Είμαστε μόνοι στο σύμπαν;

26 07 2011

Έχετε ποτέ κοιτάξει ψηλά στο νυχτερινό ουρανό και να αναρωτηθείτε αν κάποιος, ή κάτι, σας κοιτάζει από εκεί ψηλά; Αν ίσως κάπου εκεί έξω υπάρχει μια μυστηριώδης σπίθα, αυτή που ονομάζουμε ζωή;

human-space-universe-cosmos

Διαισθητικά, αισθάνεστε ότι δεν μπορούμε να είμαστε μόνοι. Για κάθε ένα από τα 2.000 αστέρια που μπορείτε να δείτε με γυμνό μάτι, υπάρχουν άλλα 50 εκατομμύρια στο Γαλαξία μας, που είναι ένας από τους 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες. Με άλλα λόγια, το μητρικό μας αστέρι είναι ένα από από 10.000 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων που βρίσκονται στο σύμπαν. Μήπως υπάρχει και μια άλλη μπλε κουκίδα εκεί έξω – ένα σπίτι για την ευφυή ζωή όπως το δικό μας; Είναι μια απλή σκέψη, που δεν ξέρουμε.

Ένας τρόπος για να υπολογιστεί ο αριθμός των ευφυών πολιτισμών επινοήθηκε από τον αστρονόμο Frank Drake. Η διάσημη εξίσωση του λαμβάνει υπόψη το ρυθμό σχηματισμού των άστρων, το κλάσμα των άστρων με πλανήτες και την πιθανότητα να προκύψει ζωή, μια νοήμον ζωή, καθώς και ευφυή πλάσματα που μπορούν να επικοινωνούν μαζί μας.

Μπορούμε τώρα να βάλουμε αριθμούς σε μερικούς από τους παράγοντες αυτούς. Γνωρίζουμε ότι περίπου 20 αστέρια γεννιούνται στο Γαλαξία μας κάθε χρόνο και έχουμε εντοπίσει περισσότερους από 560 εξωπλανήτες γύρω από άλλα άστρα, εκτός από τον ήλιο. Περίπου το ένα τέταρτο αυτών των άστρων έχει έναν πλανήτη παρόμοιο σε μάζα με τη Γη.

Όμως, η εκτίμηση για τους βιολογικούς παράγοντες είναι κάτι περισσότερο από εικασία. Γνωρίζουμε ότι η ζωή είναι απίστευτα ευπροσάρμοστη από τη στιγμή που θα προκύψει, όχι όμως και πόσο καλό θα είναι το ξεκίνημα στην πρώτη θέση του.

Μοναδικός πλανήτης

Μερικοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι η ζωή είναι σχεδόν αναπόφευκτη σε κάθε κατοικήσιμο πλανήτη. Άλλοι υποψιάζονται ότι απλή ζωής είναι συνηθισμένη, αλλά η ευφυής ζωή εξαιρετικά σπάνια. Άλλοι πιστεύουν ότι ο πλανήτης μας είναι μοναδικός. «Η ζωή μπορεί ή δεν μπορεί να σχηματιστεί εύκολα», λέει ο φυσικός Paul Davies του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα στο Tempe. «Είμαστε εντελώς στο σκοτάδι.»

Αυτά για τις εξισώσεις. Τι γίνεται όμως με τα αποδεικτικά στοιχεία; Η ανακάλυψη ζωής στον Άρη κατά πάσα πιθανότητα δεν θα βοηθήσει, καθώς θα ήταν πολύ πιθανό να μοιράζονται την καταγωγή του με τη γήινη. «Οι συγκρούσεις μεταφέρουν αναμφίβολα μικροοργανισμούς πέρα δώθε”, λέει ο Davies. «Ο Άρης και η Γη δεν είναι ανεξάρτητα οικοσυστήματα.» Η ανακάλυψη φυσικά ζωής στον Τιτάνα θα είναι πιο αποκαλυπτική. Ο Τιτάνας είναι το μόνο άλλο μέρος του ηλιακού μας συστήματος με υγρό στην επιφάνειά του – αν και είναι λίμνες αιθανίου. «Αρχίζουμε να πιστεύουμε ότι αν υπάρχει ζωή στον Τιτάνα θα είχε μια ξεχωριστή καταγωγή», ΄τονίζει ο Dirk Schulze-Makuch στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο Ουάσιγκτον. «Αν μπορούμε να βρούμε εκεί μια ξεχωριστή καταγωγή τότε μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα: “Εντάξει, υπάρχει πολλή ζωή στο σύμπαν «.

Η ανακάλυψη εξωγήινων μικροβίων στο ηλιακό μας σύστημα θα ήταν κάποιου είδους απόδειξη ότι δεν είμαστε μόνοι μας, αλλά αυτό που πραγματικά θέλουμε να γνωρίζουμε είναι αν υπάρχει μια άλλη νοήμων ζωή εκεί έξω. Εδώ και 50 χρόνια οι αστρονόμοι έχουν σάρωσε τον ουρανό με ραδιοτηλεσκόπια για οποιοδήποτε υπαινιγμό ενός τυχόν μηνύματος. Μέχρι στιγμής όμως δεν έχουμε βρει τίποτα.

Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι οι ET δεν βρίσκονται εκεί έξω. Απλά ίσως να μην γνωρίζουν ότι είμαστε εδώ. Το μόνο αποδεικτικό στοιχείο της ύπαρξής μας, που φτάνει πέρα ​​από το ηλιακό σύστημα είναι τα ραδιοφωνικά σήματα και το φως από τις πόλεις μας. «Είχαμε μια μετάδοση ισχυρών ραδιοκυμάτων από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο”, λέει ο Seth Shostak του Ινστιτούτου SETI στην Καλιφόρνια. Έτσι, αυτά τα σήματα θα έχουν ταξιδέψει σε απόσταση 70 ετών φωτός στο διάστημα, μια σταγόνα στον ωκεανό. Εάν ο Γαλαξίας ήταν το μέγεθος του Λονδίνου και η Γη ήταν στη βάση της στήλης του Νέλσον, τα ραδιοσήματα μας θα εξακολουθούν να μην έχουν αφήσει την πλατεία Τραφάλγκαρ.

«Είναι πιθανώς ασφαλές να ειπωθεί ότι ακόμη και αν ο τοπικός μας γαλαξίας είναι γεμάτος με εξωγήινους, κανένας από αυτούς δεν θα γνωρίζει ότι ο Homo sapiens είναι εδώ», τονίζει ο Shostak. Αυτό λειτουργεί και αντίστροφα. Δεδομένου του μεγέθους του σύμπαντος και της ταχύτητας του φωτός, τα περισσότερα αστέρια και οι πλανήτες είναι απλά εκτός εμβέλειας.

Είναι επίσης πιθανό ότι η εξωγήινη ευφυής ζωή να χωρίζεται από εμάς από πολύ χρόνο. Γιατί γνωρίζουμε ότι η ανθρώπινη νοημοσύνη υπάρχει για ένα ασήμαντο μέρος της ιστορίας της Γης και μπορεί να είναι μόνο μια φευγαλέα φάση. Έτσι, μπορεί να είναι πολύ τραβηγμένο να ελπίζουμε ότι ένας κοντινός μας εξωπλανήτης όχι μόνο φιλοξενεί ευφυή ζωή, αλλά αυτή υπάρχει ταυτόχρονα με μας τώρα.

Αλλά ας πούμε ότι ήρθαμε σε επαφή με εξωγήινους. Πώς θα αντιδράσουμε εμείς; Η NASA έχει καταστρώσει κάποια σχέδια, και οι περισσότερες θρησκείες ισχυρίζονται ότι θα είναι σε θέση να απορροφήσει αυτή την ιδέα, αλλά η ουσία είναι ότι δεν θα ξέρουμε τίποτα μέχρι να συμβεί.

Το πιο πιθανό είναι ότι δεν πρόκειται ποτέ να την μάθουμε. Ακόμα κι αν η Γη δεν είναι ο μόνος πλανήτης με έξυπνη ζωή, φαίνεται ότι είμαστε προορισμένοι να ζήσουμε ολόκληρη την ζωή μας σαν να ήταν – αλλά με μια διαρκή αίσθηση ότι δεν μπορεί να είναι. Κάτι σαν μια υπαρξιακή αβεβαιότητα.

Πηγή: http://www.physics4u.gr/blog/?p=3747





Ποιο είναι το σχήμα του σύμπαντος;

26 08 2009

Όσοι έχουν διαβάσει εκλαϊκευμένα βιβλία της φυσικής και της αστρονομίας, συχνά βλέπουν ότι το big bang εξηγείται με τη χρήση μιας εικόνας που περιγράφει ένα σύμπαν δύο διαστάσεων (σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού) που επεκτείνεται στις τρεις διαστάσεις. Τι σχήμα όμως έχει στην πραγματικότητα το σύμπαν;

Ασφαλώς όλοι μας όπως και οι περισσότεροι αστρονόμοι θα ήθελαν να γνωρίζουν το σχήμα του σύμπαντος. Για το σχήμα υπάρχουν τρεις γενικές δυνατότητες.

Πρώτον, όπως και το μπαλόνι, το σύμπαν μπορεί να έχει αυτό που λέμε θετική καμπυλότητα, σαν μια σφαίρα. Στην περίπτωση αυτή, που ονομάζουμε «κλειστό» σύμπαν, το σύμπαν θα είναι πεπερασμένο σε μέγεθος, αλλά χωρίς όρια, όπως και το μπαλόνι. Σε ένα κλειστό σύμπαν, θα μπορούσε, κατ ‘αρχήν, να πετάξει ένα διαστημόπλοιο συνεχώς προς τη μια κατεύθυνση και να επιστρέψει στο σημείο από όπου ξεκίνησε. Το κλειστό σύμπαν είναι επίσης κλειστό και στον χρόνο: αυτό τελικά θα σταματήσει κάποτε την διαστολή, και έπειτα θα γίνει αυτό που λέμε «Μεγάλη Σύνθλιψη», δηλαδή το σύμπαν θα φτάσει στο σημείο που ξεκίνησε.  Όλη η γνωστή γεωμετρία που ξέρουμε σε μια σφαίρα είναι επίσης ίδια και σε ένα κλειστό σύμπαν: για παράδειγμα οι παράλληλες γραμμές τελικά συγκλίνουν (π.χ. οι μεσημβρινοί που είναι παράλληλοι στον ισημερινό, συγκλίνουν τελικά στο πόλους), τα μεγάλα τρίγωνα έχουν πάνω από 180 μοίρες, κλπ.

