आकाश निळे का दिसते?[१]
माझ्या व्याख्यानाकरता एखादा शास्त्रीय विषय निवडण्यास जेव्हा मला सांगितले गेले, तेव्हा ’आकाश निळे का दिसते?’ हा विषय निवडणे मला मुळीच अवघड गेले नाही. सुदैवाने निसर्ग आपल्यावर प्रसन्न आहे. मी डोळे उचलून वर पाहतो तेव्हा आकाश निळे दिसते. सगळीकडेच नाही, कारण कित्येक ठिकाणी अनेक ढग असतात. मी हा विषय एवढ्याच साधा कारणाने निवडला की, त्याचा प्रत्यय येण्याकरता प्रयोगशाळेत जाऊन पाहावे लागत नाही. नुसते वर पाहा. आकाशाकडे पाहा. मला असे वाटते की, वैज्ञानिक प्रेरणेचे ते एक उदाहरणच आहे. डोळे आणि कान उघडे ठेवून आणि आसपासच्या जगाकडे पाहूनच तर तुम्ही विज्ञान शिकू शकता. निदान माझ्याकरता तरी, विज्ञानाची खरी प्रेरणा हे मुख्यतः निसर्गाप्रतीचे प्रेमच राहिलेले आहे. खरोखरीच या जगात आपण जिथे जिथे पाहू, तिथे तिथे आपण निसर्गात घडत असलेले चमत्कार पाहत असतो. माझ्यापुरते तरी मला ते, अगदी अविश्वसनीयच भासत असते. आपण सगळे ते गृहितच धरत असतो. मात्र वैज्ञानिक प्रेरणा; आपण त्यापाठीमागे पाहून, आपण राहत असलेले जग किती विस्मयकारक आहे ते लक्षात घ्यावे अशीच असते. जे जे आपण पाहत असतो, ते ते केवळ कुतुहलाची वस्तूच नसते तर, एक आव्हानही असते. आपल्यास वेढून असलेल्या विस्तृत रहस्यांना जाणून घेण्याचे, जीवात्म्यास मिळालेले एक आव्हान.
जीवात्म्यास मिळालेले हे आव्हान स्वीकारण्याचा प्रयत्न विज्ञान सततच करत असते. डॉ. साराभाईंनी स्वतःस घातलेला आजचा प्रश्न हा आहे की, आपल्या देशाची एक महान ज्ञानकेंद्र, शिक्षणकेंद्र आणि उद्यमकेंद्र म्हणून पुन्हा उभारणी करण्यासाठी आपल्या देशातील युवा पिढीला कसे जागवावे. त्याकरता मी तुम्हा सगळ्यांना सुयश चिंतितो. आता मला मूळ प्रश्नाकडे वळू द्या, तो म्हणजे, ’आकाश निळे का दिसते?’.
मी हा प्रश्न उपस्थित केला कारण हा विषय सोपा आहे. मला केवळ वर पाहायचे आहे आणि आकाश निळे दिसणार आहे. पण का ते तसे आहे? या प्रश्नाचे उत्तर सहजपणे देणे अगदी सोपे आहे. जर तुम्ही कुणा वनस्पतीतज्ञाला विचाराल की, पानांचा रंग हिरवा का असतो? तर तो पुटपुटेल ’हरितरंजक द्रव्य (क्लोरोफिल)’. बस. सर्व शास्त्रीय प्रश्नांना अशीच थोडक्यात उत्तरे देता येतील. एका वा दोन शब्दांत. अशी उत्तरे देऊन कदाचित तुम्ही परीक्षेत पासही होऊ शकाल. मात्र हे काही खरे उत्तर नव्हे. मी पूर्वीच म्हणालो त्यानुसार, निसर्गाचे शास्त्रीय आव्हान हे विचारास प्रवृत्त होण्याचे असते. केवळ शोधून थांबायचे नाही आहे, तर त्यावर विचारही करायचा आहे. सतत विचार करायचा आहे. ’आकाश निळे का दिसते?’ त्याचे रहस्य शोधून काढायचे आहे. ही तर फारच सुरस समस्या आहे. कारण यात दोनच गोष्टी आहेत. आकाशही इथेच आहे आणि मीही इथेच तर आहे. मला ते निळे दिसते आहे. या समस्येत मानवी मन आणि मानवी मेंदूही गुंतलेले आहेत. असे समजू की आपण हा प्रश्न तरूण लोकांना विचारला. कोणतेही पुस्तक वाचू नका. शिक्षकांना विचारू नका. शांत बसून प्रश्न सोडवण्याबाबत विचार करा. ’आकाश निळे का दिसते?’ एक संपूर्णतः नवीच शास्त्रीय समस्या म्हणून या प्रश्नाकडे पाहा, जिच्याबाबत विचार करण्याची तसदी यापूर्वी कुणीच घेतलेली नाही अशी. तुम्हीच विचार करा आणि तुम्हाला असे आढळून येईल की, तुमच्याकरताही तो प्रश्न औत्सुक्याचाच आहे. उत्तेजक आहे. प्रश्नास उत्तर देण्याचा सोपा मार्ग म्हणजे त्या प्रश्नालाच दुसरा प्रश्न विचारणे. रात्री आपण सगळेच तारे पाहतो. बर्‍यापैकी निरभ्र रात्र असतांना आकाशात तारे चमचमतांना दिसतात. ते दिवसा का दिसत नाहीत? हा साधा प्रश्न स्वतःलाच विचारा. उत्तर स्पष्टच आहे की, पृथ्वी एका पडद्याआड दडलेली असते. तो पडदा असतो आकाशाचा. त्यामुळे दिवसा तारे दिसत नाहीत. हा पडदा असतो पृथ्वी भोवतालच्या वायुमंडलाचा. तोच पडदा रात्री मात्र एवढा पारदर्शक असतो की, दिवसा झाकले गेलेले सूक्ष्म तारे आणि आकाशगंगाही रात्री दिसू लागतात. त्यामुळे पडदा हा हे वायुमंडलच असते. आपल्याला आकाश निळे दिसते कारण, इतर ढगांसारखे जाडजूड पडदे त्यावर आलेले नसतात. उदाहरणार्थ निळ्या आकाशात उंचावर तरंगत असलेल्या ढगांसारखे. त्यामुळे आकाश निळे दिसण्याकरता त्यावर ढग वा धुळीचा पडदा आलेला नसावा. आकाश जेवढे निरभ्र तेवढे ते निळे दिसेल. म्हणजे आकाश नेहमी निळेच नसते. काही वेळेला ते निळे दिसते, तर काही वेळेला मुळीच निळे दिसत नाही. त्यामुळे केवळ त्याकडे पाहूनच आपल्याला वायुमंडलाची अवस्था समजून घेता येते.
