Üsna märkimisväärne kosmoloogiline sündmus leidis aset väga kaua aega tagasi (mõne arve kohaselt 13,7 miljardit aastat). Me räägime muidugi Suurest Paugust. Kosmoloogid räägivad meile, et ühel ajal polnud sellist universumit, nagu me seda teame. Kõik, mis enne seda aega eksisteeris, oli olematu - üle igasuguse ettekujutuse. Miks? Sellele küsimusele on paar vastust - filosoofiline vastus näiteks: kuna enne universumi kujunemist polnud midagi ette kujutada, sellega koos või isegi mitte midagi ette võtta. Kuid seal on ka teaduslik vastus ja see taandub sellele: enne suurt pauku polnud ruumi-aja pidevus - ebaoluline meedium mille kaudu liiguvad kõik asjad energia ja mateeria.
Kui kosmose-aja kontinuum eksisteeris, oli üks liikuvamaid vormistatavaid asju valgusfüüsikute ühikud, mida nimetatakse footoniteks. Fotonite teaduslik mõiste algab asjaoluga, et nendel elementaarsetel energiaosakestel on kaks näiliselt vastandlikku käitumist: Üks käitumine on seotud sellega, kuidas nad rühma liikmena tegutsevad (lainefrondis), ja teine on seotud sellega, kuidas nad käituvad eraldatult (eraldatud osakestena). Individuaalset footonit võib mõelda kui lainete korki, mis kruvib kiiresti läbi ruumi. Iga pakett on võnkumine mööda kaht risti asetseva jõu telge - elektrilist ja magnetilist. Kuna valgus on võnkumine, interakteeruvad laineosakesed üksteisega. Üks viis valguse kahetise olemuse mõistmiseks on mõista, et footonite järellaine mõjutab meie teleskoope - kuid üksikud footonid neelavad meie silmis neuronid.
Esimesed footonid, mis rändasid läbi kosmose-aja kontinuumi, olid äärmiselt võimsad. Grupina olid nad uskumatult intensiivsed. Üksikisikutena värisesid mõlemad erakordse kiirusega. Nende ürgsete footonite valgus valgustas kiiresti noorusliku universumi kiiresti laienevaid piire. Valgust oli kõikjal - aga ainet oli veel näha.
Universumi laienedes kaotas ürgne valgus nii sageduse kui intensiivsuse. See leidis aset siis, kui algsed footonid levisid üha laienevas ruumis õhemaks ja õhemaks. Täna kajab esimene loomisvalgus ikkagi kosmose ümber. Seda peetakse kosmiliseks taustakiirguseks. Ja seda konkreetset tüüpi kiirgus pole enam silmaga nähtav kui mikrolaineahjus olevad lained.
Ürgvalgus EI OLE kiirgus, mida me täna näeme. Ürgkiirgus on punaselt nihkunud elektromagnetilise spektri väga madalale otsale. See leidis aset siis, kui universum laienes sellest, mis algselt ei olnud suurem kui üks aatom, kuni punktini, kus meie hiilgavaimad instrumendid pole veel mingeid piire leidnud. Teades, et ürgne valgus on nüüd nii häbematu, on vaja otsida mujalt, et arvestada sellist valgust, mida meie silmad ja optilised teleskoobid näevad.
Tähed (nagu meie Päike) eksisteerivad seetõttu, et aeg-aeg ei edasta vaid valgust lainetena. Kuidagi - ikka seletamatu-1 - ruum-aeg põhjustab ka ainet. Ja üks asi, mis eristab valgust mateeriast, on see, et ainel on “mass”, samas kui valgust pole.
Massi tõttu on ainel kaks peamist omadust: inerts ja gravitatsioon. Inertsiat võib mõelda muutustele vastupanuna. Põhimõtteliselt on mateeria “laisk” ja teeb lihtsalt seda, mida ta on teinud - kui just ei tegutseta millegi väljaspool. Universumi kujunemise alguses oli mateeria laiskusest ülesaamine peamine kerge. Kiirgusrõhu mõjul organiseerusid ürgsed ained (enamasti vesinikgaas).
Pärast valguse produtseerimist võttis midagi mateeria sees - seda peent käitumist, mida me kutsume “gravitatsiooniks”. Gravitatsiooni on kirjeldatud kui „ruumi-aja pidevuse moonutamist“. Sellised moonutused esinevad kõikjal, kus leitakse mass. Kuna mateerial on mass, siis ruumi kõverad. Just see kõver põhjustab aine ja valguse liikumist viisil, mille 20. sajandi alguses selgitas välja Albert Einstein. Iga vähene mateeria aatom põhjustab ruumis-ajas pisikest “mikromoonutust”-2. Ja kui piisavalt mikromoonutusi on kokku tulnud, võib asju juhtuda suuresti.
