Det var ikke for længe siden (13,7 milliarder år efter nogle konti), at der opstod en temmelig betydelig kosmologisk begivenhed. Vi taler selvfølgelig om Big Bang. Kosmologer fortæller os, at der på et tidspunkt ikke var noget univers, som vi kender det. Uanset hvad der eksisterede før den tid var ugyldigt - ud over al undfangelse. Hvorfor? Nå, der er et par svar på det spørgsmål - filosofisk svar for eksempel: Fordi før universet fik form, var der intet at forestille sig, med eller endda omkring. Men der er også et videnskabeligt svar, og det svar kommer til dette: Før Big Bang var der ingen rum-tid kontinuum - det immaterielt medium hvorigennem alle ting energi og stof bevæger sig.
Når rum-tid kontinuum dukkede op i eksistensen, en af de mest bevægelige ting at tage form var enheder af lys fysikere kalder "fotoner". Den videnskabelige opfattelse af fotoner begynder med det faktum, at disse elementære energipartikler viser to tilsyneladende modstridende opførsel: Den ene opførsel har at gøre med, hvordan de fungerer som medlemmer af en gruppe (i en bølgefront), og den anden vedrører, hvordan de opfører sig isoleret (som diskrete partikler). En individuel foton kan tænkes som en pakke bølger, der korkskrues hurtigt gennem rummet. Hver pakke er en svingning langs to vinkelrette kraftakser - det elektriske og det magnetiske. Fordi lys er en svingning, interagerer bølpartikler med hinanden. En måde at forstå lysets dobbelte natur på er at indse, at bølge efter bølge af fotoner påvirker vores teleskoper - men individuelle fotoner absorberes af neuronerne i vores øjne.
De allerførste fotoner, der rejste gennem rumtidskontinuumet, var ekstremt kraftige. Som gruppe var de utroligt intense. Som enkeltpersoner vibrerede hver for sig en ekstraordinær hastighed. Lyset fra disse overordnede fotoner belyste hurtigt de ungdomsunivers universets hurtigt ekspanderende grænser. Lys var overalt - men materie var endnu ikke at se.
Efterhånden som universet ekspanderede, mistede det primære lys både i frekvens og intensitet. Dette forekom, da de originale fotoner spredte sig tyndere og tyndere over et stadigt voksende rum. I dag gentager det første skabelseslys sig omkring kosmos. Dette ses som kosmisk baggrundstråling. Og den særlige type stråling er ikke mere synlig for øjet som bølgerne i en mikrobølgeovn.
Primordialt lys er IKKE den stråling, vi ser i dag. Primordial stråling er rødskiftet til den meget lave ende af det elektromagnetiske spektrum. Dette skete, da universet ekspanderede fra det, der oprindeligt ikke har været større end et enkelt atom, til det punkt, hvor vores største instrumenter endnu ikke har fundet nogen grænse overhovedet. At vide, at det oprindelige lys nu er så hårdt, gør det nødvendigt at se andre steder for at redegøre for den slags lys, der er synlig for vores øjne og optiske teleskoper.
Stjerner (som f.eks. Vores sol) findes, fordi rum-tid mere end blot transmitterer lys som bølger. På en eller anden måde - stadig uforklarlig-1 - rum-tid forårsager også noget. Og en ting, der skelner lys fra stof, er, at materie har "masse", mens lys ikke har noget.
På grund af masse viser stof to hovedegenskaber: Inerti og tyngdekraft. Inerti kan betragtes som modstand mod forandring. Grundlæggende er materie "doven" og fortsætter bare med at gøre, hvad det har været at gøre - medmindre det handles på noget uden for sig selv. Tidligt i universets dannelse var det vigtigste at overvinde materiens dovenskab lys. Under indflydelse af strålingstryk blev grundstof (for det meste brintgas) "organiseret".
Efter lysets anbringelse overtog noget inde i materien - den subtile opførsel, vi kalder "tyngdekraft". Gravitation er blevet beskrevet som en "forvrængning af rum-tid kontinuum". Sådanne forvrængninger forekommer, uanset hvor masse findes. Fordi materie har masse, rum kurver. Det er denne kurve, der får materie og lys til at bevæge sig på måder, der blev belyst tidligt i det tyvende århundrede af Albert Einstein. Hvert eneste lille stofmateriale forårsager en lille ”mikroforvrængning” i rummet-2. Og når nok mikroforvrængelser samles, kan ting ske på en stor måde.
