Номер 5, страница 233 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*5. Почему фоновое излучение, соответствующее температуре 3K, называется реликтовым?

Решение

Название «реликтовое» (от лат. relictum — остаток) это излучение получило потому, что оно является прямым физическим остатком, или «реликтом», очень ранней эпохи в истории Вселенной.

Согласно космологической модели Большого Взрыва, на ранних стадиях своего существования (примерно до 380 000 лет после начала расширения) Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Она состояла из первичной плазмы — «супа» из протонов, электронов и фотонов (квантов света).

В этом состоянии плазмы электроны были свободными, а не связанными с атомными ядрами. Фотоны постоянно взаимодействовали со свободными электронами, рассеиваясь на них. Из-за этого постоянного рассеяния Вселенная была непрозрачной для света, подобно густому туману или внутренней части Солнца.

По мере расширения Вселенная остывала. Когда её температура упала примерно до $3000$ К, энергии стало недостаточно, чтобы удерживать электроны в свободном состоянии. Произошла эпоха рекомбинации: электроны начали соединяться с протонами, образуя нейтральные атомы водорода.

Как только электроны оказались связаны в атомах, вещество Вселенной стало в основном электрически нейтральным. Фотоны перестали так активно рассеиваться и смогли свободно распространяться в пространстве. Вселенная стала прозрачной для излучения.

Именно эти фотоны, «высвободившиеся» в эпоху рекомбинации, мы и наблюдаем сегодня как реликтовое излучение. За прошедшие миллиарды лет (около 13.8 млрд лет) Вселенная продолжала расширяться. Это расширение привело к увеличению длин волн реликтовых фотонов — эффекту, известному как космологическое красное смещение.

Поскольку энергия (и, соответственно, температура) излучения обратно пропорциональна длине волны, его температура упала с первоначальных $\approx 3000$ К до наблюдаемых сегодня $\approx 2.725$ К, что обычно округляется до 3 К.

Таким образом, реликтовое излучение — это, по сути, «фотография» молодой Вселенной в тот момент, когда она стала прозрачной. Это самое древнее электромагнитное излучение, которое мы можем зафиксировать, и оно служит важнейшим доказательством теории горячей Вселенной.

Ответ: Фоновое излучение называется реликтовым, потому что оно является остаточным «светом» от очень раннего, горячего и плотного состояния Вселенной, сохранившимся с эпохи (примерно 380 000 лет после Большого Взрыва), когда Вселенная стала прозрачной.