टीकानपुर में एलन फ़ॉरेस्ट चिड़ियाघर भारत के सबसे बड़े प्राणी उद्यानों में से एक है। शहर के मध्य में स्थित, यह ताजी हवा, ऊंचे पेड़ों और सभी आकारों के जानवरों और पक्षियों का एक विशाल विस्तार है, और जब आप यात्रा पर जाते हैं तो ये शुरुआती सर्दियों के महीने फ़िल्टर्ड सूरज में भिगोने का सबसे अच्छा समय होता है।
लेकिन जब आप घुमावदार फुटपाथों पर चलते हैं, तो आप विभिन्न प्रकार की आवाज़ों को सुनकर आश्चर्यचकित हो सकते हैं। एक कोने से एक बाघ गुर्राता है, दूसरे कोने से सैकड़ों पक्षी सिम्फनी प्रस्तुत करते हैं। एक बार मुझे गहरी कराह देखकर सुखद आश्चर्य हुआ: मुझे एक गाय देखने की उम्मीद थी लेकिन पाया कि वह एक पेलिकन थी।
इनमें से कई ध्वनियों में सुंदर पैटर्न और धुनें भी हैं जो कानों को आनंदित करती हैं। और उनके पीछे छिपी सुंदर भौतिकी के कारण वे बहुत आनंददायक हैं।
हवा में गड़बड़ी
हम जो कुछ भी सुनते हैं उसके पीछे का असली नायक वह है जिसे हममें से अधिकांश लोग मान लेते हैं: हवा।
ध्वनियाँ तरंगें हैं – विक्षोभ जो वायु के अणुओं को धकेलने और खींचने से चलती हैं। जब कोई सड़क यातायात में आप पर चिल्लाता है, तो वे वास्तव में अपने स्वरयंत्रों को समय-समय पर कंपन करने के लिए व्यायाम कर रहे होते हैं ताकि आपके कानों और उसके मुंह के बीच की हवा ध्वनि तरंगों को ले जा सके। हवा में ये कंपन आपके कान के पर्दों पर प्रहार करते हैं और उनमें कंपन पैदा करते हैं, जिसे मस्तिष्क ध्वनि के रूप में समझता है।
प्रत्येक ध्वनि को एक संख्या के आधार पर गिना जा सकता है, जिससे यह मापा जा सकता है कि इसे उत्पन्न करने के लिए आपके स्वर रज्जुओं को कितनी तेजी से कंपन करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, यदि वे एक सेकंड में एक बार इधर-उधर कंपन कर सकते हैं, तो हम कहेंगे कि वे एक हर्ट्ज़ (1 हर्ट्ज) की आवृत्ति के साथ कंपन कर रहे हैं। यदि वे एक हजार बार कंपन करते हैं, तो उनकी आवृत्ति 1 किलोहर्ट्ज़ (kHz) होगी। मनुष्य अधिकतर 20 हर्ट्ज़ से 20 किलोहर्ट्ज़ तक की ध्वनियाँ उत्पन्न कर सकता है और सुन सकता है। इस सीमा से परे हमारे चारों ओर मशीनों, प्रकृति और जानवरों द्वारा उत्पन्न कई ध्वनियाँ हैं और हम उनसे अनजान रहते हैं। जब हम किसी जानवर को सुनते हैं, तो हम वास्तव में केवल उनके स्वर रज्जु द्वारा उत्पन्न उन आवृत्तियों को सुन रहे होते हैं जो हमारी श्रव्य सीमा में आती हैं।
अलग-अलग आवृत्तियाँ हमें अलग-अलग लगती हैं। उदाहरण के लिए, जब आप गहराई से गुनगुनाते हैं, तो वह लगभग 200 हर्ट्ज़ होता है। फर्श पर गिरते चम्मच की धात्विक ध्वनि तीव्र होती है और इसकी आवृत्ति लगभग 8 किलोहर्ट्ज़ तक होती है। एक बिल्ली लगभग 4 किलोहर्ट्ज़ पर म्याऊँ कर सकती है और एक गाय लगभग 1 किलोहर्ट्ज़ पर रँभा सकती है।
आमतौर पर, आवृत्ति को हम ध्वनि की तीक्ष्णता या पिच के रूप में समझते हैं। यदि आपने गाना सीखा है या लोगों को संगीत का अभ्यास करते हुए सुना है, तो आप शुरुआत में सा-रे-गा-मा-पा-धा-नी-सा से अवगत हो सकते हैं। इनमें से प्रत्येक शब्दांश एक आवृत्ति को याद रखने का एक तरीका है। यदि पहला sa 260 हर्ट्ज़ है, तो अंतिम लगभग 520 हर्ट्ज़ पर है – पहले वाले की आवृत्ति दोगुनी। बीच वाले को विशिष्ट अंतराल पर रखा जाता है।