universe_geometry

Η δεύτερη δυνατότητα που έχει ένα σύμπαν είναι να είναι επίπεδο ή με μηδενική καμπυλότητα. Αυτό το είδος του σύμπαντος, μπορείτε να το φανταστείτε αν κόψετε μια φέτα του υλικού από ένα μπαλόνι και το απλώσετε με τα χέρια σας. Η επιφάνεια του υλικού είναι επίπεδη, δεν είναι κυρτή, αλλά μπορείτε να το ανοίξετε βάζοντας δύναμη σε κάθε άκρο του. Το επίπεδο σύμπαν είναι άπειρο σε έκταση στο χώρο, και δεν έχει όρια. Οι παράλληλες γραμμές είναι πάντα παράλληλες και τα τρίγωνα έχουν πάντα 180 μοίρες. Το επίπεδο σύμπαν θα εκτείνεται για πάντα, αλλά ο ρυθμός διαστολής προσεγγίζει το μηδέν.

Τέλος, το σύμπαν μπορεί να είναι «ανοικτό», ή να έχει αρνητική καμπυλότητα σύμφωνα με τους μαθηματικούς. Αυτό είναι ένα είδος σύμπαντος σε σχήμα σέλας. Επίσης, είναι άπειρο και χωρίς όρια. Οι παράλληλες γραμμές τελικά αποκλίνουν, και τα τρίγωνα έχουν λιγότερο από 180 μοίρες. Τα ανοικτά σύμπαντα θα διαστέλλονται για πάντα, ενώ ο ρυθμός της διαστολής ποτέ δεν θα προσεγγίσει το μηδέν.

Τι είναι όμως αυτό που καθορίζει το σχήμα του σύμπαντος; Είναι η πυκνότητα (και η κοσμολογική σταθερά, ένα είδος αντι-βαρυτικής δύναμης που επιτρέπεται από την Γενική Σχετικότητα).

Ενώ είναι δύσκολο να υπολογίσουμε ποια είναι η ακριβής πυκνότητα – της ενέργειας και της ύλης – του σύμπαντος σήμερα, φαίνεται από πολλές μετρήσεις ότι το σύμπαν είναι μάλλον επίπεδο κι όχι σφαιρικό. 

Η παρανόηση

Βέβαια οι περισσότεροι θα σκεφτούν γιατί το Σύμπαν να είναι επίπεδο κι όχι σφαιρικό. Αν πράγματι το Σύμπαν γεννήθηκε με μία Μεγάλη Έκρηξη δεν θα ήταν πιο λογικό το Big Bang να οδηγούσε σε ένα σύμπαν σε σχήμα σφαίρας που θα επεκτείνεται, διατηρώντας παράλληλα το σχήμα της σφαίρας;

Η έννοια του Big Bang έχει συχνά παρερμηνευθεί. Οι πιο πολλοί εκτιμούν ότι κάτι εξερράγη κάπου και στη συνέχεια το μέρος που εξερράγη επεκτείνεται όπως είναι σήμερα. Είναι μια βασική παρανόηση. Πριν από το Big Bang, δεν υπήρχε χώρος ή χρόνος. Έτσι, δεν υπάρχει τίποτα «εκτός» το Big Bang. Το Σύμπαν απλά εξελίχθηκε από έναν πολύ μικρό όγκο σε ένα τεράστιο όγκο, ενώ συνεχίζει ακόμη και σήμερα να διαστέλλεται. Έτσι, ο τόπος στον οποίο είμαστε σήμερα αντιστοιχεί σε κάποιο μέρος σε ένα πολύ μικρό όγκο στο πολύ πρώιμο Σύμπαν. Ως εκ τούτου, το Big Bang συνέβη παντού μέσα στο Σύμπαν, σε όλες τις θέσεις, συμπεριλαμβανομένων και της Γης όπου βρισκόμαστε τώρα.

Και γιατί όλοι οι άνθρωποι έχουν παρερμηνεύσει το Big Bang;

Αυτή η παρερμηνεία του κόσμου οφείλεται σε μια παρεξήγηση. Όλοι οι ειδικοί για να δώσουν μια οπτική εικόνα του Big Bang, αναφέρουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται σαν ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Και γι αυτό μας προκαλεί τόση σύγχυση η πρώτη εικόνα-παράδειγμα που μας έδωσαν στο σχολείο. Σβήστε την λοιπόν από το μυαλό σας.

