Πριν από πολύ καιρό (13,7 δισεκατομμύρια χρόνια από ορισμένους λογαριασμούς) συνέβη ένα αρκετά σημαντικό κοσμολογικό γεγονός. Μιλάμε φυσικά για το Big Bang. Οι κοσμολόγοι μας λένε ότι κάποτε δεν υπήρχε σύμπαν όπως το ξέρουμε. Ό, τι υπήρχε πριν από εκείνη την εποχή ήταν άκυρο - πέρα από κάθε σύλληψη. Γιατί; Λοιπόν, υπάρχουν μερικές απαντήσεις σε αυτήν την ερώτηση - το φιλοσοφική απάντηση Για παράδειγμα: Επειδή πριν από το σύμπαν σχηματίστηκε, δεν υπήρχε τίποτα να συλλάβει, με ή ακόμα και για αυτό. Αλλά υπάρχει επίσης μια επιστημονική απάντηση και αυτή η απάντηση έρχεται σε αυτό: Πριν από το Big Bang δεν υπήρχε χωροχρονικό συνεχές - ο άυλο μέσο μέσω των οποίων κινούνται όλα τα πράγματα ενέργεια και ύλη.
Μόλις δημιουργήθηκε το συνεχές χωροχρόνο, ένα από τα πιο συγκινητικά πράγματα που πρέπει να διαμορφωθούν ήταν οι μονάδες των φυσικών φωτός που αποκαλούν «φωτόνια». Η επιστημονική έννοια των φωτονίων ξεκινά με το γεγονός ότι αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια ενέργειας εμφανίζουν δύο φαινομενικά αντιφατικές συμπεριφορές: Η μία συμπεριφορά έχει να κάνει με το πώς ενεργούν ως μέλη μιας ομάδας (σε ένα κύμα) και η άλλη σχετίζεται με το πώς συμπεριφέρονται μεμονωμένα (ως διακριτά σωματίδια). Ένα μεμονωμένο φωτονίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πακέτο κυμάτων που βιδώνουν γρήγορα τον χώρο. Κάθε πακέτο είναι μια ταλάντωση κατά μήκος δύο κάθετων αξόνων δύναμης - του ηλεκτρικού και του μαγνητικού. Επειδή το φως είναι μια ταλάντωση, τα κύματα-σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ένας τρόπος κατανόησης της διπλής φύσης του φωτός είναι να συνειδητοποιήσουμε ότι το κύμα μετά το κύμα των φωτονίων επηρεάζει τα τηλεσκόπια μας - αλλά τα μεμονωμένα φωτόνια απορροφώνται από τους νευρώνες στα μάτια μας.
Τα πρώτα φωτόνια που ταξιδεύουν μέσω του διαστήματος χωροχρόνου ήταν εξαιρετικά ισχυρά. Ως ομάδα, ήταν απίστευτα έντονοι. Ως άτομα, το καθένα δονήθηκε με εξαιρετικό ρυθμό. Το φως αυτών των αρχέγονων φωτονίων φωτίζει γρήγορα τα γρήγορα αναπτυσσόμενα όρια του νεανικού σύμπαντος. Το φως ήταν παντού - αλλά η ύλη δεν είχε ακόμη δει.
Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, το αρχέγονο φως χάθηκε τόσο στη συχνότητα όσο και στην ένταση. Αυτό συνέβη καθώς τα αρχικά φωτόνια εξαπλώθηκαν λεπτότερα και λεπτότερα σε έναν συνεχώς διευρυνόμενο χώρο. Σήμερα, το πρώτο φως της δημιουργίας αντηχεί ακόμα στον κόσμο. Αυτό θεωρείται ως κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Και αυτός ο συγκεκριμένος τύπος ακτινοβολίας δεν είναι πλέον ορατός στο μάτι καθώς τα κύματα μέσα σε φούρνο μικροκυμάτων.
