्ट्रॉन त्या पदार्थातून मुक्त होतो.

डायनामाईटच्या अतिशय छोट्या कांड्या तोफगोळ्यांच्या एका उघड्या पिंपात फेकल्यावर जसं होतं ते डोळ्यासमोर आणा. तुम्ही कितीही वेळा त्या छोट्या कांड्या त्या पिंपात फेकल्या तरीदेखील तोफगोळा उडवण्यासाठी ते छोटे स्फोट पुरेसे नसतील.

मात्र, जर तुम्ही जास्त ऊर्जा असणाऱ्या शक्तीशाली डायनामाईटचा वापर केला, तर त्यामुळे तोफगोळे उडतील.

फोटॉनमध्ये असणारी ऊर्जा दृश्यमान प्रकाशाच्या रंगांशी थेट संबंधित असते. उदाहरणार्थ, निळ्या रंगाच्या प्रकाशातील फोटॉन छोट्या लहरींवर प्रवास करतात आणि लांल रंगातील फोटॉनच्या तुलनेत निळ्या रंगाच्या प्रकाशातील फोटॉनमध्ये अधिक ऊर्जा असते.

त्यामुळेच हर्ट्झ यांना असं आढळून आलं की, अधिक ऊर्जा असलेला प्रकाश विशेषकरून अल्ट्राव्हायोलेट किंवा अतिनील प्रकाशामुळे त्यांच्या एका प्रयोगादरम्यान अधिक मजबूत किंवा मोठ्या स्वरुपात ठिणग्या निर्माण होत होत्या.

फॉगहॉर्न आणि फोटोव्होल्टेइक सेल

आईनस्टाईन यांनी हा सिद्धांत अचानक मांडला नाही, यावर गिम्बेल भर देतात. फक्त हर्ट्झ आणि इतर वैज्ञानिकांच्या संशोधनावरच नाही तर भौतिकशास्त्रज्ञ असलेल्या मॅक्स प्लँक यांच्या 'क्वांटा'च्या सिद्धांतावरदेखील त्यांनी लक्ष केंद्रित केलं.

या सिद्धांतानुसार प्रकाशासह रेडिएशन म्हणजे उत्सर्जनात ऊर्जेची स्वतंत्र पॅकेट्स असतात. या महत्त्वाच्या संशोधनासाठी मॅक्स प्लँक यांना 1918 मध्ये भौतिकशास्त्रातील नोबेल पुरस्कारदेखील मिळाला.

मात्र, त्याच्या काही वर्षे आधी म्हणजे 1905 मध्ये हा सिद्धांत किंवा ही संकल्पना वादग्रस्त होती.

"आईनस्टाईन यांची बुद्धिमत्ता प्रखर, क्रांतिकारक होती. त्यामुळे ते इतर विविध सिद्धांत, दृष्टीकोनांवर विचार करत होते. प्रकाशाची विभागणी मोजता येणाऱ्या सूक्ष्म घटकांमध्ये करता येते ही कल्पना त्यांनी गांभीर्यानं घेतली," असं गिम्बेल म्हणाले.

आईनस्टाईन यांचं प्रकाशावरील काम लोकांमध्ये मतभेद निर्माण करणारं होतं. विशेषकरून त्यांचा सापेक्षतावादाचा विशेष सिद्धांत (स्पेशल थिअरी ऑफ रिलेटिविटी).

Getty Images फोटॉनमध्ये असणारी ऊर्जा दृश्यमान प्रकाशाच्या रंगांशी थेट संबंधित असते.

नोबेल पुरस्काराच्या भौतिकशास्त्रासाठीच्या समितीच्या काही सदस्यांनी त्यांना पुरस्कार देण्याबाबत संकोच केला.

मात्र जेव्हा त्यांनी आईनस्टाईन यांना नोबेल पुरस्कार देण्याचा निर्णय घेतला, तेव्हा त्यांनी तो आईनस्टाईन यांना सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताऐवजी त्यांच्या फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट सिद्धांतांवरील कामासाठी देण्याचा निर्णय घेतला.

हा सर्वोत्तम पर्याय आहे की नाही याबद्दल वैज्ञानिकांमध्ये प्रदीर्घ काळ वादविवाद झाला.

मात्र फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा वापर केल्यामुळे आपल्या अवतीभोवतीच्या जगाच्या कार्यपद्धतीत बदल झाला आहे याबाबत जवळपास काहीच शंका नाही. कारण अनेक तंत्रज्ञान फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टच्या सिद्धांतावर आधारित आहेत.

उदाहरणार्थ, चोरांपासून सावध करणाऱ्या बर्गलर अलार्ममधील मोशन सेन्सर इन्फ्रारेड प्रकाश किरणं उत्सर्जित करतात.

जेव्हा एखादा घुसखोर किंवा चोरामुळे या किरणांना अडथळा निर्माण होतो, तेव्हा सेन्सरपर्यंत पोहोचणारा प्रकाश बदलतो. त्यामुळे विद्युत प्रवाह बदलतो आणि त्यातून अलार्म वाजू लागतो.