Ja mis juhtus, oli esimeste tähtede moodustumine. Pole tavalisi tähti, aga ülimassiivsed hiiglased elavad väga kiiret elu ja jõuavad väga-väga suurejooneliste lõppu. Nendes otstes varisesid need tähed iseenesest (kogu selle massi raskuse all) alla, tekitades tohutuid lööklaineid, mille intensiivsus sulas täiesti uued elemendid vanematest. Selle tulemusel oli kosmoseaeg piisav kõigi arvukate ainete (aatomite) moodustamiseks, mis moodustavad kosmoseajakirja.
Tänapäeval on nüüd olemas kahte tüüpi aatomiained: ürgne ja miski, mida võime nimetada “tähejutuks”. Olgu tegemist ürg- või tähekujundusega, moodustab aatomiaine kõik puudutatud ja nähtud asjad. Aatomitel on omadused ja käitumine: inerts, gravitatsioon, ruumis laienemine ja tihedus. Neil võib olla ka elektrilaeng (kui need on ioniseeritud) ja nad võivad osaleda keemilistes reaktsioonides (moodustades tohutult keerukaid ja keerukaid molekule). Kõik see, mida me näeme, põhineb põhimõttelisel mustril, mille on ammu loonud need ürgsed aatomid, mis salapäraselt loodi pärast Suurt Pauku. See muster põhineb kahel elektrilaengu põhilisel ühikul: prootonil ja elektronil - mõlemal on mass ja need on võimelised neid asju tegema.
Kuid mitte kõik asjad ei järgi täpselt vesiniku prototüüpi. Üks erinevus on see, et uuema põlvkonna aatomitel on tuumades elektriliselt tasakaalustatud neutronid ja positiivselt laetud prootonid. Kuid isegi võõras on teatud tüüpi aine (tumeaine), mis ei ole üldse valgusega interaktsioonis. Ja pealegi (lihtsalt selleks, et hoida asju sümmeetrilisena), võib olla olemas teatud tüüpi energia (vaakumenergia), mis ei ole footonite kujul - toimib pigem "õrna rõhuna", põhjustades universumi laienemist hooga, mida algselt ei tarnita Suure Paugu poolt.
Tulgem aga tagasi asjade juurde, mida me näeme ...
Suhtes valgusega võib mateeria olla läbipaistmatu või läbipaistev - see võib valgust neelata või murda. Valgus võib ainesse läbi aine siseneda, mateeriast peegelduda või aine neelduda. Kui valgus jõuab ainesse, aeglustub valgus, samal ajal kui selle sagedus suureneb. Kui valgus peegeldub, muutub selle kulgev tee. Valguse neeldumisel stimuleeritakse elektronid potentsiaalselt uute molekulaarsete kombinatsioonide saamiseks. Kuid veelgi olulisem: kui valgus läbib ainet - isegi ilma absorptsioonita -, aatomid ja molekulid vibreerivad ruumi-aja pidevust ja seetõttu saab valgust sagedusel vähendada. Me näeme, sest midagi, mida nimetatakse valguseks, interakteerub asjaga, mida nimetatakse aineks, mida nimetatakse ruumi-aja pidevuseks.
Lisaks mateeria gravitatsiooniliste mõjude kirjeldamisele ruumi-ajale uuris Einstein erakordselt elegantselt fotoelektrilise efektiga seotud valguse mõju. Enne Einsteini uskusid füüsikud, et tulede võime mõjutada ainet põhineb peamiselt intensiivsusel. Kuid fotoelektriline efekt näitas, et valgus avaldas elektronidele mõju ka sageduse alusel. Nii ei suuda punane tuli - sõltumata intensiivsusest - metallides elektrone hajutada, samas kui isegi väga madal violetse valguse tase stimuleerib mõõdetavaid elektrivoolusid. On selge, et valguse vibratsiooni kiirusel on oma jõud.
Einsteini fotoelektrilise efekti uurimine aitas suuresti kaasa sellele, mida hiljem hakati nimetama kvantmehaanikaks. Füüsikud said peagi teada, et aatomid on selektiivsed valguse sageduse suhtes. Vahepeal leiti ka, et elektronid olid võtmeks kogu kvantimatsioonile - võti, mis on seotud selliste omadustega nagu ühe elektronide suhe teistega ja aatomi tuumaga.
Nüüd jõuame teise punkti juurde: elektronide valikuline neeldumine ja footonite emissioon ei selgita meie instrumentide kaudu valguse uurimisel täheldatud sageduste pidevat levikut-3.
Mis seda siis seletada saab?
Üks vastus: põhimõttega „astumine alla” valguse murdumine ja neeldumine.