 Το πρόβλημα με το μπαλόνι είναι ότι πρόκειται για μια δισδιάστατη επιφάνεια σε μια τρισδιάστατη κατάσταση. Νομίζουμε λοιπόν ότι οτιδήποτε συμβαίνει στις δύο διαστάσεις στην επιφάνεια του μπαλονιού συμβαίνει και στις τρεις διαστάσεις στο σύμπαν. Για παράδειγμα, ενώ η επιφάνεια του μπαλονιού «απλώνεται» αναλογικά σε δύο κατευθύνσεις, το σύμπαν αναλογικά εκτείνεται σε ΤΡΕΙΣ κατευθύνσεις. Η τρίτη διάσταση στο μπαλόνι (δηλαδή η κατεύθυνση που είναι κάθετη προς την επιφάνεια και που μας επιτρέπει να δούμε την καμπυλότητα του μπαλονιού γι αυτό και έχουμε την παρανόηση της σφαίρας – σύμπαντος), είναι η τέταρτη διάσταση στο σύμπαν μας. Και δυστυχώς δεν έχουμε την δυνατότητα να παρακολουθήσουμε αυτή την «τέταρτη διάσταση» στον τρισδιάστατο Κόσμο μας.

Για την άρση της παρεξήγησης να προτιμούμε την αναλογία του σταφιδόψωμου. Σε αυτή την αναλογία, το σύμπαν είναι η άμορφη μάζα της ζύμης που ψήνεται στον  φούρνο και αρχίζει να φουσκώνει. Οι σταφίδες αντιπροσωπεύουν τους γαλαξίες μέσα στο σύμπαν. Και καθώς φουσκώνει η ζύμη, οι αποστάσεις ανάμεσα στις σταφίδες (τους γαλαξίες) αυξάνονται και στις τρεις κατευθύνσεις.

Το παρατηρήσιμο σύμπαν και ο πληθωρισμός

Και γιατί το Σύμπαν να φαίνεται επίπεδο; Είναι ένα από τα ερωτήματα που προκαλούσαν αμηχανία στους κοσμολόγους για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σήμερα, οι περισσότεροι θεωρητικοί πιστεύουν στην θεωρία του πληθωρισμού (και υπάρχουν ορισμένες αποδείξεις στην Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου που την υποστηρίζουν). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το Σύμπαν υπέστη μια πολύ σύντομη εκθετική διαστολή περίπου 10-30 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang. Το αποτέλεσμα αυτής της απίστευτης διαστολής ήταν το εξής: το σύμπαν από το μέγεθος του ενός ατόμου διευρύνθηκε πολύ γρήγορα στο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος, μέχρι το τέλος της πληθωριστικής εποχής. Σε μια τέτοια περίπτωση, ανεξάρτητα από την αρχική γεωμετρία του Σύμπαντος, το τελευταίο μας φαίνεται επίπεδο.

Σκεφθείτε το και αλλιώς. Πέρα από τις όποιες παρατηρήσεις που έχουμε για το επίπεδο σύμπαν, οι αποστάσεις που αντιλαμβανόμαστε σε αυτό το αχανές σύμπαν είναι πάρα πολύ μικρές για να ανιχνεύσουμε οποιαδήποτε ενδεχόμενη καμπυλότητα στο Σύμπαν.

Μήπως όμως κάνουμε λάθος; Μήπως οι παρατηρήσεις μας δεν είναι σωστές;

Είναι αλήθεια πως οι έρευνες στον ουρανό για να αποδειχθεί η επιπεδότητα δεν γίνονται σε όλο το Σύμπαν, αλλά σε ένα μικρό τμήμα του, το λεγόμενο παρατηρήσιμο σύμπαν. Εξ ορισμού, «Σύμπαν» αποτελεί ό,τι υπάρχει, ενώ το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι ό,τι υπάρχει μέσα στον δικό μας ορίζοντα (δηλαδή, ο όγκος του σύμπαντος, εντός του οποίου το φως είχε τον απαραίτητο χρόνο για να φτάσει ως εμάς). Κάθε παρατήρηση που κάνουμε περιορίζεται μόνο στο παρατηρήσιμο σύμπαν, και δεν έχουμε τη δυνατότητα να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι συμβαίνει πέρα από αυτόν τον ορίζοντα. Επομένως, όταν λέμε ότι ο δορυφόρος WMAP μας πρόσφερε  ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία ότι το σύμπαν είναι επίπεδο, στην πραγματικότητα σημαίνει ότι ο δορυφόρος WMAP μας πρόσφερε  ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία ότι το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι επίπεδο.

Και αφού δεν γνωρίζουμε το αθέατο ή αυτό που είναι πέραν του παρατηρήσιμου σύμπαντος  γιατί ισχυριζόμαστε ότι όλο το Σύμπαν είναι επίπεδο. Επειδή, σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία, ακόμα και αν το Σύμπαν έχει κάποια καμπυλότητα, το παρατηρήσιμο σύμπαν θα πρέπει να είναι επίπεδο στο βαθμό στον οποίο έχουμε τη δυνατότητα να το μετρούμε.

Αν λοιπόν το πληθωριστικό μοντέλο είναι αληθινό τότε ναι είναι πραγματική και η επιπεδότητα (χωρίς καμιά καμπυλότητα) του παρατηρήσιμου σύμπαντος. 