मी आणखीही एक गोष्ट सांगतो. आकाश आणि वायुमंडल हे दोन्हीही सूर्यप्रकाशाने उजळलेले असतात. सूर्यप्रकाश ज्या उंचच उंच हवेच्या स्तंभातून पार होत असतो, ते तर वायुमंडलच असते. पारदर्शी आणि रात्री अदृश्य होणारे. सूर्यप्रकाशात उजळणारे. आता तुम्ही स्वतःस आणखी एक प्रश्न विचारा. तुमच्यापैकी कुणाला पौर्णिमेच्या निरभ्र रात्री आकाशाकडे पाहण्याचे कुतुहल वाटले आहे की नाही, मला माहीत नाही. आपल्याला हे माहीतच असते की, चंद्रप्रकाश हा विसरित किंवा परावर्तित सूर्यप्रकाशच असतो. पौर्णिमेच्या निरभ्र रात्री तुम्ही खरेच आकाशाकडे पाहिले की नाही, मला माहीत नाही. आश्चर्यकारकरीत्या ते निळे नसते. ते म्लान भासते. काही तारेही दिसतात. मात्र आकाश निळे असत नाही. मग सूर्यप्रकाशात निळे दिसणारे आकाश पौर्णिमेच्या चंद्रप्रकाशात मात्र निळे का दिसत नाही? उत्तर स्पष्टच आहे. तो प्रकाश खूपच अशक्त असतो. त्याच्या अशक्ततेचे परिमाण जाणून घेण्यासाठी काही तुम्ही गणितज्ञ असण्याची गरज नसते. काही युवा गणितज्ञांना मी ते करायला सांगेन. चंद्र किती मोठा असतो? चंद्रप्रकाश किती तेजस्वी असावा? हा काहीसा अवकाशशास्त्रीय प्रश्न आहे. ढोबळ अंकगणित तुम्हाला सांगेल की, चंद्रप्रकाश हा सूर्यप्रकाशाच्या सूक्ष्मांशाच्या[२] सुमारे अर्धा असतो. तुम्हाला हे परिमाण अत्यंत कमी वाटेलही, मात्र चंद्रप्रकाश हा असतो तेव्हा, सूर्यप्रकाशाच्या सूक्ष्मांशाच्या सुमारे अर्धा इतकाच प्रखर असतो. मग तो अधिक प्रखर का भासतो? कारण डोळे त्याहूनही खूप कमी प्रखरतेशी जुळवून घेऊ शकत असतात. त्यामुळे चंद्रप्रकाश प्रखर भासतो, तरीही एवढा प्रखर नसतो की, त्याने सर्व तारे झाकले जावेत. तरीही आकाश निळे दिसत नाही. चंद्रप्रकाश आणि सूर्यप्रकाशाच्या या तुलनेवरून एक लक्षणीय वस्तुस्थिती आपल्या ध्यानात येते. ती म्हणजे, मानवी दृष्टीस रंग लक्षात येण्याकरता प्रकाश प्रखर असावा लागतो. मानवी दृष्टीबाबतचा हा पैलू खूपच मूलभूत आहे. आकाश निळे दिसते याचे कारण केवळ सूर्यप्रकाश प्रखर असतो हेच आहे. चंद्रप्रकाश त्यामानाने खूपच अशक्त असल्याने रंग संवेदलेच जात नाहीत. हे तत्त्व हवे त्या प्रमाणात समजून घेतले जात नाही. रंग केवळ प्रखर प्रकाशातच संवेदले जाऊ शकतात. जेवढा प्रकाश अधिक प्रखर तेवढेच रंग अधिक उजळ. प्रकाशाच्या निम्नतर पातळ्यांप्रत तुम्ही जाऊ शकता. सूक्ष्मांश वा त्याहून अर्धा, एक लक्षांश प्रखरतेप्रत तुम्ही जाऊ शकता. रंगसंवेदना हरपत जाते. मानवी दृष्टीबाबतचा हा पैलू खूपच मूलभूत आहे. हे ज्ञान आपल्याला केवळ निरीक्षण आणि विचार करूनच लाभते. इतर कशानेही नाही. तुम्ही तार्‍यांकडे किंवा नीहारिका तेजोमेघ (ओरायन नेब्युला) यांसारख्या अवकाशीय वस्तूंकडे छोट्याशा दूरदर्शकातून पाहता तेव्हा बहुधा, सर्वात लक्षणीय प्रात्यक्षिक समोर येते. मी त्यांना असे काही सांगू इच्छितो, जे खूपच अविश्वसनीय वाटते. अवकाशीय वास्तव समजून घेण्याकरता केवळ एक चांगली दुर्बीण आवश्यक असते. दुर्बीणीसारख्या साध्या साधनाच्या साहाय्यानेही जो आकाशाकडे पाहत नाही, तो काही सुशिक्षित म्हणवला जाऊ शकत नाही, कारण तो ज्या विश्वात राहत असतो त्याच्याच सर्वाधिक विस्मयकारक दर्शनास तो मुकलेला असतो. तुम्ही दुर्बीणीतून आकाश अवश्य पाहिले पाहिजे. तुम्ही काही फार पाहू शकत नाही. थोडेसेच दिसते. मात्र तेही, मानवी मनाच्या उन्नतीस कारण ठरते आणि हे जग किती विस्मयजनक आहे त्याची आपल्याला प्रचिती येऊ शकते.
आता मी पुन्हा निळ्या आकाशाच्या समस्येकडे वळतो. मी तुम्हाला आता एक अवघड प्रश्न विचारणार आहे. आपल्याला निळा रंग प्रखर सूर्यप्रकाशातच का दिसतो, चंद्रप्रकाशात का दिसत नाही? आता आपण पुन्हा ’आकाश निळे का दिसते?’ या प्रश्नाकडे वळू. आपल्या सगळ्यांना हे माहीतच असते की, पांढरा प्रकाश हा सगळ्या वर्णपटाचा मिळून झालेला असतो. तो निरनिराळ्या रंगांत विभाजित करा. तांबडा, नारिंगी, पिवळा, हिरवा, निळा, पारवा आणि जांभळा अशा त्याच्या छटा होतात. जेव्हा मी आकाशाकडे पाहतो तेव्हा मला केवळ निळा दिसतो. मग त्यावेळी उर्वरित वर्णपटाला काय होते? हाच खरा प्रश्न आहे. वर्णपट सुटा केला तर निळा प्रकाश सर्वात कमी प्रखर असतो. त्यातील ऊर्जा एकूण प्रकाशातील ऊर्जेच्या १/४० व्या भागाहूनही कमी असते. मात्र आपल्याला केवळ तो १/४० वा भागच दिसतो. उर्वरित वर्णपट आपल्याला दिसतच नाही. तो नाहीसाच झालेला असतो. आता तुम्ही खूप प्रयत्नपूर्वक आठवून पाहा, तुम्हाला निळ्या आकाशात पिवळा वा हिरवा रंग दिसतो का ते. आपल्याला तो दिसत नाही. निळ्या वर्णाने साराच उर्वरित वर्णपट झाकून टाकलेला असतो. हे वास्तव तर खूपच लक्षणीय आहे. जर काही वेळेला तुम्ही आकाश निरीक्षण केलेले असेल तर, कित्येकदा तुम्हाला मोठमोठे पांढरे ढग दिसत असतात. त्यांना राशीमेघ (क्युमुलस क्लाऊडस) म्हणतात. भव्य मेघ नव्हे. मेघ पुंज. निळ्या आकाशात असे मेघ पुंज विहरत असल्याचे दृश्य सुंदर दिसते. सुरस हे असते की, असे मेघ जेव्हा विहरत असतात तेव्हा आकाश सर्वाधिक निळे दिसते. अर्थ असा की, मेघपुंज तयार होतांना आकाशातील वातावरणास स्वच्छ करत जातात. धूळ त्या पांढर्‍या मेघ पुंजांवर साखळत जाते. मग उर्वरित आकाश स्वच्छ आणि नितळ दिसते. शुभ्र पांढर्‍या ढगांच्या पार्श्वभूमीवर निळे दृश्य सुंदर आणि छान दिसते. ईश्वराचे आवास. आता तुम्ही ते पाहत राहण्याची काळजी करू नका, कारण ते सर्वदूर झालेले दृश्य असते. तुम्ही विचाराल की, ही स्वच्छता प्रक्रिया कशा प्रकारे पूर्ण होते? त्याची मात्र एक आश्चर्यकारक कहाणी आहे. जेव्हा मी तरूणांना विचारतो की, ’ढग म्हणजे काय?’, उत्तर येते ’ओह! ढग म्हणजे तर वाफ.’ नेहमी मिळणारे उत्तर म्हणजे वाफ. मात्र ढग काही तसा नसतो. ढग कणाकणांनी बनलेला असतो. आपल्याला भव्य पांढरे आकारस्वरूप दिसणारे ढग प्रत्यक्षात पाण्याचे थेंब असतात. पाणी तर हवेहून जड असते. मग ते खाली कसे पडत नाही? आपल्याला तर ढग हवेत तरंगतांना दिसत असतो! ही एक निराळीच समस्या आहे. मी तर आधीच एका समस्येवरून दुसर्‍या समस्येकडे जात आहे. आपण स्वतःलाच विचारू या. ’ढग म्हणजे काय?’ ’तो आकाशात का तरंगत असतो?’ ’आकाश निळे का दिसते?’ हा प्रश्न विचारताच तुम्ही भौतिकशास्त्रातील समस्यांत खोलवर शिरत जाता. आता सुरस हे आहे की, धुळीचे कण उपस्थित असल्याखेरीज ढग तयार होऊच शकत नाही.