Og hvad der skete, var dannelsen af de første stjerner. Ingen almindelige stjerner disse - men supermassive giganter, der lever meget hurtige liv og kommer til meget, meget spektakulære ender. I disse ender kollapset disse stjerner på sig selv (under vægten af al den masse), hvilket genererede enorme chokbølger af en sådan intensitet, at de smeltede helt nye elementer ud af ældre. Som et resultat blev rum-tid kvalt med alle de mange typer stof (atomer), der udgør Space Magazine.
I dag findes der to typer atommateriale: Primordial og noget, vi måske kalder "stjerne-ting". Uanset om det er oprindeligt eller stjernernes oprindelighed, udgør atomstoffet alle ting, der røres og ses. Atomer har egenskaber og opførsel: Inerti, tyngdekraft, udvidelse i rummet og densitet. De kan også have elektrisk ladning (hvis ioniseret) og deltage i kemiske reaktioner (for at danne molekyler med enorm raffinement og kompleksitet). Alt, hvad vi ser, er baseret på et grundlæggende mønster, der er oprettet for længe siden af de oprindelige atomer, der på mystisk vis er skabt efter Big Bang. Dette mønster er baseret på to grundlæggende enheder af elektrisk ladning: Protonen og elektronet - der hver har masse og er i stand til at udføre disse ting, er masse ansvarlig for.
Men ikke alt stof følger nøjagtigt brintprototypen. En forskel er, at nyere generation af atomer har elektrisk afbalancerede neutroner såvel som positivt ladede protoner i deres kerner. Men endnu fremmed er en type stof (mørk materie), der slet ikke interagerer med lys. Og derudover (bare for at holde tingene symmetriske) kan der være en type energi (vakuumenergi), der ikke tager form af fotoner - der fungerer mere som et "blidt pres", der får universet til at ekspandere med et momentum, der ikke leveres orignalt af Big-Bang.
Men lad os vende tilbage til de ting, vi kan se ...
I forhold til lys kan stof være uigennemsigtigt eller gennemsigtigt - det kan absorbere eller bryde lys. Lys kan passere ind i stof, gennem stof, reflektere off stof eller blive optaget af stof. Når lys passerer ind i materien, bremser lyset - mens dets frekvens stiger. Når lyset reflekteres, ændres stien, det tager. Når lys absorberes, stimuleres elektroner, der potentielt fører til nye molekylære kombinationer. Men endnu mere markant, når lys passerer gennem stof - selv uden absorption - vibrerer atomer og molekyler rum-tid kontinuum og på grund af dette kan lys afbrydes i frekvens. Vi ser, fordi noget, der kaldes “lys”, interagerer med noget, der kaldes “materie” i noget, der kaldes “rum-tid kontinuum”.
Ud over at beskrive tyngdekraftseffekten af stof på rumtiden, udførte Einstein en ekstremt elegant undersøgelse af påvirkningen af lys forbundet med den fotoelektriske effekt. Før Einstein mente fysikere, at lysets evne til at påvirke stof først og fremmest var baseret på ”intensitet”. Men den fotoelektriske effekt viste, at lys også påvirkede elektroner på basis af frekvens. Rød lys - uanset intensitet - undlader således at fjerne elektroner i metaller, mens selv meget lave niveauer af violet lys stimulerer målbare elektriske strømme. Det er klart, den hastighed, hvormed lyset vibrerer, har en egen styrke.
Einsteins undersøgelse af den fotoelektriske effekt bidrog kraftigt til det, der senere blev kendt som kvantemekanik. For fysikere lærte snart, at atomer er selektive med hensyn til hvilke lysfrekvenser de vil absorbere. I mellemtiden blev det også opdaget, at elektroner var nøglen til al kvanteabsorption - en nøgle relateret til egenskaber, såsom et elektrons forhold til andre og med atomens kerne.
Så nu kommer vi til vores andet punkt: Selektiv absorption og emission af fotoner med elektroner forklarer ikke den kontinuerlige spredning af frekvenser, der ses, når vi undersøger lys gennem vores instrumenter-3.
