20 व्या शतकाच्या उंबरठ्यावर
विसावे शतक उजाडले. वैज्ञानिक क्षेत्रात अनेक घडामोडी घडत होत्या.बेक्वेरेलला (1852 – 1908) युरेनियम खनिजातून उच्च ऊर्जेचे किरण बाहेर पडतात याचा शोध लागला होता. मेरी व पियरे क्यूरी दांपत्याने विकीरणाचा (प्रारण - radiation) अभ्यास करताना दोन नवीन मूलधातूंचा - रेडियम व पोलोनियम - शोध लावला होता (1898). जे जे थॉम्सन (1856 – 1940) या वैज्ञानिकाने इलेक्ट्रॉन परमाणूंचा शोध लावला होता. फॅरडेच्या विद्युत चुंबकीय शक्तीचा स्रोत युरेनियम व रेडियम या धातूमधील विकीरण व इलेक्ट्रॉन्स यांच्याशी काही नातं असावं असा अंदाज वर्तविला जात होता. विलियम थॉम्प्सन (लॉर्ड केल्विन) (1824-1907) या आयरिश वैज्ञानिकाच्या मते निसर्गाचे रहस्य आता माऩवाच्या आवाक्यात आलेले असून फक्त त्यावरचा शेवटचा हात फिरविणे तेवढे बाकी आहे. परंतु थॉम्सनला पुरातन ग्रीक वैज्ञानिकांच्या ईथर या पाचव्या मूलभूत पदार्थाचा कदाचित विसर पडला असावा. त्याचप्रमाणे पुढील पाच वर्षानंतर वैज्ञानिक जगात चमकणार्‍या आइन्स्टाइनच्या भरारीचीही तो कल्पना करू शकला नव्हता.

काळ व ऊर्जा

प्रकाशाचा स्रोत - सूर्य

आपण आपल्या डोळ्यांना मेंदूचाच अविभाज्य भाग म्हणून गृहित धरल्यास मेंदूच्या कार्याचा फार मोठा हिस्सा प्रकाशाशी निगडित आहे हे लक्षात येईल. मानसतज्ञांच्या मते आपल्याला होत असलेल्या आकलनापैकी 60 टक्के आकलन या डोळ्याद्वारेच होत असते. डोळ्यातूनच प्रकाश किरणांचा प्रवेश होतो. प्रकाश किरणापासून अवकाश व पदार्थ या अस्तित्वाशी निगडित असलेल्या अती महत्वाच्या या दोन घटकाविषयी आपल्याला ज्ञान होत असते. फक्त डोळे वा डोळ्यांचा वापर करणार्‍या दुर्बीण वा सूक्ष्मदर्शक, यातून मोठ्यातील मोठे व लहानातील लहान पदार्थांविषयी अंदाज बांधू शकतो. आपल्या भोवतालच्या विश्वाच्या रचनेविषयी आपण तर्क करू शकतो. याच तर्काला पूरक म्हणून नाक, कान, जीभ, त्वचा या इंद्रियाद्वारे थोडी फार माहिती मिळते व आपल्या ज्ञानाच्या कक्षा रुंदावतात.

या पाची इंद्रियाद्वारे माणूस प्राणी विश्वातील अती महत्वाचे घटक असलेल्या काळ (time) व ऊर्जा (energy) यांची कल्पना करू शकतो. अवकाश (space)व पदार्थ (matter) याप्रमाणे काळ व ऊर्जा यांना दृश्य स्वरूपात आपण बघू शकत नाही. परंतु त्यांच्यापासून होणार्‍या परिणामावरून त्यांच्या अस्तित्वाची आपल्याला कल्पना येत असते. छिद्र असलेल्या फुग्यातून हळू हळू हवा जात असताना अवकाशातील त्याच्या आकारातील बदल लक्षात येते; वेळेचा अंदाजही कळतो. ऊर्जासुद्धा याच प्रकारात मोडते. अवकाश व पदार्थ यांना हजारो स्वरूपात बदलण्याची ताकत ऊर्जेत असते. काही क्षणात प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा बाहेर फेकणार्‍या स्फोटाच्या वेळी अनेक पदार्थांचे स्वरूप आमूलाग्र बदलते. यावरून ऊर्जेची कल्पना येते. काळ व ऊर्जा यांचे आकलन अवकाश व पदार्थ यांना वगळून करता येणार नाही असेच वैज्ञानिकांना 19व्या शतकाच्या शेवटपर्यंत वाटत होते. ऊर्जा वा काळ या स्वतंत्ररित्या असूच शकत नाहीत यावर ठाम विश्वास होता. त्या अमूर्त आहेत असेच त्यांना वाटत होते.

