לא עבר זמן רב מדי (13.7 מיליארד שנים לפי כמה חשבונות) שהתרחש אירוע קוסמולוגי משמעותי למדי. אנחנו מדברים כמובן על המפץ הגדול. קוסמולוגים אומרים לנו שבזמן מסוים לא היה יקום כפי שאנו מכירים אותו. כל מה שהיה קיים לפני הזמן הזה היה בטל ומבוטל - מעבר לכל תפיסה. למה? ובכן, יש כמה תשובות לשאלה הזו - התשובה פילוסופיתלמשל: כי לפני שהיקום התעצב לא היה מה להעלות על הדעת, עם או אפילו על מה. אבל יש גם תשובה מדעית והתשובה הזו מסתכמת בזה: לפני המפץ הגדול לא היהרצף מרחב-זמן- המדיום לא מהותישדרכו כל הדברים אנרגיה וחומר נעים.
ברגע שרצף המרחב-זמן צץ לקיומו, אחד הדברים המרגשים ביותר שהתגבשו היו היחידות של פיסיקאי האור המכונה 'פוטונים'. הרעיון המדעי של פוטונים מתחיל בעובדה שחלקיקי האנרגיה היסודיים הללו מציגים שתי התנהגויות סותרות לכאורה: התנהגות אחת קשורה לאופן שבו הם פועלים כחברים בקבוצה (בחזית גל) והשנייה מתייחסת לאופן שבו הם מתנהגים בבידוד. (כחלקיקים בדידים). ניתן להתייחס לפוטון בודד כעל חבילת גלים המתברגים במהירות בחלל. כל חבילה היא תנודה לאורך שני צירי כוח מאונכים - החשמלי והמגנטי. מכיוון שאור הוא תנודה, חלקיקי גל מתקשרים זה עם זה. אחת הדרכים להבין את הטבע הכפול של האור היא להבין שגל אחר גל של פוטונים משפיעים על הטלסקופים שלנו - אבל פוטונים בודדים נספגים על ידי הנוירונים שבעינינו.
הפוטונים הראשונים שנעו דרך רצף המרחב-זמן היו חזקים ביותר. כקבוצה, הם היו אינטנסיביים להפליא. כיחידים, כל אחד מהם רטט בקצב יוצא דופן. האור של פוטונים ראשוניים אלה האיר במהירות את הגבולות המתרחבים במהירות של היקום הצעיר. אור היה בכל מקום - אבל החומר עדיין לא נראה.
כשהיקום התרחב, האור הקדמון אבד בתדירות ובעוצמה כאחד. זה התרחש כאשר הפוטונים המקוריים התפשטו דק יותר ויותר על פני חלל הולך ומתרחב. היום, האור הראשון של הבריאה עדיין מהדהד סביב הקוסמוס. זה נתפס כקרינת רקע קוסמית. וקרינה מהסוג המסוים הזה כבר לא נראית לעין כמו הגלים שבתנור מיקרוגל.
אור קדמון הוא לא הקרינה שאנו רואים היום. קרינה קדמונית עברה לאדום לקצה הנמוך מאוד של הספקטרום האלקטרומגנטי. זה התרחש כשהיקום התרחב ממה שאולי במקור לא היה גדול מאטום בודד עד לנקודה שבה המכשירים הגדולים ביותר שלנו עדיין לא מצאו גבול כלשהו. הידיעה שהאור הקדמוני כעת כה חלש מחייבת לחפש במקום אחר כדי להסביר את סוג האור הנראה לעינינו ולטלסקופים האופטיים שלנו.
כוכבים (כגון השמש שלנו) קיימים מכיוון שהמרחב-זמן עושה יותר מאשר רק מעביר אור כגלים. איכשהו - עדיין לא מוסבר-1- מרחב-זמן גורם גם לחומר. ודבר אחד שמבדיל בין אור לחומר הוא שלחומר יש 'מסה' ואילו לאור אין.
בגלל המסה, החומר מציג שתי תכונות עיקריות: אינרציה וכוח המשיכה. אפשר לחשוב על אינרציה כהתנגדות לשינוי. ביסודו של דבר החומר הוא 'עצלן' ופשוט ממשיך לעשות כל מה שהוא עשה - אלא אם כן פעל על משהו מחוץ לעצמו. בתחילת היווצרות היקום, הדבר העיקרי להתגבר על עצלות החומר היה קל. בהשפעת לחץ הקרינה, חומר קדמון (בעיקר גז מימן) 'התארגן'.
בעקבות דחיפות האור, משהו בחומר השתלט עליו - אותה התנהגות עדינה שאנו מכנים 'כוח המשיכה'. הכבידה תוארה כ'עיוות של רצף המרחב-זמן'. עיוותים כאלה מתרחשים בכל מקום שנמצא מסה. כי לחומר יש מסה, החלל מתעקם. עקומה זו היא שגורמת לחומר ולאור לנוע בדרכים שהובהרו בתחילת המאה העשרים על ידי אלברט איינשטיין. כל אטום קטן וחומר גורם ל'מיקרו-עיוות' זעיר במרחב-זמן-2. וכאשר מספיק מיקרו-עיוותים מתחברים דברים יכולים לקרות בגדול.
