Non molto tempo fa (13,7 miliardi di anni secondo alcuni resoconti) si è verificato un evento cosmologico piuttosto significativo. Parliamo ovviamente del Big Bang. I cosmologi ci dicono che un tempo non esisteva l'universo come lo conosciamo. Qualunque cosa fosse esistita prima di quel tempo era nulla, al di là di ogni concezione. Come mai? Bene, ci sono un paio di risposte a questa domanda: ilrisposta filosoficaper esempio: perché prima che l'universo prendesse forma non c'era niente da concepire, con, o anche su. Ma c'è anche una risposta scientifica e quella risposta si riduce a questo: prima del Big Bang non c'era nientecontinuum spazio-temporale- ilmezzo immaterialeattraverso il quale si muovono tutte le cose energia e materia.
Una volta che il continuum spazio-temporale è apparso, una delle cose più commoventi che hanno preso forma sono state le unità di luce che i fisici 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 isolamento (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 di forza perpendicolari: l'elettrico e il magnetico. Poiché la luce è un'oscillazione, le particelle d'onda interagiscono tra loro. Un modo per comprendere la duplice natura della luce è rendersi conto che ondate di fotoni influiscono sui nostri telescopi, ma i singoli fotoni vengono assorbiti dai neuroni dei nostri occhi.
I primissimi fotoni che viaggiavano attraverso il continuum spazio-temporale erano estremamente potenti. Come gruppo, erano incredibilmente intensi. Come individui, ciascuno vibrava a una velocità straordinaria. La luce di questi fotoni primordiali illuminò rapidamente i limiti in rapida espansione dell'universo giovanile. La luce era ovunque, ma la materia doveva ancora essere vista.
Man mano che l'universo si espandeva, la luce primordiale perse sia in frequenza che in intensità. Ciò si è verificato quando i fotoni originali si sono diffusi sempre più sottili in uno spazio in continua espansione. Oggi, la prima luce della creazione echeggia ancora nel 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. La radiazione primordiale si è spostata verso il rosso all'estremità molto bassa dello spettro elettromagnetico. Ciò è avvenuto quando l'universo si è espanso da quello che in origine potrebbe non essere stato più grande di un singolo atomo al punto in cui i nostri strumenti più grandi devono ancora trovare un limite. Sapere che la luce primordiale è ora così decisa rende necessario guardare altrove per spiegare il tipo di luce visibile ai nostri occhi e ai nostri telescopi ottici.
Le stelle (come il nostro Sole) esistono perché lo spazio-tempo non si limita a trasmettere la luce come onde. In qualche modo – ancora inspiegabile-1– Anche lo spazio-tempo causa 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: l'inerzia e la gravità. L'inerzia può essere pensata come 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 se stessa. 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 gas idrogeno) si è 'organizzata'.
Seguendo lo stimolo della luce, qualcosa all'interno della materia ha preso il sopravvento: quel comportamento sottile che chiamiamo 'gravità'. La gravitazione è stata descritta come una 'distorsione del continuum spazio-temporale'. Tali distorsioni si verificano ovunque si trovi massa. Perché la materia ha massa, lo spazio si curva. È questa curva che fa muovere la materia e la 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 uniscono abbastanza micro-distorsioni, le cose possono succedere alla grande.
E ciò che accadde fu la formazione delle prime stelle. Non sono stelle normali queste, ma giganti super-massicci che vivono vite molto veloci e arrivano a una fine molto, molto spettacolare. A quelle estremità, queste stelle collassarono su se stesse (sotto il peso di tutta quella massa) generando tremende onde d'urto di tale intensità da fondere elementi completamente nuovi da quelli più vecchi. Di conseguenza, lo spazio-tempo è stato soffuso di tutti i molti tipi di materia (atomi) che compongono l'universo odierno.
Oggi esistono due tipi di materia atomica: Primordiale e qualcosa che potremmo chiamare 'roba stellare'. Che sia di origine primordiale o 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 ionizzati) e partecipare a reazioni chimiche (per formare molecole di enorme sofisticatezza e complessità). Tutta la materia che vediamo si basa su un modello fondamentale stabilito molto tempo fa da quegli atomi primordiali creati misteriosamente dopo il Big Bang. Questo modello si basa su due unità fondamentali di carica elettrica: il protone e l'elettrone, ciascuno avente massa e in grado di fare quelle cose a cui la massa è soggetta.
