Non è stato molto tempo fa (13,7 miliardi di anni secondo alcuni resoconti) che si è verificato un evento cosmologico piuttosto significativo. Parliamo ovviamente del Big Bang. I cosmologi ci dicono che un tempo non esisteva un universo come lo conosciamo. Qualunque cosa esistesse prima di quel tempo era nulla, al di là di ogni concezione. Perché? Bene, ci sono un paio di risposte a questa domanda: il risposta filosofica per esempio: perché prima che l'universo prendesse forma non c'era nulla da concepire, con o addirittura su. Ma c'è anche una risposta scientifica e questa risposta si riduce a questa: prima del Big Bang non c'era continuum spazio-temporale - il mezzo immateriale attraverso cui si muovono tutte le cose energia e materia.
Una volta che il continuum spazio-temporale è apparso, una delle cose più commoventi per prendere forma erano le unità dei fisici della luce che chiamano "fotoni". La nozione scientifica di fotoni inizia con il fatto che queste particelle elementari di energia mostrano due comportamenti apparentemente contraddittori: un comportamento ha a che fare con il modo in cui agiscono come membri di un gruppo (in un fronte d'onda) e l'altro si riferisce a come si comportano in modo isolato (come particelle discrete). Un singolo fotone può essere pensato come un pacchetto di onde che si avvitano rapidamente nello spazio. Ogni pacchetto è un'oscillazione lungo due assi perpendicolari di forza: l'elettrico e il magnetico. Poiché la luce è un'oscillazione, le particelle d'onda interagiscono tra loro. Un modo per comprendere la doppia natura della luce è rendersi conto che un'onda dopo l'altra di fotoni influenza i nostri telescopi, ma i singoli fotoni vengono assorbiti dai neuroni nei nostri occhi.
I primissimi fotoni che viaggiano attraverso il continuum spazio-temporale erano estremamente potenti. Come gruppo, erano incredibilmente intensi. Come individui, ognuno vibrava a una velocità straordinaria. La luce di questi fotoni primordiali illuminava rapidamente i limiti in rapida espansione dell'universo giovanile. La luce era ovunque - ma la materia non era ancora stata vista.
Mentre l'universo si espandeva, la luce primordiale perse sia in frequenza che in intensità. Ciò si è verificato mentre i fotoni originali si espandevano sempre più sottili in uno spazio in continua espansione. Oggi, la prima luce della creazione risuona ancora intorno al cosmo. Questo è visto come radiazione cosmica di fondo. E quel particolare tipo di radiazione non è più visibile all'occhio come le onde all'interno di un forno a microonde.
La luce primordiale NON è la radiazione che vediamo oggi. Le radiazioni primordiali si sono spostate in rosso all'estremità molto bassa dello spettro elettromagnetico. Ciò accadde quando l'universo si espanse da quello che in origine non era stato più grande di un singolo atomo al punto in cui i nostri più grandi strumenti non hanno ancora trovato alcun limite. Sapendo che la luce primordiale è ora così ternuosa, è necessario cercare altrove per tenere conto del tipo di luce visibile ai nostri occhi e ai telescopi ottici.
Le stelle (come il nostro Sole) esistono perché lo spazio-tempo non si limita a trasmettere semplicemente la luce come onde. In qualche modo - ancora inspiegabile-1 - lo spazio-tempo causa anche la materia. E una cosa che distingue la luce dalla materia è che la materia ha "massa" mentre la luce non ne ha.
A causa della massa, la materia mostra due proprietà principali: inerzia e gravità. L'inerzia può essere considerata una resistenza al cambiamento. Fondamentalmente la materia è "pigra" e continua a fare qualunque cosa stia facendo, a meno che non agisca su qualcosa al di fuori di sé. All'inizio della formazione dell'universo, la cosa principale che superava la pigrizia della materia era la luce. Sotto l'influenza della pressione delle radiazioni, la materia primordiale (principalmente idrogeno gassoso) si "organizzò".
A seguito del pungolo della luce, qualcosa all'interno della materia prese il sopravvento: quel sottile comportamento che chiamiamo "gravità". La gravitazione è stata descritta come una "distorsione del continuum spazio-temporale". Tali distorsioni si verificano ovunque si trovi la massa. Perché la materia ha massa, curve spaziali. È questa curva che fa muovere materia e luce in modi chiariti all'inizio del ventesimo secolo da Albert Einstein. Ogni piccolo atomo di materia provoca una minuscola "micro-distorsione" nello spazio-tempo-2. E quando si incontrano abbastanza micro-distorsioni, le cose possono accadere in grande stile.