Το αρχέγονο φως ΔΕΝ είναι η ακτινοβολία που βλέπουμε σήμερα. Η πρωταρχική ακτινοβολία έχει μετατοπιστεί με κόκκινο χρώμα στο πολύ χαμηλό άκρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αυτό συνέβη καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε από αυτό που μπορεί αρχικά να μην ήταν μεγαλύτερο από ένα άτομο έως το σημείο όπου τα μεγάλα όργανα μας δεν έχουν βρει κανένα όριο. Γνωρίζοντας ότι το αρχέγονο φως είναι τώρα τόσο τεράστιο καθιστά απαραίτητο να κοιτάξουμε αλλού για να λάβουμε υπόψη το είδος του φωτός που είναι ορατό στα μάτια μας και τα οπτικά τηλεσκόπια.
Τα αστέρια (όπως ο Ήλιος μας) υπάρχουν επειδή ο χωροχρόνος κάνει κάτι περισσότερο από απλή μετάδοση φωτός ως κύματα. Κατά κάποιο τρόπο - ακόμα ανεξήγητο-1 - ο χωροχρόνος προκαλεί επίσης ύλη. Και ένα πράγμα που διακρίνει το φως από την ύλη είναι ότι η ύλη έχει «μάζα» ενώ το φως δεν έχει κανένα.
Λόγω της μάζας, η ύλη εμφανίζει δύο κύριες ιδιότητες: την αδράνεια και τη βαρύτητα. Η αδράνεια μπορεί να θεωρηθεί ως αντίσταση στην αλλαγή. Βασικά η ύλη είναι «τεμπέλης» και απλώς συνεχίζει να κάνει ό, τι έχει κάνει - εκτός και αν ενεργήσει σε κάτι έξω από αυτό. Νωρίς στο σχηματισμό του σύμπαντος, το κύριο πράγμα που ξεπέρασε την τεμπελιά της ύλης ήταν το φως. Υπό την επίδραση της πίεσης ακτινοβολίας, η αρχέγονη ύλη (κυρίως αέριο υδρογόνο) «οργανώθηκε».
Ακολουθώντας την ορμή του φωτός, κάτι μέσα στην ύλη ανέλαβε - αυτή τη λεπτή συμπεριφορά που ονομάζουμε «βαρύτητα». Η βαρύτητα έχει περιγραφεί ως «παραμόρφωση του συνεχούς χωροχρόνου». Τέτοιες παραμορφώσεις συμβαίνουν οπουδήποτε βρίσκεται η μάζα. Επειδή η ύλη έχει μάζα, καμπύλες χώρου. Αυτή η καμπύλη προκαλεί την κίνηση της ύλης και του φωτός με τρόπους που διευκρινίστηκαν στις αρχές του εικοστού αιώνα από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Κάθε μικρό άτομο της ύλης προκαλεί μια μικροσκοπική παραμόρφωση στο διάστημα-2. Και όταν συγκεντρώνονται αρκετές μικρο-παραμορφώσεις, τα πράγματα μπορούν να συμβούν με μεγάλο τρόπο.
Και αυτό που συνέβη ήταν ο σχηματισμός των πρώτων αστεριών. Δεν υπάρχουν συνηθισμένοι αστέρες - αλλά υπερ-τεράστιοι γίγαντες που ζουν πολύ γρήγορες ζωές και έρχονται σε πολύ, πολύ θεαματικούς σκοπούς. Σε αυτά τα άκρα, αυτά τα αστέρια κατέρρευσαν πάνω τους (κάτω από το βάρος όλης αυτής της μάζας) δημιουργώντας τρομερά κύματα σοκ τέτοιας έντασης ώστε να συντήξουν εντελώς νέα στοιχεία από παλαιότερα. Ως αποτέλεσμα, ο χωροχρόνος κατέρρευσε με πολλούς τύπους ύλης (άτομα) που αποτελούν το περιοδικό Space.