Ma non tutta la materia segue esattamente il prototipo dell'idrogeno. Una differenza è che gli atomi di nuova generazione hanno neutroni elettricamente bilanciati e protoni caricati positivamente nei loro nuclei. Ma ancora più strano è un tipo di materia (materia oscura) che non interagisce affatto con la luce. E 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 'pressione delicata' che fa espandere l'universo con un momento non fornito originariamente 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, riflettersi sulla materia o essere assorbita dalla materia. Quando la luce passa nella materia, 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 portando potenzialmente a nuove combinazioni molecolari. Ma ancor più significativamente,quando la luce attraversa la materia, anche senza assorbimento – atomi e molecole fanno vibrare il continuum spazio-temporalee 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 condusse 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 mostrava che la luce influenzava anche gli elettroni in base alla frequenza. Quindi 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 notevolmente a quella che in seguito divenne nota come meccanica quantistica. I fisici impararono presto 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 quantistico, una chiave relativa 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 ed emissione selettiva di fotoni da parte di elettroninon spiega la continua diffusione delle frequenze osservate esaminando la luce attraverso i nostri strumenti-3.
Cosa può spiegarlo allora?
Una risposta: il principio 'dimissioni' associato alrifrazione e assorbimento della luce.
Il vetro comune – come quello delle finestre delle nostre case – è trasparente alla luce visibile. Il vetro tuttavia riflette la maggior parte della luce infrarossa e assorbe l'ultravioletto. 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 una parte dell'ultravioletto non ionizzante riesce a passare. La luce ultravioletta viene convertita in calore dal vetro nello stesso modo in cui i mobili assorbono e ri-irradiano la luce visibile.
Come si collega tutto questo alla presenza della luce visibile nell'Universo?
All'interno del Sole, 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 crea correnti convettive che trasportano il calore verso l'esterno verso la fotosfera emettendo anche 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 per rifrazione a vibrare a una velocità sufficientemente 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 un certo punto di vista, possiamo dire che 'l'indice di rifrazione' della fotosfera del Sole è il mezzo attraverso il quale la luce invisibile viene convertita in luce visibile. In questo caso, tuttavia, invochiamo l'idea che l'indice di rifrazione della fotosfera sia così alto che i raggi di alta energia vengono piegati fino al punto di assorbimento. Quando ciò si verifica, vengono generate onde a frequenza più bassa che si irradiano come una forma di calore percettibile 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 oggièla 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 poi svilupparono potenti forni alchemici smaterializzando la materia in luceinvisibile. In seguito – per rifrazione e assorbimento – la luce invisibile è stata resa visibile all'occhio per rito di passaggio attraverso quelle grandi “lenti di luminosità” che chiamiamo stelle…
-1 Il modo in cui tutte le cose cosmologiche sono trapelate in dettaglio è probabilmente l'area principale della ricerca astronomica oggi e porterà i fisici - con i loro 'distruggi-atomi', gli astronomi - con i loro telescopi, i matematici - con i loro super-computer che macinano numeri (e matite!) e cosmologi - con la loro sottile comprensione dei primi anni dell'universo - per sconcertare l'intera faccenda.
-2
In un certo senso la questione può semplicementeessereuna distorsione del continuum spazio-temporale – ma siamo molto lontani dal comprendere quel continuum in tutte le sue proprietà e comportamenti.
-3 Il Sole e tutte le fonti luminose di luce mostrano bande di assorbimento scuro e di emissione luminosa di frequenze molto strette. Queste, ovviamente, sono le varie righe di Fraunhofer relative alle proprietà quantomeccaniche associate a stati di transizione di elettroni associati a specifici atomi e molecole.
Circa l'autore:Ispirato al capolavoro dei primi anni del 1900: 'The Sky Through Three, Four, and Five Inch Telescopes', Jeff Barbour ha iniziato a studiare astronomia e scienze spaziali all'età di sette anni. Attualmente Jeff dedica molto del suo tempo all'osservazione dei cieli e alla manutenzione del sito web Astro.Geekjoy.