Hvad kan forklare det så?
Ét svar: "Nedtrappingsprincippet", der er knyttet til brydning og absorption af lys.
Almindeligt glas - såsom i vinduerne i vores hjem - er gennemsigtigt for synligt lys. Glas reflekterer dog mest infrarødt lys og absorberer ultraviolet. Når synligt lys kommer ind i et rum, optages det af møbler, tæpper osv. Disse genstande omdanner en del af lyset til varme - eller infrarød stråling. Denne infrarøde stråling bliver fanget af glasset, og rummet varmer op. I mellemtiden er selve glasset uigennemsigtigt for ultraviolet. Lys udsendt af solen i ultraviolet absorberes for det meste af atmosfæren - men nogle ikke-ioniserende ultraviolette formår at komme igennem. Ultraviolet lys konverteres til varme af glas på samme måde som møbler absorberer og udstråler synligt lys.
Hvordan relaterer alt dette til tilstedeværelsen af synligt lys i universet?
Inden for Solen bestråler højenergifotoner (usynligt lys fra omkredsen af solkernen) solmantelen under fotosfæren. Mantelen konverterer disse stråler til "varme" ved absorption - men netop denne "varme" er af en frekvens langt ud over vores evne til at se. Mantlen sætter derefter konvektive strømme, der bærer varme udad mod fotosfæren, samtidig med at de udsender mindre energierede - men stadig usynlige - fotoner. Den resulterende "varme" og "lys" overføres til solfotosfæren. I fotosfæren ("kuglen med synligt lys") opvarmes atomer ved konvektion og stimuleres gennem refraktion til at vibrere i en hastighed, der er langsom nok til at give afkald på synligt lys. Og det er dette princip, der tegner sig for det synlige lys, der udsendes af stjerner, der - langtfra er den mest betydningsfulde lyskilde, der er set gennem hele kosmos.
Så fra et bestemt perspektiv kan vi sige, at "brydningsindekset" for solens fotosfære er det middel, hvormed usynligt lys omdannes til synligt lys. I dette tilfælde påkalder vi imidlertid tanken om, at fotosfæreens brydningsindeks er så høj, at stråler med høj energi bøjes til absorptionspunktet. Når dette sker, er der med lavere frekvens bølger, der udstråler som en form for varme, der er synlig for øjet og ikke blot varm til berøring ...
Og med al denne forståelse under vores intellektuelle fødder, kan vi nu besvare vores spørgsmål: Det lys, vi ser i dag er skabelsens oprindelige lys. Men det er let, der blev nogle få hundrede tusinder af år efter Big Bang. Senere kom det materialiserede lys sammen under påvirkning af tyngdekraften som store kondenserede kugler. Disse orbs udviklede derefter kraftige alkemiske ovne, der materialiserer stof til lys usynlig. Senere - gennem brydning og absorption - blev usynligt lys synliggjort for øjet ved ritual af passage gennem de store "linser af lysstyrke", vi kalder stjernerne ...
-1Hvordan alt det kosmologiske skete i detaljer er sandsynligvis det største område inden for astronomisk forskning i dag og vil tage fysikere - med deres ”atomsmashers”, astronomer - med deres teleskoper, matematikere - med deres antal knusende supercomputere (og blyanter!) og kosmologer - med deres subtile forståelse af universets første år - at pusle det hele igennem.
-2
På en måde kan sagen ganske enkelt være en forvrængning af rumtidskontinuumet - men vi er langt fra at forstå det kontinuum i alle dets egenskaber og opførsel.
-3Solen og alle lysende lyskilder viser mørk absorption og lyse emissionbånd med meget smalle frekvenser. Disse er naturligvis de forskellige Fraunhofer-linjer, der er relateret til kvantemekaniske egenskaber, der er forbundet med overgangstilstande af elektroner, der er forbundet med specifikke atomer og molekyler.
Om forfatteren:Inspireret af det tidlige 1900's mesterværk: "Himmelen gennem tre, fire og fem tommer teleskoper" fik Jeff Barbour en start i astronomi og rumvidenskab i en alder af syv år. For tiden bruger Jeff meget af sin tid på at observere himlen og vedligeholde webstedet Astro.Geekjoy.
