Es ist noch nicht allzu lange her (nach einigen Berichten 13,7 Milliarden Jahre), dass ein ziemlich bedeutendes kosmologisches Ereignis eingetreten ist. Wir sprechen natürlich vom Urknall. Kosmologen sagen uns, dass es zu einer Zeit kein Universum gab, wie wir es kennen. Was vor dieser Zeit existierte, war null und nichtig - jenseits aller Vorstellung. Warum? Nun, es gibt ein paar Antworten auf diese Frage - die philosophische Antwort Zum Beispiel: Denn bevor das Universum Gestalt annahm, gab es nichts zu begreifen, mit oder sogar über. Aber es gibt auch eine wissenschaftliche Antwort, und diese Antwort lautet: Vor dem Urknall gab es keine Raum-Zeit-Kontinuum - das immaterielles Medium durch die sich alle Dinge Energie und Materie bewegen.
Sobald das Raum-Zeit-Kontinuum entstanden war, waren die Einheiten der Lichtphysiker, die „Photonen“ genannt wurden, eines der bewegendsten Dinge, die Gestalt annehmen konnten. Der wissenschaftliche Begriff der Photonen beginnt mit der Tatsache, dass diese elementaren Energieteilchen zwei scheinbar widersprüchliche Verhaltensweisen aufweisen: Ein Verhalten hat damit zu tun, wie sie als Mitglieder einer Gruppe (in einer Wellenfront) agieren, und das andere bezieht sich darauf, wie sie sich isoliert verhalten (als diskrete Partikel). Ein einzelnes Photon kann als ein Paket von Wellen betrachtet werden, die schnell durch den Raum korkenziehen. Jedes Paket ist eine Schwingung entlang zweier senkrechter Kraftachsen - der elektrischen und der magnetischen. Da Licht eine Schwingung ist, interagieren Wellenpartikel miteinander. Eine Möglichkeit, die duale Natur des Lichts zu verstehen, besteht darin, zu erkennen, dass Welle um Welle von Photonen unsere Teleskope beeinflussen - aber einzelne Photonen werden von den Neuronen in unseren Augen absorbiert.
Die ersten Photonen, die sich durch das Raum-Zeit-Kontinuum bewegten, waren äußerst mächtig. Als Gruppe waren sie unglaublich intensiv. Als Individuen vibrierte jeder mit einer außergewöhnlichen Geschwindigkeit. Das Licht dieser Urphotonen beleuchtete schnell die sich schnell erweiternden Grenzen des jugendlichen Universums. Licht war überall - aber Materie war noch nicht zu sehen.
Während sich das Universum ausdehnte, verlor das ursprüngliche Licht sowohl an Frequenz als auch an Intensität. Dies geschah, als sich die ursprünglichen Photonen immer dünner über einen immer größer werdenden Raum ausbreiteten. Das erste Licht der Schöpfung hallt noch heute durch den Kosmos. Dies wird als kosmische Hintergrundstrahlung angesehen. Und diese Art von Strahlung ist für das Auge nicht mehr sichtbar als die Wellen in einem Mikrowellenherd.
Urlicht ist NICHT die Strahlung, die wir heute sehen. Die Urstrahlung hat sich rot zum sehr unteren Ende des elektromagnetischen Spektrums verschoben. Dies geschah, als sich das Universum von dem, was ursprünglich nicht größer als ein einzelnes Atom gewesen sein könnte, bis zu dem Punkt ausdehnte, an dem unsere größten Instrumente noch keinerlei Grenzen gefunden haben. Zu wissen, dass Urlicht jetzt so ternuös ist, macht es notwendig, woanders hinzuschauen, um die Art von Licht zu berücksichtigen, die für unsere Augen und optischen Teleskope sichtbar ist.
