Het is nog niet zo lang geleden (13,7 miljard jaar volgens sommige rekeningen) dat er een nogal significante kosmologische gebeurtenis plaatsvond. We spreken natuurlijk van de oerknal. Kosmologen vertellen ons dat er ooit geen universum was zoals wij het kennen. Wat er vóór die tijd ook bestond, was nietig - boven elke conceptie uit. Waarom? Welnu, er zijn een paar antwoorden op die vraag - de filosofisch antwoord bijvoorbeeld: Omdat, voordat het universum vorm kreeg, er niets te bedenken was met, of zelfs maar over. Maar er is ook een wetenschappelijk antwoord en dat antwoord komt hierop neer: vóór de oerknal was er geen ruimte-tijd continuüm - de immaterieel medium waardoor alle dingen energie en materie bewegen.
Toen het ruimte-tijd-continuüm eenmaal was ontstaan, was een van de meest ontroerende dingen die vorm konden krijgen de eenheden van lichtfysici die "fotonen" noemen. Het wetenschappelijke idee van fotonen begint met het feit dat deze elementaire energiedeeltjes twee schijnbaar tegenstrijdige gedragingen vertonen: het ene gedrag heeft te maken met hoe ze zich gedragen als leden van een groep (in een golffront) en het andere heeft betrekking op hoe ze zich geïsoleerd gedragen (als afzonderlijke deeltjes). Een individueel foton kan worden gezien als een pakket golven dat snel door de ruimte kurkt. Elk pakket is een oscillatie langs twee loodrechte krachtassen - de elektrische en de magnetische. Omdat licht een oscillatie is, werken golfdeeltjes met elkaar in wisselwerking. Een manier om de dubbele aard van licht te begrijpen, is te beseffen dat golf na golf van fotonen onze telescopen beïnvloeden - maar individuele fotonen worden geabsorbeerd door de neuronen in onze ogen.
De allereerste fotonen die door het ruimte-tijd-continuüm reisden, waren buitengewoon krachtig. Als groep waren ze ongelooflijk intens. Als individuen trilden ze allemaal met een buitengewone snelheid. Het licht van deze oerfotonen verlichtte snel de snel groeiende grenzen van het jeugdige universum. Licht was overal - maar materie was nog niet te zien.
Naarmate het universum zich uitbreidde, verloor het oerlicht zowel in frequentie als intensiteit. Dit gebeurde toen de originele fotonen zich steeds dunner verspreidden over een steeds groter wordende ruimte. Tegenwoordig weerkaatst het eerste scheppingslicht nog steeds rond de kosmos. Dit wordt gezien als kosmische achtergrondstraling. En die specifieke straling is niet meer zichtbaar voor het oog als de golven in een magnetron.
Primordiaal licht is NIET de straling die we vandaag zien. Primordiale straling is rood verschoven naar het zeer lage uiteinde van het elektromagnetische spectrum. Dit gebeurde toen het universum zich uitbreidde van wat oorspronkelijk niet groter was dan een enkel atoom tot het punt waarop onze grootste instrumenten nog geen enkele limiet hebben gevonden. Wetende dat oerlicht nu zo sterk is, is het nodig om ergens anders te kijken om rekening te houden met het soort licht dat zichtbaar is voor onze ogen en optische telescopen.
Sterren (zoals onze zon) bestaan omdat de ruimtetijd meer is dan alleen licht doorgeven als golven. Op de een of andere manier - nog steeds onverklaard-1 - ruimtetijd veroorzaakt ook materie. En een ding dat licht van materie onderscheidt, is dat materie "massa" heeft terwijl licht er geen heeft.
Vanwege massa vertoont materie twee belangrijke eigenschappen: traagheid en zwaartekracht. Inertie kan worden beschouwd als weerstand tegen verandering. In wezen is materie 'lui' en blijft het gewoon doen wat het heeft gedaan, tenzij er iets naar buiten is gehandeld. Al vroeg in de vorming van het universum was licht het belangrijkste dat de luiheid van de materie overwon. Onder invloed van stralingsdruk werd de oermateriaal (meestal waterstofgas) 'georganiseerd'.
Na het licht van het licht nam iets in de materie het over - dat subtiele gedrag dat we 'zwaartekracht' noemen. Zwaartekracht is beschreven als een "vervorming van het ruimte-tijd continuüm". Dergelijke vervormingen treden overal op waar massa wordt gevonden. Omdat materie massa heeft, krommen de ruimte. Het is deze curve die ervoor zorgt dat materie en licht bewegen op manieren die al vroeg in de twintigste eeuw door Albert Einstein zijn toegelicht. Elk klein atoom materie veroorzaakt een kleine "microvervorming" in de ruimtetijd-2. En als er genoeg microvervormingen samenkomen, kan het op een grote manier gebeuren.
