શતરંગ / ચંદ્રકુમાર નારણભાઇ પટેલ: જેમની એક ભવ્ય શોધે સમગ્ર વિશ્વને ઉત્પાદન ઉદ્યોગ ક્ષેત્રે એક નવી દિશા ચીંધી

- વિજ્ઞાન વિહાર

માનવસભ્યતાના ઇતિહાસમાં એવા મહાન વૈજ્ઞાનિક સંશોધનો કયા છે જે ખુબ ક્રાંતિકારી હોય અને જેણે સમગ્ર માનવજાતની જીવનશૈલીને અસર કરી હોય? આમ તો ઈન્ટરનેટ ઉપર આવી ઘણી સૂચિઓ છે અને એ પહેલા પણ આપણે આવી યાદીઓ જોઈ હશે જેમાં અગ્નિ, ચક્ર, પથ્થરના ઓજારો, ખેતી કે પશુપાલનથી લઈને સ્ટીમ એન્જીન, હવાઈજહાજ, એન્ટી-બાયોટિક, અણુ બૉમ્બ કે કમ્પ્યુટર સુધીની શોધો નોંધાતી હોય છે. આ દરેક આવિષ્કાર ચોક્કસ આપણી વિકાસ ગાથાના મહત્વના સીમાચિહ્નો છે. પરંતુ આ લિસ્ટમાં એક શોધ જે સામાન્ય રીતે જોવા નથી મળતી પણ મારા અંગત મત પ્રમાણે હોવી જોઈએ એ છે લેઝર. લેઝરની શોધ અને તેના વિવિધ ઉપયોગો દ્વારા છેલ્લા સાહીઠ વર્ષોમાં આપણી જીવનશૈલીમાં જેટલા પરિવર્તનો આવ્યા છે તેટલા ભાગ્યે જ કોઈ બીજી શોધ દ્વારા આવ્યા છે. વળી, અહીંયા એક વાત ખાસ નોંધવા યોગ્ય છે. ઉપરની સૂચિમાં લખેલા અન્ય દરેક સંશોધનો મારી દ્રષ્ટિએ સાહજિક છે. એ દરેક સંશોધન માટે પ્રકૃતિમાં પ્રેરણા હાજર હતી અને કોઈ ને કોઈ રીતે એ કુદરતી ઘટના કે વસ્તુઓનું માનવસર્જિત સ્વરૂપ જ હતા. જેમ કે અગ્નિ કુદરતી સ્વરૂપે તો પ્રગટતી જ હતી, ક્યારેક જંગલમાં લાગતી આગ સ્વરૂપે, વીજળી પડવાથી કે પછી જ્વાળામુખીના મુખમાંથી નીકળતી જ્વાળાઓ સ્વરૂપે. ચક્રની પ્રેરણા ઢાળ ઉપરથી દડતાં ગોળાકાર પથ્થરો કે મોટા વૃક્ષના તૂટેલા થડ પરથી મળી હોઈ શકે. હવાઈ જહાંજ માટે પક્ષીઓ, એન્ટી-બાયોટિક્સ માટે કુદરતી આયુર્વેદિક ઔષધિઓ વગેરે પ્રેરણા-સ્ત્રોતો પ્રકૃતિમાં પ્રાપ્ત હતા જ. પરંતુ લેઝર જે પ્રક્રિયા ઉપર આધાર રાખે છે તે પ્રકાશનું સ્ટીમ્યુલેટેડ એમિશન એટલે કે ઉદ્દીપિત ઉત્સર્જન સામાન્ય રીતે પ્રકૃતિમાં ક્યાંય જોવા નથી મળતું. કુદરતી રીતે આ પ્રક્રિયા લગભગ અસંભવ છે. એટલે આઈન્સ્ટાઈનના અન્ય તમામ સંશોધનોની જેમ જ લેઝર પણ અસાહજિક અને આપણી સામાન્ય સમજથી બહાર હોય તેવી થિયરી છે. હા, આઈન્સ્ટાઈનની થિયરી. લેઝરના સિદ્ધાંતમાં પાયારૂપ એવું સ્ટીમ્યુલેટેડ એમિશન આઈન્સ્ટાઈનની જ થિયરીની ઉપજ છે. 1916માં આઈન્સ્ટાઈને લખેલા પેપરમાં તેઓએ આવા સ્ટીમ્યુલેટેડ એમિશનની થિયરી આપેલી અને તેની મદદથી પ્રકાશનું ખાસ પ્રકારે પ્રવર્ધન (એમ્પ્લીફિકેશન) કરી શકાય એવી આગાહી કરેલી. વળી એ પણ બતાવેલું કે આવો પ્રકાશ કુદરતમાં મળવો લગભગ અશક્ય છે કારણકે એ માટે પદાર્થમાં ઉર્જાના અનુસંધાને પરમાણુંઓનું જે માળખું રચાવું જોઈએ તે અપ્રાકૃતિક છે. 