Πηγή: http://www.physics4u.gr/faq/what_shape_universe.html





Από που προέρχεται το ορατό φως που παρατηρούμε στο Σύμπαν;

10 07 2009

Άρθρο του Jeff Barbour

Πηγή: Universe Today, Ιανουάριος 2005

Προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι πολλοί ερασιτέχνες αστρονόμοι (αλλά και αρκετοί επαγγελματίες) δεν έχουν μια ξεκάθαρη εικόνα , από που έρχεται το ορατό φως στο Σύμπαν. «Από τ’ αστέρια» είναι η εύκολη απάντηση. Ας ακολουθήσουμε όμως τον Jeff Barbour καθώς προσπαθεί να φωτίσει το ζήτημα του τι σημαίνει ακριβώς αστρικό φως και αστρική ύλη.

Ήταν πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια όταν συνέβη ένα πολύ σημαντικό κοσμολογικό γεγονός. Μιλάμε φυσικά για το Big Bang. Οι κοσμολόγοι μας λένε ότι κάποτε δεν υπήρχε Σύμπαν όπως το γνωρίζουμε σήμερα. Αυτό που υπήρχε τότε ήταν το κενό, μια έννοια πέρα από κάθε τι που μπορεί να συλλάβει το μυαλό μας.

Γιατί; Υπάρχουν δύο απαντήσεις στην ερώτηση αυτή. Η φιλοσοφική απάντηση για παράδειγμα: Διότι πριν να πάρει μορφή το Σύμπαν δεν υπήρχε κάτι που θα μπορούσαμε να αντιληφθούμε. Υπάρχει όμως και μια επιστημονική απάντηση: Πριν από το Big Bang δεν υπήρχε χωροχρονικό συνεχές, δηλαδή το μη υλικό εκείνο μέσον, μέσα στο οποίο όλα τα πράγματα (ύλη και ενέργεια) κινούνται.

Όταν το χωροχρονικό συνεχές αναδύθηκε, ένα από τα πιο ευκίνητα αντικείμενα που σχηματίστηκαν ήταν οι μονάδες του φωτός που οι φυσικοί αποκαλούν «φωτόνια». Η έννοια των φωτονίων περιέχει το γεγονός ότι αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια δείχνουν δύο φαινομενικά αντίθετες συμπεριφορές. Η μια συμπεριφορά έχει να κάνει με το πως αυτά δρουν ως μέλη μιας ομάδας (σ’ ένα μέτωπο κύματος) και η άλλη σχετίζεται με το πως συμπεριφέρονται όταν είναι μεμονωμένα Μπορούμε να σκεφτούμε ένα μεμονωμένο φωτόνιο σαν ένα πακετάκι κυμάτων, που προχωρεί στον χώρο και συγχρόνως περιστρέφεται σαν ένα ανοιχτήρι φελλών μπουκαλιών. Κάθε πακέτο είναι μια ταλάντωση σε δύο κάθετους μεταξύ τους άξονες. Ο ένας αντιστοιχεί στο ηλεκτρικό και ο άλλος στο μαγνητικό πεδίο. Επειδή το φως είναι μια ταλάντωση, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα κύματα. Ένας τρόπος να κατανοήσουμε αυτή την διπλή συμπεριφορά του φωτός, είναι να αναγνωρίσουμε ότι τα κύματα επηρεάζουν τα τηλεσκόπιά μας, αλλά τα φωτόνια είναι αυτά που απορροφούνται από τα νευρικά μας κύτταρα. 

Τα πρώτα φωτόνια που ταξίδεψαν μέσα στο χωροχρονικό συνεχές ήταν εξαιρετικά ισχυρά. Ως ομάδα είχαν μια τρομακτική ένταση. Σαν διακριτά σωματίδια, ταλαντωνόταν το καθένα σε ένα απίθανο ρυθμό. Το φως αυτών των πρωταρχικών φωτονίων γρήγορα φώτισε τα όρια του σύμπαντος που διαστελλόταν πολύ γρήγορα. Το φως βρισκόταν παντού, αλλά η ύλη δεν είχε ακόμα γίνει ορατή. 

Καθώς το σύμπαν διαστελλόταν, το πρωταρχικό φως έχανε συνεχώς και σε συχνότητα και σε ένταση. Αυτό συνέβη καθώς τα αρχικά φωτόνια διαχέονταν όλο και αραιότερα μέσα στο διαστελλόμενο σύμπαν. Σήμερα ακόμα υπάρχει ο απόηχος αυτού του αρχικού φωτός της δημιουργίας. Το βλέπουμε σαν κοσμικό υπόβαθρο ακτινοβολίας στην περιοχή των μικροκυμάτων. Και βέβαια αυτή η ακτινοβολία σήμερα δεν είναι ορατή στο μάτι, όπως δεν είναι και η ακτινοβολία από ένα φούρνο μικροκυμάτων. 

