แสงที่มองเห็นได้มาจากไหน?

เมื่อไม่นานมานี้ (บางบัญชี 13.7 พันล้านปี) ว่าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่สำคัญเกิดขึ้น แน่นอนว่าเราพูดถึงบิ๊กแบง จักรวาลวิทยาบอกเราว่าครั้งหนึ่งไม่มีจักรวาลอย่างที่เรารู้ สิ่งที่มีอยู่ก่อนหน้านั้นเป็นโมฆะและเกินความคิดทั้งหมด ทำไม? มีสองสามคำตอบสำหรับคำถามนั้น - คำตอบปรัชญา ตัวอย่างเช่น: เพราะก่อนที่เอกภพจะเริ่มก่อตัวขึ้นไม่มีสิ่งใดที่จะเข้าใจด้วยหรือแม้แต่เกี่ยวกับ แต่ยังมีคำตอบทางวิทยาศาสตร์และคำตอบนั้นมาถึงสิ่งนี้: ก่อนที่บิ๊กแบงจะไม่มี ความต่อเนื่องของกาลอวกาศ - สื่อไม่มีสาระ ซึ่งพลังงานและสสารเคลื่อนไหว

เมื่อพื้นที่เวลาต่อเนื่องเกิดขึ้นสิ่งที่เคลื่อนไหวได้มากที่สุดอย่างหนึ่งคือหน่วยของนักฟิสิกส์แสงเรียกว่า“ โฟตอน” ความคิดทางวิทยาศาสตร์ของโฟตอนเริ่มต้นด้วยความจริงที่ว่าอนุภาคมูลฐานของพลังงานเหล่านี้แสดงพฤติกรรมที่ขัดแย้งกันสองอย่าง: พฤติกรรมหนึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีการที่พวกเขาทำหน้าที่เป็นสมาชิกของกลุ่ม (ในคลื่น) และอื่น ๆ เกี่ยวข้องกับวิธีการแยก (เป็นอนุภาคที่ไม่ต่อเนื่อง) โฟตอนเดี่ยวอาจถูกมองว่าเป็นแพ็คเก็ตของคลื่นที่คาดคอดอย่างรวดเร็วในอวกาศ แต่ละแพ็กเก็ตเป็นการสั่นตามแนวตั้งฉากของแรงสองอันคือไฟฟ้าและแม่เหล็ก เนื่องจากแสงเป็นความผันผวนคลื่นของอนุภาคจึงมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน วิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจกับธรรมชาติของแสงคู่คือการตระหนักว่าคลื่นหลังจากคลื่นของโฟตอนส่งผลกระทบต่อกล้องโทรทรรศน์ของเรา - แต่โฟตอนแต่ละเซลล์จะถูกดูดซับโดยเซลล์ประสาทในสายตาของเรา

โฟตอนแรกที่เดินทางผ่านช่วงเวลาต่อเนื่องของอวกาศนั้นทรงพลังอย่างยิ่ง ในฐานะที่เป็นกลุ่มพวกเขารุนแรงอย่างไม่น่าเชื่อ แต่ละบุคคลต่างสั่นสะเทือนด้วยอัตราพิเศษ แสงของโฟตอนดั้งเดิมนั้นส่องสว่างขอบเขตที่ขยายอย่างรวดเร็วของจักรวาลที่อายุน้อย แสงสว่างมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง - แต่สสารยังไม่ปรากฏให้เห็น

เมื่อเอกภพขยายตัวแสงปฐมกาลสูญเสียทั้งความถี่และความรุนแรง สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนดั้งเดิมแผ่กระจายออกไปบาง ๆ และบางลงในพื้นที่ที่ขยายตัวออกไป วันนี้แสงแรกของการสร้างยังคงสะท้อนไปทั่วจักรวาล สิ่งนี้ถูกมองว่าเป็นรังสีพื้นหลังของจักรวาล และการแผ่รังสีประเภทนั้นจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาในขณะที่คลื่นในเตาไมโครเวฟ