Sterne (wie unsere Sonne) existieren, weil Raum-Zeit mehr als nur Licht als Wellen durchlässt. Irgendwie - immer noch ungeklärt-1 - Raum-Zeit verursacht auch Materie. Und eine Sache, die Licht von Materie unterscheidet, ist, dass Materie „Masse“ hat, während Licht keine hat.
Materie weist aufgrund ihrer Masse zwei Haupteigenschaften auf: Trägheit und Schwerkraft. Trägheit kann als Widerstand gegen Veränderungen angesehen werden. Grundsätzlich ist Materie „faul“ und macht einfach weiter, was immer sie getan hat - es sei denn, sie wirkt auf etwas außerhalb von sich. Zu Beginn der Entstehung des Universums war Licht die Hauptsache, um die Faulheit der Materie zu überwinden. Unter dem Einfluss des Strahlungsdrucks wurde Urmaterie (meistens Wasserstoffgas) „organisiert“.
Nach dem Anstoßen des Lichts übernahm etwas in der Materie - dieses subtile Verhalten, das wir "Schwerkraft" nennen. Die Gravitation wurde als „Verzerrung des Raum-Zeit-Kontinuums“ beschrieben. Solche Verzerrungen treten überall dort auf, wo Masse gefunden wird. Weil Materie Masse hat, sind Raumkurven. Es ist diese Kurve, die bewirkt, dass sich Materie und Licht auf eine Weise bewegen, die Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgeklärt hat. Jedes kleine Materieatom verursacht eine winzige „Mikroverzerrung“ in der Raumzeit-2. Und wenn genug Mikroverzerrungen zusammenkommen, können die Dinge auf große Weise passieren.
Und was geschah, war die Bildung der ersten Sterne. Keine gewöhnlichen Stars - aber supermassive Riesen, die ein sehr schnelles Leben führen und zu sehr, sehr spektakulären Enden kommen. An diesen Enden brachen diese Sterne in sich zusammen (unter dem Gewicht all dieser Masse) und erzeugten enorme Stoßwellen von solcher Intensität, dass aus neuen völlig neue Elemente verschmolzen. Infolgedessen wurde die Raumzeit von all den vielen Arten von Materie (Atomen) durchdrungen, aus denen das Space Magazine besteht.
Heute gibt es zwei Arten von Atommaterie: Ursprüngliche und etwas, das wir als "Sternenmaterial" bezeichnen könnten. Ob primordialer oder stellarer Herkunft, atomare Materie macht alle Dinge aus, die berührt und gesehen werden. Atome haben Eigenschaften und Verhaltensweisen: Trägheit, Schwerkraft, Ausdehnung im Raum und Dichte. Sie können auch elektrische Ladung haben (wenn sie ionisiert sind) und an chemischen Reaktionen teilnehmen (um Moleküle von enormer Raffinesse und Komplexität zu bilden). Alles, was wir sehen, basiert auf einem fundamentalen Muster, das vor langer Zeit von jenen Uratomen festgelegt wurde, die auf mysteriöse Weise nach dem Urknall erzeugt wurden. Dieses Muster basiert auf zwei grundlegenden Einheiten elektrischer Ladung: dem Proton und dem Elektron - jede hat Masse und ist in der Lage, diese Dinge zu tun, denen die Masse ausgesetzt ist.
Aber nicht alle Materie folgt genau dem Wasserstoffprototyp. Ein Unterschied besteht darin, dass Atome der neueren Generation sowohl elektrisch ausgeglichene Neutronen als auch positiv geladene Protonen in ihren Kernen haben. Aber noch seltsamer ist eine Art Materie (dunkle Materie), die überhaupt nicht mit Licht interagiert. Und außerdem (nur um die Dinge symmetrisch zu halten) kann es eine Art von Energie (Vakuumenergie) geben, die nicht die Form von Photonen hat - sie wirkt eher wie ein „sanfter Druck“, der das Universum mit einem Impuls ausdehnt, der nicht ursprünglich geliefert wird vom Urknall.
Aber kommen wir zurück zu dem, was wir sehen können ...
