Не много отдавна (13,7 милиарда години по някои сметки) се случи доста значимо космологично събитие. Говорим, разбира се, за Големия взрив. Космолозите ни казват, че по едно време не е имало вселена, каквато я познаваме. Всичко, което съществуваше преди това, беше нищожно - извън всякакво схващане. Защо? Е, има няколко отговора на този въпрос - философски отговор например: Защото, преди вселената да се е оформила, нямаше за какво да се мисли, с или дори за това. Но има и научен отговор и този отговор се свежда до това: Преди Големия взрив не е имало пространствено-времевия континуум - на нематериална среда през които се движат всички неща енергия и материя.
След като пространствено-времевият континуум се появи, едно от най-движещите се неща, които оформяха, бяха единиците от светлините физици, които наричат „фотони“. Научното понятие за фотоните започва с факта, че тези елементарни частици енергия проявяват две на пръв поглед противоречиви поведения: Едното поведение е свързано с това как те действат като членове на група (във вълна), а другото е свързано с това как се държат изолирано (като дискретни частици). Може да се мисли за отделен фотон като пакет от вълни, които бързо се завиват през космоса. Всеки пакет е трептене по две перпендикулярни оси на сила - електрическата и магнитната. Тъй като светлината е трептене, вълновите частици си взаимодействат помежду си. Един от начините за разбиране на двойствената природа на светлината е да осъзнаем, че вълната след вълна от фотони засяга нашите телескопи - но отделните фотони се поглъщат от невроните в очите ни.
Първите фотони, пътуващи през космически-времевия континуум, бяха изключително мощни. Като група те бяха невероятно интензивни. Като индивиди всеки вибрираше с изключителна скорост. Светлината на тези първични фотони бързо осветява бързо разрастващите се граници на младежката вселена. Светлината беше навсякъде - но материята тепърва щеше да се вижда.
С разширяването на Вселената първичната светлина се губи както по честота, така и по интензитет. Това се случи, когато оригиналните фотони се разпространяват по-тънки и по-тънки в непрекъснато разширяващото се пространство. Днес първата светлина на творението все още отеква около Космоса. Това се разглежда като космическо излъчване на фона. И точно този тип лъчение не е по-видимо за окото, както вълните в микровълновата фурна.
Първичната светлина НЕ е лъчението, което виждаме днес. Първичното излъчване се е изместило в червено до много ниския край на електромагнитния спектър. Това се случи, когато Вселената се разшири от това, което първоначално може да не е било по-голямо от един атом до точката, в която най-големите ни инструменти все още не са намерили някаква граница. Знаейки, че първичната светлина сега е толкова плачевна, налага да потърсим другаде, за да отчитаме вида светлина, видима за нашите очи и оптичните телескопи.
Звезди (като нашето Слънце) съществуват, защото пространството и времето пренасят повече от просто като вълни. Някак си - все още необяснено-1 - пространството и времето причиняват и материята. И едно нещо, което отличава светлината от материята е, че материята има "маса", докато светлината няма такава.
Поради масата, материята проявява две основни свойства: инерция и гравитация. Инерцията може да се мисли като устойчивост към промяна. По същество материята е "мързелива" и просто продължава да прави каквото и да прави - освен ако не е действала върху нещо извън себе си. В началото на формирането на Вселената, главното, което преодоляваше мързела на материята, беше светлината. Под влияние на радиационното налягане първичните вещества (предимно водороден газ) се „организират“.
След излъчването на светлината нещо вътре в материята пое - онова фино поведение, което наричаме „гравитация“. Гравитацията е описана като „изкривяване на пространствено-времевия континуум“. Такива изкривявания се появяват навсякъде, където се намери маса. Тъй като материята има маса, космически криви. Именно тази крива кара материята и светлината да се движат по начини, изяснени в началото на ХХ век от Алберт Айнщайн. Всеки малък атом на материята предизвиква малки „микро изкривявания“ в пространството и времето-2, И когато се съберат достатъчно микро изкривявания, нещата могат да се случат по голям начин.
