Het is niet zo lang geleden (13,7 miljard jaar volgens sommige verhalen) dat er een vrij belangrijke 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 van nul en generlei waarde – voorbij alle conceptie. Waarom? Welnu, er zijn een paar antwoorden op die vraag - defilosofisch antwoordbijvoorbeeld: omdat voordat het universum vorm kreeg, er niets was om over te bedenken, mee of zelfs maar over. Maar er is ook een wetenschappelijk antwoord en dat komt hierop neer: voor de oerknal was er geenruimte-tijd continuüm- deimmaterieel mediumwaardoor alle dingen energie en materie bewegen.
Toen het ruimte-tijdcontinuüm eenmaal tot stand kwam, was een van de meest ontroerende dingen om vorm aan te nemen de eenheden van lichtfysici die 'fotonen' noemen. De wetenschappelijke notie 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 met hoe ze zich geïsoleerd gedragen. (als discrete deeltjes). Een individueel foton kan worden gezien als een pakket golven die snel kurkentrekkers door de ruimte trekken. Elk pakket is een oscillatie langs twee loodrechte krachtassen - de elektrische en de magnetische. Omdat licht een trilling is, interageren golfdeeltjes met elkaar. Een manier om de tweeledige aard van licht te begrijpen, is te beseffen dat golf na golf van fotonen onze telescopen beïnvloedt - maar individuele fotonen worden geabsorbeerd door de neuronen in onze ogen.
De allereerste fotonen die door het ruimte-tijdcontinuüm 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 uitdijende grenzen van het jeugdige heelal. Licht was overal - maar materie moest nog worden gezien.
Naarmate het universum uitdijde, verloor het oorspronkelijke licht zowel in frequentie als in intensiteit. Dit gebeurde toen de originele fotonen zich steeds dunner verspreidden over een steeds groter wordende ruimte. Vandaag echoot het eerste licht van de schepping nog steeds door de kosmos. Dit wordt gezien als kosmische achtergrondstraling. En dat specifieke type straling is niet meer zichtbaar voor het oog als de golven in een magnetron.
Oerlicht 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. Omdat we weten dat het oorspronkelijke licht nu zo zwak is, moeten we ergens anders kijken om rekening te houden met het soort licht dat zichtbaar is voor onze ogen en optische telescopen.
Sterren (zoals onze zon) bestaan omdat ruimtetijd meer doet dan alleen licht als golven uitzenden. Op de een of andere manier - nog steeds onverklaard-1– ruimte-tijd veroorzaakt ook materie. En één ding dat licht van materie onderscheidt, is dat materie 'massa' heeft en licht geen.
Vanwege massa vertoont materie twee hoofdeigenschappen: traagheid en zwaartekracht. Traagheid kan worden gezien als weerstand tegen verandering. In feite is materie 'lui' en blijft gewoon doen wat het deed - tenzij het op iets buiten zichzelf inwerkt. In het begin van de vorming van het universum was licht het belangrijkste om de luiheid van de materie te overwinnen. Onder invloed van stralingsdruk werd de oerstof (meestal waterstofgas) “georganiseerd”.
Na het prikkelen van licht nam iets in de materie het over - dat subtiele gedrag dat we 'zwaartekracht' noemen. Gravitatie 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 kromme die ervoor zorgt dat materie en licht bewegen op manieren die in het begin van de twintigste eeuw door Albert Einstein werden toegelicht. Elk klein atoom van materie veroorzaakt een kleine 'micro-vervorming' in de ruimte-tijd-2. En als er genoeg microvervormingen samenkomen, kunnen dingen groots gebeuren.
En wat er gebeurde was de vorming van de eerste sterren. Dit zijn geen gewone sterren, maar superzware reuzen die een zeer snel leven leiden en tot zeer, zeer spectaculaire einden komen. Aan die uiteinden stortten deze sterren op zichzelf in (onder het gewicht van al die massa) en veroorzaakten enorme schokgolven van zo'n intensiteit dat ze geheel nieuwe elementen samensmelten met oudere. Als gevolg hiervan werd de ruimte-tijd overspoeld met alle vele soorten materie (atomen) die tegenwoordig het universum vormen.
Tegenwoordig bestaan er nu twee soorten atomaire materie: oer- en iets dat we 'sterrenstof' zouden kunnen noemen. Of het nu oer- of stellaire oorsprong is, atomaire materie vormt alle dingen die worden aangeraakt en gezien. Atomen hebben eigenschappen en gedragingen: traagheid, zwaartekracht, uitbreiding in de ruimte en dichtheid. Ze kunnen ook een elektrische lading hebben (indien geïoniseerd) en deelnemen aan chemische reacties (om moleculen te vormen met een enorme verfijning en complexiteit). Alle materie die we zien is gebaseerd op een fundamenteel patroon dat lang geleden is vastgesteld door die oorspronkelijke atomen 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 - die elk massa hebben en in staat zijn om die dingen te doen waaraan massa onderhevig is.
Maar niet alle materie volgt het waterstofprototype precies. Een verschil is dat atomen van nieuwere generaties zowel elektrisch gebalanceerde neutronen als positief geladen protonen in hun kernen hebben. Maar nog 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 van fotonen aanneemt - meer als een 'zachte druk' waardoor het universum uitdijt met een momentum dat oorspronkelijk niet werd 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 materie binnengaan, door materie heen gaan, door materie weerkaatsen of door materie worden geabsorbeerd. Wanneer licht in materie overgaat, vertraagt het licht, terwijl de frequentie ervan toeneemt. Wanneer licht reflecteert, verandert het pad dat het aflegt. Wanneer licht wordt geabsorbeerd, worden elektronen gestimuleerd, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe moleculaire combinaties. Maar nog belangrijker,wanneer licht door materie gaat – ook zonder absorptie – atomen en moleculen trillen het ruimte-tijd continuümen hierdoor kan het licht in frequentie worden verlaagd. We zien, omdat iets dat 'licht' wordt genoemd, interageert met iets dat 'materie' wordt genoemd in iets dat 'het ruimte-tijd continuüm' wordt genoemd.
