No fue hace mucho tiempo (13.7 mil millones de años según algunas cuentas) que ocurrió un evento cosmológico bastante significativo. Hablamos, por supuesto, del Big Bang. Los cosmólogos nos dicen que en un momento no había universo tal como lo conocemos. Todo lo que existía antes de ese tiempo era nulo e inválido, más allá de toda concepción. ¿Por qué? Bueno, hay un par de respuestas a esa pregunta: la respuesta filosófica por ejemplo: porque antes de que el universo tomara forma no había nada que concebir, con o incluso sobre. Pero también hay una respuesta científica y esa respuesta se reduce a esto: antes del Big Bang no había Continuo espacio-tiempo - la medio inmaterial a través del cual se mueven todas las cosas, energía y materia.
Una vez que el continuo espacio-tiempo apareció, una de las cosas más conmovedoras que tomaron forma fueron las unidades de físicos de la luz llamadas "fotones". La noción científica de fotones comienza con el hecho de que estas partículas elementales de energía muestran dos comportamientos aparentemente contradictorios: uno tiene que ver con la forma en que actúan como miembros de un grupo (en un frente de onda) y el otro se relaciona con su comportamiento aislado (como partículas discretas). Se puede pensar en un fotón individual como un paquete de ondas que corchan rápidamente a través del espacio. Cada paquete es una oscilación a lo largo de dos ejes de fuerza perpendiculares: el eléctrico y el magnético. Como la luz es una oscilación, las partículas de onda interactúan entre sí. Una forma de entender la naturaleza dual de la luz es darse cuenta de que onda tras ola de fotones afectan nuestros telescopios, pero las neuronas de nuestros ojos absorben los fotones individuales.
Los primeros fotones que viajaban a través del continuo espacio-tiempo fueron extremadamente poderosos. Como grupo, fueron increíblemente intensos. Como individuos, cada uno vibraba a un ritmo extraordinario. La luz de estos fotones primordiales iluminó rápidamente los límites en rápida expansión del universo juvenil. La luz estaba en todas partes, pero la materia aún estaba por verse.
A medida que el universo se expandía, la luz primordial perdía frecuencia e intensidad. Esto ocurrió cuando los fotones originales se extendieron más y más delgados en un espacio en constante expansión. Hoy, la primera luz de la creación aún se refleja en el cosmos. Esto se ve como radiación de fondo cósmica. Y ese tipo particular de radiación ya no es más visible para el ojo como las ondas dentro de un horno de microondas.
La luz primordial NO es la radiación que vemos hoy. La radiación primordial se ha desplazado al rojo hacia el extremo más bajo del espectro electromagnético. Esto ocurrió cuando el universo se expandió desde lo que originalmente no había sido más grande que un solo átomo hasta el punto en que nuestros mejores instrumentos aún no han encontrado ningún límite. Saber que la luz primordial ahora es tan ternura hace que sea necesario buscar en otro lado para tener en cuenta el tipo de luz visible para nuestros ojos y telescopios ópticos.
Las estrellas (como nuestro Sol) existen porque el espacio-tiempo hace más que simplemente transmitir luz como ondas. De alguna manera, aún sin explicación-1 - el espacio-tiempo también causa importancia. Y una cosa que distingue la luz de la materia es que la materia tiene "masa" mientras que la luz no tiene ninguna.
Debido a la masa, la materia muestra dos propiedades principales: inercia y gravedad. La inercia puede considerarse como resistencia al cambio. Básicamente, la materia es "perezosa" y sigue haciendo lo que sea que haya estado haciendo, a menos que actúe sobre algo fuera de sí mismo. Al principio de la formación del universo, lo principal para superar la pereza de la materia era la luz. Bajo la influencia de la presión de radiación, la materia primordial (principalmente hidrógeno gaseoso) se "organizó".
Luego de la insistencia de la luz, algo dentro de la materia se hizo cargo: ese comportamiento sutil que llamamos "gravedad". La gravitación se ha descrito como una "distorsión del continuo espacio-tiempo". Tales distorsiones ocurren donde se encuentra la masa. Porque la materia tiene masa, curvas espaciales. Es esta curva la que hace que la materia y la luz se muevan de manera dilucida a principios del siglo XX por Albert Einstein. Todos y cada uno de los pequeños átomos de materia causan una pequeña "micro-distorsión" en el espacio-tiempo-2. Y cuando se juntan suficientes micro-distorsiones, las cosas pueden suceder a lo grande.