ומה שקרה היה היווצרות הכוכבים הראשונים. אין כוכבים רגילים אלה - אלא ענקים סופר-מאסיביים שחיים חיים מהירים מאוד ומגיעים לקצוות מאוד מאוד מרהיבים. בקצוות אלה, הכוכבים הללו קרסו לתוך עצמם (תחת המשקל של כל המסה הזו) ויצרו גלי הלם אדירים בעוצמה כזו עד כדי איחוי יסודות חדשים לגמרי מישנים יותר. כתוצאה מכך, החלל-זמן גדוש בכל סוגי החומר (אטומים) הרבים המרכיבים את היקום כיום.
כיום קיימים שני סוגים של חומר אטומי: ראשוני ומשהו שאנו עשויים לכנות 'חומר כוכבים'. בין אם מקורו קדמוני או כוכבי, החומר האטומי מרכיב את כל הדברים שנגעים בהם ונראים. לאטומים יש תכונות והתנהגויות: אינרציה, כוח משיכה, הרחבה במרחב וצפיפות. הם יכולים גם להיות בעלי מטען חשמלי (אם מיוננים) ולהשתתף בתגובות כימיות (ליצירת מולקולות בעלות תחכום ומורכבות עצומים). כל החומר שאנו כן רואים מבוסס על דפוס בסיסי שהוקם לפני זמן רב על ידי אותם אטומים קדומים שנוצרו באופן מסתורי לאחר המפץ הגדול. דפוס זה מושתת על שתי יחידות יסוד של מטען חשמלי: הפרוטון והאלקטרון - לכל אחד יש מסה ומסוגל לעשות את הדברים שהמסה עשויה להם.
אבל לא כל החומר עוקב בדיוק אחר אב הטיפוס המימן. הבדל אחד הוא שלאטומים מהדור החדש יותר יש נויטרונים מאוזנים חשמלית וכן פרוטונים בעלי מטען חיובי בגרעיןיהם. אבל אפילו זר יותר הוא סוג של חומר (חומר אפל) שאינו יוצר אינטראקציה עם האור כלל. יתרה מכך (רק כדי לשמור על סימטריות), ייתכן שיש סוג של אנרגיה (אנרגיית ואקום) שאינה לובשת צורה של פוטונים - פועלת יותר כמו 'לחץ עדין' הגורם ליקום להתרחב עם מומנטום שלא סופק במקור. על ידי המפץ הגדול.
אבל בואו נחזור לדברים שאנחנו יכולים לראות...
ביחס לאור, החומר יכול להיות אטום או שקוף - הוא יכול לספוג או לשבור אור. אור יכול לעבור לתוך החומר, דרך החומר, לשקף מהחומר, או להיספג בחומר. כאשר האור עובר לחומר, האור מאט - בעוד התדירות שלו עולה. כאשר האור משתקף, הנתיב שהוא לוקח משתנה. כאשר אור נספג, אלקטרונים מגורים שעלולים להוביל לשילובים מולקולריים חדשים. אבל אפילו יותר משמעותי,כאשר האור עובר דרך החומר - גם בלי קְלִיטָה - אטומים ומולקולות רוטטים את רצף המרחב-זמןובגלל זה, ניתן להוריד את תדירות האור. אנו רואים, כי משהו שנקרא 'אור' מקיים אינטראקציה עם משהו שנקרא 'חומר' במשהו שנקרא 'רצף המרחב-זמן'.
בנוסף לתיאור השפעות הכבידה של החומר על המרחב-זמן, איינשטיין ביצע חקירה אלגנטית ביותר על השפעת האור הקשורה לאפקט הפוטו-אלקטרי. לפני איינשטיין, הפיזיקאים האמינו שהיכולת של האורות להשפיע על החומר מבוססת בעיקר על 'עוצמה'. אבל האפקט הפוטו-אלקטרי הראה שאור השפיע על אלקטרונים גם על בסיס תדר. כך האור האדום - ללא קשר לעוצמתו - אינו מצליח לעקור אלקטרונים במתכות, בעוד שאפילו רמות נמוכות מאוד של אור סגול מעוררות זרמים חשמליים הניתנים למדידה. ברור שלקצב שבו האור רוטט יש כוח משלו.
חקירתו של איינשטיין על האפקט הפוטו-אלקטרי תרמה רבות למה שנודע מאוחר יותר בתור מכניקת הקוונטים. כי פיסיקאים למדו במהרה שאטומים הם סלקטיביים לגבי תדרי האור שהם יספגו. בינתיים התגלה גם שאלקטרונים הם המפתח לכל ספיגה קוונטית - מפתח הקשור למאפיינים כמו קשרי אלקטרונים אחד לאחר ועם גרעין האטום.
אז עכשיו הגענו לנקודה השנייה שלנו: ספיגה סלקטיבית ופליטת פוטונים על ידי אלקטרוניםאינו מסביר את ההתפשטות המתמשכת של התדרים הנראים בעת בחינת האור דרך המכשירים שלנו-3.
אז מה יכול להסביר את זה?
