Světlo vyzařuje mnoho objektů v hmotném světě, ať už je to hvězda, hořící dřevo nebo lampa. Povaha světla je dvojí: je to vlna i částice. Světlo vyzařované jedním objektem prochází prostorem a je absorbováno ostatními. Co tedy způsobuje, že hmota produkuje světlo a jak vzniká světelné záření? Je to všechno o elektronech obsažených v atomech, jejich energii a elektronických úrovních.
Ve struktuře atomu se rozlišují elektronické úrovně. Čím blíže je hladina k jádru atomu, tím méně elektronů se na ní může nacházet a tím nižší je jejich energie. Takto můžeme vysvětlit, proč mají elektrony v blízkosti jádra menší energii. Jádro je nabité kladně a elektron záporně. Přitahují se navzájem. K odtažení elektronu od jádra je potřeba nějaká dodatečná energie, která dá elektronu sílu, aby se od jádra vzdaloval.
Čím větší je kladný náboj jádra, tím větší je jeho přitažlivá síla a tím více má atom elektronů, které jsou kvůli svému počtu nuceny být umístěny na různých úrovních, protože se na jednu nevejdou. Vzdálení budou mít standardně více energie. Když však energie přichází zvenčí, elektron může přeskočit na vzdálenější úroveň, která je mu cizí. Říká se, že elektron vstoupí do excitovaného stavu.
Elektron a jádro však budou mít stále tendenci se přibližovat, a pokud bude na elektronické úrovni blíže k jádru volné místo, elektron se tam vrátí a skončí v základním stavu. V tomto případě bude dodatečná energie zbytečná, bude „vyhozena“ z atomu.
Elektrony mohou být v excitovaném stavu pouze jednu setinu milisekundy (10-8 sekund). Když se elektron vrátí do svého základního stavu, uvolní energii a tato energie se uvolní ve formě částic a světelných vln. Světlo tedy vzniká jako energie uvolněná elektronem. Částice světla se nazývají fotony a také kvanta.
Vzhledem k tomu, že různé úrovně elektronů v atomu mají různé energie, je emitována různá energie v závislosti na úrovni, ze které elektron vyskočil. V důsledku toho není světlo v přírodě jednotné, existují fotony různých energií a odpovídajících různých vlnových délek světla.
To znamená, světlo je produkováno elektrony, které uvolňují energii, když se pohybují na nižší energetické hladiny.
Důvody, proč jsou elektrony excitovány, se liší. Může to být vysoká teplota nebo absorpce kvanta světla, které k nim dorazilo. Teplota nastane, když atomy a molekuly v látce začnou vibrovat. Aby se rozkmitaly, je třeba dodat energii i zvenčí. Ale jaká je jeho povaha, nás teď nezajímá. Hlavní věc je, že když se atomy chvějí, jejich elektrony se mohou přesunout na vyšší elektronické úrovně.
S optickým, spíše než tepelným buzením, elektron pod vlivem kvanta světla stoupá na vyšší úroveň. V tomto případě musí být energie tohoto kvanta přesně rovna energetickému rozdílu mezi dvěma stavy elektronu. Zda je tedy elektron opticky excitován či nikoliv, závisí na povaze světla, tedy na jeho vlnové délce.
Naše oko vnímá světlo z té či oné vlnové délky jako určitou barvu. Nevnímáme však všechny vlnové délky. V duze – nám viditelném spektru – se vlnové délky zmenšují z červené na fialovou. Energie světelných kvant se zvyšuje z červené na fialovou. Tím pádem, čím kratší je vlnová délka světla, tím více energie obsahuje.
Ne nadarmo je ultrafialové světlo, které už nevidíme a které se nachází za fialovým, tak nebezpečné. Má velkou destruktivní energii pro živé buňky. Na druhé straně infračervené světlo leží před červenou. Takové světlo vnímáme jako teplo.
Bílé světlo je ze své podstaty směsí barev duhy. Při průchodu hranolem se rozkládá na složky, protože jím procházejí různé vlnové délky různými rychlostmi, což má za následek lom světla. Každá barva má své: fialová se láme nejvíce, červená nejméně. Jinými slovy, barva vzniká rozkladem bílého světla.
Spojení mezi světelnou a elektronovou energií způsobuje tzv absorpční a emisní spektra různých atomů. Když je znáte, můžete pochopit, z jakých atomů se toto nebo to tělo skládá. Například analýza spekter se používá k určení chemického složení vzdálených hvězd.
V atomech určitého chemického prvku obvykle nejsou excitovány všechny elektrony, ale pouze určité. To vyžaduje světlo specifické vlnové délky, se specifickou energií, ne ledajaké. Pokud propustíte bílé světlo nejprve hranolem, aby se rozložilo na spektrum, a poté průhlednou látkou (například vodíkem), objeví se ve viditelném spektru černé pásy. Světlo určitých vlnových délek zmizí, protože bude „absorbováno“ elektrony, které jsou schopny přeskočit na vyšší energetickou hladinu.
Elektrony se však rychle vrátí do svého základního stavu. Kvanta uvolněná v tomto případě jsou rozptýlena v různých směrech. Pokud však vyzařované světlo shromáždíme a projdeme hranolem, uvidíme dříve pohlcené barvy.
Sbíráním emisních spekter hvězd a jejich porovnáním s absorpčními nebo emisními spektry různých atomů je tedy možné určit chemické složení nebeských těles.
Rychlost světla nám dává úžasný nástroj pro studium vesmíru. Protože se světlo šíří rychlostí jen asi 300 000 km/s, díváme se při pohledu na vzdálené objekty do minulosti.