कोणत्या तरी प्रकारचे कण हवेत. खूप लहान का असेनात. किंवा मोठेही का असेनात. सुशिक्षितांच्या भाषेत ते त्याला ’केंद्रक’ म्हणतात. हवेत जर धूळ नसेल तर ढगही तयार होणार नाहीत आणि पाऊसही पडू शकणार नाही. पाहा, आपण निळ्या आकाशापासून पावसाच्या उगमाप्रत कसे जाऊन पोहोचलो. एका गोष्टीतून दुसरी निष्पन्न होते. हेच तर विज्ञानाचे माहात्म्य आहे. विज्ञान नेईल तिथवर आपल्याला खोलात शिरावे लागते. त्यापुढे आपण जाऊ शकत नाही. तुम्ही एक प्रश्न उपस्थित केला की, त्यातून दुसरा उद्भवतो, त्यातून आणखीन तिसरा उद्भवतो. असे होतच राहते. अंतिमतः ’आकाश निळे का दिसते?’ या प्रश्नाचे उत्तर मिळवता मिळवता, तुम्हाला विज्ञानाचे सारेच क्षेत्र फिरून यावे लागते. ढग तयार होतात आणि वातावरण शुद्ध होते. तुलनेने धूळ आणि इतर कणांपासून मुक्त होते. त्यामुळे ते निळे दिसते. आता अखेरीस आपण या समस्येच्या कुठल्याशा उत्तराप्रत पोहोचत आहोत. आकाश निळे दिसते कारण वातावरण स्वच्छ असते. जेवढे अधिक स्वच्छ असेल तेवढे अधिक निळे दिसते. तेही पुरेसा प्रकाश असेल तरच. अशा प्रकारे तुम्ही समस्येच्या समाधानाच्या आसपास पोहोचता. तुम्ही काय पाहू शकता? वास्तव हे आहे की, जेव्हा आपण निळे आकाश पाहतो, तेव्हा आपण पृथ्वीचे वातावरण पाहत असतो. वातावरणातले वायू पाहत असतो. ते प्रकाश विसरित करत असतात. त्यामुळे आपल्याला आकाशातील निळा प्रकाश दिसतो. अजूनही आपण उत्तरापासून खूप दूरच आहोत.
मी तुम्हाला सांगितले की, सूर्यप्रकाशाचा १/४० वा भागच केवळ निळा असतो. सूर्यप्रकाशातील उर्वरित प्रकाशाचे काय होते? हाच खरा प्रश्न आहे. या प्रश्नाचे उत्तर पुढीलप्रमाणे मिळवता येईल. तुम्ही पांढर्‍या ढगांकडे पाहा आणि मग निळ्या नभाकडे पाहा. छोट्याशा वर्णपटदर्शकाच्या मदतीने तुम्ही त्यांची तुलनाही करू शकता. निळे आकाश आणि पांढरे ढग यांच्या वर्णपटातील भेद शोधता शोधता, आश्चर्य तर याचे वाटते की, तुम्हाला फार फार काळजीपूर्वक पाहावे लागते. पांढरा ढग निश्चितच खूप तेजस्वी असतो. मात्र त्यातील रंगच्छटांचा पल्ला म्हणजे वर्णपट पाहिला तर निळे आकाश आणि पांढरा ढग यांत एकच वर्णपट असल्याचे दिसून येते. तो तांबड्या रंगापासून सुरू होऊन निळा होत जातो. मात्र एकात तुम्हाला प्रकाश निळा दिसतो आणि दुसर्‍यात पांढरा. खूप कष्टाने, अत्यंत सावध राहून, तुम्हाला त्यांच्या तुलनात्मक प्रखरतेत फरक आहे असे लक्षात येते. तुम्ही तुलनेत तेवढा प्रखर नसलेला पिवळा रंग पाहू शकता आणि तांबडा रंग पाहू शकता. लक्षात घ्या की ही तुलना मनोमन करायची आहे. निळ्या आकाशाची प्रखरता आणि उर्वरित वर्णपटातील जांभळ्या रंगाची प्रखरता पाहा. तांबड्याच्या तुलनेत पिवळा आणि हिरवा; निळा आणि जांभळा; हे निळ्या आकाशातील विसरित, विखुरलेल्या प्रकाशात, प्रखर दिसतात. अजूनही तुम्ही उत्तरापासून दूरच आहात. अजूनही यातून तुम्ही उर्वरित वर्णपट का पाहू शकत नाही याचे उत्तर मिळतच नाही आहे. प्रत्यक्षात निळ्या आकाशात हिरवा आणि पिवळा, तसेच तांबडा रंग हे असतातच. ते खूप प्रखरही असतात. अगदी ४० पट नसतील, तरी निळ्याहून निदान दहापट तरी प्रखर असतातच. मग आपण केवळ निळाच का पाहू शकतो उर्वरित रंगच्छटा का पाहू शकत नाही? इथे पुन्हा एक अत्यंत अवघड प्रश्न उभा राहतो. सूर्यप्रकाशातील निळ्या भागाचे प्रत्यक्षातील तेज तरीही उर्वरित वर्णपटातील तेजाहून खूप कमी असते. मात्र वर्णपटातील तो भाग आपण संवेदूच शकत नाही. हे तर सोपे आहे आणि आश्चर्यकारकही. मात्र एक छोटासा, चांगला प्रयोग आहे. किमान, हा काही अपवादात्मक आविष्कार नाही हे दाखवून देण्याकरता, तो कुठल्याशा विज्ञानकेंद्रात दाखवलाही जाईल. ते मानवी दृष्टीच्या मूलभूत वास्तवातील एक आहे. वर्णपटातील निळा भाग क्षीण असूनही, काही परिस्थितींत वरचढ ठरतो आणि त्याच्या प्रत्यक्षातील तेजाने शक्य होईल त्याहून, प्रचंड महत्त्वाची भूमिका पार पाडत असतो. आता तो प्रयोग पुढीलप्रमाणे आहे. खूप सोपा प्रयोग आहे तो. थोडे पाणी घ्या आणि त्यात किंचित ताम्रगंधकप्राणिल (कॉपर सल्फेट) टाका, मग त्यात अतिरिक्त अमोनिया सोडा. तुम्हाला ’क्युप्रामोनियम’ नावाचे द्रावण मिळेल. हे द्रावण फार सशक्त असते. ते केवळ गडद जांभळ्या रंगासच पार होऊ देते. ते एका भांड्यात ठेवा. त्यात पाणी भरू लागा. त्यातून प्रखर दिव्याच्या रंगांकडे पाहा. पुढील गोष्टी घडतांना दिसतील. गडद जांभळा रंग निळ्यात बदलतांना दिसेल. निळा रंगही मग फिकट होत जाईल. अखेर तो केवळ निळा राहील. प्रकाशाच्या वर्णपटातील तांबडा, हिरवा प्रकाश ते द्रावण पार होऊ देईल. मात्र पिवळा प्रकाश नाही. वर्णपटातून भरपूर प्रकाश येत असतो. निळा भागही संपूर्ण प्रकाशाचा केवळ काही किरकोळ भाग नसतो. वर्णपटातून येणारा संपूर्ण प्रकाश तुम्ही पाहू शकत नाही, इतर कोणता रंग येत असेल तर त्याची तुम्ही कल्पनाही करू शकत नाही. याचे कारण पुढीलप्रमाणे आहे. पार होणारा प्रकाश तुम्ही जर वर्णपटदर्शकातून तपासला तर ’क्युप्रामोनियम’ द्रावणाच्या प्रभावाने वर्णपटाचा पिवळा भाग दिसेनासा होईल. द्रावण वर्णपटाच्या रुंदीचा, खूप महत्त्वाचा असलेला तो छोटा पिवळा भाग, शोषून घेऊन दिसेनासा करते. द्रावण हे कसे साध्य करते आणि रंगावर नियंत्रण मिळवते ते जाऊ द्या. प्रकाश निळा दिसतो कारण पिवळा शोषला जात असतो आणि निळा दृष्टीस येतो. तुम्ही जर संपूर्ण वर्णपट घ्याल आणि जर त्यातील पिवळ्या भागाची प्रखरता कमी कराल तर, तर लगेचच वर्णपटाचा निळा भाग दिसू लागेल आणि निळा रंग वरचढ ठरेल. हा शरीरशास्त्रातील वास्तवाचाच एक भाग आहे. जर तुम्हाला एखादा विशिष्ट रंगच दिसायला हवा असेल तर, तुम्ही पिवळा रंग नाहीसा करायला हवा. उदाहरणार्थ माझ्या सन्मानार्थ पसरलेला एक तांबडा गालिचा घ्या. त्याकडे वर्णपटदर्शकातून पाहा. मी तुम्हाला आधीच हे सांगू शकेन की, त्यात पिवळा अजिबातच असणार नाही. तांबडा, हिरवा वा निळा कोणताही रंग मिळवण्याकरता तुम्हाला पिवळा रंग त्यातून काढून टाकावा लागतो. पिवळा रंग हा अन्य रंगांचा जणू प्राणघातक शत्रूच असतो. मला म्हणायचे आहे इतर रंगांचा. एका हिरव्या पानाकडे पाहा. सर्वच पाने हिरवी असतात, ती काही हरितरंजक द्रव्यामुळे नाही. हरितरंजक द्रव्य तांबडा रंग शोषून घेण्यात खूप सशक्त असते यात मुळीच संशय नाही. मात्र रंग हिरवा करणारा खरा घटक म्हणजे, पिवळा रंग काढून टाकलेला असणे हा होय. हरितरंजक द्रव्यात पिवळा रंग शोषून घेण्याचे सामर्थ्यही पुरेसे असते. ज्यामुळे पिवळ्या रंगाची प्रखरता कमी होते. मी याबाबतची कौशल्ये तपासली. बंगळुरू हे रेशमाच्या निर्मितीचे मोठे केंद्र आहे. मी २५-३० काचोळीचे कपडे खरेदी केले. रंग उजळ दिसण्याकरता त्यातून पिवळा रंग काढून टाकावा लागतो. हे विधान मी त्यांना पडताळण्यास सांगितले. भातशेतीकडे पाहा. किती छान दिसते ती. आता तिच्याचकडे वर्णपटदर्शकातून पाहा.
