Strona głównaPytania → Promieniowanie tła

Promieniowanie tła

Pytanie

Pyta Leszek

Jeżeli promieniowanie tła pochodzi od Wielkiego Wybuchu, który trwał krótko i zdarzył się w niewielkiej przestrzeni, to dlaczego dociera do nas stale i zewsząd?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Demiański

To prawda, ze najprawdopodobniej „wielki wybuch” trwał krótko, ale jednocześnie dostatecznie długo, aby istniejące wówczas fotony miały wystarczająco dużo czasu by dzięki oddziaływaniom z materią ulec termalizacji. Wielki wybuch zdarzył się „wszędzie” – to był moment powstania całego wszechświata, więc nie można powiedzieć, że „zdarzył się w niewielkiej przestrzeni”. Przypuszcza się, że ten nowo powstały wszechświat był przestrzennie nieskończony a ta bardzo złożona struktura (gwiazdy, galaktyki, etc), którą obecnie obserwujemy powstała w wyniku ewolucji tego początkowego stanu. Gaz fotonowy wypełniający cały wczesny wszechświat był w stanie równowagi termodynamicznej z bardzo gorącą materią i chociaż początkowo wszechświat rozszerzał się bardzo szybko gaz fotonowy pozostawał w stanie równowagi termodynamicznej. Ponieważ wszechświat się rozszerzał temperatura materii i promieniowanie malały aż w końcu, gdy temperatura obniżyła się do około 3000 K protony i elektrony utworzyły neutralne atomy i promieniowanie przestało oddziaływać z materią. W rozszerzającym się wszechświecie energia (długość fali) wszystkich fotonów zmienia się w taki sam sposób i dzięki temu nawet obecnie fotony promieniowania reliktowego maja widmo Plancka. Fotony są cząstkami trwałymi i te które istniały w momencie, gdy ustał termiczny kontakt promieniowania z materią, wypełniają teraz cały wszechświat. Ich temperatura powoli maleje odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu czynnika skali wszechświata, maleje tez ich gęstość (proporcjonalnie do T3).

Leszek:

Dziękuję za odpowiedź, choć gdybym powiedział, że ją rozumiem, byłbym kłamcą. Tajemnicze określenie „termalizacja promieniowania” zapewne znajdę w Wikipedii, natomiast druga moja wątpliwość jest trudniejsza: Skoro – jak głosi Państwa odpowiedź – wczesny Wszechświat był przestrzennie nieskończenie rozciągły, a jeszcze się od tego czasu stale rozszerza (?), to jakim sposobem jego obecne rozmiary są skończone?

Jan Gaj:

Nie dziwię się, bo to są trudne rzeczy. W Wikipedii można znaleźć termin „termalizacja” tylko po angielsku. Jest to proces osiągania równowagi np. przez układ cząstek poprzez wzajemne oddziaływania. W przypadku fotonów, które ze sobą nie oddziałują, termalizacja odbywa się za pośrednictwem innych cząstek. Dla skutecznego oddziaływania z falą elektromagnetyczną fotonów lepiej, żeby to były cząstki naładowane (p. odpowiedź prof. Demiańskiego). W drugiej sprawie mogę jako niespecjalista przekazać jedynie swoje intuicyjne odczucie. Z tą nieskończonością rzecz nie wydaje mi się oczywista i moim zdaniem suma wiedzy ludzkości osiągnięta na podstawie obserwacji wykonanych w skończonym czasie i przestrzeni nie upoważnia nas do stanowczego stwierdzenia, ze wszechświat jest lub był skończony czy nieskończony. Ale jeżeli taką możliwość weźmiemy pod uwagę, nie widzę trudności w zaakceptowaniu idei rozszerzania się czegoś nieskończonego (możemy rozszerzyć prostą tak, ze odległości miedzy wszystkimi jej punktami dwukrotnie się zwiększą).