પ્રકૃતિ હંમેશા દરેક પદાર્થ, એટલે કે તેના અણુઓ અને પરમાણુઓને લઘુત્તમ ઉર્જાની સ્થિતિમાં રાખે છે. કોઈ પદાર્થમાં તમે બહારથી ઉર્જા આપો તો પદાર્થના પરમાણુમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રોન અમુક ચોક્કસ પરિસ્થિતિમાં આ ઉર્જાનું શોષણ કરીને ઊર્જિત બને છે. જે પરમાણુના ઈલેક્ટ્રોને આ રીતે ઉર્જા એબ્સોર્બ કરી હોય એવા પરમાણુને ઉત્તેજિત પરમાણુ કહે છે. પરંતુ ઉપર લખ્યું તેમ પ્રકૃતિ હંમેશા પરમાણુઓને ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટમાં રાખે. એટલે આવા ઉત્તેજિત પરમાણુના ઇલેક્ટ્રોન પણ એ શોષેલી ઉર્જાને ફરી ઉત્સર્જિત કરી પોતાની મૂળ સ્થિતિમાં પાછા ફરે. ઘણા કિસ્સામાં એ ઉત્સર્જિત થતી ઉર્જા પ્રકાશના સ્વરૂપે હોય. આ ઉત્તેજિત પરમાણુની પ્રકાશના ઉત્સર્જન સાથે પોતાની સામાન્ય સ્થિતિમાં પાછા ફરવાની પ્રક્રિયા સ્વયંભૂ થતી હોઈ આવા ઉત્સર્જનને સ્વયંભૂ ઉત્સર્જન (સ્પોન્ટેનિયસ એમિશન) કહે છે. આપણી આજુ બાજુમાં આપણે જોઈએ છીએ તે બધો જ પ્રકાશ લગભગ આ જ રીતે ઉત્સર્જિત થયેલો હોય છે. પ્રકાશના ઉત્સર્જનની આ ઘટના જો કે સ્વયંભુ થતી હોવાથી આ રીતે એક જ પદાર્થમાંથી એક સાથે ઉત્સર્જિત થતા પ્રકાશના અલગ અલગ તરંગો વચ્ચે કોઈ સુસંબદ્ધતા નથી હોતી. વળી આ ઘટના પ્રાકૃતિક રીતે સતત થતી હોવાથી દરેક પદાર્થમાં ઉત્તેજિત પરમાણુઓ કરતા ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટમાં રહેલા પરમાણુઓની સંખ્યા હંમેશા વધારે જ હોય છે.

આઈન્સટાઈને સાબિત કર્યું કે ઉત્તેજિત પરમાણુ સ્વયંભૂ મૂળ સ્થિતિમાં પાછો ફરે એ પહેલા જ જો તેને એટલી જ વધારાની ઉર્જા પ્રકાશના એક ફોટોન દ્વારા મળે તો પરિણામે ઉર્જા સંરક્ષણ પ્રમાણે બે ફોટોન ઉત્સર્જિત થવા જોઈએ અને આ બન્ને ફોટોન સુસંબદ્ધ હોવા જોઈએ. વળી તેઓ સમાન ઉર્જા/રંગ ધરાવતા હોય અને એક જ દિશામાં ગતિ કરતા હોય. આઇન્સ્ટાઇને આગાહી કરી કે જો આ પ્રક્રિયાને કોઈ રીતે ચાલુ રાખી શકાય તો પરિણામે આવા સુસંબદ્ધ પ્રકાશના કણોને એક માંથી બે, બે માંથી ચાર, એમ પ્રવર્ધન કરાવી ખુબ શક્તિશાળી બીમ બનાવી શકાય. બસ આવું બીમ એટલે જ લેઝર (લાઈટ એમ્પ્લીફિકેશન બાય સ્ટીમ્યુલેટેડ એમિશન ઓફ રેડિયેશન). પરંતુ 1916 માં લખાયેલી આ ભવિષ્યવાણી માત્ર થિયરી જ હતી. અને વર્ષો સુધી થિયરી જ રહી કારણકે આઈન્સટાઈને જ સાબિત કરેલું કે ચેઇન રિએક્શનને ટકાવી રાખવા માટે પદાર્થમાં ઉત્તેજિત પરમાણુઓની સંખ્યા ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટમાં રહેલા પરમાણુઓ કરતા વધુ હોવી જોઈએ જે પ્રકૃતિની વિરુદ્ધ છે. 