Slunce nevidíme přímo, ale Slunce před 8 minutami. Vidíme Betelgeuse před 642 lety. Andromeda před 2,5 miliony let. A tak můžeme pokračovat dále, dívat se dále do vesmíru a hlouběji do minulosti. Jak se vesmír rozpíná, vzdálené objekty bývaly blíže.
Pokud spustíte hodiny pozpátku a vrátíte je na začátek, dorazíte na místo, které bylo teplejší a hustší než dnešní vesmír. Bylo to tak husté, že celý vesmír byl bezprostředně po velkém třesku polévkou protonů, neutronů a elektronů, které nedrželo pohromadě nic.
Poté, co se trochu roztáhla a ochladila, začala její hustota a teplota připomínat to, co se děje ve středu hvězdy, jako je naše Slunce. Ochladilo se natolik, že se začaly objevovat ionizované atomy vodíku.
Protože podmínky ve vesmíru odpovídaly tomu, co se děje v jádru hvězdy, teplota a tlak byly dostatečné k syntéze hélia a dalších, těžších prvků z vodíku. Na základě poměrů prvků v dnešním vesmíru: 74 % vodík, 25 % helium a 1 % různé, víme, jak dlouho byl vesmír v tomto „hvězdném“ stavu.
To trvalo asi 17 minut. Od 3 minut od velkého třesku do 20 minut od toho okamžiku. A v těchto chvílích klauni nasbírali tolik helia, že by to mělo vystačit na celoživotní pronásledování lidí pomocí zvířat zkroucených z balónků.
Proces fúze vytváří fotony gama záření. V jádru Slunce tyto fotony přeskakují z atomu na atom, proniknou z jádra přes emisní zónu Slunce a nakonec vyletí do vesmíru. Tento proces může trvat desítky tisíc let. Ale v raném vesmíru tyto prvotní fotony gama záření neměly kam jít. Vesmír byl všude horký a hustý.
Vesmír se dále rozpínal a nakonec, jen několik set tisíc let po velkém třesku, se ochladil natolik, že tyto atomy vodíku a helia začaly přitahovat volné elektrony a stávaly se neutrálními atomy.
To byl okamžik, kdy se ve vesmíru objevilo první světlo, mezi 240 000 a 300 000 lety po velkém třesku, známém jako éra rekombinace. Poprvé se fotony mohly přerušit, když byly vázány k atomům elektrony. V tomto okamžiku se vesmír změnil z neprůhledného v průhledný.
Toto je nejranější světlo, které mohou astronomové v principu pozorovat. Řekněme unisono: Cosmic Microwave Background Radiation [nebo kosmické mikrovlnné záření na pozadí – cca. překlad]. Vzhledem k tomu, že se vesmír od té doby 13,8 miliardy let rozpíná, byly tyto úplně první fotony roztaženy, zažily červený posun a poté, co prošly ultrafialovou a viditelnou částí, se přesunuly do mikrovlnné části spektra.
Pokud bychom mohli vidět vesmír mikrovlnnýma očima, tento první záblesk záření by byl viditelný v jakémkoli směru. Vesmír slaví svou existenci.
Po prvním záblesku světla bylo všechno temné, nebyly tam žádné hvězdy ani galaxie, jen obrovské množství prvotních prvků. Na začátku temného středověku byla teplota celého vesmíru asi 4000 K. Porovnejte to s dnešním číslem 2,7 K. Na konci temného středověku, o 150 milionů let později, teplota klesla na rozumnějších 60 K.
Během následujících 850 milionů let se tyto prvky seskládaly do obrovských hvězd složených z čistého vodíku a helia. Bez těžších prvků by mohly vzniknout hvězdy, které byly desítky nebo dokonce stovkykrát větší než hmotnost našeho Slunce. Jedná se o hvězdnou populaci III, první hvězdy, které zatím nemáme dostatečně výkonné k pozorování. Astronomové předpokládají, že vznikly přibližně 560 milionů let po velkém třesku.
Pak první hvězdy explodovaly jako supernovy, vznikaly hmotnější hvězdy a také explodovaly. Je velmi těžké si představit, jak to všechno vypadalo, když hvězdy explodovaly jako ohňostroj. Ale víme, že tyto události byly tak časté a tak silné, že během éry reionizace osvětlily celý vesmír. Většinu vesmíru zabíralo horké plazma.
Raný vesmír byl horký a hrozný a postrádal těžké prvky, na kterých je založen život, jak ho známe. Bez fúze ve hvězdě nelze získat kyslík, a to ani v několika generacích hvězd. Naše sluneční soustava vznikla jako výsledek mnoha generací explodujících supernov a osévání naší oblasti vesmíru stále těžšími prvky.
Již jsem zmínil, že Vesmír se ochladil ze 4000 K na 60 K. Ale asi po 10 milionech let od okamžiku velkého třesku byla teplota Vesmíru stále asi 100 C, tedy bod varu vody. A po dalších 7 milionech let se ochladilo na 0 C, tedy teplotu mrazu vody.
Což vedlo astronomy k domněnce, že po dobu asi 7 milionů let mohla být kapalná voda nalezena v celém vesmíru. A kdekoli na Zemi najdeme kapalnou vodu, tam se také nachází život.
Je možné, že primitivní život mohl vzniknout, když byl vesmír starý pouhých 10 milionů let. Fyzik Avi Loeb tuto dobu nazývá érou obyvatelného vesmíru. Neexistuje žádný důkaz o této možnosti, ale nápad je to velmi cool.
Vždy mě udivuje myšlenka, že všude kolem nás ve všech směrech je první světlo vyzařované Vesmírem. Trvalo 13,8 miliardy let, než se k nám dostalo, a přestože potřebujeme mikrovlnné oči, abychom to viděli, existuje a je všudypřítomný.
