Det var ikke så lenge siden (13,7 milliarder år etter noen kontoer) at en ganske betydelig kosmologisk hendelse skjedde. Vi snakker selvfølgelig om Big Bang. Kosmologer forteller oss at det på et tidspunkt ikke var noe univers slik vi kjenner det. Uansett hva som eksisterte før den tid var ugyldig - utover all unnfangelse. Hvorfor? Det er vel et par svar på det spørsmålet - filosofisk svar for eksempel: Fordi før universet tok form var det ingenting å forestille seg, med eller til og med. Men det er også et vitenskapelig svar, og det svaret kommer ned på dette: Før Big Bang var det ingen rom-tid kontinuum - den uvesentlig medium der alle ting energi og materie beveger seg.
Når rom-tid kontinuum dukket opp til eksistens, en av de mest bevegende ting å ta form var enhetene til lys fysikere kaller "fotoner". Den vitenskapelige forestillingen om fotoner begynner med at disse elementære energipartiklene viser to tilsynelatende motstridende oppførsel: Den ene oppførselen har å gjøre med hvordan de oppfører seg som medlemmer av en gruppe (i en bølgefront) og den andre forholder seg til hvordan de oppfører seg isolert (som separate partikler). Et individuelt foton kan tenkes å være en pakke bølger som korkskrues raskt gjennom verdensrommet. Hver pakke er en svingning langs to vinkelrette kraftakser - den elektriske og magnetiske. Fordi lys er en svingning, interagerer bølgepartikler med hverandre. En måte å forstå lysets doble natur er å innse at bølge etter bølge av fotoner påvirker teleskopene våre - men individuelle fotoner blir absorbert av nevronene i øynene våre.
De aller første fotonene som reiste gjennom romtidskontinuumet var ekstremt kraftige. Som gruppe var de utrolig intense. Som enkeltpersoner vibrerte hver for seg en ekstraordinær hastighet. Lyset fra disse urfolksfotonene belyste raskt de raskt ekspanderende grensene for det ungdommelige universet. Lys var overalt - men saken var ennå ikke å se.
Etter hvert som universet utvidet seg, mistet det urbane lyset både i frekvens og intensitet. Dette skjedde mens de originale fotonene spredte seg tynnere og tynnere over et stadig voksende rom. I dag ekko det første skaperlyset rundt kosmos. Dette blir sett på som kosmisk bakgrunnsstråling. Og den spesielle typen stråling er ikke mer synlig for øyet som bølgene i en mikrobølgeovn.
Primordialt lys er IKKE strålingen vi ser i dag. Primordial stråling har rødskiftet til den svært lave enden av det elektromagnetiske spekteret. Dette skjedde da universet utvidet seg fra det som opprinnelig ikke har vært større enn et enkelt atom til det punktet der våre største instrumenter ennå ikke har funnet noen grense overhodet. Når vi vet at det primære lyset nå er så ternuøst, gjør det nødvendig å se andre steder for å redegjøre for den typen lys som er synlig for øynene våre og optiske teleskoper.
Stjerner (som vår sol) eksisterer fordi rom-tid mer enn bare overfører lys som bølger. På en eller annen måte - fortsatt uforklarlig-1 - rom-tid forårsaker materie også. Og en ting som skiller lys fra materie er at materie har "masse" mens lys ikke har noe.
På grunn av masse viser materie to hovedegenskaper: treghet og tyngdekraft. Tretthet kan tenkes å være motstand mot endring. I utgangspunktet er materien "lat" og fortsetter bare å gjøre hva den har gjort - med mindre den er handlet på noe utenfor seg selv. Tidlig i universets dannelse var det viktigste å overvinne materiens latskap. Under påvirkning av strålingstrykk ble grunnstoff (for det meste hydrogengass) "organisert".
Etter lysets tapping overtok noe inne i materien - den subtile oppførselen vi kaller "tyngdekraften". Gravitasjon er blitt beskrevet som en "forvrengning av rom-tid kontinuum". Slike forvrengninger forekommer uansett hvor masse finnes. Fordi materie har masse, romkurver. Det er denne kurven som får materie og lys til å bevege seg på måter som ble belyst tidlig på det tjuende århundre av Albert Einstein. Hvert eneste lite materieatom forårsaker en liten "mikroforvrengning" i romtid-2. Og når nok mikrodistorsjoner samles kan ting skje på en stor måte.