Σήμερα, υπάρχουν δύο τύποι ατομικής ύλης: Αρχέγονος και κάτι που θα μπορούσαμε να ονομάσουμε «αστέρι». Είτε αρχέγονη είτε αστρική προέλευση, η ατομική ύλη απαρτίζεται από όλα τα πράγματα που αγγίζουν και βλέπουν. Τα άτομα έχουν ιδιότητες και συμπεριφορές: Αδράνεια, βαρύτητα, επέκταση στο διάστημα και πυκνότητα. Μπορούν επίσης να έχουν ηλεκτρικό φορτίο (εάν ιονίζεται) και να συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις (για να σχηματίσουν μόρια τεράστιας πολυπλοκότητας και πολυπλοκότητας). Όλη η ύλη που βλέπουμε βασίζεται σε ένα θεμελιώδες πρότυπο που είχε καθιερωθεί εδώ και πολύ καιρό από εκείνα τα αρχέγονα άτομα που δημιουργήθηκαν μυστηριωδώς μετά το Big Bang. Αυτό το σχέδιο βασίζεται σε δύο θεμελιώδεις μονάδες ηλεκτρικού φορτίου: το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο - το καθένα έχει μάζα και ικανό να κάνει αυτά τα πράγματα μάζα είναι υπεύθυνο.
Όμως δεν ακολουθεί ακριβώς το θέμα το πρωτότυπο του υδρογόνου. Μία διαφορά είναι ότι τα άτομα νεότερης γενιάς έχουν ηλεκτρικά ισορροπημένα νετρόνια καθώς και θετικά φορτισμένα πρωτόνια στους πυρήνες τους. Αλλά ακόμη και ο ξένος είναι ένας τύπος ύλης (σκοτεινή ύλη) που δεν αλληλεπιδρά καθόλου με το φως. Και επιπλέον (μόνο για να διατηρήσουμε τα πράγματα συμμετρικά), μπορεί να υπάρχει ένας τύπος ενέργειας (ενέργεια κενού) που δεν παίρνει τη μορφή φωτονίων - ενεργεί περισσότερο σαν μια «ήπια πίεση» που κάνει το σύμπαν να επεκτείνεται με μια ορμή που δεν παρέχεται αρχικά από το Big-Bang.
Αλλά ας επιστρέψουμε στα πράγματα που μπορούμε να δούμε…
Σε σχέση με το φως, η ύλη μπορεί να είναι αδιαφανής ή διαφανής - μπορεί να απορροφήσει ή να διαθλάσει το φως. Το φως μπορεί να περάσει στην ύλη, μέσω της ύλης, να αντανακλά την ύλη ή να απορροφηθεί από την ύλη. Όταν το φως περνά στην ύλη, το φως επιβραδύνεται - ενώ η συχνότητά του αυξάνεται. Όταν το φως αντανακλά, η διαδρομή που παίρνει αλλάζει. Όταν απορροφάται το φως, τα ηλεκτρόνια διεγείρονται δυνητικά οδηγώντας σε νέους μοριακούς συνδυασμούς. Αλλά ακόμη πιο σημαντικό, όταν το φως περνά μέσα από την ύλη - ακόμη και χωρίς απορρόφηση - τα άτομα και τα μόρια δονούν το χωροχρονικό συνεχές και εξαιτίας αυτού, το φως μπορεί να μειωθεί σε συχνότητα. Βλέπουμε, γιατί κάτι που ονομάζεται «φως» αλληλεπιδρά με κάτι που ονομάζεται «ύλη» σε κάτι που ονομάζεται «χωροχρονικό συνεχές».
Εκτός από την περιγραφή των βαρυτικών επιδράσεων της ύλης στον χωροχρόνο, ο Αϊνστάιν πραγματοποίησε μια εξαιρετικά κομψή έρευνα για την επίδραση του φωτός που σχετίζεται με το φωτο-ηλεκτρικό εφέ. Πριν τον Αϊνστάιν, οι φυσικοί πίστευαν ότι η ικανότητα των φώτων να επηρεάσει την ύλη βασίστηκε κυρίως στην «ένταση». Αλλά το φωτο-ηλεκτρικό εφέ έδειξε ότι τα ηλεκτρόνια επηρέαζαν το φως με βάση τη συχνότητα επίσης. Έτσι το κόκκινο φως - ανεξάρτητα από την ένταση - αποτυγχάνει να αποσπάσει ηλεκτρόνια σε μέταλλα, ενώ ακόμη και πολύ χαμηλά επίπεδα βιολετί φωτός διεγείρουν μετρήσιμα ηλεκτρικά ρεύματα. Σαφώς ο ρυθμός με τον οποίο δονείται το φως έχει τη δική του ισχύ.