निळ्या आकाशाच्या वर्णपटाप्रमाणेच ती दिसते. केवळ एकच दृश्यमान फरक असतो, जो एका दृष्टीक्षेपात दिसू शकतो. निळे आकाश आणि हिरवी भातशेती यांच्या वर्णपटातील भेद म्हणजे, निळ्या आकाशाच्या वर्णपटातून निळा रंग जर काढून टाकला तर ते दोन्हीही वर्णपट एकसारखेच असतात. भातशेतीच्या वर्णपटातील निळा रंग काढून टाकलेला असतो. हे काम त्यात उपस्थित असलेली पितरंजक द्रव्ये (करोटिनॉईड पिग्मेंटस) करतात. मात्र तुम्ही काळजीपूर्वक पाहिलेत तर, भातशेतीच्या वर्णपटात तुम्हाला पिवळा रंगही दिसतच नाही. पाने हिरवी दिसण्याकरता, त्यातून पिवळा रंग काढून टाकणे अत्यावश्यक असते. पिवळ्या रंगाचे हे वर्चस्व तुम्हाला नेहमीच दिसून येईल. त्याउलट जर पिवळा रंग काढून घेतलेला असेल तर, निळा रंग वर्चस्वी ठरतो. जर पिवळा रंग काढून घेतलेला नसेल तर, पिवळा रंग वर्चस्वी ठरतो. हे दोन्ही रंग परस्परविरोधी आहेत, परस्परांचे शत्रू आहेत. वास्तव हे आहे की, संपूर्ण वर्णपटाचे तुम्ही दोन भागांत विभाजन करू शकता. विभाजन जिथे हिरवा आणि निळा संपतात तिथे होते. हिरवा, पिवळा, नारिंगी आणि तांबडा यांच्या बाजूचा भाग पिवळा ठरतो. वर्णपटाचा उर्वरित भाग निळा. एकास हटवला की दुसरा उरतो. आकाश निळे का दिसते या प्रश्नाचे हेच खरे उत्तर आहे आणि ते खूप महत्त्वपूर्ण आहे. वर्णपटातील पिवळ्या रंगाची, म्हणजे अर्थातच हिरव्या आणि तांबड्या रंगाची प्रखरता तुम्ही घटवता. हटवत नाही. निळ्याचे वर्चस्व वाढते. ज्यामुळे आकाश निळे दिसते. कुणी पुढे जाऊन हेही म्हणू शकेल की, मुख्य म्हणजे पिवळा रंग घटवणे. का घटवायचा? आता याचा दुसरा भाग येतो. तो सांगून नंतर ’आकाश निळे का दिसते?’ असा प्रश्न करता आला असता. ’वातावरणांतील रेणूंकडून होणारे प्रकाशाचे विखुरण.’ या एकाच वाक्यात मला या संपूर्ण व्याख्यानाचे सार सांगता आले असते. “मग महोदय, हे एवढे मोठे व्याख्यान कशासाठी” असेही तुम्ही विचाराल. माझ्या तरूण मित्रांनो, तुम्ही विज्ञानाचे तत्त्व समजून घ्यावे असे मला वाटते. छोटी आणि झटपट उत्तरे मिळवणे हे ते तत्त्व नाही. खोलवर मंथन करून शोध घेणे हे ते तत्त्व आहे. मला माझ्या श्रोत्यांच्या हे लक्षात आणून द्यायचे आहे. सत्वरसिद्ध छोट्या उत्तरांनी संतुष्ट होऊ नका. तुम्ही त्यांनी कधीच संतुष्ट होऊ नये. तुम्ही आजूबाजूला पाहावे. विचार करावा. सर्व प्रकारचे प्रश्न विचारावे. समस्येकडे लक्ष द्यावे आणि उत्तराचा शोध घ्यावा. यथावकाश काहीसे सत्य सापडते. अखेरपर्यंत तुम्ही पोहोचू शकत नाही. मी म्हणालो त्यानुसार, अखेर म्हणजे मानवी मेंदू. तो तर अजून खूप दूरच असतो. हेच विज्ञानाचे तत्त्व आहे. एका साध्या प्रश्नाच्या शोधाचे मी एक उदाहरण देतो. जणू काय नुकतेच सुरू केले आहे असे मी आपल्याशी बोलतच राहू शकतो. विषय एकच. ’आकाश निळे का दिसते?’. ’आकाश निळे दिसते कारण आकाशास उजळणारा प्रकाश, वातावरणातील रेणूंद्वारे विखुरण होऊन उद्भवलेला प्रकाश असतो’. आता हा शोध काहीसा सावकाशच लागला. हे स्पष्टीकरण ज्याने दिले ते म्हणजे दिवंगत लॉर्ड रॅले.
मला वाटते की, स्वप्ने ही आयुष्याचा सर्वोत्तम भाग असतात. वास्तवातील अवतरण नाही, तर उद्या मी काय शोधणार आहे याबाबतची मुळातील ती संकल्पनाच, शास्त्रीय मानवास अपार कष्ट करण्यास प्रवृत्त करत असते. मग प्रत्यक्षात शोध लागो वा न लागो. हेच मला पुन्हा एकदा श्रोत्यांवर ठसवायचे आहे. विज्ञान हे निश्चित स्वरूपाने मानवी मनाचे आविष्कार असतात. एखादा कवी काय करत असतो? चित्रकार काय करत असतो? महान शिल्पकार काय करत असतो? संगमरवराचा एक खंड घेऊन तो तासत जातो. तासत राहतो. अखेरीस त्याचे स्वप्न तो संगमरवरात साकार करतो. आपण त्याची प्रशंसा करतो. मात्र तरूण मित्रांनो, कृपया एक लक्षात ठेवा की, त्या शिल्पावर प्रचंड प्रमाणात किती संहत प्रयास झालेले आहेत. आपण ज्याची नेहमीच प्रशंसा करू असे काहीतरी, चिरजीवी असे काहीतरी, साकार करण्याची आशाच शिल्पकारास या कामाकरता प्रवृत्त करत असते. शास्त्रज्ञास विज्ञानास वाहून घ्यावे असे वाटते ती प्रेरणा आणि इतर क्षेत्रांतील कार्यकर्त्यांनाही त्या त्या क्षेत्रांत काहीतरी लोकोत्तर करावे असे वाटण्याची प्रेरणा यांत काही फरक आहे असे मला वाटत नाही. आयुष्यातील महान गोष्ट म्हणजे ते ते साध्य नसून, ते साध्य सिद्ध करण्याची प्रेरणा हीच आहे. आपले त्याकरताचे प्रयास हेच मोठे समाधान असते. काहीतरी साध्य करण्याकरताचे प्रयास, मग ते कार्य साधो अथवा न साधो, आयुष्यास सार्थ करतात. ज्ञानसाधनेची प्रेरणा नसेल तर मनुष्यास शास्त्र समजणारच नाही. कदाचित कुठल्याशा खात्यात तुम्हाला काम मिळेलही. उत्तम वेतनही लाभेल. मासिक वेतनासाठी प्रतीक्षा करण्याखेरीज तुम्हाला कोणतेच कामही राहणार नाही. मात्र ते म्हणजे विज्ञान नव्हे. शास्त्रोपासकाचा खरा व्यवसाय खरे काहीतरी शोधून काढण्याचाच असतो. ज्ञानसाधनेचाच असतो.