परंतु तत्वज्ञ मात्र या सर्व भौतिक मर्यादांच्या बंधनातून मुक्त होत या चारी घटकांना सामायिक अशा गोष्टींचा विचार करत होते. आइन्स्टाइनच्या विद्यार्थीदशेतील कालखंडात अवकाश, काळ, पदार्थ आणि ऊर्जा यांची सांगड घालून विश्वरचनेच्या प्रारूपाविषयी तत्वज्ञ काही निश्चित आडाखे बांधत होते. काळ व अवकाश ह्या एकमेकाच्या विरोधात असूनसुद्धा तत्वज्ञांच्या मनात त्यांच्या स्वतंत्र अस्तित्वाविषयी शंका नव्हती. एखाद्याने मोजलेली एक सेंटींमीटर लांबी वा एक सेकंदाचा काळ दुसर्‍याने मोजलेल्याच्या आकलनाशी जुळत होते. तिसर्‍या व्यक्तीने वा कुणीही याचे मोजमाप केले तरी त्यात फरक पडत नसे. विश्वरचनेतील अवकाशाची लांबी, रुंदी वा खोली किंवा कालमापन इत्यादीविषयी सापेक्ष असे काही नव्हते.

ऊर्जेची अक्षय्यता
याचीच पुढची पायरी म्हणून

वेग = अंतर/वेळ

याबद्दलही त्यांच्या मनात शंका नव्हती. फलाटावर थांबलेल्या दोन गाड्यांपैकी एक पुढे जाऊ लागल्यानंतर हललेली गाडी आपली का दुसरी याबद्दल काही क्षण मनात गोंधळ उडत असला तरी काही मिनिटातच सत्य परिस्थिती कळत होती. त्यामुळे वेग हे सापेक्ष असू शकेल हे सांगूनसुद्धा कुणालाही खरे वाटले नसते. प्रकाश वेगाच्या बाबतीतसुद्धा हेच विधान लागू झाले असते व त्याच्या प्रती सेकंद 300000 किमी वेगाविषयी सर्व जण सहमत झाले असते. त्याचप्रमाणे पदार्थ व ऊर्जा यांचेही विश्लेषण केल्यास त्या दोन्ही अविनाशी (indestructible) असणे व त्यांना अक्षय्यतेचे नियम लागू होणे यात समान धागा सापडला असता. या विश्वात नवीन पदार्थ उत्पन्न होत नाही किंवा नष्ट पावत नाही; फक्त पदार्थाच्या स्वरूपात बदल होत जातो. त्यामुळे विश्वाचे वजन तेवढेच राहते. त्याचप्रमाणे नवीन ऊर्जा उत्पन्न होत नाही किंवा आहे ती ऊर्जा कायमरित्या नष्ट होत नाही. फक्त ऊर्जेचे स्वरूप बदलत राहते. लाकूड जाळल्यानंतर राख उरते. त्यामुळे लाकूड नष्ट झाला असे वरवरून पाहता वाटू लागेल. परंतु वैज्ञानिकांच्या मते लाकूड नष्ट न होता लाकडाचे राखेत परिवर्तन झाले आहे. जाळ लाकडातील सेल्युलोज चे कार्बन वायू व इतर धूर यात बदल घडविते व शेवटी या परिवर्तित सर्व घटकांच्या वजनाची बेरीज लाकडाच्या वजनाएवढी असेल. त्याचप्रमाणे ऊर्जेबद्दलही असेच म्हणता येईल. ऊर्जा उष्णतेच्या, ध्वनीच्या, यांत्रिकीच्या, विजेच्या वा गतीज स्वरूपात असू शकेल. व त्यांच्यात परस्पर बदल घडवता येईल.

गतीज ऊर्जा चलन प्रक्रियेतून उत्पन्न होते. त्यासाठीचे सूत्र
गतीज ऊर्जा = E_k

(m -वस्तुमान, v - वेग)
नदीतून वाहणार्‍या झाडाच्या पानाची गतीज ऊर्जा कमी असेल. परंतु डोंगराच्या माथ्यावरून खाली पडणार्‍या महाकाय दगडाची गतीज ऊर्जा कित्येक पटीने जास्त असेल. दगडाचा वाटेतील झाडाशी टक्कर झाल्यास दगडातील गतीज ऊर्जेत बदल होऊन झाडाला आडवे पाडू शकणार्‍या यांत्रिकी ऊर्जेत खर्ची घातली जाईल. त्यावेळी आवाज होऊन काही ऊर्जा ध्वनी ऊर्जेत वाया जाईल. ऊर्जा कमी झाल्यामुळे वेगही कमी होईल. नंतर डोंगराच्या पायथ्याशी घरंगळत येऊन दगड थांबेल. याप्रकारे यांत्रिकी, ध्वनी व इतर ऊर्जांची बेरीज केल्यास गतीज ऊर्जेइतकी ती भरेल.

