Det var inte för länge sedan (13,7 miljarder år av vissa konton) som en ganska betydande kosmologisk händelse inträffade. Vi talar naturligtvis om Big Bang. Kosmologer berättar för oss att det en gång inte fanns något universum som vi känner till det. Vad som fanns före den tiden var ogiltigt - bortom all befruktning. Varför? Det finns väl ett par svar på den frågan - filosofiskt svar till exempel: För innan universumet tog form fanns det ingenting att föreställa sig med, eller till och med. Men det finns också ett vetenskapligt svar och det svaret kommer till detta: före Big Bang fanns det inget rymd-tid kontinuum - immateriellt medium genom vilken allt energi och materia rör sig.
När rymdtidskontinuumet växte in, var en av de mest rörliga sakerna att ta form, enheterna för ljusfysiker kallade "fotoner". Den vetenskapliga uppfattningen om fotoner börjar med det faktum att dessa elementära energipartiklar visar två till synes motsägelsefulla beteenden: Det ena beteendet har att göra med hur de agerar som medlemmar i en grupp (i en vågfront) och den andra hänför sig till hur de uppträder isolerat (som separata partiklar). En individuell foton kan betraktas som ett paket med vågor som korkskruvar snabbt genom rymden. Varje paket är en svängning längs två vinkelräta kraftaxlar - den elektriska och magnetiska. Eftersom ljus är en svängning interagerar vågpartiklar med varandra. Ett sätt att förstå ljusets dubbla natur är att inse att våg efter våg av fotoner påverkar våra teleskoper - men enskilda fotoner absorberas av nervcellerna i våra ögon.
De allra första fotonerna som färdades genom rymdtidskontinuummet var extremt kraftfulla. Som grupp var de oerhört intensiva. Som individer vibrerade var och en till en extraordinär takt. Ljuset från dessa ursprungliga fotoner upplyste snabbt de ungdomars universums snabbt växande gränser. Ljus fanns överallt - men saken kunde ännu inte ses.
När universum expanderade försvann primordialt ljus i både frekvens och intensitet. Detta inträffade när de ursprungliga fotonerna spridit sig tunnare och tunnare över ett ständigt expanderande utrymme. I dag ekos det första ljuset från skapelsen fortfarande runt kosmos. Detta ses som kosmisk bakgrundstrålning. Och den specifika typen av strålning är inte mer synlig för ögat som vågorna i en mikrovågsugn.
Ursprungligt ljus är INTE den strålning vi ser idag. Primordial strålning har rött skiftat till den mycket låga änden av det elektromagnetiska spektrumet. Detta inträffade när universum expanderade från vad som ursprungligen inte varit större än en enda atom till den punkt där våra storslagna instrument ännu inte har hittat någon gräns. Att veta att det primära ljuset nu är så strängt gör det nödvändigt att leta någon annanstans för att redogöra för den typ av ljus som är synligt för våra ögon och optiska teleskoper.
Stjärnor (som vår sol) finns eftersom rymdtid mer än bara överför ljus som vågor. På något sätt - fortfarande oförklarligt-1 - rymdtid orsakar också materia. Och en sak som skiljer ljus från materien är att materien har "massa" medan ljuset inte har något.
På grund av massa visar materien två huvudegenskaper: tröghet och tyngdkraft. Tröghet kan betraktas som motstånd mot förändring. I grund och botten är materien "lat" och fortsätter bara att göra vad den har gjort - såvida inte agerat på något utanför sig själv. Tidigt i universums bildning var det viktigaste att övervinna materiens latskap. Under påverkan av strålningstryck blev primordialmaterial (mestadels vätgas) "organiserat".
Efter ljusspridning tog något inom materia över - det subtila beteendet som vi kallar "allvar". Gravitation har beskrivits som en ”snedvridning av rymdtidskontinuumet”. Sådana snedvridningar inträffar överallt där massan finns. Eftersom materien har massa, rymdkurvor. Det är denna kurva som får materia och ljus att röra sig på sätt som klargjordes tidigt på 1900-talet av Albert Einstein. Varje liten materiaatom orsakar en liten "mikro-distorsion" i rymden-2. Och när tillräckligt med mikroförvrängningar samlas kan saker hända på ett stort sätt.