En wat er gebeurde was de vorming van de eerste sterren. Geen gewone sterren deze - maar supergrote reuzen die een zeer snel leven leiden en tot zeer, zeer spectaculaire doelen komen. Aan die uiteinden stortten deze sterren in op zichzelf (onder het gewicht van al die massa) en veroorzaakten enorme schokgolven met een zodanige intensiteit dat ze geheel nieuwe elementen uit oudere fuseerden. Als gevolg hiervan werd de ruimtetijd doordrenkt met alle vele soorten materie (atomen) waaruit het Space Magazine bestaat.
Tegenwoordig bestaan er nu twee soorten atomaire materie: primordiaal en iets dat we 'sterrenstof' zouden kunnen noemen. Of het nu primordiaal of stellair van oorsprong is, atoomstof vormt alles wat aangeraakt en gezien wordt. Atomen hebben eigenschappen en gedragingen: traagheid, zwaartekracht, uitbreiding in de ruimte en dichtheid. Ze kunnen ook elektrische lading hebben (indien geïoniseerd) en deelnemen aan chemische reacties (om moleculen met een enorme verfijning en complexiteit te vormen). Alle materie die we zien is gebaseerd op een fundamenteel patroon dat lang geleden is vastgesteld door die oeratomen die op mysterieuze wijze zijn gecreëerd na de oerknal. Dit patroon is gebaseerd op twee fundamentele eenheden van elektrische lading: het proton en het elektron - elk met massa en in staat om die dingen te doen waar de massa vatbaar voor is.
Maar niet alle materie volgt precies het waterstofprototype. Een verschil is dat nieuwere generatie atomen zowel elektrisch gebalanceerde neutronen als positief geladen protonen in hun kernen hebben. Maar zelfs vreemder is een soort materie (donkere materie) die helemaal geen interactie heeft met licht. En bovendien (om de dingen symmetrisch te houden), kan er een soort energie (vacuümenergie) zijn die niet de vorm aanneemt van fotonen - die meer als een 'zachte druk' werkt, waardoor het universum uitzet met een momentum dat niet oraal wordt geleverd door de Big-Bang.
Maar laten we teruggaan naar de dingen die we kunnen zien ...
In relatie tot licht kan materie ondoorzichtig of transparant zijn - het kan licht absorberen of breken. Licht kan via materie in materie overgaan, materie weerkaatsen of door materie worden opgenomen. Wanneer licht de materie binnengaat, vertraagt het licht - terwijl de frequentie toeneemt. Wanneer licht reflecteert, verandert het pad dat het inslaat. Wanneer licht wordt geabsorbeerd, worden elektronen gestimuleerd, wat mogelijk leidt tot nieuwe moleculaire combinaties. Maar nog belangrijker, wanneer licht door materie gaat - zelfs zonder absorptie - trillen atomen en moleculen het ruimte-tijd continuüm en daardoor kan het licht in frequentie worden verlaagd. We zien het, omdat iets dat 'licht' heet, samenwerkt met iets dat 'materie' wordt genoemd in iets dat 'het ruimte-tijd continuüm' wordt genoemd.
Naast het beschrijven van de zwaartekrachteffecten van materie op ruimte-tijd, deed Einstein een uiterst elegant onderzoek naar de invloed van licht in verband met het foto-elektrische effect. Vóór Einstein geloofden natuurkundigen dat het vermogen van lichten om materie te beïnvloeden voornamelijk was gebaseerd op 'intensiteit'. Maar het foto-elektrische effect toonde aan dat licht ook elektronen beïnvloedde op basis van frequentie. Dus rood licht - ongeacht de intensiteit - slaagt er niet in elektronen in metalen los te maken, terwijl zelfs zeer lage niveaus van violet licht meetbare elektrische stromen stimuleren. Het is duidelijk dat de snelheid waarmee licht trilt een geheel eigen kracht heeft.
Einsteins onderzoek naar het foto-elektrische effect droeg sterk bij aan wat later bekend werd als de kwantummechanica. Natuurkundigen ontdekten al snel dat atomen selectief zijn over welke lichtfrequenties ze zullen absorberen. Ondertussen werd ook ontdekt dat elektronen de sleutel waren tot alle kwantumabsorptie - een sleutel die verband houdt met eigenschappen zoals de relatie van één elektronen met andere en met de atoomkern.
Dus nu komen we bij ons tweede punt: selectieve absorptie en emissie van fotonen door elektronen verklaart niet de continue verspreiding van frequenties die wordt gezien bij het onderzoeken van licht door onze instrumenten-3.
Wat kan het dan verklaren?
Eén antwoord: het "stepping-down" -principe in verband met de breking en absorptie van licht.