Getty Images

ऑलिंपिक स्पर्धांमध्ये घेतल्या जाणाऱ्या शर्यतींमध्ये धावपटू फिनिश लाईन नेमकी कधी ओलांडतात, हे अचूकपणे ओळखण्यासाठी फोटोइलेक्ट्रिक सेल्सचा वापर केला जातो.

या तंत्रज्ञानामुळे जहाजांना धुकं लक्षात येतं आणि फॉगहॉर्न आपोआप सुरू होतात. यामुळे पाऊस पडत असताना कारच्या समोरीस बाजूस असणाऱ्या काचेवरील वायपर आपोआप सुरू होतात.

स्पष्टपणे सांगायचं तर, फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट म्हणजे अशी घटना ज्यात इलेक्ट्रॉन त्या पदार्थांतून बाहेर पडतात.

मात्र डेविस म्हणतात की हे फोटोव्होल्टेइक इफेक्टशी जवळून संबंधित आहे. या सिद्धांतात इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीमुळे लगतच्या पदार्थांमधून विद्युत प्रवाहाचं वहन सुलभ होतं.

सौर पॅनेलमधील सौर सेल जेव्हा सूर्यप्रकाशाचं रुपांतर विजेत करतात, तेव्हा हीच गोष्ट होते. सौर सेल स्वच्छ, अपारंपारिक किंवा अक्षय ऊर्जा निर्माण करतात आणि हवामान बदलाच्या संकटाचा सामना करतात.

सिलिकॉन सेन्सर्स

फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा आणखी एक लोकप्रिय वापर म्हणजे कॅमेराचे सेन्सर्स. हा डिजिटल कॅमेऱ्याचा प्रकाशाबाबत संवेदनशील असणारा भाग असतो जो प्रतिमेला कैद करतो, म्हणजेच फोटो काढतो.

जवळपास सर्वजण सीएमओएस तंत्रज्ञानाचा वापर करतात. 1990 मध्ये नासानं ते अंतराळात वापरण्यासाठी विकसित केलं होतं. मात्र नंतर ते अब्जावधी स्मार्टफोनमध्ये वापरण्यात आलं.

"असं समजा सीएमओएस इमेज सेन्सर हे एक परिपूर्ण उपकरण होतं. ते एक जबरदस्त, अत्यंत प्रभावी उपकरण ठरलं आहे," असं एका प्रकल्पावर काम करणारे इंजिनिअर एरिक फॉसम म्हणतात.

Getty Images फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा आणखी एक लोकप्रिय वापर म्हणजे कॅमेराचे सेन्सर्स.

सिलिकॉन हा सीएमओएस सेन्सर्समध्ये वापरला जाणारा मुख्य घटक आहे. फॉसम हे आता डार्टमाउथ कॉलेजमध्ये आहेत. ते नमूद करतात की, सिलिकॉनमध्ये होणारा फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट प्रकाशातील अनेक रंगांमुळे होतो.

"तो हिरवा प्रकाश आहे, लाल प्रकाश आहे की निळा प्रकाश आहे त्यामुळे काहीही फरक पडत नाही. एक फोटॉन बरोबर एकच इलेक्ट्रॉन मुक्त करेल. एकप्रकारे त्याबाबतीत आपण सुदैवी आहोत," असं ते म्हणतात.

जेव्हा तुम्हाला एखाद्या विषयाचा किंवा गोष्टीचा रंग संपूर्ण तपशीलात पकडायचा असेल तेव्हा याची खरोखरंच मदत होते.

आता फॉसम आणि त्यांचे सहकारी प्रकाशाच्या कल्पना करता येतील अशा सर्वात लहान प्रमाणासाठी म्हणजे एका फोटॉनसाठी संवेदनशील असलेल्या इमेज सेन्सर्सवर काम करत आहेत. या उपकरणांना फोटॉन-काउंटर म्हणून ओळखलं जातं.

वेगवेगळ्या तंत्रज्ञानांचा विकास

प्रयोगशाळेतील प्रयोगांमध्ये ते आधीच उपयोगात आहेत. मात्र डिजिटल इंमेजिंग तंत्रज्ञानात त्यामुळे क्रांतिकारक बदल घडू शकतात.

उदाहणार्थ, वैद्यकीय सीटी स्कॅनर्समधील फोटोची गुणवत्ता सुधारू शकते आणि रुग्णांचा कमी उत्सर्जनाशी संपर्क आणला जाऊ शकतो. त्याचे संभाव्य वापर इथेच थांबत नाहीत.

"या नव्या तंत्रज्ञानामुळे आपल्याला अंधारातदेखील पाहता येईल," असं फॉसम म्हणतात.

Getty Images

फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट सिद्धांताचा वापर करणाऱ्या उपकरणांवर काम करणारे आणखी एक वैज्ञानिक आहेत, साऊथॅम्प्टन विद्यापीठातील दिमित्रा जॉर्जियाडौ.