Og det som skjedde var dannelsen av de første stjernene. Ingen vanlige stjerner disse - men supermassive giganter som lever veldig raske liv og kommer til veldig, veldig spektakulære ender. I disse endene kollapset disse stjernene på seg selv (under tyngden av all den massen) og genererte enorme sjokkbølger av så intensitet at de smeltet sammen helt nye elementer fra eldre. Som et resultat ble rom-tid kvalt med alle de mange typer materier (atomer) som utgjorde Space Magazine.
I dag eksisterer det nå to typer atommateriale: Primordial og noe vi kanskje kan kalle “stjerne-ting”. Enten primordial eller stjerners opprinnelse, atomstoff utgjør alle ting som blir rørt og sett. Atomer har egenskaper og atferd: treghet, tyngdekraft, ekstensjon i rommet og tetthet. De kan også ha elektrisk ladning (hvis ionisert) og delta i kjemiske reaksjoner (for å danne molekyler med enorm raffinement og kompleksitet). Alt vi ser er basert på et grunnleggende mønster som er etablert for lenge siden av de eldste atomer som mystisk ble opprettet etter Big Bang. Dette mønsteret er basert på to grunnleggende enheter for elektrisk ladning: Protonet og elektronet - som hver har masse og er i stand til å gjøre de tingene masse er ansvarlig for.
Men ikke all materie følger hydrogenprototypen nøyaktig. En forskjell er at nyere generasjons atomer har elektrisk balanserte nøytroner så vel som positivt ladede protoner i kjernene. Men enda fremmed er en type materie (mørk materie) som ikke interagerer med lys i det hele tatt. Og dessuten (bare for å holde ting symmetrisk), kan det være en type energi (vakuumenergi) som ikke har form av fotoner - som fungerer mer som et "mildt trykk" som får universet til å utvide seg med et momentum som ikke er gitt orignalt av Big-Bang.
Men la oss komme tilbake til de tingene vi kan se ...
I forhold til lys kan stoff være ugjennomsiktig eller gjennomsiktig - det kan absorbere eller bryte lys. Lys kan passere inn i materie, gjennom materie, reflektere av materie eller bli absorbert av materie. Når lys passerer inn i materien, bremser lyset - mens frekvensen øker. Når lyset reflekterer, endres banen det tar. Når lys absorberes, stimuleres elektronene potensielt som fører til nye molekylære kombinasjoner. Men enda mer betydelig, når lys passerer gjennom materien - selv uten absorpsjon - vibrerer atomer og molekyler rom-tid kontinuum og på grunn av dette, kan lyset trappes ned i frekvens. Vi ser fordi noe som kalles “lys” samhandler med noe som kalles “materie” i noe som kalles “rom-tid kontinuum”.
I tillegg til å beskrive tyngdekraftseffektene av materie på romtid, utførte Einstein en ekstremt elegant undersøkelse av påvirkningen av lys assosiert med den fotoelektriske effekten. Før Einstein mente fysikere lysers kapasitet til å påvirke materie først og fremst var basert på “intensitet”. Men den fotoelektriske effekten viste at lys påvirket elektroner også på basis av frekvens. Dermed unnlater rødt lys - uansett intensitet - å løsne elektroner i metaller, mens til og med veldig lave nivåer av fiolett lys stimulerer målbare elektriske strømmer. Det er klart den hastigheten som lyset vibrerer har en egen kraft.
Einsteins undersøkelse av den fotoelektriske effekten bidro kraftig til det som senere ble kjent som kvantemekanikk. For fysikere fikk snart vite at atomer er selektive med hensyn til hvilke lysfrekvenser de vil absorbere. I mellomtiden ble det også oppdaget at elektroner var nøkkelen til all kvantumabsorpsjon - en nøkkel relatert til egenskaper som ett elektroniske forhold til andre og med atomkjernen.
Så nå kommer vi til vårt andre punkt: Selektiv absorpsjon og utslipp av fotoner med elektroner forklarer ikke kontinuerlig spredning av frekvenser sett når vi undersøker lys gjennom våre instrumenter-3.
Hva kan forklare det da?