Η έρευνα του Αϊνστάιν για το φωτο-ηλεκτρικό εφέ συνέβαλε σημαντικά σε αυτό που αργότερα έγινε γνωστό ως κβαντική μηχανική. Για τους φυσικούς σύντομα έμαθαν ότι τα άτομα είναι επιλεκτικά για το ποιες συχνότητες φωτός θα απορροφήσουν. Εν τω μεταξύ, ανακαλύφθηκε επίσης ότι τα ηλεκτρόνια ήταν το κλειδί για όλη την κβαντική απορρόφηση - ένα κλειδί που σχετίζεται με ιδιότητες, όπως μια σχέση ηλεκτρονίων με άλλα και με τον πυρήνα του ατόμου.
Τώρα φτάνουμε στο δεύτερο σημείο μας: Επιλεκτική απορρόφηση και εκπομπή φωτονίων από ηλεκτρόνια δεν εξηγεί τη συνεχή εξάπλωση των συχνοτήτων που παρατηρούνται κατά την εξέταση του φωτός μέσω των οργάνων μας-3.
Τι μπορεί να το εξηγήσει τότε;
Μία απάντηση: Η αρχή «αποχώρησης» που σχετίζεται με το διάθλαση και απορρόφηση φωτός.
Το κοινό γυαλί - όπως στα παράθυρα των σπιτιών μας - είναι διαφανές στο ορατό φως. Το γυαλί ωστόσο αντανακλά το μεγαλύτερο υπέρυθρο φως και απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία. Όταν το ορατό φως εισέρχεται σε ένα δωμάτιο, απορροφάται από έπιπλα, χαλιά κ.λπ. Αυτά τα αντικείμενα μετατρέπουν μέρος του φωτός σε θερμότητα - ή υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτή η υπέρυθρη ακτινοβολία παγιδεύεται από το γυαλί και το δωμάτιο θερμαίνεται. Εν τω μεταξύ, το ίδιο το γυαλί είναι αδιαφανές έως υπεριώδες. Το φως που εκπέμπεται από τον Ήλιο στο υπεριώδες απορροφάται κυρίως από την ατμόσφαιρα - αλλά μερικοί μη ιοντίζοντας υπεριώδεις καταφέρνουν να περάσουν. Το υπεριώδες φως μετατρέπεται σε θερμότητα από γυαλί με τον ίδιο τρόπο τα έπιπλα απορροφούν και εκπέμπουν εκ νέου ορατό φως.
Πώς όλα αυτά σχετίζονται με την παρουσία ορατού φωτός στο Σύμπαν;
Μέσα στον Ήλιο, φωτόνια υψηλής ενέργειας (αόρατο φως από την περίμετρο του ηλιακού πυρήνα) ακτινοβολούν τον ηλιακό μανδύα κάτω από τη φωτοσφαιρία. Ο μανδύας μετατρέπει αυτές τις ακτίνες σε «θερμότητα» με απορρόφηση - αλλά αυτή η συγκεκριμένη «θερμότητα» είναι συχνότητας πολύ πέρα από την ικανότητά μας να δούμε. Στη συνέχεια, ο μανδύας δημιουργεί ρεύματα μεταφοράς που μεταφέρουν θερμότητα προς τα έξω προς τη φωτοσφαίρα, ενώ εκπέμπουν επίσης λιγότερο ενεργητικά - αλλά ακόμα αόρατα - φωτόνια. Η προκύπτουσα «θερμότητα» και «φως» περνάει στην ηλιακή φωτοσφαιρία. Στη φωτόσφαιρα («η σφαίρα του ορατού φωτός») τα άτομα «θερμαίνονται» μέσω μεταφοράς και διεγείρονται μέσω διάθλασης για να δονείται με ρυθμό αρκετά αργό για να εκπέμπει ορατό φως. Και αυτή είναι η αρχή που αντιπροσωπεύει το ορατό φως που εκπέμπεται από τα αστέρια που είναι - μακράν - η πιο σημαντική πηγή φωτός που παρατηρείται σε ολόκληρο τον Κόσμο.