हे सर्व सांगून झाल्यावर मी पुन्हा निळ्या आकाशाकडे वळू का? माझे अजूनही सांगून संपलेले नाही. खरे सांगायचे तर व्याख्यानाची आता सुरूवात होते आहे. हवेचे रेणू प्रकाश का विखुरतात? मी सांगितले तसे, तांबडा, पिवळा आणि हिरवा इत्यादी दीर्घलहरींचा प्रकाश कमी विखुरला जातो. यात मी प्रकाशशास्त्राची ’लहर’ संकल्पना वापरली आहे. वर्णपटातील उर्वरित प्रकाश मात्र प्रखरतेने विखुरला जातो. मग डोळे केवळ तोच पाहत राहतात. पहिला नाही. असे का होते? उत्तर स्पष्टच आहे. वातावरणीय रेणू अत्यंत सूक्ष्म आकाराचे असतात. प्रकाशाच्या तरंगलांबीच्या तुलनेत त्यांचा आकार अविश्वसनीयरीत्या लहान असतो. उदाहरणार्थ, एखाद्या मोठ्या तलावाकडे पाहत असतांना तुम्हीही हेच अनुभवता. होडी किती मोठी असू शकते मला कल्पना नाही, मात्र लहान कणांच्या मानाने मोठी होडी अविचलित राहते. विचलन आणि कणाचे आकारमान यांतील प्रमाण विचलनाचे कणांवरील प्रभाव किंवा त्याउलटचे प्रभाव निर्धारित करत असतो. लघुतरंग लहरींचे विखुरण पसंतीने होण्यामागचे तत्त्व हे आहे. तुम्ही प्रयोगशाळेतील अनेक प्रयोगांद्वारे हे दाखवून देऊ शकता. त्याकरता तुम्हाला हवेच्या रेणूंचीही आवश्यकता भासत नाही. फक्त थोडेसे पाणी आणि काहीसा साबण किंवा धुराच्या साहाय्यानेही तुम्ही प्रयोग करू शकता. पुरेसे छोटे कण, लघुतरंग लहरींना पसंतीने विखुरतात. मात्र तुम्हाला गडद निळा रंग मात्र, हे कण अत्यंत सूक्ष्म असल्याखेरीज मिळत नाही. तसेच आधीच सूचित केल्यानुसार पुरेसा उजेडही आवश्यक असतोच. तो असल्याखेरीज फिक्कट निळा रंगच संवेदला जाईल. आता मी निळ्या आकाशातील विखुरणापासून रेणूंच्या अभ्यासापर्यंत आलेलो आहे. वस्तुतः या विषयाची सुरूवात मी १९०१ साली केली होती. तेव्हाही आता मी जे सांगितले ते ज्ञात होतेच. अपवाद केवळ दृष्टीसंदर्भातील विवेचनाचा होता. तो माझ्या अलीकडील अभ्यासाचा भाग आहे. मात्र मी बोललेले रेणूंसकट सारेच १९२१ साली ज्ञात झालेले होते. त्या वेळी आम्हाला वाटले होते की, आता सारे कळलेले आहे. आज आपल्याला हे माहीत आहे की, संवेदनाची दृष्टीशाखा आणि दृष्टीची गुणवत्ता या विषयात महत्त्वाची भूमिका बजावत असते.
माझ्या व्याख्यानाचा विषय काही आकाशातील निळाई नाही. व्याख्यानाचा विषय तुम्ही सगळ्यांनीच जाणला आहेत, त्यानुसार वैज्ञानिक भूमिका हा आहे. विज्ञान म्हणजे काय? या देशात विज्ञानाची प्रगती कशी होऊ शकेल? आपण आपल्या पूर्वजांच्या वारशास पात्र ठरण्याकरता काय प्रयत्न करायला हवा? हा खरा माझ्या व्याख्यानाचा विषय आहे. घोषित विषय हा, विषयाचा माहितीफलक टांगण्याकरता ठोकलेली केवळ एक खुंटी आहे. कहाणी इथे सुरू होते. प्रश्न हा आहे की प्रकाश रेणूंशी कसा वागतो, रेणू म्हणजे काय, त्यांचे पुढे काय होते इत्यादी इत्यादी. विज्ञान थांबत नाही. ते चालतच राहते. जो जो अधिक सापडत जाते, तो तो शोधण्यालायक गोष्टीही आढळतच राहतात. विज्ञानाचे आकर्षण हेच तर आहे. इतर लोकांनी अडथळा मात्र करता उपयोगी नाही. त्यांचीही चिंता करू नका. मुद्दा हा आहे की, शोधाची तहान अंतहीन असते आणि प्रत्येक नवा शोध शोधाचे नवे मार्ग घडवत असतो. उत्तरे शोधण्याकरताचे नवे प्रश्न उपस्थित होतच राहतात.
मी जे जे बोलत आहे ते ते सर्वकाळ मापनशास्त्राशी एकरस कसे आहे त्याची निदान चौकट निर्धारित केल्याखेरीज मी व्याख्यान देऊ शकत नाही. मात्र या विषयातले खरे स्वारस्य मापनशास्त्रात दडलेले नाहीच आहे. ते प्रकाशाच्या विखुरणात आहे, जे हवेतील रेणूंचे खरे स्वरूप जाणून घेण्याकरताचे, आज आपल्यापाशी असलेले अमोघ शस्त्र आहे. तुम्ही रेणू मोजू शकता. तुम्ही प्रयोगशाळेत प्रयोग करू शकता. विज्ञानाच्या प्रत्येक विद्यार्थ्याने प्रयोगच तर पाहिलेले असायला हवेत. एक काचेची बाटली घ्या. एक पात्र घ्या आणि एक बूचही. त्यातील सर्व धूळ काढून टाका. मग त्यात एक प्रकाश शलाका जाऊ द्या. मग तो सूर्यप्रकाश असू दे किंवा इतर कोणताही प्रकाश. शलाका हवेतून पार होईल असे पाहा. तुम्ही हवा पाहू शकता. हवा काही एवढी पारदर्शक नसते, रंगहीन वायू नसते, अदृश्यमान नसते. तुम्ही विखुरलेल्या प्रकाशाद्वारे हवेला दृश्यमान करू शकता. हा एक साधासोपा प्रयोग आहे. विज्ञानाच्या प्रत्येक विद्यार्थ्याने आयुष्यात किमान एकदा तरी पाहिलेलाच असावा असा आहे. तुम्ही हवा पाहू शकता. तुम्ही कोणताही वायू पाहू शकता. तुम्ही कशाचीही वाफ पाहू शकता. सुट्ट्या कणांद्वारे होणार्‍या प्रकाशाच्या विसरणाच्या तीव्रतेवरून तुम्हाला ते दिसू शकते. अधिक कण असतील तर अधिक सशक्त विसरण होईल. विसरण तीव्रतेवरून तुम्ही प्रत्यक्षात रेणूंची संख्या मोजू शकता. मी ’मोजणे’ शब्द वापरला आहे; म्हणजे एक, दोन, तीन, चार अशाप्रकारे नाही. एका निराळ्या प्रकारचे मापन आहे ते. जेव्हा मी वर्तमान कार्यालयात आलो, तेव्हा ते रुपये मोजत असत. ते काय करायचे, ते रुपये मोजत नसत. ते पोती मोजत असत. पोत्यांची वजने मोजत असत. प्रत्येक पोत्यात २,००० रुपये असल्याचे मानत असत. हे काम विश्वासाने होई. मग पोत्यांची संख्या आणि एका पोत्यातील रुपयांच्या गुणाकाराने एकूण किती रुपये आहेत समजत असे. त्याचप्रमाणे तुम्ही वातावरणातले एकूण रेणू मोजू शकता. ते एक प्रकारचे अनुमानच असते. त्याहूनही अधिक म्हणजे, उपकरणातून तुम्ही प्रत्यक्षात प्रकाशाचे विखुरण पाहू शकता. रेणू लांब आहे की आखूड ते समजून घेऊ शकता. ते गोलाकार आहेत की चतुष्पृष्ठकी (टेट्राहैड्रॉन) ते समजून घेऊ शकता. निळ्या आकाशाचा अभ्यास हे शोधाचे मोठेच क्षेत्र आहे. अपार संशोधनाचे क्षेत्र. आता ते खुले झालेले आहे आणि अभ्यासिलेही जात आहे.