Το πρωταρχικό φως Δεν είναι η ακτινοβολία που βλέπουμε σήμερα. Η πρωταρχική ακτινοβολία έχει υποστεί ερυθρή μετατόπιση προς τις πολύ μικρές συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Έχουν δηλαδή μεγαλώσει πάρα πολύ τα μήκη κύματος από τα οποία αποτελείται. Αυτό συνέβη καθώς το σύμπαν διαστελλόταν από την αρχική κατάσταση που δεν ήταν μεγαλύτερη από το μέγεθος ενός ατόμου, σ’ αυτό που σήμερα μας φαίνεται ατελείωτο ακόμη και με τα ισχυρότερα μέσα παρατήρησης που διαθέτουμε. Αφού λοιπόν αυτή η ακτινοβολία δεν είναι ορατή, πρέπει να αναζητήσουμε αλλού το είδος του φωτός που είναι ορατό στα μάτια μας και στα τηλεσκόπιά μας.  

Τα άστρα (όπως ο Ήλιος μας) υπάρχουν επειδή ο χωροχρόνος κάνει και άλλα πράγματα εκτός από το να διαδίδει απλά το φως ως κύματα. Κατά κάποιον μυστηριώδη τρόπο, ο χωροχρόνος δημιουργεί επίσης και την ύλη. Και ένα πράγμα που ξεχωρίζει το φως από την ύλη, είναι ότι η ύλη έχει «μάζα» ενώ το φως δεν έχει. 

Επειδή έχει μάζα, η ύλη εμφανίζει δύο κύριες ιδιότητες. Αδράνεια και βαρύτητα. Η αδράνεια μπορεί να θεωρηθεί ως η αντίσταση στη μεταβολή. Βασικά η ύλη θέλει να διατηρήσει την κατάστασή της, εκτός κι αν επενεργήσει μια εξωτερική αιτία επάνω της. Νωρίς, κατά τον σχηματισμό του σύμπαντος, το βασικό αίτιο που υπερνικούσε την αδράνεια της ύλης ήταν το φως. Κάτω από την επίδραση της πίεσης της; ακτινοβολίας, η πρωταρχική ύλη (κυρίως αέριο υδρογόνο) άρχισε να «οργανώνεται». 

Ακολουθώντας την πίεση του φωτός, ανέλαβε δράση ένας λεπτός παράγοντας στο εσωτερικό της ύλης, αυτός που ονομάζουμε βαρύτητα.  Η βαρύτητα έχει χαρακτηριστεί ως μια παραμόρφωση του χωροχρονικού συνεχούς. Τέτοιες παραμορφώσεις συμβαίνουν οπουδήποτε υπάρχει μάζα. Επειδή η ύλη έχει μάζα, ο χώρος καμπυλώνεται. Αυτή η καμπύλωση είναι που κάνει την ύλη και το φως να κινούνται με τρόπους που περιέγραψε πρώτος ο Albert Einstein κατά τις αρχές του 20ου αιώνα. Κάθε μικρό άτομο ύλης προκαλεί και μια μικροσκοπική παραμόρφωση στο χωροχρόνο. Και όταν αρκετές μικροπαραμορφώσεις συναθροιστούν, κάτι συμβαίνει σε μεγαλύτερη κλίμακα. 

Και αυτό που συνέβη ήταν ο σχηματισμός των πρώτων άστρων. Δεν ήταν συνηθισμένα άστρα, αλλά γίγαντες με τεράστια μάζα που είχαν πολύ σύντομες ζωές ενώ το τέλος τους ήταν άκρως θεαματικό. Στο τέλος της ζωής τους αυτά τα άστρα κατέρρευσαν στον εαυτό τους κάτω από την επίδραση της ίδιας τους της βαρύτητας, γεννώντας φοβερά κρουστικά κύματα, τέτοιας έντασης ώστε να προκληθούν συντήξεις και να δημιουργηθούν νέα στοιχεία από τα παλαιότερα στοιχεία των άστρων. Ως αποτέλεσμα, ο χωροχρόνος κατακλύσθηκε με πολλούς τύπους ατόμων ύλης που αποτελούν το σύμπαν σήμερα. 

Σήμερα, υπάρχουν δύο τύποι ατομικής ύλης. Η πρωταρχική και αυτή που αποκαλούμε υλικό των άστρων. Είτε πρωταρχική είτε αστρική, η ατομική ύλη συνιστά όλα τα πράγματα που αγγίζουμε και βλέπουμε. Τα άτομα έχουν ιδιότητες και συμπεριφορές: αδράνεια, βαρύτητα, έκταση στο χώρο και πυκνότητα. Μπορούν να έχουν επίσης ηλεκτρικό φορτίο (αν ιονιστούν) και συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις (για να σχηματίσουν μόρια εξαιρετικής πολυπλοκότητας). Όλη η ύλη που βλέπουμε σήμερα βασίζεται σε θεμελιώδεις σχηματισμούς που έγιναν πολύ πίσω στο χρόνο από εκείνα τα μυστηριώδη πρωταρχικά άτομα αμέσως μετά το Big Bang. Ο σχηματισμός αυτός στηρίχτηκε σε δύο θεμελιακές μονάδες ηλεκτρικού φορτίου. Το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, που το καθένα τους έχει μάζα και μπορεί να κάνει όλα εκείνα που αποδίδονται στη μάζα. 

