Strona główna Fizyka Zapytaj fizyka Pytania: Kosmos Promieniowanie tła

Promieniowanie tła

Pytający: 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?

Odpowiada: Marek Demiański

Odpowiedź: 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).