પરંતુ થિયરી ગણિતીય રીતે મજબૂત હોવાથી અને ખાસ તો આઈન્સ્ટાઈન જેવા પ્રબુદ્ધ વૈજ્ઞાનિકે આપી હોવાથી અનેક વૈજ્ઞાનિકો પ્રાયોગિક રીતે આવું બીમ મેળવવા પ્રયત્ન કરતા રહ્યા. અંતે દાયકાઓના પ્રયત્નો પછી 1950ના દશકમાં આર્થર સ્વેલો અને ચાર્લ્સ ટાઉન્સને માઇક્રોવેવ તરંગો માટે આવું બીમ મેળવવામાં સફળતા મળી. મેઝર (માઇક્રોવેવ એમ્પ્લીફિકેશન બાય સ્ટીમ્યુલેટેડ એમિશન ઓફ રેડિયેશન) તરીકે ઓળખાતા આ બીમની શોધને કારણે આઈન્સ્ટાઈનની સૈદ્ધાંતિક આગાહીને પ્રાયોગિક સફળતાનું સર્ટિફિકેટ મળ્યું. ત્યાર બાદ ટૂંક સમયમાં જ થિયોડોર માઇમેન નામના અમેરિકન વૈજ્ઞાનિકને 1960માં માણેક (રૂબી)માંથી આવું લાલ લેઝર બીમ મેળવવામાં સફળતા મળી. અને એ સાથે જ શરુ થયો એક નવો યુગ. લેઝરનો યુગ. માઇમેનની દુનિયાના પ્રથમ લેઝરની શોધ માટેના સંઘર્ષની અને તેમાં સફળતાની કથા પણ ખુબ રોચક છે પણ એ પછી ક્યારેક. રુબી લેઝરની શોધના બીજા જ વર્ષે ઈરાની મૂળના અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક અલી યવને હિલિયમ અને નિયોન વાયુઓના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરી પ્રથમ ગેસ લેઝર બનાવ્યું. 1962માં સેમિકન્ડક્ટર ડાયોડનો ઉપયોગ કરી ચાર અલગ અલગ ગ્રુપે સેમિકન્ડક્ટર લેઝર બનાવ્યા. અને એક પછી એક અલગ અલગ લેઝરની શોધના રિપોર્ટ આવવા લાગ્યા. 

જો કે હજુ સુધી આ બધા જ લેઝર ઈન્સ્ટાઈનની સૈદ્ધાંતિક ભવિષ્યવાણીના પ્રાયોગિક પુરાવા માત્ર હતા. બસ સુસંબદ્ધ તરંગો દ્વારા બનેલા પ્રકાશનું એકરંગી બીમ બનાવતા પ્રુફ ઓફ કન્સેપ્ટ્સ. આ દરેક લેઝર પાવરની દ્રષ્ટિએ ખુબ નબળા હતા. એક પણ લેઝરનો પાવર હજુ અમુક મિલી વોટથી વધારે ન હતો. વળી રુબી લેઝર તો માત્ર પલ્સ મોડમાં જ પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરી શકે તેમ હતા. એટલે લેઝરની શક્તિશાળી બીમ ફેંકતા પ્રકાશના માઇટી સ્ત્રોત તરીકેની છબી હજુ ય કલ્પના અને હકીકતની વચ્ચેના કોઈ પ્રદેશમાં હતી.  