Och vad som hände var bildandet av de första stjärnorna. Inga vanliga stjärnor dessa - men supermassiva jättar som lever mycket snabba liv och kommer till mycket, mycket spektakulära ändar. I dessa ändar kollapsade dessa stjärnor på sig själva (under vikten av all den massan) och genererade enorma chockvågor av sådan intensitet att de smälter helt nya element ur äldre. Som ett resultat blev rymdtid kvävd med alla de många typerna av materia (atomer) som utgör Space Magazine.
Idag finns det två typer av atommaterial: Primordial och något vi kanske kallar "star-stuff". Oavsett om primordiala eller stellar ursprung, atommaterial utgör allt rört och sett. Atomer har egenskaper och beteenden: Tröghet, gravitation, utsträckning i rymden och densitet. De kan också ha elektrisk laddning (om de joniseras) och delta i kemiska reaktioner (för att bilda molekyler med enorm sofistikering och komplexitet). All materia vi ser är baserad på ett grundläggande mönster som för länge sedan upprättats av de ursprungliga atomer som mystiskt skapades efter Big Bang. Detta mönster bygger på två grundläggande enheter av elektrisk laddning: Protonen och elektronen - var och en har massa och kan göra dessa saker som massan är skyldig till.
Men inte all materia följer vätgasprototypen exakt. En skillnad är att nyare generation atomer har elektriskt balanserade neutroner såväl som positivt laddade protoner i sina kärnor. Men även främling är en typ av materia (mörk materia) som inte interagerar med ljus alls. Och dessutom (bara för att hålla saker symmetriska) kan det finnas en typ av energi (vakuumenergi) som inte har formen av fotoner - som fungerar mer som ett "mildt tryck" som får universum att expandera med en fart som inte levereras orignalt av Big-Bang.
Men låt oss komma tillbaka till de saker vi kan se ...
I förhållande till ljus kan materien vara ogenomskinlig eller transparent - den kan absorbera eller bryta ljus. Ljus kan passera in i materien, genom materien, reflektera av materien eller absorberas av materien. När ljus passerar in i materien bromsar ljuset - medan dess frekvens ökar. När ljus reflekteras förändras sökvägen. När ljus absorberas stimuleras elektroner som potentiellt kan leda till nya molekylkombinationer. Men ännu mer betydande, när ljus passerar genom materien - även utan absorption - vibrerar atomer och molekyler rymdtidskontinuumet och på grund av detta kan ljus avfällas i frekvens. Vi ser, eftersom något som kallas "ljus" interagerar med något som kallas "materia" i något som kallas "rymd-tid kontinuum".
Förutom att beskriva gravitationseffekterna av materia på rymdtiden utförde Einstein en extremt elegant undersökning av ljusets inflytande i samband med den fotoelektriska effekten. Innan Einstein trodde fysiker att ljusens förmåga att påverka materien främst baserades på ”intensitet”. Men den fotoelektriska effekten visade att ljus också gav effekter på frekvensen. Således misslyckas rött ljus - oavsett intensitet - att lossa elektroner i metaller, medan till och med mycket låga nivåer av violetta ljus stimulerar mätbara elektriska strömmar. Det är uppenbart att den hastighet som ljuset vibrerar har sin egen kraft.
Einsteins undersökning av den fotoelektriska effekten bidrog kraftigt till det som senare blev känt som kvantmekanik. För fysiker lärde sig snart att atomer är selektiva för vilka ljusfrekvenser de kommer att ta upp. Under tiden upptäcktes också att elektroner var nyckeln till all kvantabsorption - en nyckel relaterad till egenskaper som en elektrons förhållande till andra och med atomens kärna.
Så nu kommer vi till vår andra punkt: Selektiv absorption och utsläpp av fotoner med elektroner förklarar inte den kontinuerliga spridningen av frekvenser som ses när vi undersöker ljus genom våra instrument-3.