जेवढे खोलात शिराल तेवढी जिज्ञासा तेवत जाते. मग प्रकाशाबाबतचे प्रश्न उपस्थित होतात. मी संभवतः त्यातही शिरू शकतो. कारण मी सांगितले त्यानुसार, माझी कल्पना अशी आहे की, एखादा ओळखीचा आविष्कार कशाप्रकारे सखोल रासायनिक वा भौतिकी समस्येशी जोडलेला असतो हे त्यातून दाखवता येईल. हाच आपला आजचा धडा आहे. ओळखीच्या वास्तवातून घेतलेला. विज्ञानातील समस्या शोधण्याकरता पाठ्यपुस्तके हुडकत राहणे आवश्यक नसते. डोळे उघडे ठेवा, अवतीभवतीचे सारे जगच, सोडवाव्या अशा समस्यांनी व्यापलेले दिसून येईल. त्या सोडवायची उमेद मात्र हवी. काहीतरी गवसेपर्यंत तड लावण्यासाठी मनाची दृढता हवी. माझ्यासमोरच्या युवा पिढीच्या नजरेस ही गोष्ट मला आणून द्यायची आहे. या सगळ्याचा उपयोग काय आहे? इथे पुन्हा मी माझ्या जीवनाचे तत्त्वसार सांगेन. हा प्रश्न कधीही विचारू नये. मी आधीच सांगितल्यानुसार प्रयत्नच मोलाचे असतात. आपल्यापाशी काही देवदत्त सामर्थ्ये असतात. निरीक्षण शक्ती असते. विचार शक्ती असते. आपण त्यांचा वापर केला पाहिजे. त्यांचा जेवढा अधिक वापर आपण करू, तेवढीच ती सामर्थ्ये अधिकाधिक प्रखर होत जातील. अंततः त्यातून काहीतरी निष्पन्न होईल, ज्याचा मानवतेस लाभ होईल. विज्ञानास लाभ होईल. शास्त्रीय ज्ञानाचा उद्देश अंतिमतः मानवी आयुष्यास ते लाभकारक होण्याचाच तर असतो. हे सगळे आपोआपच होईल, कारण आपल्याशी संबंधित शास्त्रीय प्रश्नही आपल्या आजूबाजूसच तर असतात. आपल्यासंबंधित गोष्टींशी ते जोडलेले असतात. आपल्याच पर्यावरणातून उद्भवणार्‍या समस्येवर आपण काम करत असतो तोपर्यंत, कोणतेही काम निरुपयोगी आहे असे तुम्ही म्हणूच शकत नाही. सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, सर्वात मूलभूत तपास प्रथमतः निसर्गातून बोध घेणे हा असेल. हे बोध नेमके ते असतात, जे यथावकाश मानवी आयुष्यास आणि कार्यक्रमांना खोलवर प्रभावित करत असतात. शास्त्रीय कार्य मूल्यवान ठरण्याकरता, ते उपयुक्त असलेच पाहिजे असा विचार केला जाऊ नये, या दृष्टीने याचे मोल आहे. आधुनिक विज्ञानाचा असाच तर इतिहास आहे. विज्ञानाने आपल्याभोवतीच्या गोष्टींचे स्वरूपच बदलवून टाकलेले आहे. हे किंवा ते साध्य करायचे आहे या उद्देशाने कष्ट न करणारे आणि ज्ञानाच्या प्रगतीकरता कार्यरत असलेले शास्त्रज्ञच नेमके मानवतेकरता अंतिमतः महालाभकारी सिद्ध होतात.
विज्ञानप्रसार
(भारत सरकारच्या ’विज्ञान आणि तंत्रज्ञान’ खात्यांतर्गतची एक स्वायत्त संस्था)
सी-२४ कुतुब संस्थानात्मक क्षेत्र, नवी दिल्ली-११००१६
दूरध्वनीः ६९६७५३२, ६८६४०२२;
ईमेलः vigyan@hub.nic.in, संकेतस्थळः http://www.vigyanprasar.com
किंमत रु.५/-
---------------------------------
Original text
WHY THE SKY IS BLUE[1]
https://vigyanprasar.gov.in/why-the-sky-is-blue/
When I was asked to choose a scientific subject for my lecture I had no difficulty at all in choosing the subject of "Why the sky is blue." Fortunately, nature has been kind today; as I look up and see the sky is blue; not everywhere, as there are many clouds. I chose this subject for the simple reason that this is an example of something you do not have to go to the laboratory to see. Just look up, look at the sky. And I think it is also an example of the spirit of science. You learn science by keeping your eyes and ears open and looking around at this world. The real inspiration of science, at least to me, has been essentially the love of nature. Really, in this world, wherever we see, we see all kind of miracles happening in nature. To me, everything I see is something incredible something absolutely incredible. We take it all for granted. But I think the essence of the scientific spirit is to look behind and beyond and to realize what a wonderful world it is that we live in. And everything that we see presents to us not a subject for curiosity, but a challenge, a challenge to the spirit of man to try to understand something of this vast mystery that surrounds us.
Science continually attempts to meet this challenge to the spirit of man. And the great problem today, which Dr. Sarabhai has addressed himself to, is how to rouse the younger generation of our country to meet this great challenge before us, once again to build up India into a great center of knowledge and learning and endeavor. Well, I wish you all success. Now let me tum back to my problem "Why the sky is blue."
I raised this question because it is an easy subject. I only have to look up and see that the sky is blue. But why is it blue? The interesting point is that it is easy to answer that question in a casual way. If you ask a Botanist, why are leaves green? He murmurs, 'Chlorophyll'. Finished. You see, all scientific questions can be disposed of in that summary fashion, in one or two words. You can surely pass your examinations with that kind of answer, but that is not the real answer. As I said before, the scientific challenge of nature is to think, not only to discover but to think, to think continually and to try to penetrate this mystery: "Why is it blue?" That is a very interesting problem, because two things are there. The sky is there and I am here. I see it is blue. It is the human brain and the human mind as well that are involved in this problem. Now suppose we put this problem before the young people. Don't read any book about it, don't ask your teacher. Let us sit down and try to think out this problem: why is the sky blue. Look at it as if it is a completely new scientific problem about which nobody has troubled himself before. You sit down and think it out and you will find it a most exciting thing to ask yourself that question and see if you can discover the answer for yourself. Now I will put it to you in this way. The best way to answer a question is to ask another. At night, we all see the stars. On a fairly clear night you see the stars twinkling in the sky. Why are the stars not visible in day time? Please ask yourself this modest question. Well, the reason obviously is that the earth, as a lady, has hidden herself under a veil. The sky is a veil which she has thrown around us. We cannot see the stars during the day, because the veil hides the stars. And what is this veil? The veil obviously is the atmosphere of the earth. The same veil which at night is so transparent that we can see the faintest star and the Milky Way is covered up in day-time. Obviously, it is the atmosphere which is the veil. And we see the sky as blue only because we have not got other thicker veils like these clouds. You see for example, those clouds high in the blue sky. Obviously therefore, for the sky to be really blue, there must be nothing else, no clouds and perhaps no dust. The clearer the sky is, the bluer it is. So the sky is not always blue; it is sometimes blue and sometimes not blue at all. So that the mere looking at the sky enables us to understand the condition of the atmosphere.
Let me say one thing more. Obviously, the sky and the atmosphere are lit up by the sunlight. Sunlight is passing through this great column of air and obviously it is the atmosphere, something that is transparent and invisible at night that is seen to us by the light - sunlight - passing through the atmosphere. Now I want you to ask yourself another question. I don't know if any of you have had the curiosity to look at the clear sky on a full-moon night. You know that moonlight is only the sunlight incident on the moon and is diffused or reflected. I don't know if any of you have really watched the sky on a clear full-moon night. You will be astonished to find that the sky is not blue. It appears pale, you just see some light and you see some of the stars even under the full-moon sky, but the sky is not blue. Why is it that the sky which appears blue in sunlight does not appear blue in moonlight? The answer obviously is : the illumination is far less powerful. You don't require to be much of a mathematician to calculate the ratio of the intensities of fullmoon light and sunlight. I present it to some young mathematician to sit down and work out. How big is the moon? What should be the brightness of moonlight? It is a little astronomical problem. Rough arithmetic would tell you that moonlight is something like half a millionth part as bright as sunlight; you would think, it is terribly small. But moonlight, when it is there seems very bright though it is only half a millionth part of the brightness of sunlight. Why does it look so bright? Well, the eyes have got accustomed to much lower levels of illumination. So moonlight appears very bright but not so bright, as to veil all the stars. But the sky, it does not appear blue. So this comparison of sunlight and moonlight brings to our notice a very remarkable fact. It is an absolutely fundamental aspect of human vision that to perceive color, you must have a high level of illumination. The sky is blue, merely because sunlight is brilliant; moonlight is much less brilliant and so you don't perceive color. This is a principle which perhaps is not so widely appreciated as it ought to be. Color is only perceived at high levels of illumination. The higher the illumination the brighter are the colors. You go down to low levels of illumination, say, a millionth part, half a millionth or a hundred thousandth part of sunlight, the sense of color disappears. Now this is a very fundamental fact of human vision, which simply comes out of nothing else, but just observation and thinking, that's all. I can go on giving any number of illustrations. Perhaps the most striking illustration emerges when you look at the stars or such objects as the Orion nebula through small telescopes. Let me say here and now, my belief that there is no science so grand, so elevating, so intensely interesting as astronomy. It is amazing to see how many people high up have never seen the sky through the telescope. I want to tell them something which is absolutely incredible: Nothing more than a pair of binoculars, a good pair of binoculars is needed to educate oneself in the facts of astronomy. I think a man who does not look at the sky even through that modest equipment - a pair of binoculars - cannot be called an educated person, because he has missed the most wonderful thing and that is the universe in which he lives. You must have a look at it. You don't see much of it, but you see a little and even this little is enough to elevate the human soul and make us realize what a wonderful thing this world is.