Έτσι - από μια συγκεκριμένη οπτική γωνία, μπορούμε να πούμε ότι ο «δείκτης διάθλασης» της φωτοσφαίρας του Ήλιου είναι το μέσο με το οποίο το αόρατο φως μετατρέπεται σε ορατό φως. Σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσο, επικαλείται την ιδέα ότι ο δείκτης διάθλασης της φωτοσφαίρας είναι τόσο υψηλός που οι ακτίνες υψηλής ενέργειας κάμπτονται στο σημείο απορρόφησης. Όταν συμβαίνει αυτό, τα κύματα χαμηλότερης συχνότητας γεννιούνται ακτινοβολώντας ως μια μορφή θερμότητας που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το μάτι και δεν είναι απλώς ζεστή στην αφή…
Και με όλη αυτή την κατανόηση κάτω από τα πνευματικά μας πόδια, μπορούμε τώρα να απαντήσουμε στην ερώτησή μας: Το φως που βλέπουμε σήμερα είναι το αρχέγονο φως της δημιουργίας. Αλλά είναι ελαφρύ που υλοποιήθηκε μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang. Αργότερα, το υλοποιημένο φως ενώθηκε κάτω από την επίδραση της βαρύτητας ως μεγάλες συμπυκνωμένες σφαίρες. Αυτές οι σφαίρες στη συνέχεια ανέπτυξαν ισχυρούς αλχημικούς φούρνους που απο-υλοποιούν την ύλη στο φως αόρατος. Αργότερα - μέσω της διάθλασης και της απορρόφησης - το αόρατο φως έγινε ορατό στο μάτι με τελετή διέλευσης μέσα από αυτούς τους υπέροχους «φακούς φωτεινότητας» που ονομάζουμε τα αστέρια…
-1Το πώς όλα τα πράγματα κοσμολογικά προέκυψαν λεπτομερώς είναι πιθανώς ο σημαντικότερος τομέας της αστρονομικής έρευνας σήμερα και θα πάρει τους φυσικούς - με τα "άτομα-σπάζοντας" τους, τους αστρονόμους - με τα τηλεσκόπια τους, τους μαθηματικούς - με τους υπερ-υπολογιστές τους (και μολύβια!) και κοσμολόγοι - με τη λεπτή κατανόησή τους για τα πρώτα χρόνια του σύμπαντος - για να ξεγελάσουν το όλο θέμα.
-2
Κατά μία έννοια το θέμα μπορεί απλά είναι μια παραμόρφωση του συνεχούς χωροχρόνου - αλλά απέχουμε πολύ από την κατανόηση αυτού του συνεχούς σε όλες τις ιδιότητες και τις συμπεριφορές του.
-3Ο Ήλιος και όλες οι φωτεινές πηγές φωτός εμφανίζουν σκοτεινή απορρόφηση και φωτεινές ζώνες εκπομπών πολύ στενών συχνοτήτων. Φυσικά, αυτές είναι οι διάφορες γραμμές Fraunhofer που σχετίζονται με κβαντικές μηχανικές ιδιότητες που σχετίζονται με καταστάσεις μετάβασης ηλεκτρονίων που σχετίζονται με συγκεκριμένα άτομα και μόρια.
Σχετικά με τον Συγγραφέα:Εμπνευσμένο από το αριστούργημα των αρχών του 1900: "The Sky Through Three, Four and Five Inch Telescopes", ο Jeff Barbour ξεκίνησε στην αστρονομία και τη διαστημική επιστήμη στην ηλικία των επτά. Επί του παρόντος, ο Jeff αφιερώνει μεγάλο μέρος του χρόνου του παρατηρώντας τους ουρανούς και διατηρώντας τον ιστότοπο Astro.Geekjoy.