Vad kan förklara det då?
Ett svar: "Avsteg" -principen förknippad med brytning och absorption av ljus.
Vanligt glas - till exempel i fönstren i våra hem - är transparent för synligt ljus. Glas reflekterar emellertid mest infrarött ljus och absorberar ultraviolett. När synligt ljus kommer in i ett rum absorberas det av möbler, mattor etc. Dessa föremål omvandlar en del av ljuset till värme - eller infraröd strålning. Denna infraröda strålning fångas i glaset och rummet värms upp. Samtidigt är själva glaset ogenomskinligt för ultraviolett. Ljus som avges av solen i den ultravioletta absorberas mestadels av atmosfären - men en del icke-joniserande ultraviolett lyckas komma igenom. Ultraviolett ljus omvandlas till värme med glas på samma sätt som möbler absorberar och strålar synligt ljus igen.
Hur relaterar allt detta till närvaron av synligt ljus i universum?
Inom solen bestrålar fotoner med hög energi (osynligt ljus från solkärnans omkrets) solmanteln under fotosfären. Manteln konverterar dessa strålar till "värme" genom absorption - men just denna "värme" har en frekvens långt bortom vår kapacitet att se. Manteln sätter sedan upp konvektiva strömmar som transporterar värme utåt mot fotosfären samtidigt som de avger mindre energi - men ändå osynliga - fotoner. Den resulterande "värmen" och "ljuset" överförs till solfotosfären. I fotosfären ("sfären med synligt ljus") atomer "värms upp" genom konvektion och stimuleras genom brytning att vibrera i en hastighet som är tillräckligt lång för att avge synligt ljus. Och det är denna princip som står för det synliga ljuset som avges från stjärnor som är - överlägset - den mest betydelsefulla ljuskällan sett i hela kosmos.
Så - från ett visst perspektiv kan vi säga att "brytningsindex" i solens fotosfär är det sätt med vilket osynligt ljus omvandlas till synligt ljus. I det här fallet åberopar vi dock idén att fotosfärens brytningsindex är så hög att strålar med hög energi böjs till absorptionspunkten. När detta inträffar spawnas vågor med lägre frekvens som strålar ut som en form för värme som är synlig för ögat och inte bara varm för beröring ...
Och med all denna förståelse under våra intellektuella fötter kan vi nu svara på vår fråga: ljuset vi ser idag är skapelsens överordnade ljus. Men det är lätt som materialiserades några hundratusentals år efter Big Bang. Senare samlades det materialiserade ljuset under påverkan av tyngdkraften som stora kondenserade orbs. Dessa orbs utvecklade sedan kraftfulla alkemiska ugnar som materialiserar material till ljus osynlig. Senare - genom brytning och absorption - synliggjordes ljus osynligt för ögat genom passage genom de stora "linserna av ljusstyrka" vi kallar stjärnorna ...
-1Hur alla saker som kosmologiskt visade sig i detalj är förmodligen det stora området för astronomisk forskning idag och kommer att ta fysiker - med sina "atomspridare", astronomer - med sina teleskoper, matematiker - med sina antal knasande superdatorer (och pennor!) och kosmologer - med sin subtila förståelse av universums tidiga år - för att pussla hela saken.
-2
I en mening kan saken helt enkelt vara en snedvridning av rymdtidskontinuumet - men vi är långt ifrån att förstå kontinuumet i alla dess egenskaper och beteenden.
-3Solen och alla ljusa ljuskällor visar mörk absorption och ljusa emissionband med mycket smala frekvenser. Dessa är naturligtvis de olika Fraunhofer-linjerna relaterade till kvantmekaniska egenskaper associerade med övergångstillstånd för elektroner associerade med specifika atomer och molekyler.
Om författaren:Inspirerat av det tidiga 1900-talets mästerverk: "The Sky Through Three, Four, and Five Inch Telescope" fick Jeff Barbour en start inom astronomi och rymdvetenskap vid sjunde års ålder. För närvarande ägnar Jeff mycket av sin tid åt att observera himlen och underhålla webbplatsen Astro.Geekjoy.