แสงดึกดำบรรพ์ไม่ใช่การแผ่รังสีที่เราเห็นในปัจจุบัน การแผ่รังสีดั่งเดิมได้เปลี่ยนสีแดงเป็นระดับต่ำสุดของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเอกภพขยายตัวจากสิ่งที่อาจไม่เคยมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดี่ยวจนถึงจุดที่เครื่องมืออันยิ่งใหญ่ของเรายังไม่พบข้อ จำกัด ใด ๆ การรู้ว่าแสงดั่งเดิมนั้นเป็นสิ่งที่คลุมเครือในตอนนี้จึงจำเป็นต้องมองที่อื่นเพื่ออธิบายว่ามีแสงชนิดใดที่ตาของเราและกล้องโทรทรรศน์ออพติคอลมองเห็น

ดาว (เช่นดวงอาทิตย์ของเรา) มีอยู่เพราะเวลาในอวกาศนั้นมากกว่าเพียงแค่ส่งแสงเป็นคลื่น ยังไงก็เถอะ - ยังไม่ได้อธิบาย^-1 - เวลาว่างทำให้เกิดความสำคัญเช่นกัน และสิ่งหนึ่งที่แยกความแตกต่างของแสงจากสสารคือสสารนั้นมี“ มวล” ในขณะที่แสงไม่มี

เนื่องจากมวลสสารแสดงคุณสมบัติหลักสองประการ: ความเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง ความเฉื่อยอาจถูกมองว่าเป็นความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลง สสารพื้นฐานคือ“ ขี้เกียจ” และทำในสิ่งที่มันทำอยู่เรื่อย ๆ - เว้นแต่จะทำอะไรบางอย่างนอกตัวเอง ในช่วงแรกของการก่อตัวของเอกภพสิ่งสำคัญที่จะทำให้ความขี้เกียจของการเอาชนะคือแสง ภายใต้อิทธิพลของแรงดันการแผ่รังสีสสารดั้งเดิม (ส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน) ได้รับการจัดระเบียบ

หลังจากการกระทุ้งเบา ๆ มีอะไรบางอย่างในเรื่องที่เข้ามา - พฤติกรรมที่ลึกซึ้งที่เราเรียกว่า "แรงโน้มถ่วง" ความโน้มถ่วงได้รับการอธิบายว่าเป็น“ การบิดเบือนของความต่อเนื่องของกาลอวกาศ” การบิดเบือนดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่พบมวล เนื่องจากสสารมีมวลโค้งในอวกาศ มันเป็นเส้นโค้งที่ทำให้สสารและแสงเคลื่อนที่ไปในทางที่ถูกอธิบายโดยเร็วในศตวรรษที่ยี่สิบโดย Albert Einstein อะตอมของสสารเล็กน้อยทุกชิ้นทำให้เกิด "การบิดเบือนไมโคร" เล็ก ๆ ในเวลาว่าง^-2. และเมื่อความเพี้ยนพอมารวมกันสิ่งต่าง ๆ สามารถเกิดขึ้นได้ครั้งใหญ่

และสิ่งที่เกิดขึ้นคือการก่อตัวของดาวดวงแรก ไม่มีดาวดวงธรรมดาเหล่านี้ - แต่ยักษ์ใหญ่ที่มีชีวิตอาศัยอยู่อย่างรวดเร็วและมาถึงจุดจบที่น่าตื่นเต้นมาก ดาวเหล่านี้จะยุบตัว (ภายใต้น้ำหนักของมวลทั้งหมดนั้น) ทำให้เกิดคลื่นกระแทกขนาดมหึมาของความเข้มดังกล่าวเพื่อหลอมรวมองค์ประกอบใหม่ทั้งหมดออกจากวัตถุที่มีอายุมากกว่า เป็นผลให้เวลาอวกาศกลายเป็นที่สับสนกับทุกประเภทของสสาร (อะตอม) ที่ทำขึ้นนิตยสารอวกาศ