И това, което се случи, беше формирането на първите звезди. Няма обикновени звезди, но супермасови гиганти, които живеят много бързо и стигат до много, много зрелищни цели. В тези краища тези звезди се сринаха върху себе си (под тежестта на цялата тази маса), генерирайки огромни ударни вълни с такава интензивност, че да се слеят изцяло нови елементи от по-старите. В резултат на това пространството-времето стана препълнено с всички много видове материя (атоми), съставящи сп. „Космос“.
Днес вече съществуват два вида атомна материя: първична и нещо, което бихме могли да наречем „звездни неща“. Независимо дали е първичен или звезден по произход, атомната материя съставя всички докоснати и видяни неща. Атомите имат свойства и поведение: Инерция, гравитация, разширение в пространството и плътност. Те могат също да имат електрически заряд (ако йонизиран) и да участват в химични реакции (за да образуват молекули с огромна сложност и сложност). Всичко, което виждаме, се основава на фундаментален модел, създаден отдавна от онези първични атоми, мистериозно създадени след Големия взрив. Този модел се основава на две основни единици на електрически заряд: Протонът и електронът - всяка от които има маса и е способна да прави тези неща с маса.
Но не цялата материя следва точно водородния прототип. Една от разликите е, че атомите от по-ново поколение имат електрически балансирани неутрони, както и положително заредени протони в своите ядра. Но дори и по-странният е вид материя (тъмна материя), която изобщо не взаимодейства със светлината. И освен това (само за да се запазят нещата симетрични), може да има вид енергия (вакуумна енергия), която не приема формата на фотони - действа по-скоро като „нежно налягане“, което кара Вселената да се разширява с момент, който първоначално не е доставен от Големия взрив.
Но да се върнем към нещата, които можем да видим ...
По отношение на светлината материята може да бъде непрозрачна или прозрачна - тя може да абсорбира или пречупва светлина. Светлината може да премине в материя, чрез материя, да се отразява от материята или да бъде погълната от материята. Когато светлината преминава в материя, светлината се забавя - докато нейната честота се увеличава. Когато светлината се отразява, пътят, който изминава, се променя. Когато светлината се абсорбира, електроните се стимулират, което потенциално води до нови молекулни комбинации. Но още по-значително, когато светлината преминава през материята - дори и без абсорбция - атомите и молекулите вибрират пространствено-времевия континуум и поради това светлината може да бъде намалена по честота. Виждаме, защото нещо, наречено „светлина“, взаимодейства с нещо, наречено „материя“, в нещо, наречено „пространствено-времевия континуум“.
Освен че описва гравитационните ефекти на материята върху пространството и времето, Айнщайн извърши изключително елегантно проучване на влиянието на светлината, свързано с фотоелектрическия ефект. Преди Айнщайн физиците смятали, че способността на светлините да влияят върху материята се основава главно на „интензивността“. Но фотоелектрическият ефект показа, че светлината въздейства на електрони и на базата на честотата. По този начин червената светлина - независимо от интензивността - не успява да изхвърли електроните в металите, докато дори много ниските нива на виолетова светлина стимулират измерими електрически токове. Ясно е, че скоростта, с която вибрира светлината, има собствена сила.
Разследването на Айнщайн за фотоелектрическия ефект допринесе значително за това, което по-късно стана известно като квантова механика. За скоро физиците научиха, че атомите са избирателни по отношение на това какви честоти на светлината ще поемат. Междувременно беше открито също, че електроните са ключът към цялата квантова абсорбция - ключ, свързан със свойства като връзки на един електрон с други и с ядрото на атома.
И така, сега стигаме до втората ни точка: Селективно поглъщане и излъчване на фотони от електрони не обяснява непрекъснатото разпространение на честотите, наблюдавано при изследване на светлината чрез нашите инструменти-3.
Какво може да го обясни тогава?
Един отговор: Принципът на „спускане“, свързан с пречупване и абсорбция на светлина.
