Космическое фоновое излучение

Когда Вселенная была очень молода, материя в ней была очень горячей. Это вещество испускало тепловое излучение, как и другие горячие предметы. Какое-то время излучение находилось в равновесии с веществом: фотоны излучения постоянно как испускаются, так и поглощаются веществом (в основном это снующие электроны).

В какой-то момент материя «отвязалась» от излучения, а это означает, что взаимодействия между фотонами и другими частицами стали очень редкими. Основная причина этого в том, что большая часть материи образована нейтральными атомами, а не состоит из свободных заряженных частиц (электронов и ядер). Нейтральные атомы не взаимодействуют с излучением так сильно, как заряженные частицы.

С этого времени большинство фотонов, которые существовали, просто летали сквозь пространство, ни с чем не взаимодействуя. Это фотоны CMB, которые мы видим сегодня.

Реликтовое излучение отделилось от «горячей ванны» примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Момент был концом фотонной эпохи и назван "рекомбинацией" .

Ваш вопрос о скорости света в порядке, хотя он касается другой темы. Нет ничего плохого в том, что два объекта движутся вдали друг от друга со скоростью выше скорости света. Просто запрещено передавать сигналы со скоростью выше скорости света. Достаточно привести обычную аналогию с «муравьями на воздушном шаре»: два муравья убегают друг от друга с максимальной скоростью 1 см/с, а расширение воздушного шара добавляет дополнительную скорость.

Кратко:

Большой взрыв не произошел в одной точке и не взорвался в каком-то существующем пространстве. Вместо этого Большой взрыв произошел «везде»; с тех пор само пространство расширилось от первоначальной сингулярности до нынешних размеров.

Сначала Вселенная была невероятно горячей и плотной, настолько горячей и плотной, что элементарные частицы еще не могли объединяться в нейтральные атомы, а частицы, включая фотоны, могли перемещаться только на небольшое расстояние, прежде чем столкнуться и взаимодействовать с другими частицами.

По мере расширения Вселенная охлаждалась и становилась менее плотной. В конце концов плотность перешла порог, позволяющий фотонам путешествовать практически вечно, не сталкиваясь с чем-либо; мы говорим, что в это время Вселенная стала прозрачной для фотонов.

Почти все фотоны, которые были в космическом бульоне в то время, все еще здесь. Поскольку расширение Вселенной — это расширение всего пространства, расширение унесло с собой фотоны, так что они повсюду.

Эти фотоны, длина волны которых растянута промежуточным расширением пространства, образуют космическое микроволновое фоновое излучение.

Хорошая книга о ранней Вселенной — «Первые три минуты» Стивена Вайнберга.

Чтобы понять это, мы можем начать с космологии пространства-времени с материей и излучением. Расширение Вселенной основано на довольно простой логике. Не приводя аргументов, я просто формулирую уравнение Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера для энергии (так называемой энергии) FLRW для эволюции масштабного параметра пространственного расстояния a,

$$\Big(\frac{\dot a}{a}\Big)^2~=~\frac{8\pi G}{3}\rho~-~\frac{k}{a^2}$$ для $\rho$плотность энергии. Параметр Хаббла или постоянная с пространством в каждый момент времени $H~=~{\dot a}/a$. Мы устанавливаем $k~=~0$для ровного места ${\mathbb R}^3$соответствовать наблюдениям. Причина в том, что плотность энергии фотонов обратно пропорциональна длине ящика. Коробка рассматривается как резонансная полость, что эквивалентно ситуации, когда количество вылетающих фотонов примерно равно количеству входящих фотонов. В период доминирования радиации все было почти в равновесии, так что это не противоречит некоторым физическим рассуждениям. В курсе стат-механики элементарная задача N-фотонов в ящике использует ту же логику, энергия фотонов масштабируется обратно пропорционально размеру ящика. Итак, энергия фотонов $E~=~hc/\lambda$, а длина волны масштабируется с масштабным коэффициентом a. Таким образом, плотность масштабируется как $\rho~=~hc/a^4$.

Итак, с помощью этой настройки давайте предложим временную зависимость масштабного коэффициента a от времени.$a~\sim~t^n$. Поместите это в «уравнение энергии» и поверните рукоятку, и вы обнаружите, что$n~=~1/2$. Масштабный коэффициент растет как квадратный корень из времени. Это уравнение энергии, и баланс говорит нам, что потеря энергии в фотонах равна выигрышу в гравитационной потенциальной энергии. Это хорошо согласуется с ньютоновским анализом и экспериментом Паунда-Ребки.

Мы можем продолжить дальше, так как фотоны в ящике оказывают давление на стенки ящика.$p~=~F/a^2$, а сила вызывает приращение изменения размера ящика$dE~=~Fdx$. Сила распределяется по трем разным направлениям, поэтому$p~=~\rho/3$. Затем это можно использовать в уравнении$pV~=~NkT$найти это для$p~\sim~a^{-4}$и$V~\sim~ a^3$с вышеуказанным$E~\sim~1/\lambda$что$\lambda~\sim~ 1/T$, что является законом Вейна для длины волны как пика кривой BB. Пропорциональность плотности энергии масштабному фактору и температуре также дает$E~\sim~T^4$. Так что эта физика замечательно согласуется с лабораторным пониманием основ термодинамики излучения.