प्रकाश किरण

अशा प्रकारे ऊर्जेसंबंधीची सुसंबद्धता लक्षात आल्यानंतर प्रकाश किरणांचा अंदाज कसा घेता येईल या पेचात वैज्ञानिक सापडले. प्रकाशकिरणांच्या प्रवासाला अजिबात वेळ लागत नाही; प्रकाश किरण कुठूनही आरपार जाऊ शकतात; विश्वातील कुठल्याही नियमांचा त्यांच्यावर परिणाम होत नाही,इ.इ. वैशिष्ट्ये वैज्ञानिकांना बुचकळ्यात टाकत होत्या. गेली शेकडो वर्षे अरिस्टॉटल ते न्यूटनपर्यंतचे बहुतेक वैज्ञानिक प्रकाश किरणात अती सूक्ष्म कण असतात यावर भरवसा ठेऊन होते. रात्री चमकणार्‍या काजव्याप्रमाणे हे कणसुद्धा प्रकाश किरण बाहेर टाकत असावेत व त्या आपल्या डोळ्यात गेल्यानंतर आपण वस्तूंना बघत असावेत असे त्याना वाटत होते. प्रत्यक्ष न्यूटनसारख्या वैज्ञानिकांचेच हे मत असल्यामुळे न्यूटनच्या विधानाच्या विरोधात जाण्याचे धाडस कुठलाही वैज्ञानिक करू शकला नसता. परंतु थॉमस यंग (1773 –1829) हा वैज्ञानिक मात्र प्रकाश किरणातील रंगांचे मूळ, किरणांच्या वेगवेगळ्या कंपनातील आवर्तनात शोधता येईल यावर ठाम होता. घडी घातलेले तरंग एकमेकाशी घट्टपणे जोडल्यासारखे असल्यास आपण तांबडा रंग बघतो. जर ते थोडेसे सैलसर असल्यास जांभळा रंग बघतो. यंगला प्रकाश किरण म्हणजे पाण्यात खडा टाकल्यानंतर उठणार्‍या तरंगाप्रमाणे वाटत होते. पाण्यातील दोन तरंग एकमेकाच्या जवळ आल्यानंतर त्यांची धडक न होता एखाद्या अदृश्य भुतासारखे पुढे सरकतात. यावरून प्रकाश किरणांचे स्वरूप तरंगासारखे असण्याची शक्यता यंगने वर्तविली. त्याचे हे विधान न्यूटनच्या विधानाला छेद देणारे होते. त्या काळातील वरिष्ठ वैज्ञानिकांनी त्याची छी थू केली. परंतु हा तरुण वैज्ञानिक स्व:तच्या मताशी ठाम राहिला. काही काळ तो हा आवडता विषय सोडून 'भलत्याच' कुठल्यातरी गोष्टीत मन रमवू लागला. नवीन भाषा शिकू लागला. इजिप्त येथे जावून पुरातन लिपींचा अभ्यास करू लागला.

पुढील काही वर्षातच वैज्ञानिकांना प्रकाश किरणांच्या तरंग स्वरूपाची स्पष्ट कल्पना येऊ लागली. यंगचे अपमान करणारेसुद्धा तरंगस्वरूप स्वीकारू लागले. त्याच काळात जेम्स मॅक्सवेल (1831–1879) या वैज्ञानिकाने विद्युत चुंबकीय तरंग 300000 किमी प्रती सेकंद या वेगाने पुढे सरकतात याचा शोध घेतला. विद्युत चुंबकीय किरण व प्रकाश किरण यांचा वेग एकमेकाशी जुळणारा असल्यामुळे मॅक्सवेलला यंग याच्या प्रकाश किरणाच्या तरंग स्वरूपाबद्दलच्या विधानाला पुष्टी द्यावी लागली.

याच काळात हेन्रिश हेर्टझ् (1857 –1894) या जर्मन वैज्ञानिकाने विद्युत चुंबकीय तरंगांचे उत्पादन करणार्‍या स्पार्क जनरेटरची उभारणी केली. बायबलमध्ये फक्त परमेश्वरच प्रकाश तयार करू शकतो असे नमूद केले आहे. परंतु माणूससुद्धा प्रकाश तयार करू शकतो हे हेर्टझ् यानी प्रत्यक्ष दाखवून दिले. 19व्या शतकातील बहुतेक कालखंड यंग व मॅक्सवेल यांच्या विद्युत चुंबकीय व प्रकाश किरणासंबंधीच्या सिद्धांतावरून इतर प्रश्नांना उत्तरं शोधण्यातच खर्ची घालण्यात आला. तरीसुद्धा अजून त्याचे पूर्णपणे गूढ उकलले नव्हते. प्रकाश किरण निर्वात पोकळीमधून कसे काय प्रवेश करू शकतात हा त्यांच्या समोरचा मोठा प्रश्न होता. तारकापुंजातून येणारे हे किरण नक्कीच निर्वात पोकळीतून येत असावेत. ध्वनीचे तरंग असे कधीच करू शकणार नाहीत. टिक् टिक् असा आवाज करणार्‍या घड्याळाला काचपात्रेत बंदिस्त ठेवल्यानंतर त्याचा आवाज बाहेर ऐकू येणार नाही, हे मात्र निश्चित. परंतु प्रकाश किरणांना कुणीही अडवू शकत नाहीत हे कसे काय? बंदिस्त प्रकाश स्रोतातून प्रकाश किरण कुठल्याही अडथळ्याविना कसे काय बाहेर पडतात?