Y lo que sucedió fue la formación de las primeras estrellas. No hay estrellas ordinarias, sino gigantes súper masivos que viven vidas muy rápidas y llegan a extremos muy, muy espectaculares. En esos extremos, estas estrellas colapsaron sobre sí mismas (bajo el peso de toda esa masa) generando tremendas ondas de choque de tal intensidad que fusionaron elementos completamente nuevos de los más antiguos. Como resultado, el espacio-tiempo se impregnó de todos los muchos tipos de materia (átomos) que componen la revista Space.
Hoy en día, existen dos tipos de materia atómica: primordial y algo que podríamos llamar "material estelar". Ya sea de origen primordial o estelar, la materia atómica constituye todas las cosas tocadas y vistas. Los átomos tienen propiedades y comportamientos: inercia, gravedad, extensión en el espacio y densidad. También pueden tener carga eléctrica (si está ionizada) y participar en reacciones químicas (para formar moléculas de gran sofisticación y complejidad). Todo lo que vemos se basa en un patrón fundamental establecido hace mucho tiempo por esos átomos primordiales misteriosamente creados después del Big Bang. Este patrón se basa en dos unidades fundamentales de carga eléctrica: el protón y el electrón, cada uno de los cuales tiene masa y es capaz de hacer esas cosas a las que es susceptible la masa.
Pero no toda la materia sigue exactamente al prototipo de hidrógeno. Una diferencia es que los átomos de nueva generación tienen neutrones equilibrados eléctricamente, así como protones cargados positivamente en sus núcleos. Pero aún más extraño es un tipo de materia (materia oscura) que no interactúa con la luz en absoluto. Y además (solo para mantener las cosas simétricas), puede haber un tipo de energía (energía de vacío) que no toma la forma de fotones, actuando más como una "presión suave" que hace que el universo se expanda con un impulso no suministrado originalmente por el Big Bang.
Pero volvamos a las cosas que podemos ver ...
En relación con la luz, la materia puede ser opaca o transparente: puede absorber o refractar la luz. La luz puede pasar a la materia, a través de la materia, reflejarse en la materia o ser absorbida por la materia. Cuando la luz pasa a la materia, la luz se ralentiza, mientras que su frecuencia aumenta. Cuando la luz se refleja, el camino que toma cambia. Cuando se absorbe la luz, se estimulan los electrones, lo que puede conducir a nuevas combinaciones moleculares. Pero aún más significativamente, Cuando la luz atraviesa la materia, incluso sin absorción, los átomos y las moléculas vibran en el continuo espacio-tiempo y debido a esto, la luz puede reducirse en frecuencia. Vemos, porque algo llamado "luz" interactúa con algo llamado "materia" en algo llamado "el continuo espacio-tiempo".
Además de describir los efectos gravitacionales de la materia en el espacio-tiempo, Einstein realizó una investigación extremadamente elegante sobre la influencia de la luz asociada con el efecto fotoeléctrico. Antes de Einstein, los físicos creían que la capacidad de las luces para afectar la materia se basaba principalmente en la "intensidad". Pero el efecto fotoeléctrico mostró que la luz también afectaba a los electrones en función de la frecuencia. Por lo tanto, la luz roja, independientemente de la intensidad, no logra desplazar los electrones en los metales, mientras que incluso niveles muy bajos de luz violeta estimulan las corrientes eléctricas medibles. Claramente, la velocidad a la que vibra la luz tiene un poder propio.
La investigación de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico contribuyó poderosamente a lo que más tarde se conoció como mecánica cuántica. Los físicos pronto aprendieron que los átomos son selectivos acerca de las frecuencias de luz que absorberán. Mientras tanto, también se descubrió que los electrones eran la clave de toda absorción cuántica, una clave relacionada con propiedades tales como las relaciones de un electrón con otros y con el núcleo del átomo.
Así que ahora llegamos a nuestro segundo punto: absorción selectiva y emisión de fotones por electrones no explica la propagación continua de frecuencias observadas al examinar la luz a través de nuestros instrumentos-3.