E quello che è successo è stata la formazione delle prime stelle. Non ci sono stelle ordinarie, ma giganti super-enormi che vivono vite molto veloci e arrivano a traguardi molto, molto spettacolari. A tali fini, queste stelle sono collassate su se stesse (sotto il peso di tutta quella massa) generando tremende onde d'urto di tale intensità da fondere elementi completamente nuovi con quelli più vecchi. Di conseguenza, lo spazio-tempo divenne intriso di tutti i molti tipi di materia (atomi) che compongono la rivista Space.
Oggi esistono due tipi di materia atomica: il primordiale e qualcosa che potremmo chiamare "materiale stellare". Sia di origine primordiale che stellare, la materia atomica costituisce tutte le cose toccate e viste. Gli atomi hanno proprietà e comportamenti: inerzia, gravità, estensione nello spazio e densità. Possono anche avere carica elettrica (se ionizzata) e partecipare a reazioni chimiche (per formare molecole di enorme sofisticazione e complessità). Tutta la materia che vediamo è basata su un modello fondamentale stabilito molto tempo fa da quegli atomi primordiali misteriosamente creati dopo il Big Bang. Questo modello si fonda su due unità fondamentali di carica elettrica: il protone e l'elettrone - ciascuno con una massa e capace di fare quelle cose a cui è soggetta la massa.
Ma non tutta la materia segue esattamente il prototipo dell'idrogeno. Una differenza è che gli atomi di nuova generazione hanno neutroni bilanciati elettricamente e protoni caricati positivamente nei loro nuclei. Ma anche lo straniero è un tipo di materia (materia oscura) che non interagisce affatto con la luce. Inoltre (solo per mantenere le cose simmetriche), potrebbe esserci un tipo di energia (energia del vuoto) che non assume la forma di fotoni - agendo più come una "leggera pressione" che fa espandere l'universo con uno slancio non fornito in modo originale dal Big Bang.
Ma torniamo alle cose che possiamo vedere ...
In relazione alla luce, la materia può essere opaca o trasparente: può assorbire o rifrangere la luce. La luce può passare nella materia, attraverso la materia, riflettere dalla materia o essere assorbita dalla materia. Quando la luce passa nella materia, la luce rallenta, mentre la sua frequenza aumenta. Quando la luce si riflette, il percorso che prende cambia. Quando la luce viene assorbita, gli elettroni vengono stimolati potenzialmente portando a nuove combinazioni molecolari. Ma ancora più significativamente, quando la luce attraversa la materia - anche senza assorbimento - gli atomi e le molecole vibrano il continuum spazio-temporale e per questo motivo, la luce può essere ridotta in frequenza. Vediamo, perché qualcosa chiamato "luce" interagisce con qualcosa chiamato "materia" in qualcosa chiamato "continuum spazio-temporale".
Oltre a descrivere gli effetti gravitazionali della materia sullo spazio-tempo, Einstein ha svolto un'indagine estremamente elegante sull'influenza della luce associata all'effetto fotoelettrico. Prima di Einstein, i fisici credevano che la capacità delle luci di influenzare la materia fosse basata principalmente sull'intensità. Ma l'effetto fotoelettrico ha mostrato che la luce ha influenzato anche gli elettroni sulla base della frequenza. Pertanto, la luce rossa, indipendentemente dall'intensità, non riesce a rimuovere gli elettroni nei metalli, mentre anche livelli molto bassi di luce viola stimolano correnti elettriche misurabili. Chiaramente la velocità con cui la luce vibra ha un potere tutto suo.
L'indagine di Einstein sull'effetto fotoelettrico contribuì potentemente a quella che in seguito divenne nota come meccanica quantistica. Per i fisici hanno presto imparato che gli atomi sono selettivi su quali frequenze di luce assorbiranno. Nel frattempo è stato anche scoperto che gli elettroni erano la chiave di tutto l'assorbimento quantico - una chiave correlata a proprietà come le relazioni di un elettrone con gli altri e con il nucleo dell'atomo.
Quindi ora arriviamo al nostro secondo punto: assorbimento selettivo ed emissione di fotoni da parte degli elettroni non spiega la continua diffusione delle frequenze osservate quando si esamina la luce attraverso i nostri strumenti-3.
