Από που προέρχεται το ορατό φως που παρατηρούμε στο Σύμπαν;
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.