Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Реликтовое излучение Большого взрыва

                                                    4.4.2. Реликтовое излучение Большого взрыва

Из повседневного  опыта мы  знаем,  что нагретые  тела излучают  энергию. Достаточно вспомнить хотя бы небольшой костерок, возле которого Высидели  в  один  из  вечеров  Вашей жизни.  Тем  более  должно  было  излучать энергию  экстремально  нагретое  вещество  во Вселенной  малых  пространственных размеров.  

В силу ограниченности объема вещество и излучение (электромагнитные  волны  различных частот)  неизбежно  должно   бы   было ть  в  энергетическом равновесии. Поэтому говорят, что начальная Вселенная была заполнена равновесным  тепловым излучением. Квантовая механика предсказывает, какую форму имеет спектр равновесного теплового излучения абсолютно черного  тела (АЧТ) при  различных  температурах. Спектр излучения АЧТ  описывается формулой М. Планка (1858 - 1947)



где Т - температура излучателя; k - постоянная Больцмана; c - скорость света; e - основание натуральных логарифмов; v - частота электромагнитного излучения;  h -  постоянная Планка;  r_v -  спектральная  плотность  энергетической светимости излучателя, равная  энергии,  излучаемой  за  единицу  времени  с единицы поверхности излучателя в единичном интервале частот.

Из формулы Планка можно  вывести  все  экспериментально наблюдаемые  закономерности  в  спектрах  нагретых  тел. Кстати,  отметим,  что  спектр АЧТ и формула Планка никак не связаны ни с конкретным химическим составом излучателя, ни с его агрегатным состоянием. Формула (4.7) - одна из самых  общефизических  формул,  применимая  вплоть  до  экстремальных  состояний вещества.
 
Согласно  теории  Планка  в  области высоких  частот  излучения  спектральная  функция  убывает  пропорциональнo  экспоненте  с  показателем (- hv/kT). В области около нуля, при возрастании частоты, спектральная плотность светимости растет пропорционально квадрату частоты. Очевидно, что между ростом и последующим  спадом  есть область максимальной  светимости. Положение  максимума  светимости  на шкале  длин  волн  и  температура излучателя связаны законом смещения Вина



где *  -  длина  волны,  на которую  приходится максимальная  светимость  в спектре излучения; T - температура излучателя;b - постоянная Вина.

При  экстремально  высокой  температуре максимум  светимости приходился на область  высокоэнергетичного  гамма-излучения (образование  гелия из  водорода  требует  температуры порядка 10¹⁰ К). По мере  остывания Вселенной, при её расширении, область максимума светимости в спектре должна перемещаться  в  сторону длинных  волн. Гамов  считал, что для  современной эпохи равновесная температура должна быть около 50 К. При такой температуре максимум спектра должен находится в области микроволнового (0,6 мкм) излучения.

Его  оппонент,  Хойл,  указывал,  что  такое  значение  не  согласуется  с данными  о температуре  молекул  циана  СN,  существующих  в  межзвездной среде. Уже было известно, что интенсивность спектральных линий циана зависит от "заселенности" верхних энергетических уровней молекулы, которая определяется  температурой  среды, в которой находится молекула. По оценкам, сделанным для циана, температура оответствует 2,3 К.

В 1964  г.  было  открыто  космическое  радиоизлучение,  неожиданной особенностью  которого  была «всенаправленность». Вне  зависимости  от  направления  антенны,  его  регистрировали  с  одинаковой  интенсивностью  со всех сторон и днем и ночью как равномерный микроволновый шум. От него невозможно  было  избавиться,  и  сначала  его рассматривали  как  помеху. Позднее было понято, что основные характеристики данного радиоизлучения соответствуют ожидавшимся для остаточного теплового излучения Большого взрыва. Чтобы  убедиться  в  том,  что  открытое  изотропное  излучение  имеет непрерывный спектр с максимумом  и спадающую ветвь, потребовалось около десяти лет. К середине 70-х гг. планковский характер излучения был достоверно установлен, и в 1978 г. А. Пензиас и Р. Уилсон (обнаружившие его в 1964  г.)  получили Нобелевскую  премию.  Стационарная  концепция  Вселенной была признана несостоятельной. Она предсказывает нулевую температуру излучения в космосе, тогда как по спектру реликтового излучения она составляет 2,7 К. Это значение хорошо согласуется с данными, полученными из измерений соотношения линий в спектре молекул циана в космосе.

В конце 80-х гг. в СССР проводился спутниковый космический эксперимент «Реликт», задачей которого был поиск небольших неоднородностей в распределении фонового  теплового излучения Большого взрыва. Они должны существовать как свидетельство начальных небольших неравномерностей в распределении массы  вещества протовселенной. Без них в  теории «не получается»  образования  локальных  сгущений,  порождающих  галактики  и звезды. В местах скучивания массы локальное усиление гравитационного поля должно тормозить фотоны (вспомним об их динамической массе), уменьшая их энергию. Поэтому фоновое излучение этих областей должно казаться относительно холодным. По сравнению с ними фоновое излучение из областей  разряжения  массы  будет  казаться «более  теплым».  Неравномерности структуры в настоящее время должны проявляться на картах микроволнового излучения неба в виде пятен, которым соответствуют различающиеся температуры. Некоторые неравномерности действительно были отмечены.

Более  достоверно  существование  вариаций  реликтового  теплового излучения было установлено в 1992 г. после запуска в США (1989 г.) космического аппарата СОВЕ. Этот означает, что уже на начальной стадии расширения  Вселенной  существовала «рябь»,  флуктуации  в  распределении  массыэнергии по её объему. Дальнейшее гравитационное скучивание вещества порождает «космические пузыри»,  в  которых  отсутствует  вещество и «стенки пузырей»,  состоящие из  сверхскоплений и  скоплений  галактик. С помощью спутника СОВЕ удалось измерить спектр реликтового излучения в очень широком спектральном диапазоне и уточнить температуру излучения. Она равна 2,74 К.

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.