วันนี้มีเรื่องอะตอมสองประเภทอยู่ในปัจจุบัน: ดั่งเดิมและบางอย่างที่เราอาจเรียกว่า ไม่ว่าจะเป็นดั่งเดิมหรือเป็นตัวเอกในเรื่องต้นกำเนิดเรื่องของอะตอมนั้นล้วน แต่สัมผัสและมองเห็นทุกสิ่ง อะตอมมีคุณสมบัติและพฤติกรรม: ความเฉื่อย, แรงโน้มถ่วง, การขยายในอวกาศและความหนาแน่น พวกเขายังสามารถมีประจุไฟฟ้า (ถ้าแตกตัวเป็นไอออน) และมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี (เพื่อสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนและซับซ้อนอย่างมาก) ทุกสิ่งที่เราเห็นนั้นมีพื้นฐานมาจากรูปแบบพื้นฐานที่สร้างมานานแล้วโดยอะตอมดั้งเดิมเหล่านั้นที่สร้างขึ้นอย่างลึกลับหลังจากบิกแบง รูปแบบนี้ก่อตั้งขึ้นบนประจุไฟฟ้าพื้นฐานสองหน่วย: โปรตอนและอิเล็กตรอน - แต่ละอันมีมวลและสามารถทำสิ่งต่าง ๆ เหล่านั้นได้

แต่ไม่ใช่ทุกอย่างที่ตามหลังต้นแบบไฮโดรเจนอย่างแน่นอน ความแตกต่างอย่างหนึ่งคืออะตอมรุ่นใหม่นั้นมีนิวตรอนที่สมดุลทางไฟฟ้าเช่นเดียวกับโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส แต่แม้กระทั่งคนแปลกหน้าก็เป็นสสารชนิดหนึ่ง (สสารมืด) ที่ไม่สามารถโต้ตอบกับแสงได้เลย และยิ่งไปกว่านั้น (เพื่อรักษาความสมมาตร) อาจมีพลังงานประเภทหนึ่ง (พลังงานสูญญากาศ) ที่ไม่ได้อยู่ในรูปของโฟตอน - ทำหน้าที่เหมือน "แรงกดเบา ๆ " ที่ทำให้จักรวาลขยายตัวด้วยแรงกระตุ้นที่ไม่ได้ให้มา โดยบิ๊กแบง

แต่ขอกลับไปดูสิ่งที่เราเห็น ...

ในความสัมพันธ์กับแสงสสารสามารถทึบแสงหรือโปร่งใส - มันสามารถดูดซับหรือหักเหแสง แสงสามารถผ่านเข้าไปในสสารผ่านสสารสะท้อนแสงออกหรือดูดซับโดยสสาร เมื่อแสงผ่านเข้าสู่สสารแสงช้าลง - ในขณะที่ความถี่เพิ่มขึ้น เมื่อแสงสะท้อนให้เห็นเส้นทางจะมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อแสงถูกดูดซับอิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นให้เกิดการรวมตัวของโมเลกุลใหม่ แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือ เมื่อแสงผ่านสสาร - แม้ไม่มีการดูดซับ - อะตอมและโมเลกุลสั่นสะเทือนต่อเนื่องในช่วงเวลา และด้วยเหตุนี้แสงจึงสามารถลดความถี่ลงได้ เราเห็นเพราะบางสิ่งที่เรียกว่า "แสง" โต้ตอบกับสิ่งที่เรียกว่า "สสาร" ในสิ่งที่เรียกว่า "ความต่อเนื่องของเวลาว่าง"

นอกเหนือจากการอธิบายถึงผลกระทบความโน้มถ่วงของสสารในอวกาศ - เวลาแล้วไอน์สไตน์ยังทำการตรวจสอบอย่างละเอียดถึงอิทธิพลของแสงที่เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์แสงไฟฟ้า ก่อนที่ไอน์สไตน์นักฟิสิกส์เชื่อว่าความสามารถของแสงในการกระทบกับสสารนั้นมีพื้นฐานมาจาก "ความเข้ม" แต่เอฟเฟ็กต์ภาพไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าแสงมีผลต่ออิเล็กตรอนบนพื้นฐานของความถี่เช่นกัน ดังนั้นแสงสีแดง - โดยไม่คำนึงถึงความรุนแรง - ล้มเหลวในการขับอิเล็กตรอนในโลหะในขณะที่แสงสีม่วงในระดับต่ำมากก็สามารถกระตุ้นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ เห็นได้ชัดว่าอัตราการสั่นสะเทือนของแสงมีพลังทั้งหมดของมันเอง