Gewoon glas - zoals in de ramen van onze huizen - is transparant voor zichtbaar licht. Glas reflecteert echter het meeste infrarood licht en absorbeert ultraviolet. Wanneer zichtbaar licht een kamer binnenkomt, wordt het geabsorbeerd door meubels, vloerkleden enz. Deze items zetten een deel van het licht om in warmte - of infraroodstraling. Deze infraroodstraling wordt opgevangen door het glas en de kamer warmt op. Ondertussen is glas zelf ondoorzichtig voor ultraviolet. Licht dat door de zon in het ultraviolet wordt uitgezonden, wordt grotendeels door de atmosfeer geabsorbeerd, maar sommige niet-ioniserende ultraviolette straling slaagt erin door te dringen. Ultraviolet licht wordt omgezet in warmte door glas op dezelfde manier als meubels zichtbaar licht absorberen en opnieuw uitstralen.
Hoe verhoudt dit alles zich tot de aanwezigheid van zichtbaar licht in het heelal?
In de zon bestralen fotonen met hoge energie (onzichtbaar licht vanaf de omtrek van de zonnekern) de zonnemantel onder de fotosfeer. De mantel zet deze stralen door absorptie om in "warmte", maar deze specifieke "warmte" heeft een frequentie die ver buiten ons gezichtsvermogen ligt. De mantel zet dan convectiestromen op die warmte naar buiten transporteren naar de fotosfeer terwijl ze ook minder energetische - maar nog steeds onzichtbare - fotonen uitzendt. De resulterende "warmte" en "licht" gaan over naar de zonnefotosfeer. In de fotosfeer ("de sfeer van zichtbaar licht") worden atomen door convectie "verwarmd" en gestimuleerd door middel van refractie om te trillen met een snelheid die langzaam genoeg is om zichtbaar licht af te geven. En het is dit principe dat verantwoordelijk is voor het zichtbare licht dat wordt uitgezonden door sterren die verreweg de belangrijkste lichtbron zijn die door de hele kosmos wordt gezien.
Dus - vanuit een bepaald perspectief kunnen we zeggen dat de "brekingsindex" van de fotosfeer van de zon het middel is waardoor onzichtbaar licht wordt omgezet in zichtbaar licht. In dit geval roepen we echter het idee op dat de brekingsindex van de fotosfeer zo hoog is dat hoogenergetische stralen worden gebogen naar het absorptiepunt. Wanneer dit gebeurt, worden golven met een lagere frequentie voortgebracht die uitstralen als een vorm van warmte die voor het oog waarneembaar is en niet alleen warm aanvoelt ...
En met al dit begrip onder onze intellectuele voeten, kunnen we nu onze vraag beantwoorden: het licht dat we vandaag zien is het oerlicht van de schepping. Maar het is licht dat enkele honderdduizenden jaren na de oerknal is uitgekomen. Later kwam dat gematerialiseerde licht samen onder invloed van de zwaartekracht als grote gecondenseerde bollen. Deze lichtbollen ontwikkelden vervolgens krachtige alchemistische ovens die materie tot licht dematerialiseren onzichtbaar. Later - door refractie en absorptie - werd licht onzichtbaar voor het oog zichtbaar gemaakt door het overgangsritueel door die grote "lenzen van helderheid" die we de sterren noemen ...
-1Hoe alle kosmologische dingen in detail tot uiting kwamen, is waarschijnlijk het belangrijkste gebied van astronomisch onderzoek vandaag en zal natuurkundigen - met hun "atoom-smashers", astronomen - met hun telescopen, wiskundigen - met hun krakende supercomputers (en potloden!) en kosmologen - met hun subtiele begrip van de beginjaren van het universum - om het geheel door te puzzelen.
-2
In zekere zin kan de zaak eenvoudig zijn worden een vervorming van het ruimte-tijd continuüm - maar we zijn nog lang niet in staat om dat continuüm in al zijn eigenschappen en gedragingen te begrijpen.
-3De zon en alle lichtgevende lichtbronnen vertonen een donkere absorptie en heldere emissiebanden met zeer smalle frequenties. Dit zijn natuurlijk de verschillende Fraunhofer-lijnen die verband houden met kwantummechanische eigenschappen die zijn geassocieerd met overgangstoestanden van elektronen die zijn geassocieerd met specifieke atomen en moleculen.
Over de auteur:Geïnspireerd door het meesterwerk van begin 1900: 'De lucht door drie-, vier- en vijf-inch-telescopen', kreeg Jeff Barbour op zevenjarige leeftijd een start in de astronomie en de ruimtevaartwetenschap. Momenteel besteedt Jeff veel van zijn tijd aan het observeren van de hemel en het onderhouden van de website Astro.Geekjoy.