Обичайното стъкло - например в прозорците на домовете ни - е прозрачно за видима светлина. Стъклото обаче отразява най-много инфрачервена светлина и абсорбира ултравиолетово. Когато видимата светлина навлиза в помещение, тя се поглъща от мебели, черги и др. Тези елементи преобразуват част от светлината в топлинна или инфрачервена радиация. Това инфрачервено лъчение се улавя от стъклото и стаята се загрява. Междувременно самото стъкло е непрозрачно до ултравиолетово. Светлината, излъчвана от Слънцето в ултравиолетовата част, се абсорбира най-вече от атмосферата - но някои нейонизиращи ултравиолетови лъчи успяват да преминат. Ултравиолетовата светлина се преобразува в топлина чрез стъкло, като обзавеждането абсорбира и излъчва видима светлина.
Как се свързва всичко това с присъствието на видима светлина във Вселената?
В рамките на Слънцето високоенергийните фотони (невидима светлина от периметъра на слънчевото ядро) облъчват слънчевата мантия под фотосферата. Мантията преобразува тези лъчи в „топлина“ чрез абсорбция - но тази конкретна „топлина“ е с честота, далеч над нашата способност да виждаме. След това мантията създава конвективни токове, пренасящи топлина навън към фотосферата, като същевременно излъчва и по-слабо енергийни, но все още невидими фотони. Получените „топлина“ и „светлина“ преминават към слънчевата фотосфера. Във фотосферата („сферата на видимата светлина“) атомите се „нагряват“ чрез конвекция и се стимулират чрез пречупване, за да вибрират със скорост, достатъчно бавна, за да отделят видима светлина. И именно този принцип се дължи на видимата светлина, излъчвана от звезди, които са - най-значимият източник на светлина, наблюдаван в Космоса.
Така че - от определена гледна точка можем да кажем, че „показателят на пречупване“ на фотосферата на Слънцето е средство, чрез което невидимата светлина се превръща във видима светлина. В този случай обаче ние се позоваваме на идеята, че коефициентът на пречупване на фотосферата е толкова висок, че високоенергийните лъчи са огънати до точката на поглъщане. При това се появяват вълни с по-ниска честота, излъчващи се като форма на топлина, доловима за окото, а не просто топла на пипане ...
И с цялото това разбиране под нашите интелектуални крака, сега можем да отговорим на нашия въпрос: Светлината, която виждаме днес е изначалната светлина на творението. Но това е светлината, която се материализира няколко стотици хиляди години след Големия взрив. По-късно тази материализирана светлина се събра под влиянието на гравитацията като големи кондензирани кълба. След това тези сфери развиха мощни алхимични пещи, дематериализиращи материята на светлина невидим, По-късно - чрез пречупване и абсорбция - невидимата светлина е станала видима за окото чрез обред на преминаване през онези велики „лещи на светене“, които наричаме звездите…
-1Как всички космологични неща са се превърнали в подробности, вероятно е основната област на астрономическите изследвания днес и ще отнеме физиците - с техните „атомни разбивачи“, астрономите - с телескопите си, математиците - с техния супер-компютър (и моливите!) и космолозите - с финото си разбиране за ранните години на Вселената - да озадачават всичко.
-2
В известен смисъл материята може просто бъда изкривяване на пространствено-времевия континуум - но ние сме далеч от разбирането на този континуум във всичките му свойства и поведение.
-3Слънцето и всички светещи източници на светлина показват тъмно поглъщане и ярки емисионни ленти с много тесни честоти. Това, разбира се, са различните линии на Фраунхофер, свързани с квантовите механични свойства, свързани с състояния на преход на електрони, свързани с конкретни атоми и молекули.
За автора:Вдъхновен от шедьовъра в началото на 1900 г.: „Небето през три, четири и пет инчови телескопи“, Джеф Барбър има старт в астрономията и космическата наука на седем години. В момента Джеф посвещава голяма част от времето си, наблюдавайки небето и поддържайки уебсайта Astro.Geekjoy.