การสืบสวนของ Einstein เกี่ยวกับเอฟเฟกต์ไฟฟ้า - ภาพมีส่วนอย่างมากต่อสิ่งที่ต่อมากลายเป็นที่รู้จักกันในชื่อกลศาสตร์ควอนตัม สำหรับนักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ในไม่ช้าว่าอะตอมมีการคัดเลือกเกี่ยวกับความถี่ของแสงที่พวกเขาจะดูดซับ ในขณะเดียวกันก็พบว่าอิเล็กตรอนเป็นกุญแจสำคัญในการดูดซับควอนตัมทั้งหมดซึ่งเป็นกุญแจสำคัญที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติเช่นความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนหนึ่งกับผู้อื่นและกับนิวเคลียสของอะตอม

ดังนั้นตอนนี้เรามาถึงจุดที่สอง: การดูดซับและการปล่อยโฟตอนโดยอิเล็กตรอน ไม่ได้อธิบายการแพร่กระจายอย่างต่อเนื่องของความถี่ที่เห็นเมื่อตรวจสอบแสงผ่านเครื่องมือของเรา^-3.

จะอธิบายได้อย่างไร?

คำตอบเดียว: หลักการ“ ก้าวลง” ที่เกี่ยวข้องกับ การหักเหและการดูดซับแสง.

กระจกธรรมดา - เช่นในหน้าต่างบ้านของเรา - มีความโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็น อย่างไรก็ตามกระจกสะท้อนแสงอินฟราเรดส่วนใหญ่และดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต เมื่อแสงที่มองเห็นเข้ามาในห้องจะถูกดูดซับด้วยเฟอร์นิเจอร์พรม ฯลฯ รายการเหล่านี้จะแปลงส่วนของแสงเป็นความร้อนหรือรังสีอินฟราเรด รังสีอินฟราเรดนี้ถูกดักจับโดยกระจกและห้องจะร้อนขึ้น ในขณะที่กระจกเองนั้นมีความทึบแสงถึงรังสีอัลตราไวโอเลต แสงที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ในอุลตราไวโอเลตนั้นส่วนใหญ่ถูกดูดซับไว้ในบรรยากาศ - แต่อัลตราไวโอเลตที่ไม่ทำให้เกิดไอออนบางตัวสามารถผ่านเข้าไป แสงอุลตร้าไวโอเลตจะถูกแปลงเป็นความร้อนด้วยกระจกในลักษณะเดียวกับที่ตกแต่งและดูดซับและฉายแสงที่มองเห็นได้อีกครั้ง

ทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับการปรากฏของแสงที่มองเห็นได้ในจักรวาลอย่างไร

ภายในดวงอาทิตย์โฟตอนพลังงานสูง (แสงที่มองไม่เห็นจากปริมณฑลของแกนแสงอาทิตย์) ฉายรังสีแมนเทิลแมนเทิลภายใต้โฟโตสเฟียร์ เสื้อคลุมแปลงรังสีเหล่านี้เป็น "ความร้อน" โดยการดูดซึม - แต่ "ความร้อน" นี้โดยเฉพาะมีความถี่ที่ดีเกินกว่าความสามารถของเราที่จะเห็น จากนั้นแมนเทิลจะตั้งค่ากระแสพาความร้อนที่เคลื่อนผ่านความร้อนออกไปยังโฟโตสเฟียร์ขณะที่ปล่อยโฟตอนออกมาน้อยกว่า แต่ก็ยังมองไม่เห็น - โฟตอน "ความร้อน" และ "แสง" ที่เกิดขึ้นจะส่งผ่านไปยังโฟโตสเฟียร์ของแสงอาทิตย์ ในโฟโตสเฟียร์ (“ ทรงกลมของแสงที่มองเห็น”) อะตอมนั้น“ ถูกทำให้ร้อน” โดยการพาความร้อนและการกระตุ้นผ่านการหักเหเพื่อสั่นสะเทือนในอัตราที่ช้าพอที่จะทำให้แสงที่มองเห็นออกมา และมันก็เป็นหลักการนี้ที่อธิบายถึงแสงที่มองเห็นซึ่งเปล่งออกมาจากดวงดาวซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญที่สุดที่เห็นทั่วทั้งจักรวาล