Δεν ακολουθεί όμως όλη η ύλη το πρότυπο του υδρογόνου. Μια διαφορά είναι ότι οι νεώτερες γενιές των ατόμων έχουν στον πυρήνα τους, τόσο φορτισμένα πρωτόνια όσο και ουδέτερα νετρόνια. Ακόμα πιο παράξενη όμως είναι εκείνη η μορφή ύλης που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη η οποία δεν αλληλεπιδρά καθόλου με το φως. Ακόμα παραπέρα, μπορεί να υπάρχει ένας τύπος ενέργειας, η ενέργεια κενού, η οποία δεν μετασχηματίζεται σε φωτόνια, και η οποία δρα σαν μια ήπια πίεση κάνοντας το Σύμπαν να διαστέλλεται με μια ορμή που δεν προέρχεται από το αρχικό Big Bang. 

Ας επιστρέψουμε όμως στο ορατό μέρος του Σύμπαντος...

Σε σχέση με το φως, η ύλη μπορεί να είναι διαφανής ή αδιαφανής, δηλαδή μπορεί να διαθλά ή να απορροφά το φως. Το φως μπορεί να περάσει μέσα στην ύλη, να την διαπεράσει, να ανακλαστεί από αυτήν, ή να απορροφηθεί από την ύλη. Όταν περνάει μέσα στην ύλη το φως, επιβραδύνεται ενώ το μήκος κύματός του ελαττώνεται. Όταν το φως ανακλάται αλλάζει η πορεία του. Όταν το φως απορροφάται, ηλεκτρόνια των ατόμων ή των μορίων διεγείρονται σε στάθμες υψηλότερης ενέργειας και συχνά προκαλούνται νέοι μοριακοί συνδυασμοί. Αλλά όταν το φως περνάει μέσα από την ύλη, πιο σημαντικό είναι το γεγονός ότι ακόμη και χωρίς απορρόφηση, τα άτομα και τα μόρια ταλαντώνουν το χωροχρονικό συνεχές και εξαιτίας αυτού του γεγονότος, μπορεί να ελαττωθεί η συχνότητα του φωτός. Μπορούμε και βλέπουμε, ακριβώς επειδή κάτι που ονομάζεται φως, αλληλεπιδρά με κάτι που ονομάζεται ύλη μέσα σε κάτι που ονομάζεται χωροχρονικό συνεχές.  

Εκτός από την περιγραφή των βαρυτικών φαινομένων της ύλης επί του χωροχρόνου, ο Einstein διρεύνησε με αρκετή οξυδέρκεια τον συσχετισμό του φωτός με το λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Πριν από τον Einstein, οι φυσικοί πίστευαν ότι η δυνατότητα του φωτός να επηρεάζει την ύλη οφειλόταν κυρίως στην έντασή του. Αλλά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έδειξε ότι το φως επηρέαζε τα ηλεκτρόνια με βάση και την συχνότητά του. Έτσι το κόκκινο φως – ανεξάρτητα από την έντασή του – αποτυγχάνει να μετακινήσει τα ηλεκτρόνια μέσα στα μέταλλα, ενώ ακόμα και πολύ μικρές ποσότητες ιώδους φωτός προκαλούν μετρήσιμα ηλεκτρικά ρεύματα. Είναι ξεκάθαρο ότι η συχνότητα του φωτός έχει κάποιες δυνατότητες από μόνη της. 

Η έρευνα του Einstein στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συνεισέφερε κυρίως σ’ αυτό που αργότερα ονομάστηκε κβαντομηχανική. Οι φυσικοί σύντομα έμαθαν ότι τα άτομα είναι εκλεκτικά στις συχνότητες φωτός που μπορούν να απορροφήσουν. Συγχρόνως ανακαλύφθηκε ότι τα ηλεκτρόνια ήταν το κλειδί σε κάθε κβαντική απορρόφηση. Το κλειδί αυτό σχετίζεται με τις ιδιότητες που έχουν οι αλληλεπιδράσεις τόσο των ηλεκτρονίων μεταξύ τους, όσο και των ηλεκτρονίων με τον πυρήνα του ατόμου. ‘

Ερχόμαστε λοιπόν στο δεύτερο σημείο που θα θέλαμε να θίξουμε. Η επιλεκτική απορρόφηση και εκπομπή φωτονίων από τα ηλεκτρόνια δεν εξηγεί τη συνεχή κατανομή των συχνοτήτων που βλέπουμε όταν εξετάζουμε το φως μέσα από τα όργανα παρατήρησης. 

Τί μπορεί να την εξηγήσει τότε;

Μια απάντηση είναι: «Η αρχή του υποβιβασμού» που σχετίζεται με τη διάθλαση και την απορρόφηση του φωτός. 