¿Qué puede explicarlo entonces?
Una respuesta: el principio de "reducción" asociado con el refracción y absorción de luz.
El vidrio común, como en las ventanas de nuestros hogares, es transparente a la luz visible. Sin embargo, el vidrio refleja la mayor parte de la luz infrarroja y absorbe los rayos ultravioleta. Cuando la luz visible ingresa a una habitación, es absorbida por muebles, alfombras, etc. Estos elementos convierten parte de la luz en calor o radiación infrarroja. Esta radiación infrarroja queda atrapada por el cristal y la habitación se calienta. Mientras tanto, el vidrio es opaco a ultravioleta. La luz emitida por el Sol en el ultravioleta es absorbida principalmente por la atmósfera, pero algunos ultravioletas no ionizantes logran pasar. La luz ultravioleta se convierte en calor mediante el vidrio de la misma manera que los muebles absorben y vuelven a irradiar la luz visible.
¿Cómo se relaciona todo esto con la presencia de luz visible en el Universo?
Dentro del Sol, los fotones de alta energía (luz invisible desde el perímetro del núcleo solar) irradian el manto solar debajo de la fotosfera. El manto convierte estos rayos en "calor" por absorción, pero este "calor" particular es de una frecuencia muy superior a nuestra capacidad de ver. Luego, el manto establece corrientes convectivas que transportan calor hacia la fotosfera y, al mismo tiempo, emiten fotones con menos energía, pero aún invisibles. El "calor" y la "luz" resultantes pasan a la fotosfera solar. En la fotosfera (“la esfera de la luz visible”) los átomos se “calientan” por convección y se estimulan mediante refracción para que vibren a una velocidad lo suficientemente lenta como para emitir luz visible. Y es este principio el que explica la luz visible emitida por las estrellas, que son, con mucho, la fuente de luz más importante vista en todo el cosmos.
Entonces, desde cierta perspectiva, podemos decir que el "índice de refracción" de la fotosfera del Sol es el medio por el cual la luz invisible se convierte en luz visible. Sin embargo, en este caso, invocamos la idea de que el índice de refracción de la fotosfera es tan alto que los rayos de alta energía se doblan hasta el punto de absorción. Cuando esto ocurre, las ondas de baja frecuencia se generan radiando como una forma de calor perceptible para el ojo y no simplemente cálida al tacto ...
Y con toda esta comprensión bajo nuestros pies intelectuales, ahora podemos responder a nuestra pregunta: la luz que vemos hoy es La luz primordial de la creación. Pero es la luz que se materializó unos pocos cientos de miles de años después del Big Bang. Más tarde, esa luz materializada se unió bajo la influencia de la gravedad como grandes orbes condensados. Estos orbes desarrollaron potentes hornos alquímicos que desmaterializan la materia en luz. invisible. Más tarde, a través de la refracción y la absorción, la luz invisible se hizo visible para el ojo mediante el rito de paso a través de esas grandes "lentes de luminosidad" que llamamos las estrellas ...
-1Cómo todas las cosas cosmológicas ocurrieron en detalle es probablemente el área principal de la investigación astronómica actual y llevará a los físicos, con sus "destructores de átomos", astrónomos, con sus telescopios, matemáticos, con sus supercomputadoras (¡y lápices!) y cosmólogos, con su comprensión sutil de los primeros años del universo, para resolver todo el asunto.
-2
En cierto sentido, la materia puede simplemente ser una distorsión del continuo espacio-tiempo, pero estamos muy lejos de comprender ese continuo en todas sus propiedades y comportamientos.
-3El Sol y todas las fuentes luminosas de luz muestran una absorción oscura y bandas de emisión brillantes de frecuencias muy estrechas. Estas, por supuesto, son las diversas líneas de Fraunhofer relacionadas con las propiedades mecánicas cuánticas asociadas con los estados de transición de los electrones asociados con átomos y moléculas específicos.
Sobre el Autor:Inspirado en la obra maestra de principios de 1900: "El cielo a través de los telescopios de tres, cuatro y cinco pulgadas", Jeff Barbour comenzó a trabajar en astronomía y ciencia espacial a la edad de siete años. Actualmente, Jeff dedica gran parte de su tiempo a observar los cielos y mantener el sitio web Astro.Geekjoy.