पहले सा का पूर्ण मान भी बदला जा सकता है, और जो लोग तब करते हैं जब वे एक अलग कुंजी में गाने जा रहे हों।
गिटार और बांसुरी
अब जब हम जानते हैं कि ध्वनियाँ हवा में कंपन पैदा करने का एक तरीका है, तो हम उन्हें उत्पन्न कर सकते हैं और उनके बीच स्विच भी कर सकते हैं। स्ट्रिंग्स का उपयोग करना एक आसान तरीका है। निःसंदेह हम कपड़े बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सूती डोरियों का उपयोग नहीं कर सकते। उन्हें मजबूत और तेजी से कंपन करने में सक्षम होना चाहिए। धातु से बने तार एक बेहतर विचार हैं।
यह पता चला है कि यदि स्ट्रिंग छोटी है, तो ध्वनि की आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी। गिटार इसी तरह काम करता है. जब आप अपनी उंगलियों को विशिष्ट स्थिति में रखने के लिए किसी एक हाथ का उपयोग करते हैं, तो आप अनिवार्य रूप से उस स्ट्रिंग की लंबाई बदल रहे हैं जो कंपन कर सकती है। और इस प्रकार आप ध्वनि की आवृत्ति को बदल सकते हैं।
अक्सर खोखली ट्यूबों में अंदर की हवा कंपन कर सकती है और एक विशिष्ट आवृत्ति की ध्वनियाँ उत्पन्न कर सकती है। वायु स्तंभ जितना लंबा होगा, आवृत्ति उतनी ही कम होगी। बांसुरी इसी तरह काम करती है. जब आप अपनी अंगुलियों को विभिन्न बिंदुओं पर रखते हैं, तो आप वायु स्तंभ की लंबाई बदल रहे हैं और इस प्रकार विभिन्न संगीत नोट्स बना रहे हैं।
यदि आपने बांसुरी नहीं बजाई है तो भी आपने इस प्रभाव का अनुभव किया होगा। अक्सर जब आप पानी की बोतल भरते हैं तो जैसे-जैसे बोतल पूरी तरह भर जाती है, आप पानी भरने की आवाज और तेज सुन सकते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि वायु स्तंभ छोटा और छोटा होता जा रहा है। अब, भले ही हम समझते हैं कि हम जानवरों और संगीत वाद्ययंत्रों को उसी तरह क्यों सुनते हैं जैसे हम सुनते हैं, यह कैसे होता है कि हम अपने इयरफ़ोन/स्पीकर से ध्वनियाँ सुनते हैं?
चुंबकीय स्वर रज्जु
यदि आपने कभी किसी स्पीकर को खोला है (जानबूझकर या अन्यथा), तो आपको उसके अंदर एक चुंबक मिलेगा।
चुंबक लोहे और निकल जैसे अद्भुत पदार्थ हैं, जिनके परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था के कारण उनमें चुंबकीय गुण होते हैं। अर्थात्, वे चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं और अन्य चुम्बकों को आकर्षित या प्रतिकर्षित कर सकते हैं। प्रत्येक चुंबक के दो ध्रुव होते हैं: उत्तर और दक्षिण, बिल्कुल हमारी पृथ्वी की तरह।
प्रत्येक चुंबकीय क्षेत्र उत्तरी ध्रुव से शुरू होता है और दक्षिणी ध्रुव पर समाप्त होता है। एक ही प्रकार के ध्रुव प्रतिकर्षित करते हैं जबकि विपरीत ध्रुव आकर्षित करते हैं।
स्पीकर में आपको चुंबक के सामने एक तांबे का तार भी दिखाई देगा। इसे लपेटकर एक जाली जैसी शीट से जोड़ दिया जाएगा।
तांबे का तार विद्युत सर्किटरी द्वारा आपूर्ति की गई धारा को प्रवाहित कर सकता है।
अब, प्रकृति के सबसे मौलिक आश्चर्यों में से एक – जो कुछ आप भौतिकी की शुरुआती कक्षाओं में सीखते हैं – वह यह है कि जब एक कुंडल में करंट प्रवाहित होता है, तो यह स्वयं एक चुंबक की तरह व्यवहार कर सकता है। और यदि धारा अपनी दिशा बदलती है, तो चुंबकीय क्षेत्र भी अपनी दिशा बदलता है। अतः तांबे की कुंडली चुंबकीय पदार्थों से नहीं बल्कि विद्युत धाराओं के कारण बनी एक चुंबक है और इसे ‘विद्युत चुंबक’ कहा जाता है।