In Bezug auf Licht kann Materie undurchsichtig oder transparent sein - sie kann Licht absorbieren oder brechen. Licht kann durch Materie in Materie gelangen, von Materie reflektiert oder von Materie absorbiert werden. Wenn Licht in Materie übergeht, verlangsamt sich das Licht - während seine Frequenz zunimmt. Wenn Licht reflektiert wird, ändert sich der Weg, den es nimmt. Wenn Licht absorbiert wird, werden Elektronen stimuliert, was möglicherweise zu neuen Molekülkombinationen führt. Aber noch wichtiger ist, Wenn Licht durch Materie geht - auch ohne Absorption - schwingen Atome und Moleküle das Raum-Zeit-Kontinuum und aus diesem Grund kann die Frequenz des Lichts herabgesetzt werden. Wir sehen, weil etwas, das "Licht" genannt wird, mit etwas interagiert, das "Materie" genannt wird, in etwas, das "Raum-Zeit-Kontinuum" genannt wird.
Neben der Beschreibung der Gravitationseffekte von Materie auf die Raumzeit führte Einstein eine äußerst elegante Untersuchung des Einflusses von Licht durch, der mit dem photoelektrischen Effekt verbunden ist. Vor Einstein glaubten die Physiker, dass die Fähigkeit von Licht, Materie zu beeinflussen, hauptsächlich auf „Intensität“ beruhte. Der photoelektrische Effekt zeigte jedoch, dass Licht Elektronen auch auf der Basis der Frequenz beeinflusste. Somit kann rotes Licht - unabhängig von der Intensität - keine Elektronen in Metallen entfernen, während selbst sehr geringe Mengen an violettem Licht messbare elektrische Ströme stimulieren. Es ist klar, dass die Geschwindigkeit, mit der Licht vibriert, eine ganz eigene Kraft hat.
Einsteins Untersuchung des photoelektrischen Effekts trug maßgeblich zur späteren Quantenmechanik bei. Für Physiker wurde schnell klar, dass Atome selektiv entscheiden, welche Lichtfrequenzen sie absorbieren. In der Zwischenzeit wurde auch entdeckt, dass Elektronen der Schlüssel für die gesamte Quantenabsorption sind - ein Schlüssel, der sich auf Eigenschaften wie die Beziehung eines Elektrons zu anderen und zum Atomkern bezieht.
Nun kommen wir zu unserem zweiten Punkt: Selektive Absorption und Emission von Photonen durch Elektronen erklärt nicht die kontinuierliche Streuung der Frequenzen, die bei der Untersuchung des Lichts durch unsere Instrumente auftreten-3.
Was kann es dann erklären?
Eine Antwort: Das mit dem Brechung und Absorption von Licht.
Gewöhnliches Glas - wie in den Fenstern unserer Häuser - ist für sichtbares Licht transparent. Glas reflektiert jedoch das meiste Infrarotlicht und absorbiert ultraviolettes Licht. Wenn sichtbares Licht in einen Raum gelangt, wird es von Möbeln, Teppichen usw. absorbiert. Diese Gegenstände wandeln einen Teil des Lichts in Wärme- oder Infrarotstrahlung um. Diese Infrarotstrahlung wird vom Glas eingefangen und der Raum erwärmt sich. Währenddessen ist Glas selbst für Ultraviolett undurchsichtig. Das von der Sonne im Ultraviolett emittierte Licht wird hauptsächlich von der Atmosphäre absorbiert - aber einige nichtionisierende Ultraviolette schaffen es, durchzukommen. Ultraviolettes Licht wird von Glas auf die gleiche Weise in Wärme umgewandelt, wie Möbel sichtbares Licht absorbieren und wieder abstrahlen.
Wie hängt das alles mit der Anwesenheit von sichtbarem Licht im Universum zusammen?