Ett svar: "Avtrapping" -prinsippet knyttet til brytning og absorpsjon av lys.
Vanlig glass - som i vinduene til hjemmene våre - er gjennomsiktig for synlig lys. Glass reflekterer imidlertid mest infrarødt lys og absorberer ultrafiolett. Når synlig lys kommer inn i et rom, tas det opp av møbler, tepper osv. Disse elementene konverterer en del av lyset til varme - eller infrarød stråling. Denne infrarøde strålingen blir fanget av glasset og rommet varmer opp. I mellomtiden er glasset i seg selv ugjennomsiktig til ultrafiolett. Lys som sendes ut av solen i ultrafiolett absorberes stort sett av atmosfæren - men noen ikke-ioniserende ultrafiolette klarer å komme gjennom. Ultraviolett lys konverteres til varme av glass på samme måte som møbler absorberer og utstråler synlig lys.
Hvordan har alt dette å gjøre med tilstedeværelsen av synlig lys i universet?
Innenfor solen bestråler høyenergifotoner (usynlig lys fra omkretsen av solkjernen) solmantelen under fotosfæren. Mantelen konverterer disse strålene til "varme" ved absorpsjon - men denne "varmen" har en frekvens langt utenfor vår evne til å se. Mantelen setter deretter opp konvektive strømmer som fører varme utover mot fotosfæren, samtidig som de avgir mindre energiserte - men fortsatt usynlige - fotoner. Den resulterende "varmen" og "lyset" overføres til solens fotosfære. I fotosfæren ("sfæren med synlig lys") blir atomene "oppvarmet" ved konveksjon og stimulert gjennom brytning til å vibrere i en hastighet som er langsom nok til å avgi synlig lys. Og det er dette prinsippet som står for det synlige lyset som sendes ut av stjerner som - langt på vei - er den viktigste lyskilden sett i hele kosmos.
Så - fra et visst perspektiv, kan vi si at "brytningsindeksen" for solens fotosfære er det middelet som usynlig lys omdannes til synlig lys. I dette tilfellet påkaller vi imidlertid ideen om at brytningsindeksen til fotosfæren er så høy at stråler med høy energi bøyes til absorpsjonspunktet. Når dette skjer, blir lavere frekvenser bølger som utstråler som en form for varme som er synlig for øyet og ikke bare varm for berøring ...
Og med all denne forståelsen under våre intellektuelle føtter, kan vi nå svare på spørsmålet vårt: Lyset vi ser i dag er skapelsens overordnede lys. Men det er lett som materialiserte noen hundretusenvis av år etter Big Bang. Senere kom det materialiserte lyset sammen under påvirkning av tyngdekraften som store kondenserte kuler. Disse kulene utviklet deretter kraftige alkymiske ovner som materialiserer materie til lys usynlig. Senere - gjennom brytning og absorpsjon - ble usynlig lys synliggjort for øyet ved passering gjennom de store "linsene til lysstyrke" vi kaller stjernene ...
-1Hvordan alle kosmologiske ting skiftet ut i detalj, er antagelig hovedområdet for astronomisk forskning i dag og vil ta fysikere - med sine “atomsmashers”, astronomer - med sine teleskoper, matematikere - med sine tallknusende superdatamaskiner (og blyanter!) og kosmologer - med sin subtile forståelse av de første årene av universet - å pusle gjennom hele saken.
-2
På en måte kan saken ganske enkelt være en forvrengning av rom-tid kontinuum - men vi er langt fra å forstå det kontinuumet i alle dets egenskaper og atferd.
-3Solen og alle lysende kilder til lys viser mørk absorpsjon og lyse utslippsbånd med svært smale frekvenser. Dette er selvfølgelig de forskjellige Fraunhofer-linjene relatert til kvantemekaniske egenskaper assosiert med overgangstilstander av elektroner assosiert med spesifikke atomer og molekyler.
Om forfatteren:Inspirert av det tidlige 1900-tallet mesterverk: "Himmelen gjennom tre, fire og fem tommers teleskop", fikk Jeff Barbour en start i astronomi og romvitenskap i en alder av syv år. For tiden bruker Jeff mye av sin tid på å observere himmelen og vedlikeholde nettstedet Astro.Geekjoy.