I come back now to the problem of the blue sky. I want to pose to you a very difficult question. Why is it that we perceive the blue color only under intense illumination in sunlight, and not in moonlight? I will bypass that and come back to the question: Why is the sky blue? Well, we all know that white light is composed of all the colors in the spectrum. You divide white light into various colors; you start with deep red at one end, light red, orange, yellow, green, blue and violet, so on, the whole range of colors. When I look up at the sky, I see only the blue; what has happened to the rest of the spectrum? This is the basic question. The question becomes a very pressing one when I remark that when we actually spread out sunlight into a spectrum, the blue part of it is the least intense part. Less than 1/40th of the whole energy of the brightness of the sunlight appears in the blue of the spectrum and we see only that 1/40th part. You don't see the rest of the spectrum. It has simply vanished. It is not there at all. You can look very very hard and try to see if you can see any red or yellow or green in blue sky. We don't see it. The blue has just masked the rest of the spectrum. This is a very remarkable fact. If you watch the sky on some occasions, you get great masses of white clouds, what they call, the cumulus clouds not huge things, just little bunches. It is a beautiful sight to see the blue sky and these little masses soaring above. I have derived great satisfaction in just doing nothing at all and looking at these masses of clouds and the blue sky. The interesting point is precisely when you have the clouds moving about that the sky is bluest. What it means is that these cumulus clouds in the course of their formation just cleaned up the rest of the atmosphere. They take up the dust particles and concentrate them on the white clouds. The rest is left nice and clean. You see the beautiful blue view against the brilliant white; it is a very lovely sight. A sight for the Gods; only you don't bother to look at it because it is so common. You may ask me, how is the cleaning process accomplished? Now here is a wonderful story. When I ask the young people, "what is the cloud?" "Oh! Sir, it is steam". The usual answer you get is that the cloud is steam, but it is nothing of the sort. The cloud consists of particles and what looks to us as great masses of white clouds are just droplets of water. Water is heavy but why does it not fall down? We find it floating in the air! You see that is another problem. Already I am going from one problem to another. We ask ourselves, what is a cloud? Why is it floating in the air? The moment you ask the question, "Why the sky is blue?" you go deeper and deeper into some of the deepest problems of Physics. Now the interesting point is this you cannot have a cloud unless you have dust particles about which it can form.
There must be particles of some sort, may be very small, and may be very large. They call it in learned language 'Nuclei'. If there is no dust in the air, there will be no cloud and no rain. You see, how from the blue sky, we have got on to the origin of rain, rain fall and so on. One thing leads to another. That is the essence of science. You must go deeper where it leads you. You cannot go thus far and no further. The moment you raise a question, another question arises, then another question, so on and so on. Ultimately, you find that you have to travel the whole field of science before you get the answer to the question: Why the sky is blue? So I told you this fact about the clouds. Well, I should say the cloud cleans up the atmosphere. Cloud forms and then leaves the atmosphere clean, comparatively free from dust particles and other nuclei and that is why the sky is blue. So we come down at last to getting some kind of answer to the problem. The sky is blue because the atmosphere is clean and free from dust and all nuclei. The clearer it is, the bluer it looks, provided there is enough light. So you come somewhere near the answer to the question. What is it you are able to see? The fact is that when we see a blue sky, we see the atmosphere of the earth, the gases of the atmosphere, they diffuse the light and we see the blue light of the sky. But still we are far from the answer.
I told you that blue is only 1/40th part of the sunlight. What happens to the rest of the light, the sunlight? That is the question. Now this question can be answered in the following fashion. You look at the white cloud and look at the blue sky. You can compare them with the help of a pocket spectroscope and you find strangely enough that you have to look very very carefully before you find any difference in the spectrum of the blue sky and the spectrum of the white cloud. White cloud is certainly very much brighter. But so far as spectrum is concerned, you see in the blue sky and in the cloud the same spectrum. It also starts with the red end and goes on till the blue. But in one case you see the blue, in the other case you see the white. And with great trouble, you look very carefully; you see that there is some difference in the relative brightness. You can see the yellow and the red, not so bright relatively. Mind you, it is a mental calculation. You see the relation of brightness between the blue part of the sky, the blue part of the spectrum and the violet part and the rest of the spectrum. Relatively to the red, the yellow and the green, the blue and violet are stronger in the scattered light in the diffused light of the blue sky. Still you are very far from the answer. It does not explain why we don’t see the rest of the spectrum. Actually in the blue sky the green and the yellow and the red are still there, they are still far brighter, perhaps not so perhaps not 40 times but perhaps ten times brighter than the blue. Then why do we see the blue and why don't we see the rest? Here again you come across an extremely difficult question to answer. The actual brightness of the blue part of the spectrum in skylight is still much smaller than the brightness of the rest of the spectrum but we don't perceive that part of the spectrum. Now this is very simple and very surprising. But there is a nice little experiment which, perhaps one day, will be shown at the Science Centre which will enable you to see at least that it is not an exceptional phenomenon. It is one of the most fundamental facts of human vision that the blue part of the spectrum inspite of its weakness dominates the spectrum in certain conditions and plays a role tremendously far more important that its actual brightness warrants. Now the experiment is the following. It is a very easy experiment. You take water and put a little copper sulphate in it and then put excess ammonia in it. You will get a solution called cuprammonium. It is very strong it will transmit only deep violet light. Put it in a cell. You go on adding water in the cell and look at the color of the bright lamp and see that the following thing happens. The deep violet changes into blue. The blue changes to a lighter blue and so on. But till the very last, it remains blue. In the spectrum of the light the solution is transmitting red light, green light, not of course yellow. Lot of light comes through the spectrum and the blue is still only a minor part of the whole. Whatever light comes through the spectrum you cannot see and you cannot even imagine any other color coming through. And the reason for it is as follows. If you examine the transmitted light through a spectroscope you will find that the yellow part of the spectrum is diminished by the influence of cuprammonium. It absorbs and cuts out the small part of the width of the spectrum, but a very important part and that very important part is the yellow of the spectrum. Never mind how it absorbs the yellow part and controls the color. The light is blue simply because the yellow is absorbed and the blue comes into vision. If you take the whole spectrum and if you reduce the strength of the yellow part of the spectrum, at once you find the blue part of the spectrum and the blue color dominates. This is again a fact of physiology. If you want any color whatsoever to be showy, you must take out the yellow. Take for example that red carpet, which has been spread in my honor, I suppose. You look at it through a spectroscope. I can tell you beforehand, there will be no yellow in it at all. To get any color, red, green or blue, you must take out the yellow. Yellow is the deadly enemy of color. All other colors I mean. Look at the green leaf. All the leaves are green, not because of the presence of chlorophyll - the chlorophyll has a strong absorption of red no doubt. But the real factor which makes the color green is the fact that the yellow is taken off, Chlorophyll has enough absorption of the yellow to reduce the strength of yellow. Well, I examined silks for this. Bangalore is a great place for silk manufacture. I managed to purchase about 25-30 blouse pieces. I got them to verify the proposition that all brilliant colors require the suppression of the yellow region of the spectrum. Look at the rice field. It is wonderful. Look at the rice field with a spectroscope.