Innerhalb der Sonne bestrahlen hochenergetische Photonen (unsichtbares Licht vom Umfang des Sonnenkerns) den Sonnenmantel unter der Photosphäre. Der Mantel wandelt diese Strahlen durch Absorption in „Wärme“ um - aber diese besondere „Wärme“ hat eine Frequenz, die weit über unserer Sehfähigkeit liegt. Der Mantel baut dann konvektive Ströme auf, die Wärme nach außen in Richtung der Photosphäre leiten, während er gleichzeitig weniger energiereiche - aber immer noch unsichtbare - Photonen emittiert. Die entstehende „Wärme“ und „Licht“ gelangen in die solare Photosphäre. In der Photosphäre ("die Kugel des sichtbaren Lichts") werden Atome durch Konvektion "erhitzt" und durch Brechung dazu angeregt, mit einer Geschwindigkeit zu schwingen, die langsam genug ist, um sichtbares Licht abzugeben. Und dieses Prinzip erklärt das sichtbare Licht der Sterne, die bei weitem die bedeutendste Lichtquelle im gesamten Kosmos sind.
Aus einer bestimmten Perspektive können wir also sagen, dass der „Brechungsindex“ der Photosphäre der Sonne das Mittel ist, mit dem unsichtbares Licht in sichtbares Licht umgewandelt wird. In diesem Fall berufen wir uns jedoch auf die Idee, dass der Brechungsindex der Photosphäre so hoch ist, dass hochenergetische Strahlen zum Absorptionspunkt gebogen werden. Wenn dies auftritt, werden niederfrequente Wellen erzeugt, die als eine Form von Wärme strahlen, die für das Auge wahrnehmbar und nicht nur warm ist…
Und mit all diesem Verständnis unter unseren intellektuellen Füßen können wir jetzt unsere Frage beantworten: Das Licht, das wir heute sehen ist das ursprüngliche Licht der Schöpfung. Aber es ist Licht, das einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall eintrat. Später kam dieses materialisierte Licht unter dem Einfluss der Schwerkraft als große kondensierte Kugeln zusammen. Diese Kugeln entwickelten dann mächtige alchemistische Öfen, die Materie in Licht umwandeln unsichtbar. Später - durch Brechung und Absorption - wurde unsichtbares Licht durch den Ritus des Durchgangs durch diese großen „Linsen der Leuchtkraft“, die wir die Sterne nennen, für das Auge sichtbar gemacht.
-1Wie sich alle kosmologischen Dinge im Detail abspielten, ist heute wahrscheinlich das Hauptgebiet der astronomischen Forschung und wird Physiker - mit ihren „Atomzerstörern“, Astronomen - mit ihren Teleskopen, Mathematikern - mit ihren zahlenverarbeitenden Supercomputern (und Bleistiften!) Nehmen. und Kosmologen - mit ihrem subtilen Verständnis der frühen Jahre des Universums -, um das Ganze durchzuwühlen.
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In gewissem Sinne kann Materie einfach Sein eine Verzerrung des Raum-Zeit-Kontinuums - aber wir sind weit davon entfernt, dieses Kontinuum in all seinen Eigenschaften und Verhaltensweisen zu verstehen.
-3Die Sonne und alle Lichtquellen zeigen dunkle Absorptions- und helle Emissionsbänder mit sehr engen Frequenzen. Dies sind natürlich die verschiedenen Fraunhofer-Linien, die sich auf quantenmechanische Eigenschaften beziehen, die mit Übergangszuständen von Elektronen verbunden sind, die mit bestimmten Atomen und Molekülen verbunden sind.
Über den Autor:Inspiriert vom Meisterwerk des frühen 20. Jahrhunderts: "Der Himmel durch Drei-, Vier- und Fünf-Zoll-Teleskope", begann Jeff Barbour im Alter von sieben Jahren mit Astronomie und Weltraumforschung. Derzeit verbringt Jeff viel Zeit damit, den Himmel zu beobachten und die Website Astro.Geekjoy zu pflegen.