Tavaline klaas - näiteks meie kodude akendes - on nähtavale valgusele läbipaistev. Klaas peegeldab aga kõige infrapunavalgust ja neelab ultraviolettkiirgust. Kui nähtav valgus siseneb ruumi, neelab seda mööbel, vaibad jne. Need esemed muudavad osa valgust soojus- või infrapunakiirguseks. See infrapunakiirgus on klaasist kinni ja ruum soojeneb. Samal ajal on klaas ise ultraviolettkiirguse suhtes läbipaistmatu. Päikese ultraviolettkiirgusest eralduv valgus imendub enamasti atmosfääri - kuid mõni mitteioniseeriv ultraviolettkiirgus suudab selle läbi saada. Ultraviolettvalgus muundatakse klaasi abil soojuseks samal viisil, nagu sisustus absorbeerib ja kiirgab nähtavat valgust uuesti.
Kuidas see kõik on seotud nähtava valguse olemasoluga universumis?
Päikese sees kiirgavad kõrge energiaga footonid (päikesesüdamiku perimeetrist nähtamatu valgus) fotosfääri all asuvat päikesevärvi. Vahevöö muudab need kiired neeldumise teel soojuseks - kuid see konkreetne kuumus on sagedusega, mis ületab meie nägemisvõimet. Seejärel loob vahevöö konvektiivvoolud, mis kannavad soojust välja fotosfääri suunas, eraldades samas ka väiksema energiatarbega - kuid siiski nähtamatuid - footoneid. Saadud “kuumus” ja “valgus” kanduvad päikesefääri. Fotosfääris ("nähtava valguse sfäär") aatomid "kuumutatakse" konvektsiooni teel ja stimuleeritakse refraktsiooni abil, et nad vibreeriksid piisavalt aeglaselt, et eraldada nähtav valgus. Ja just see põhimõte moodustab tähtede kiirgava nähtava valguse, mis on kaugelt kõige olulisem valguse allikas kogu kosmoses.
Niisiis - teatud vaatenurgast võime öelda, et Päikese fotosfääri “murdumisnäitaja” on vahend, mille abil nähtamatu valgus muundatakse nähtavaks valguseks. Kuid sel juhul toetame ideed, et fotosfääri murdumisnäitaja on nii kõrge, et suured energiakiired on painutatud neeldumispunkti. Kui see juhtub, tekivad madalama sagedusega lained, mis kiirgavad silmadele tundliku soojusvormina ja pole lihtsalt puudutuseks soojad.
Ja kogu selle mõistmise all, mis on meie intellektuaalsete jalgade all, saame nüüd vastata meie küsimusele: Valgus, mida me täna näeme on loomise ürgne valgus. Kuid on ilmne, et see materialiseerus mõnesaja tuhande aasta jooksul pärast Suurt Pauku. Hiljem tuli see materialiseeritud valgus gravitatsiooni mõjul kokku suurte kondenseerunud orbidena. Need orbid arendasid seejärel võimsad alkeemilised ahjud, mis dematerialiseerivad materjali valguseks nähtamatu. Hiljem - refraktsiooni ja neeldumise kaudu - tehti nähtamatu valgus silmaga nähtavaks läbi läbisõidu läbi nende suurte "helendava läätse", mida me nimetame tähtedeks ...
-1See, kuidas kõik asjad kosmoloogiliselt detailselt läbi käisid, on ilmselt tänapäeval astronoomiliste uuringute peamine valdkond ja võtab füüsikud - koos oma „aatomipurustajate”, astronoomidega - oma teleskoopide, matemaatikutega - numbritega krigistavate superarvutitega (ja pliiatsitega!) ja kosmoloogid - oma peene arusaamisega universumi algusaastatest - kogu asja läbi mõtlema.
-2
Mõnes mõttes võib asi lihtsalt olla ole ruumi-aja kontinuumi moonutamine -, kuid me oleme kaugel sellest, et mõista seda pidevust kõigi selle omaduste ja käitumise osas.
-3Päike ja kõik helendavad valgusallikad kuvavad väga kitsa sagedusega tumedat neeldumist ja eredaid kiirgusribasid. Need on muidugi erinevad Fraunhoferi read, mis on seotud kvantmehaaniliste omadustega, mis on seotud spetsiifiliste aatomite ja molekulidega seotud elektronide siirdeseisunditega.
Autori kohta:1900. aasta alguse meistriteosest: “Taevas läbi kolme, nelja ja viie tolli teleskoobi” on Jeff Barbour saanud astronoomia ja kosmoseteaduse stardi seitsmeaastaselt. Praegu pühendab Jeff suure osa ajast taeva vaatlemisele ja veebisaidi Astro.Geekjoy pidamisele.