ดังนั้นจากมุมมองบางอย่างเราสามารถพูดได้ว่า "ดัชนีการหักเหของแสง" ของโฟโตสเฟียร์เป็นวิธีการที่แสงที่มองไม่เห็นถูกแปลงเป็นแสงที่มองเห็นได้ อย่างไรก็ตามในกรณีนี้เราเรียกความคิดว่าดัชนีการหักเหของโฟโตสเฟียร์นั้นสูงมากจนรังสีพลังงานสูงงอจนถึงจุดดูดกลืน เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นคลื่นความถี่ที่ต่ำกว่ากลับกลายเป็นรูปแบบของความร้อนที่สามารถรับรู้ได้ด้วยตาและไม่เพียงแค่อบอุ่นจากการสัมผัส ...

และด้วยความเข้าใจทั้งหมดนี้อยู่ใต้เท้าทางปัญญาของเราตอนนี้เราสามารถตอบคำถามของเรา: แสงที่เราเห็นในวันนี้ คือ แสงแรกแห่งการสร้างสรรค์ แต่มันก็เป็นแสงสว่างที่เกิดขึ้นไม่กี่ร้อยปีหลังจากบิกแบง ต่อมาแสงที่ปรากฏขึ้นมารวมกันภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเป็นลูกกลมควบแน่นที่ยิ่งใหญ่ เทวทูตเหล่านี้พัฒนาเตาหลอมที่มีประสิทธิภาพในการกำจัดสสารขึ้นสู่แสง มองไม่เห็น. ต่อมา - ผ่านการหักเหและการดูดซึม - แสงที่มองไม่เห็นถูกมองเห็นได้ด้วยตาโดยผ่านทาง“ เลนส์แห่งความส่องสว่าง” ที่ยิ่งใหญ่เหล่านั้นที่เราเรียกว่าดาว ...

^-1ทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในรายละเอียดเกี่ยวกับดาราศาสตร์น่าจะเป็นพื้นที่สำคัญของการวิจัยทางดาราศาสตร์ในปัจจุบันและจะนำนักฟิสิกส์ - ด้วย "อะตอมของพวกเขา" นักดาราศาสตร์ - ด้วยกล้องโทรทรรศน์นักคณิตศาสตร์ - ด้วยซุปเปอร์คอมพิวเตอร์จำนวนมาก (และดินสอ!) และนักจักรวาลวิทยา - ด้วยความเข้าใจที่ลึกซึ้งในช่วงปีแรก ๆ ของจักรวาลเพื่อไขปริศนาทั้งหมด
^-2
ในความหมายอาจเป็นเพียงแค่ เป็น การบิดเบือนความต่อเนื่องของเวลาว่าง - แต่เราอยู่ไกลจากความเข้าใจที่ต่อเนื่องในคุณสมบัติและพฤติกรรมทั้งหมด

^-3ดวงอาทิตย์และแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างทั้งหมดแสดงการดูดซับมืดและแถบเปล่งแสงที่มีความถี่แคบมาก แน่นอนว่านี่คือสาย Fraunhofer ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติเชิงกลของควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับสถานะการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอมและโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง

เกี่ยวกับผู้แต่ง:แรงบันดาลใจจากผลงานชิ้นเอกของต้นปี 1900:“ ท้องฟ้าผ่านกล้องสาม, สี่และห้านิ้ว”, เจฟฟ์บาร์เบอร์เริ่มต้นในวิชาดาราศาสตร์และวิทยาศาสตร์อวกาศเมื่ออายุเจ็ดขวบ ปัจจุบันเจฟฟ์ใช้เวลาส่วนใหญ่สำรวจท้องฟ้าและดูแลเว็บไซต์ Astro.Geekjoy