Cosa può spiegarlo allora?
Una risposta: il principio "graduale" associato al rifrazione e assorbimento della luce.
Il vetro comune - come nelle finestre delle nostre case - è trasparente alla luce visibile. Il vetro tuttavia riflette la maggior parte della luce infrarossa e assorbe i raggi ultravioletti. Quando la luce visibile entra in una stanza, viene assorbita da mobili, tappeti, ecc. Questi elementi convertono parte della luce in calore o radiazione infrarossa. Questa radiazione infrarossa viene intrappolata dal vetro e la stanza si riscalda. Nel frattempo il vetro stesso è opaco all'ultravioletto. La luce emessa dal sole nell'ultravioletto è per lo più assorbita dall'atmosfera, ma alcuni ultravioletti non ionizzanti riescono a passare. La luce ultravioletta viene convertita in calore dal vetro nello stesso modo in cui gli arredi assorbono e irradiano nuovamente la luce visibile.
In che modo tutto ciò si collega alla presenza della luce visibile nell'universo?
All'interno del Sole, i fotoni ad alta energia (luce invisibile dal perimetro del nucleo solare) irradiano il mantello solare sotto la fotosfera. Il mantello converte questi raggi in "calore" per assorbimento, ma questo particolare "calore" ha una frequenza ben oltre la nostra capacità di vedere. Il mantello quindi imposta correnti convettive che portano calore verso la fotosfera emettendo allo stesso tempo fotoni meno energizzati - ma ancora invisibili -. Il "calore" e la "luce" risultanti passano alla fotosfera solare. Nella fotosfera ("la sfera della luce visibile") gli atomi vengono "riscaldati" per convezione e stimolati attraverso la rifrazione per vibrare ad una velocità abbastanza lenta da emettere luce visibile. Ed è questo principio che spiega la luce visibile emessa dalle stelle che sono - di gran lunga - la fonte di luce più significativa vista in tutto il cosmo.
Quindi - da una certa prospettiva, possiamo dire che l '"indice di rifrazione" della fotosfera del Sole è il mezzo con cui la luce invisibile viene convertita in luce visibile. In questo caso, tuttavia, invochiamo l'idea che l'indice di rifrazione della fotosfera è così alto che i raggi ad alta energia sono piegati al punto di assorbimento. Quando ciò si verifica, le onde a bassa frequenza vengono generate irradiando come una forma di calore percepibile all'occhio e non semplicemente calda al tatto ...
E con tutta questa comprensione sotto i nostri piedi intellettuali, ora possiamo rispondere alla nostra domanda: la luce che vediamo oggi è la luce primordiale della creazione. Ma è la luce che si è materializzata alcune centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Più tardi quella luce materializzata si unì sotto l'influenza della gravità come grandi sfere condensate. Queste sfere svilupparono quindi potenti forni alchemici che de-materializzavano la materia in luce invisibile. Più tardi - attraverso la rifrazione e l'assorbimento - la luce invisibile è stata resa visibile all'occhio dal rito di passaggio attraverso quelle grandi "lenti di luminosità" che chiamiamo le stelle ...
-1Come tutte le cose che sono emerse nel mondo della cosmologia siano probabilmente oggi la principale area della ricerca astronomica e porteranno i fisici - con i loro "demolitori di atomi", gli astronomi - con i loro telescopi, i loro matematici - con i loro supercomputer (e matite!) e cosmologi - con la loro sottile comprensione dei primi anni dell'universo - per risolvere il problema.
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In un certo senso la questione può semplicemente essere una distorsione del continuum spazio-temporale - ma siamo ben lontani dalla comprensione di quel continuum in tutte le sue proprietà e comportamenti.
-3Il sole e tutte le fonti luminose di luce mostrano assorbimento oscuro e bande di emissione luminose di frequenze molto strette. Queste ovviamente sono le varie linee di Fraunhofer relative a proprietà meccaniche quantistiche associate a stati di transizione di elettroni associati a atomi e molecole specifici.
Circa l'autore:Ispirato al capolavoro dei primi del 1900: "Il cielo attraverso i telescopi a tre, quattro e cinque pollici", Jeff Barbour iniziò l'astronomia e la scienza spaziale all'età di sette anni. Attualmente Jeff dedica gran parte del suo tempo ad osservare il cielo e a mantenere il sito Web Astro.Geekjoy.