બસ આ જ, લેઝરના અતિશય પાવરફુલ બીમને કલ્પનાનાની દુનિયામાંથી હકીકતના બારણે લઇ આવ્યા આપણી વાર્તાના હીરો, ચંદ્રકુમાર નારણભાઇ પટેલ. સામાન્ય રીતે સી. કુમાર એન. પટેલ અથવા સી કે એન પટેલ તરીકે ઓળખાતા આ મહાન વૈજ્ઞાનિક હાલમાં 85 વર્ષની ઉંમરે કેલિફોર્નિયાના સાન્ટા મોનિકામાં તેમણે સ્થાપેલી કંપની પ્રણાલીટીકાના સીઈઓ તથા બોર્ડના ચેરમેન તરીકે કાર્યરત છે. 1938માં મહારાષ્ટ્રના બારામતીમાં જન્મેલા ચંદ્રકુમાર પટેલે તેમનું પ્રાથમિક શિક્ષણ, માધ્યમિક શિક્ષણ અને ગ્રેજ્યુએશન અહીં ભારતમાં જ મેળવ્યું. યુનિવર્સીટી ઓફ પુનાની સરકારી એન્જીનીયરીંગ કોલેજમાંથી 1958માં એન્જીનીયરીંગની ડિગ્રી મેળવ્યા બાદ તેઓએ અમેરિકાની સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સીટીમાંથી ઇલેક્ટ્રિકલ એન્જીનીયરીંગમાં એમ. એસ. અને ત્યાર બાદ પીએચડી કર્યું. 1961માં ડો. પટેલ AT & T બેલ લેબ સાથે જોડાયા અને ત્યાં તેમણે લેઝર ઉપર શંશોધનો શરુ કર્યા. બરાબર આ જ સમય દરમિયાન અલી યવને પહેલું ગેસ લેઝર બનાવ્યું. પરંતુ એ લેઝર હિલિયમ અને નિયોન, એમ બે ગેસના મિશ્રણથી બનાવેલું. એ સમયે એવું દ્રઢ પણે માનવામાં આવતું કે ગેસ લેઝર માટે ફરજીયાત બે ગેસનું મિશ્રણ જ જોઈએ. ડો. પટેલને ગેસ લેઝરમાં મિશ્રણ કરતા કોઈ એક જ ગેસ વાપરવામાં રસ હતો. તેઓએ તે માટે કાર્બન ડાયોકસાઇડ (CO2) ગેસ પસંદ કર્યો અને બે વર્ષના અથાગ પ્રયત્નો પછી 1963માં તેમને કાર્બન ડાયોકસાઇડ લેઝર બનાવવામાં સફળતા મળી. એ દુનિયાનું પહેલું લેઝર હતું જે માઇક્રોવોટ કે મિલીવોટ નહિ પણ વોટમાં પાવર આપતું હતું. તેઓ કહે છે કે રાત્રે બે વાગે તેઓ તેમના કાર્બન ડાયોક્સાઈડ લેઝરને ટેસ્ટ કરતા હતા ત્યારે પહેલી વખત તેમને લગભગ એક વોટ જેટલો પાવર મળ્યો હતો. એક વોટ એટલે લેઝર માટે ઘણો વધારે પાવર કહેવાય. પાવરના એકમને ઉદાહરણથી સમજવું હોય તો આપણે જે લેઝર પોઇન્ટર વાપરીએ છીએ તે માત્ર 0.5 મિલીવોટ પાવર જ આપે અને છતાંય જો આપણી આંખમાં ડાઇરેક્ટ એ બીમ જાય તો આપણી આંખોને નુકશાન કરી શકે. માત્ર પાંચ વોટ પાવર લાકડાને બાળી શકે કે જાડા પીવીસી પલાસ્ટીકમાં હોલ પાડી શકે. એટલે પહેલી વખત એક વોટ જેટલો પાવર મળવાને કારણે તેઓ ખુબ ઉત્સાહિત હતા. રાત્રે મોડે સુધી કામ કર્યા બાદ તેઓને સવારે વધારે ટેસ્ટ્સ કરવાના હતા અને કદાચ તેઓ સવારે વહેલા ન આવી શકે તો તેમની ગેરહાજરીમાં તેમના આસિસ્ટન્ટ તેમનો પ્રયોગ ડિસ્ટર્બ ન કરે તે માટે તેઓએ રાત્રે બે વાગે એક નોટ લખીને ટેબલ પાર રાખી કે આજે રાત્રે મને પહેલી વખત આ લેઝરમાં લગભગ એક વોટ જેટલો પાવર મળ્યો. પછી તો એ એક ઐતિહાસિક નોટ બની ગઈ જે અનેક પ્રકાશનોમાં છપાઈ. લેઝર પાવર પણ વાર્તામાં આવતા રાજકુમારની જેમ દિવસે ન વધે એટલો રાત્રે અને રાત્રે ન વધે એટલો દિવસે વધતો ગયો. અત્યારે તો લેઝરની દુનિયા ખુબ જ વિશાળ છે. માઇક્રોવોટ થી લઈને પિટાવોટ (દસની પંદર ઘાત એટલે કે એક પછી પંદર શૂન્ય) સુધી પાવર ઉત્પન્ન કરતા લેઝર પણ છે અને એક કીડીની આંખ કરતા નાના લેઝરથી લઈને સેંકડો સ્કવેર મીટરમાં ફેલાયેલા મોટા લેઝર પણ.