תשובה אחת: עקרון ה'הורדה' הקשור ל-שבירה וספיגה של אור.
זכוכית נפוצה – כמו בחלונות הבתים שלנו – שקופה לאור הנראה. זכוכית לעומת זאת מחזירה את רוב האור האינפרא אדום וסופגת אולטרה סגול. כאשר אור גלוי חודר לחדר, הוא נספג ברהיטים, שטיחים וכו'. פריטים אלו ממירים חלק מהאור לחום - או קרינה אינפרא אדומה. קרינת אינפרא אדום זו נלכדת על ידי הזכוכית והחדר מתחמם. בינתיים הזכוכית עצמה אטומה לאולטרה סגול. האור הנפלט מהשמש באולטרה סגול נספג בעיקר באטמוספירה - אבל חלק מהאולטרה סגול הבלתי מיינן מצליח לעבור. אור אולטרה סגול מומר לחום על ידי זכוכית באותו אופן שבו ריהוט סופג ומקרין מחדש אור נראה.
איך כל זה קשור לנוכחות האור הנראה ביקום?
בתוך השמש, פוטונים באנרגיה גבוהה (אור בלתי נראה מהיקף ליבת השמש) מקרינים את מעטפת השמש מתחת לפוטוספירה. המעטפת ממירה את הקרניים הללו ל'חום' על ידי ספיגה - אבל ה'חום' המסוים הזה הוא בתדירות הרבה מעבר ליכולת הראייה שלנו. לאחר מכן, המעטפת מייצרת זרמים הסעה המובילים חום כלפי חוץ לכיוון הפוטוספירה תוך פליטת פוטונים בעלי אנרגיה פחותה - אך עדיין בלתי נראים. ה'חום' וה'אור' המתקבלים עוברים אל הפוטוספירה הסולארית. בפוטוספירה ('כדור האור הנראה') אטומים 'מתחממים' בהסעה ומגרים באמצעות שבירה לרטוט בקצב איטי מספיק כדי להפיץ אור נראה. והעיקרון הזה הוא שמסביר את האור הנראה הנפלט על ידי כוכבים שהם - ללא ספק - מקור האור המשמעותי ביותר שנראה ברחבי הקוסמוס.
אז - מנקודת מבט מסוימת, אנו יכולים לומר ש'מקדם השבירה' של הפוטוספירה של השמש הוא האמצעי שבאמצעותו אור בלתי נראה הופך לאור נראה. אולם במקרה זה, אנו מעלים את הרעיון שמקדם השבירה של הפוטוספירה כה גבוה עד שקרני אנרגיה גבוהות מכופפות עד לנקודת הקליטה. כאשר זה קורה נוצרים גלים בתדר נמוך יותר המקרינים כסוג של חום המורגש לעין ולא רק חם למגע...
ועם כל ההבנה הזו מתחת לרגלינו האינטלקטואלית, אנו יכולים כעת לענות על השאלה שלנו: האור שאנו רואים היוםהואהאור הקדמון של הבריאה. אבל זה האור שהתממש כמה מאות אלפי שנים לאחר המפץ הגדול. מאוחר יותר התממש האור הזה התכנס תחת השפעת כוח המשיכה ככדורים דחוסים גדולים. כדורים אלה פיתחו אז תנורים אלכימיים רבי עוצמה המוציאים חומר לאורבלתי נראה. מאוחר יותר - באמצעות שבירה וספיגה - אור בלתי נראה נראה לעין על ידי טקס המעבר דרך אותן 'עדשות זוהר' הגדולות שאנו מכנים הכוכבים...
-1 איך כל הדברים הקוסמולוגיים התרחשו בפירוט הוא כנראה התחום העיקרי של המחקר האסטרונומי כיום, והוא ייקח את הפיזיקאים - עם 'מפוצצי האטומים' שלהם, אסטרונומים - עם הטלסקופים שלהם, המתמטיקאים - עם מחשבי העל (ועפרונות!) המכרסמים במספרים שלהם. וקוסמולוגים - עם הבנתם העדינה של השנים הראשונות של היקום - לבלבל את כל העניין.
-2
במובן מסוים עניין עשוי פשוטלִהיוֹתעיוות של רצף המרחב-זמן - אבל אנחנו רחוקים מלהבין את הרצף הזה על כל תכונותיו והתנהגויותיו.
-3 השמש וכל מקורות האור הזוהרים אכן מציגים ספיגה כהה ופסי פליטה בהירים בתדרים צרים מאוד. אלו כמובן קווי פראונהופר השונים הקשורים לתכונות מכניות קוונטיות הקשורות למצבי מעבר של אלקטרונים הקשורים לאטומים ומולקולות ספציפיות.
על הסופר:בהשראת יצירת המופת של תחילת המאה ה-19: 'השמיים דרך טלסקופים שלושה, ארבעה וחמישה אינץ'', ג'ף ברבור התחיל בגיל שבע באסטרונומיה ובמדעי החלל. נכון לעכשיו, ג'ף מקדיש הרבה מזמנו בתצפית על השמים ותחזוקת האתר Astro.Geekjoy.