इलेक्ट्रोमैग्नेट का आविष्कार 1800 के दशक की शुरुआत में हुआ था।
तो अब हमारे पास चुंबक और एक विद्युत चुंबक (जो एक ड्रम से चिपका हुआ है) एक दूसरे के बगल में हैं। ध्वनि उत्पन्न करने के लिए, हमें वायु के अणुओं को कुछ आवृत्ति पर कंपन करने की आवश्यकता होती है।
अब तरकीब आती है: जैसे ही तारों के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है, आप अपनी इच्छानुसार, किसी भी आवृत्ति पर इसकी दिशा बदल सकते हैं। चूंकि करंट एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, विद्युत चुंबक अपने चुंबकीय क्षेत्र को उसी आवृत्ति पर बदल देगा, जैसे कि विद्युत चुंबक के उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों को लगातार बदल रहा हो। जब भी विद्युत चुम्बक का ध्रुव चुम्बक के ध्रुव के विपरीत होता है, तो दोनों एक दूसरे की ओर खिंचे चले आते हैं; जब भी उनके ध्रुव एक पंक्ति में आ जाते हैं, तो वे अलग हो जाते हैं। लेकिन चूंकि चुंबकीय स्थिर है, विद्युत चुंबक वह है जो गतिमान है।
इसका धक्का और खिंचाव ड्रम शीट को कंपन करता है, जिससे हवा के अणुओं में गड़बड़ी पैदा होती है।
इस तरह, चाहे आप किसी द्वीप के किसी कोने पर हों या भूमिगत यात्रा कर रही मेट्रो ट्रेन में हों, स्पीकर के चुंबकीय स्वर तार सीधे आपके कानों तक संगीत पहुंचाते हैं।
चारों ओर आवाज़ आती है
यदि आप जानना चाहते हैं कि आपके आस-पास कौन सी ध्वनि आवृत्तियाँ हैं, तो आप अपने स्मार्टफ़ोन का काफी प्रभावी ढंग से उपयोग कर सकते हैं। जर्मनी की आचेन यूनिवर्सिटी के शिक्षकों ने फ़ाइफ़ॉक्स नाम से एक ऐप बनाया है जिसे आप डाउनलोड कर सकते हैं। इसमें एक ऑडियो विश्लेषक है जो आपको किसी भी ध्वनि की आवृत्ति को पढ़ने की अनुमति देता है। इसके चारों ओर कोई भी ध्वनि चलाएं और जांचें कि यह कौन सी आवृत्ति है।
अमेरिका में कॉर्नेल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा बनाया गया एक और अद्भुत ऐप मर्लिन आईडी है, जिसकी मदद से आपका फोन किसी भी पक्षी की आवाज़ ‘सुन’ सकता है और उसकी प्रजाति की पहचान कर सकता है।
हालाँकि, यदि आप और भी अधिक उत्सुक हैं, तो आप आश्चर्यचकित हो सकते हैं: सामग्री चुंबक की तरह व्यवहार क्यों करती है? क्या चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन पृथ्वी की तरह ही एक अक्ष के चारों ओर घूमते हैं? पता चला कि इलेक्ट्रॉन का यह चक्कर पृथ्वी जैसा कुछ नहीं है और क्वांटम यांत्रिकी सीखे बिना कोई इसे वास्तव में नहीं समझ सकता है।
यह भौतिकी कार्यक्रमों में पढ़ाया जाने वाला एक विषय है, जिसे हम में से कुछ लोग यहां आईआईटी कानपुर में पढ़ाते हैं।
अगली बार जब आपके पास मुफ़्त सप्ताहांत हो, तो किसी मॉल के शोर-शराबे में जाने के बजाय, अपने शहर के किसी चिड़ियाघर या बगीचे में टहलने पर विचार करें। एक शांत पैच के बीच में, जैसे कि बाकी सब कुछ शांत हो जाता है, उस संगीत की सराहना करना न भूलें जो प्रकृति आपके लिए बजा रही है, जो लाखों कंपित वायु अणुओं के माध्यम से आप तक पहुंच रहा है।
अधिप अग्रवाल आईआईटी कानपुर में भौतिकी के सहायक प्रोफेसर हैं।