એ સાથે જ આજે લેઝરના ઉપયોગો પણ ખુબ બહોળા પ્રમાણમાં થાય છે. કાર્બન ડાયોકસાઇડ લેઝર આજે મેડિકલ સર્જરીમાં ગોલ્ડ સ્ટાન્ડર્ડ છે. આ લેઝર અધોરક્ત (ઇન્ફ્રારેડ) પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે જે વાતાવરણમાં ખુબ ઓછો શોષાય પણ પાણીમાં ખુબ વધારે શોષાય અને પળવારમાં પાણીનું બાષ્પીભવન કરી નાખે. આ કારણે મોટા ભાગના સોફ્ટ ટીસ્યુને લગતા ઓપેરેશન, સ્કિનને લગતી સર્જરી વગેરે માટે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેઝર ખુબ ઉપયોગી છે. એ સિવાય આજે ડિફેન્સ અને મૅન્યુફૅચરિંગ ઇન્ડસ્ટ્રી માટે તો કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેઝર આશીર્વાદ સમાન છે. વધારે પાવર અને યોગ્ય તરંગ લંબાઈને કારણે ઉદ્યોગોમાં કટિંગ, વેલ્ડિંગ, કે માર્કિંગ જેવી પ્રક્રિયાઓ માટે પણ કાર્બન ડાયોક્સાઇડ લેઝર શ્રેષ્ઠ ઉપાય છે. આમાનાં ઘણાં ઉપયોગો તો ખુદ ડો.સી કુમાર એન. પટેલના અથાગ પ્રયત્નોથી એક્સપ્લોર કરવામાં આવી છે. તેઓએ કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને કાર્બન મોનોકસાઇડ ઉપરાંત સ્પિન-ફ્લિપ રમન લેઝરની પણ શોધ કરી છે. આજે તેઓ લેઝર અને લેઝરને લગતી ટેક્નોલોજીની 36 અમેરિકન પેટન્ટ ધરાવે છે. 

તેઓએ ત્રીસ વર્ષો સુધી બેલ લેબમાં કામ કર્યું. આ દરમિયાન તેઓ 1980 થી 1993 સુધી બેલ લેબના ઇલેક્ટ્રોનિક વિભાગના ડાઈરેક્ટર રહ્યા. ત્યાર બાદ 1993 થી 1999 સુધી છ વર્ષ તેઓએ યુનિવર્સીટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, લોસ એંજલીસના વાઇસ ચાન્સેલર તરીકે સેવા આપી. હાઈ પાવર ઔદ્યોગિક લેઝર્સમાં ડો. સી કે એન પટેલનું યોગદાન અતુલ્ય છે અને તેઓનું આ યોગદાન એનેક ખ્યાતનામ સંસ્થાઓએ બિરદાવ્યું છે. 1989માં તેઓને IEEE મેડલ ઓફ હોનર થી નવાજવામાં આવ્યા અને ત્યાર બાદ 1996માં તેઓને અમેરિકાના તત્કાલીન રાષ્ટ્રપતિ બિલ ક્લિન્ટન દ્વારા નેશનલ મેડલ ઓફ સાયન્સ પણ એનાયત કરવામાં આવ્યો. 2019થી અમેરિકન લેઝર સ્ટડી ક્લબ દર વર્ષે તેમના નામે એવોર્ડ આપે છે જે લેઝરના ફિલ્ડમાં ઉત્કૃષ્ટ કાર્ય કરતા યુવા વૈજ્ઞાનિકોને આપવામાં આવે છે.

- વિપુલ ખેરાજ