Το συνηθισμένο γυαλί – όπως αυτό στα παράθυρα των σπιτιών μας – είναι διαφανές στο ορατό φως. Το γυαλί όμως ανακλά κυρίως το υπέρυθρο και απορροφά το υπεριώδες φως. Όταν το ορατό φως εισέρχεται σ’ ένα δωμάτιο, απορροφάται από τα έπιπλα τα χαλιά κ.λ.π. Τα αντικείμενα αυτά μετατρέπουν μέρος του φωτός σε θερμότητα ή σε υπέρυθρη ακτινοβολία. Η υπέρυθρη ακτινοβολία παγιδεύεται από το γυαλί στο εσωτερικό του δωματίου και το δωμάτιο θερμαίνεται. Συγχρόνως, το ίδιο το γυαλί είναι αδιαφανές στο υπεριώδες. Το φως που εκπέμπεται από τον Ήλιο στην περιοχή του υπεριώδους, απορροφάται κατά το πλείστον από την ατμόσφαιρα – αλλά κάποιο μέρος της μη ιονίζουσας υπεριώδους ακτινοβολίας, καταφέρνει να φτάσει μέχρι την επιφάνεια της Γης. Το υπεριώδες φως μετατρέπεται σε θερμότητα από το γυαλί, κατά τον ίδιο τρόπο που τα έπιπλα απορροφούν το ορατό και επανεκπέμπουν στο ορατό και στο υπέρυθρο μέρος. 

Πώς σχετίζονται όλα αυτά με την παρουσία του ορατού φωτός στο Σύμπαν; 

Εντός του Ήλιου, τα φωτόνια υψηλής ενέργειας (αόρατο φως προερχόμενο από την περιφέρεια του ηλιακού πυρήνα), ακτινοβολεί τον ηλιακό μανδύα που βρίσκεται κάτω από την φωτόσφαιρα. Ο μανδύας μετατρέπει αυτές τις ακτίνες σε θερμότητα καθώς τις απορροφά, αλλά αυτή η ιδιαίτερη θερμότητα είναι τέτοιας συχνότητας που δεν μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι. Ο μανδύας τότε δημιουργεί ρεύματα διάδοσης στο εσωτερικό του, τα οποία μεταφέρουν την θερμότητα προς τα έξω, προς την φωτόσφαιρα, ενώ συγχρόνως εκπέμπει φωτόνια μικρότερης ενέργειας και συχνότητας που όμως δεν είναι ούτε αυτά ορατά στο ανθρώπινο μάτι. Η θερμότητα αυτή και τα φωτόνια περνούν στην ηλιακή φωτόσφαιρα. Στην φωτόσφαιρα (η σφαίρα του ορατού φωτός) τα άτομα θερμαίνονται από τα ρεύματα διάδοσης και διεγείρονται επίσης από τα φωτόνια που φτάνουν ως εκεί, ώστε με τη σειρά τους εκπέμπουν ορατό φως με χαμηλότερη συχνότητα. Ακριβώς λοιπόν αυτή η αρχή της υποβάθμισης της συχνότητας μας εξηγεί πως παράγεται το φως από τα άστρα, τα οποίο είναι και η κύρια πηγή φωτός του Σύμπαντος. 

Έτσι, από κάποια συγκεκριμένη σκοπιά, μπορούμε να πούμε ότι ο δείκτης διάθλασης της ηλιακής φωτόσφαιρας είναι το μέσον με το οποίο το αόρατο φως μετατρέπεται σε ορατό φως. Στην περίπτωση αυτή όμως, επικαλούμαστε την ιδέα ότι ο δείκτης διάθλασης της φωτόσφαιρας είναι τόσο μεγάλος ώστε οι ακτίνες υψηλής ενέργειας εκτρέπονται από την πορεία τους μέχρι του σημείου όπου γίνεται η απορρόφησή τους. Όταν συμβαίνει κάτι τέτοιο, δημιουργούνται κύματα με χαμηλότερη συχνότητα, τα οποία μεταφέρουν θερμότητα αλλά συγχρόνως γίνονται αντιληπτά και από το μάτι. Δεν προκαλούν δηλαδή αποκλειστικά θερμότητα κατά την αφή. 

Με όλο λοιπόν αυτό το υπόβαθρο κατανόησης των διάφορων μηχανισμών εκπομπής φωτός, μπορούμε επιτέλους να απαντήσουμε στην ερώτηση: Το φως που βλέπουμε σήμερα είναι το αρχικό φως της δημιουργίας. Είναι το φως που μετατράπηκε σε ύλη, μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang. Αργότερα αυτό το φως που έγινε ύλη, συγκεντρώθηκε κάτω από την επίδραση της βαρύτητας σε τεράστια συμπυκνώματα. Αυτά τα συμπυκνώματα στη συνέχεια ανέπτυξαν ισχυρότατους πυρηνικούς φούρνους οι οποίοι μετατρέπουν ξανά την ύλη σε αόρατο φως. Αργότερα, με τη βοήθεια των φαινομένων της διάθλασης και της απορρόφησης, το αόρατο φως μετατράπηκε σε ορατό φως για το μάτι μας καθώς περνούσε μέσα από τις τεράστιες μάζες των άστρων.  

Αναδημοσίευση από: http://www.physics4u.gr/articles/2005/fromwherecomelight.html








Αρέσει σε %d bloggers: