Номер 5, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Что такое реликтовое излучение? Как и когда оно возникло? Кто предсказал о возможности существования реликтового излучения? Кто экспериментально обнаружил?

Что такое реликтовое излучение?

Реликтовое излучение, также известное как космическое микроволновое фоновое излучение (КМФ), — это форма электромагнитного излучения, которое равномерно и изотропно заполняет Вселенную. Оно является одним из главных подтверждений теории Большого взрыва. Это излучение представляет собой «эхо» или «послесвечение» ранней, горячей стадии развития Вселенной. Его спектр с высокой точностью соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой $T \approx 2,725$ кельвина. Это означает, что излучение находится в тепловом равновесии, унаследованном от эпохи, когда вещество и излучение были единой плотной и горячей средой.

Ответ: Реликтовое излучение — это электромагнитное излучение, оставшееся с ранних этапов существования Вселенной (эпохи Большого взрыва), которое равномерно заполняет всё пространство и имеет температуру около $2,725$ К.

Как и когда оно возникло?

Реликтовое излучение возникло в эпоху, называемую рекомбинацией, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого момента Вселенная была настолько горячей и плотной, что представляла собой плазму из протонов, электронов и других частиц. В этой плазме фотоны постоянно рассеивались на свободных электронах, и Вселенная была непрозрачной для света, подобно густому туману. По мере расширения Вселенная остывала, и когда её температура упала примерно до 3000 К, энергии стало недостаточно, чтобы ионизировать атомы. Электроны начали соединяться с протонами, образуя нейтральные атомы водорода. В результате этого процесса (рекомбинации) количество свободных электронов резко сократилось, и фотоны смогли свободно распространяться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Эти фотоны, продолжающие своё путешествие до наших дней, мы и наблюдаем как реликтовое излучение. Из-за последующего расширения Вселенной их длина волны увеличилась (произошло космологическое красное смещение), а энергия и, соответственно, температура, уменьшились до современного значения.

Ответ: Оно возникло примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, в эпоху рекомбинации, когда из-за остывания Вселенной образовались нейтральные атомы и пространство стало прозрачным для фотонов.

Кто предсказал о возможности существования реликтового излучения?

Теоретическое предсказание существования реликтового излучения было сделано в рамках теории горячей Вселенной. В 1948 году американский физик-теоретик советского происхождения Джордж Гамов вместе со своими учениками, Ральфом Альфером и Робертом Германом, развивая модель Большого взрыва, пришёл к выводу о существовании остаточного излучения от первоначального огненного шара. Они рассчитали, что по мере расширения и остывания Вселенной это излучение должно наблюдаться и сегодня в виде микроволнового фона с температурой около 5 К. Эта оценка оказалась поразительно близкой к значению, которое было измерено позже.

Ответ: Существование реликтового излучения теоретически предсказали Джордж Гамов, Ральф Альфер и Роберт Герман в 1948 году.

Кто экспериментально обнаружил?

Экспериментальное открытие реликтового излучения было совершено случайно в 1964 году (опубликовано в 1965 году) американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном, сотрудниками Bell Telephone Laboratories. При настройке чувствительной рупорной антенны, предназначенной для спутниковой связи, они обнаружили постоянный, всепроникающий фоновый шум, который не зависел ни от времени суток, ни от направления на небе. После исключения всех возможных источников помех (включая, по известной истории, помёт голубей на антенне) они пришли к выводу, что шум имеет космическое происхождение. В это же время группа физиков из Принстонского университета под руководством Роберта Дикке вела целенаправленную подготовку к поиску этого излучения. Узнав об открытии Пензиаса и Уилсона, группа Дикке сразу поняла, что это и есть предсказанное Гамовым реликтовое излучение. За это открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.

Ответ: Экспериментально реликтовое излучение обнаружили Арно Пензиас и Роберт Уилсон в 1964 году.