It looks very much like the spectrum of the blue sky. But the only visible difference you can actually see at a glance between the blue sky and the green rice field is that the blue part of the spectrum has been cut off and that is produced by the so-called carotenoid pigments that are present here, which cut off the blue; the rest of the spectrum looks almost alike. But if you look very carefully, you will see that in the color of the rice field, you do not get the yellow. The removal of yellow is essential, before you can perceive the leaves as green. You see always this predominance of the yellow. On the contrary, if the yellow is taken off, the blue dominates. If you don't take off the yellow, the yellow dominates. The two are contradictory and they are enemies to each other. The fact is that you can divide - the physical explanation is deeper still - you can divide the whole spectrum into two parts. The division is just where green the blue ends: that part of the spectrum extending to green, yellow, orange and red amounts only to yellow. The other parts of the spectrum summed up amount to blue. Now if you take off this or reduce this you get the other. This is the real explanation of the blue color of the sky and is very significant. You reduce - not that you abolish - the intensity of the yellow in the spectrum and of course of the green and the red. It is the reduction of the yellow of the spectrum that is to say the predominance of the blue which is responsible for the blue light of the sky. Well, one can carry further and say that it is the reduction of yellow that is basic. And why is it reduced? So here comes the second part of it. I could have started with that and said "why is the sky blue?" Oh, the scattering of light by the molecules of the atmosphere". I could have dismissed the whole lecture in one sentence. I could have said just as the botanist says "why is it green?" "Just chlorophyll". I could have said "why is the sky blue?" "Scattering of light by the molecules of the atmosphere." One sentence "Then sir" you would ask me, "why this entire lecture?" Because, my young friends, I want you to realize that the spirit of science is not finding short and quick answers, the spirit of science is to delve deeper - and that is what I want to bring home to my audience - and deeper. Don't be satisfied with the short and ready quick answers. You must never be content with that; you must look around and think and ask all sorts of questions; look round the problem and search, and search and go on searching. In the course of time you will find some of the truth, but you never reach the end. The end, as I told you, is the human brain, but that is very far away yet. This is the spirit of science. I should give you an illustration of how by pursuing a simple question, I can go on talking to you as if l have just begun, the real subject of my lecture: "Why the sky is blue". "The sky is blue because the illumination of the sky light is due to the scattering of light by the molecules of the atmosphere". Now this is a discovery which came rather slowly. The person who first stated this explanation was the late Lord Rayleigh.
I think that dreams are the best part of life. It is not the realization, but the anticipation; I am going to make a discovery tomorrow, that makes a man of science work hard, whether he makes the discovery or not. And this is what I want to emphasize once again. Science is essentially and entirely a matter of the human spirit. What does a poet do? What does a painter do? What does a great sculptor do? He takes a block of marble, chips, goes on chipping and chipping. At the end of it, he produces the dream in the marble. We admire it. But, my young friends please remember what a tremendous amount of concentrated effort has gone in to producing that marble piece. It is the hope of realizing something which will last forever, which we will admire forever that made him undertake all that work. Essentially, I do not think there is the least difference whatever between the urge that drives a man of science to devote his life to science, to the search for knowledge and the urge that makes workers in other fields devote their lives to achieving something. The greatest thing in life is not the achievement but it is the desire to achieve. It is the effort that we put in, that ultimately is the greatest satisfaction. Effort to achieve something in the hope of getting something; let it come or not come, but it is the effort that makes life worth living and if you don't feel the urge towards the search for knowledge, you can never hope to be a man of science. You can perhaps get a job in some of the departments, get a nice comfortable salary, in which you don't have to do anything except to wait for the monthly cheque; but that is not science. The real business of scientific man is to try to find something real and to look forward to the acquirement of knowledge.
Having said all this, may I again come back to the blue sky? I have not finished yet. In fact, to tell you the honest truth, I have only just begun my lecture. Why is it that the molecules of the air scatter light? The obvious thing is this, as I told you, the long waves in the spectrum - I am using the language of wave optics - the long waves of the red, yellow and the green are scattered less in the diffused light and the rest quite strongly, with the result that the eye perceives this and not that. Now why is that? The answer is very obvious. The molecules of the atmosphere are extremely small in size, incredibly small compared with what is the standard of comparison, the wave length of light. The same thing you notice, for example, if you look at a big lake. The wind blows on the waves and you have a piece of cork or wood floating on it. You see the wood trembling. Why? Because the size of the wood is comparable with the size of the waves. But suppose you had a big boat going on the lake; I don't know how big the boat can be, but you see that the big boat is not disturbed so much as the small particle. It is the relationship between the size of the disturbance and the size of the particle that determines the effect the waves produce on the particles and vice versa, the effect produced by the particles on the waves. This is the basic principle which results in the scattering of the shorter waves by preference. You can show that by any number of experiments in the laboratory; for that, you don't require molecules of air. You require just some water and put in it some substance like bit of soap. You can also make the experiment with smoke; particles small enough will scatter the shorter waves by preference. But 'you don't get the real rich blue color unless the particles are extremely small. And as I have already indicated, you must have adequate illumination. Unless the illumination is strong enough, the sensation will be just the palest of pale blues. Now I have come from the scattering of blue sky to the study of molecules. And there the subject begins and it goes on. In fact, I started the subject in the year 1901. What I told you was known pretty well except the vision part of which I have spoken about. That is my most recent work, but what I spoke about molecules and so on was all known in 1921. At that time, we thought it was finished. Today, we know that the faculty of vision and the quality of vision play an immense role in the subject.
The subject of my lecture is not the blue of the sky, but, as you must have all understood by this time it is the spirit of science. What is science? And how can we in this country hope to advance science? How can we try to really make ourselves worthy of our ancestors in the past? That is the real topic of my lecture. It is only the peg to hang the subject upon. Well, the story begins there. The question is how does light interact with molecules and what happens with molecules and what are molecules and so on. Science never stops. It is going on. The more you find, the more appears that you have to find. That is the attraction of science, provided you are not distressed too much by other people getting in front of you. Don't bother about them. The real point is that, it is an endless quest and every new discovery opens new paths for discovery. New questions arise, requiring new answers.
But then, I cannot give this lecture without making some reference at least as to how all this I am talking about is united up with meteorology all the time. But the real interest in the subject is not in meteorology at all. The real interest in the subject is the scattering of light which is the most powerful weapon we have today for understanding the ultimate nature of the molecules of the air. You can count the molecules. You can make the experiment in the laboratory. It is an experiment which every student of science ought to have seen. You take a glass bottle, a flask and a cork and get all the dust out of it and send a beam of light, it may be sunlight, it may be anything else but see that the beam of the light goes through the air. You can see the air. The air is not such a transparent, colorless gas; it is not invisible. You can make air visible by means of this scattered light. This is a very simple experiment and ought to be seen by every student of science at least once in his life time. You can see air. You can see any gas. You can see any vapor, by the strength of the light diffused by the individual particles. And the more particles you have, the stronger the diffusion. From the strength of the diffusion, you can actually count the number of molecules. I use the word counting, not like one, two, three, four; it is a sort of different type of counting. When I was in the currency office, they used to count the rupees. You know what they did; they did not count the rupees. They counted the bags; they weighed the bags; each bag was supposed to contain 2,000 rupees - that had to be taken on trust - and then multiply the number of bags and you get a crore of rupees. Like that, you count the molecules of the atmosphere. It is only a sort of estimate. But more than that, we can actually see the scattering of light simply by looking through an instrument; you can find out whether a molecule is short or long, whether it is spherical or tetrahedral shape and so on. The study of the blue sky is an immense field of research, an unlimited field of research, which was opened up and is still being pursued.
The quest, you see, is the more the deeper you go. Then the question arises what about light? I cannot possibly enter into all that. Because, my idea, as I told you is just to give you a simple glimpse into how a familiar phenomenon is linked up with deeper problems of Physics and Chemistry. That is the lesson we learn today. From the familiar fact. It is not necessary to hunt round the text books to find problems of science. You keep your eyes open and you see that all round you the whole world bristles with problems to solve; but you must have the wit to solve it; and you must have the strength of mind to keep going at it until you get something; This is the lesson which I want to bring home to the younger generation in front of me. What is the use of all this? Here again, I want to stress the philosophy of my life. Never to ask, what is the use of all this. As I told you before, it is the striving that is worthwhile. Because we have certain inherent powers given to us to use - observation and thinking - we must use them. The more we use them, the sharper they become, the more powerful they become and ultimately something will come out of it so that humanity is benefited, science is benefited. Ultimately the aim of scientific knowledge is to benefit human life. And that comes automatically because the problems with which we are concerned in science are always those that lie nearest to hand. They are concerned with things about us. So long as we deal with the problem which arise out of our environment, you never can say that any particular piece of work can be useless. The most important, the most fundamental investigations, though at first might seem an abstraction of nature, are precisely those, which in due course, affect human life and human activities most profoundly. This is a very heartening thing because one should not think that scientific work in order to be valuable should be useful. Scientific work is valuable because it will ultimately prove its value for the whole of human life and human activity. That is the history of modem science. Science has altered the complexion of things around us. And precisely those scientists who have labored not with the aim of producing this or that, but who have worked with the sole desire to advance knowledge, ultimately prove to be the greatest benefactors of humanity.
Vigyan Prasar
(An autonomous organization under the
Dept. of Science & Technology, Government of India)
C-24, Qutab Institutional Area
New Delhi - 110016 Phones:6967532, 6864022 Fax:6965986
email: vigyan@hub.nic.in
website: http://www.vigyanprasar.com
Price: Rs. 5/-
[1] Prof C.V. Raman’s lecture delivered on December 22, 1968 at the Foundation Stone-laying ceremony of the Community Science Centre, Ahmedabad.