Naast het beschrijven van de zwaartekrachtseffecten van materie op de ruimte-tijd, voerde Einstein een uiterst elegant onderzoek uit naar de invloed van licht in verband met het foto-elektrische effect. Vóór Einstein geloofden natuurkundigen dat het vermogen van licht om materie te beïnvloeden voornamelijk gebaseerd was op 'intensiteit'. Maar het foto-elektrische effect toonde aan dat licht ook elektronen beïnvloedt op basis van frequentie. Dus rood licht – ongeacht de intensiteit – slaagt er niet in om 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 enorm bij aan wat later bekend werd als de kwantummechanica. Natuurkundigen kwamen er al snel achter dat atomen selectief zijn in de lichtfrequenties die 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 anderen en met de kern van het atoom.
Dus nu komen we bij ons tweede punt: selectieve absorptie en emissie van fotonen door elektronenverklaart niet de continue verspreiding van frequenties die wordt waargenomen bij het onderzoeken van licht door onze instrumenten-3.
Wat kan het dan verklaren?
Eén antwoord: het “stepping-down”-principe geassocieerd met debreking 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 ruimte warmt op. Ondertussen is glas zelf ondoorzichtig voor ultraviolet. Licht dat door de zon in het ultraviolet wordt uitgestraald, wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer, maar een deel van het niet-ioniserende ultraviolet slaagt erin om er doorheen te komen. Ultraviolet licht wordt door glas omgezet in warmte op dezelfde manier waarop meubels zichtbaar licht absorberen en opnieuw uitstralen.
Hoe verhoudt dit alles zich tot de aanwezigheid van zichtbaar licht in het heelal?
Binnen de zon bestralen hoogenergetische fotonen (onzichtbaar licht vanaf de omtrek van de zonnekern) de zonnemantel onder de fotosfeer. De mantel zet deze stralen om in 'warmte' door absorptie - maar deze specifieke 'warmte' heeft een frequentie die ver buiten ons waarnemingsvermogen ligt. De mantel zet vervolgens convectieve stromen op die warmte naar de fotosfeer transporteren, terwijl ze ook minder energieke - maar nog steeds onzichtbare - fotonen uitzenden. De resulterende 'warmte' en 'licht' gaan naar de fotosfeer van de zon. In de fotosfeer ('de bol van zichtbaar licht') worden atomen 'verwarmd' door convectie en gestimuleerd door breking 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 uitgestraald door sterren, die verreweg de belangrijkste lichtbron zijn die in de hele kosmos wordt waargenomen.
Dus vanuit een bepaald perspectief kunnen we zeggen dat de 'brekingsindex' van de fotosfeer van de zon het middel is waarmee onzichtbaar licht wordt omgezet in zichtbaar licht. In dit geval beroepen we ons echter op het idee dat de brekingsindex van de fotosfeer zo hoog is dat hoogenergetische stralen worden afgebogen tot het punt van absorptie. Wanneer dit gebeurt, worden golven met een lagere frequentie voortgebracht die uitstralen als een vorm van warmte die waarneembaar is voor het oog 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 zienishet oorspronkelijke licht van de schepping. Maar het is licht dat enkele honderdduizenden jaren na de oerknal tot stand kwam. Later kwam dat gematerialiseerde licht onder invloed van de zwaartekracht samen als grote gecondenseerde bollen. Deze bollen ontwikkelden vervolgens krachtige alchemistische ovens die materie de-materialiseren in lichtonzichtbaar. Later - door breking en absorptie - werd het onzichtbare licht zichtbaar gemaakt voor het oog door een overgangsritueel door die grote 'lenzen van helderheid' die we de sterren noemen...
-1 Hoe alle kosmologische dingen in detail tot stand zijn gekomen, is waarschijnlijk het belangrijkste gebied van astronomisch onderzoek van vandaag en zal natuurkundigen - met hun 'atoomvernietigers', astronomen - met hun telescopen, wiskundigen - met hun rekenkundige supercomputers (en potloden!) en kosmologen - met hun subtiele begrip van de vroege jaren van het universum - om de hele zaak door te puzzelen.
-2
In zekere zin kan de zaak eenvoudigzijneen verstoring van het ruimte-tijd continuüm - maar we zijn nog lang niet klaar met het begrijpen van dat continuüm in al zijn eigenschappen en gedragingen.
-3 De zon en alle lichtbronnen vertonen donkere absorptie- en heldere emissiebanden van zeer smalle frequenties. Dit zijn natuurlijk de verschillende Fraunhofer-lijnen die verband houden met kwantummechanische eigenschappen die verband houden met overgangstoestanden van elektronen die zijn geassocieerd met specifieke atomen en moleculen.
Over de auteur:Geïnspireerd door het meesterwerk van begin 1900: 'The Sky Through Three, Four, and Five Inch Telescopes', begon Jeff Barbour op zevenjarige leeftijd met astronomie en ruimtewetenschap. Momenteel besteedt Jeff veel van zijn tijd aan het observeren van de hemel en het onderhouden van de website Astro.Geekjoy.