त्या आणि त्यांचे सहकारी अशी वेगवेगळी तंत्रज्ञान विकसित करत आहेत, जी प्रकाशाला शोधू शकतात आणि मध्यवर्ती किंवा केंद्रीय कॉम्प्युटर सिस्टमला विश्लेषणासाठी डेटा न पाठवता, त्याबद्दलच्या माहितीवर प्रक्रिया करू शकतात.

"यामुळे त्याला लक्षणीयरित्या कमी ऊर्जा लागते," असं दिमित्रा जॉर्जियाडौ म्हणतात.

यामुळे संशोधकांना कदाचित अत्यंत प्रगत असे बायोनिक डोळे विकसित करता येतील. त्याद्वारे लहान, रोपण करण्यास सोप्या असलेल्या आणि ऊर्जेचा अधिक कार्यक्षम वापर करणाऱ्या उपकरणांची रचना तयार करून अंध व्यक्तींना दृष्टी देण्यास मदत होऊ शकते.

या तंत्रज्ञानामुळे सेल्फ ड्रायव्हिंग कारची कार्यक्षमतादेखील वाढवता येऊ शकते. सुरक्षिततेच्या कारणास्तव ब्रेकचा वापर कधी करायचा यासाठी निर्णय यामुळे लवकर घेता येईल.

चंद्रावरच्या प्रकाशाचं रहस्य

दिमित्रा जॉर्जियाडौ ज्या लाईट-सेन्सिंग तंत्रज्ञानावर लक्ष केंद्रित करत आहेत, ते तंत्रज्ञान सिलिकॉनवर आधारित नाही. तर ते ऑर्गेनिक, कार्बनयुक्त पदार्थांवर अवलंबून आहे.

ते फक्त प्रकाशाच्या विशिष्ट रंगांना प्रतिसाद देण्यासाठीच विकसित केले जाऊ शकतात आणि लवचिक पृष्ठभागावरदेखील छापले जाऊ शकतात.

अशा तंत्रज्ञानामुळे असे लाईट सेन्सर तयार केले जाऊ शकतात, जे घालण्यायोग्य असतील आणि कमी शक्तीचे असतील. त्यांचा वापर करून अकाली जन्मलेल्या बाळाच्या रक्तातील ऑक्सिजनची पातळी आणि ह्रदयाचे ठोके ट्रॅक करता येतील.

उदाहरणार्थ, या बाळांच्या त्वचेतून आणि त्यांच्या नसांमध्ये थोड्या प्रमाणात प्रकाश टाकून ही नोंद ठेवता येईल.

आईनस्टाईन यांनी 1905 मध्ये त्यांचा फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा सिद्धांत लिहिल्यापासून, आपण त्याचा वापर करून अनेक मजेशीर गोष्टी तयार केल्या आहेत.

मात्र, अजून बरंच काही व्हायचं आहे. प्रकाश आणि पदार्थामधील या अविश्वसनीय परस्परसंवादाचं आकलन झाल्यामुळे हे विश्व नेमकं कसं काम करतं याबद्दलचे कुतुहलाचे अनेक तपशील समोर आले आहेत.

Getty Images

1960च्या दशकात, चंद्रावर उतरणाऱ्या सुरुवातीच्या काही अंतराळवीरांनी चंद्राच्या क्षितिजाचे फोटो घेतले होते. त्यात त्यांना काहीतरी विचित्र गोष्ट आढळून आली होती. ती म्हणजे, विचित्र प्रकारची चमक किंवा प्रकाश, जवळपास हळूहळू होणाऱ्या सूर्यास्तासारखा.

चंद्रावर पृथ्वीसारखं वातावरण नाही. आपल्या वातावरणातील कणांद्वारे प्रकाश विखुरतो त्यामुळे ग्रह अक्षाभोवती फिरत असताना सूर्योदय आणि सूर्यास्त निर्माण होतात.

चंद्रावरील तो प्रकाश, ती चमक कुठून येत होती? असं दिसून आलं की सूर्याचा प्रकाश चंद्राच्या पृष्ठभागावर असणाऱ्या धुळीवर आदळत होता. फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टमुळे या प्रकाशात पॉझिटिव्ह विद्युत प्रवाह निर्माण होत होता.

अशाप्रकारे धुळीचे हे छोटे कण एकमेकांना ढकलतात किंवा दूर सारतात आणि वेळोवेळी चंद्राच्या पृष्ठभागावर तरंगतात. हे होत असताना, ते कण नुकत्याच मावळलेल्या सुर्याचा प्रकाश पकडतात आणि त्यातून ती जादूमय चमक किंवा प्रकाश निर्माण होतो.

(नोबेल प्राईझ आऊटरीच आणि बीबीसीने संयुक्तपणे या लेखाची निर्मिती केली आहे.)

बीबीसीसाठी कलेक्टिव्ह न्यूजरूमचे प्रकाशन.

• अवकाश विज्ञानाचा चमत्कार, सूर्य ब्लॅकहोल बनून पृथ्वीच गिळून घेईल का?
• आपण मृत पूर्वजांना भेटू शकतो का? आइन्स्टाईनचं क्वांटम मेकॅनिक्स काय सांगतं?
• सूर्याचा नक्की रंग कोणता? तो पिवळा का दिसतो?