Открытие реликтового излучения и его спектр абсолютно чёрного тела

Случайное обнаружение в 1965 году неожиданного микроволнового сигнала и последующее измерение его как почти идеального излучения абсолютно чёрного тела послужили решающим подтверждением модели горячего Большого взрыва.

Definition

Спектр реликтового излучения абсолютно чёрного тела — это спектр теплового излучения космического микроволнового фонового излучения, который, как было измерено, с исключительной точностью соответствует закону Планка для абсолютно чёрного тела при температуре около 2,725 кельвина, без значительных отклонений.

Scope

Эта тема охватывает случайное открытие космического микроволнового фонового излучения Пензиасом и Уилсоном, одновременную теоретическую интерпретацию Дике и его коллегами, почти идеальную форму спектра абсолютно чёрного тела, установленную прибором COBE FIRAS, и то, как этот тепловой спектр подтверждает происхождение излучения в горячей, плотной ранней Вселенной.

Core questions

• Как было открыто космическое микроволновое фоновое излучение?
• Почему его спектр абсолютно чёрного тела является таким сильным доказательством горячего Большого взрыва?
• Насколько точно был измерен спектр?

Key concepts

• Излучение абсолютно чёрного тела
• Спектр Планка
• Антенная температура
• Реликтовое излучение
• COBE FIRAS
• Температура излучения

Key theories

Предсказание горячего Большого взрыва

Горячая, плотная ранняя Вселенная должна оставить после себя тепловое реликтовое излучение со спектром абсолютно чёрного тела — предсказание, которое подтвердилось открытием и спектральным измерением фонового излучения.

Подтверждение абсолютно чёрного тела

Точные спектральные измерения показывают, что фоновое излучение следует закону Планка для идеального абсолютно чёрного тела с точностью до долей процента, исключая альтернативные источники и фиксируя температуру излучения.

Mechanisms

В горячей ранней Вселенной частые взаимодействия поддерживали радиацию в тепловом равновесии с веществом, создавая спектр абсолютно чёрного тела; после того как радиация отделилась, космическое расширение равномерно сместило каждую длину волны в красную сторону, сохраняя форму абсолютно чёрного тела, но понижая его температуру.

Clinical relevance

Спектр абсолютно чёрного тела является одним из наиболее строгих подтверждений модели горячего Большого взрыва: его почти идеальная тепловая форма чрезвычайно трудно воспроизводима любым астрофизическим процессом, кроме равновесия в горячей ранней Вселенной, что служит основой всей космологической структуры.

History

После того как Гамов, Альфер и Герман предсказали реликтовое излучение в конце 1940-х годов, Пензиас и Уилсон обнаружили устойчивый избыточный шум в 1964–1965 годах, который группа Дике идентифицировала как космический фон; прибор COBE FIRAS позднее измерил его спектр как почти идеальное излучение абсолютно чёрного тела, что принесло Нобелевские премии в 1978 и 2006 годах соответственно.

Debates

Спектральные искажения

Хотя спектр является отличным абсолютно чёрным телом, теория предсказывает крошечные искажения от раннего впрыска энергии; вопрос о том, смогут ли эксперименты следующего поколения обнаружить их, является активным и имеет значение для физики ранней Вселенной.

Key figures

• Arno Penzias
• Robert Wilson
• Robert Dicke
• John Mather
• George Gamow

Seminal works

• penzias1965
• dicke1965

Frequently asked questions

Действительно ли космическое микроволновое фоновое излучение было открыто случайно?

Да: Пензиас и Уилсон калибровали радиоантенну и обнаружили постоянный шум, который они не могли устранить; только после консультации с группой Дике они поняли, что это было предсказанное реликтовое излучение горячего Большого взрыва.

Почему спектр абсолютно чёрного тела так важен?

Спектр абсолютно чёрного тела — это уникальный признак излучения, которое когда-то находилось в тепловом равновесии; создание такого спектра по всему небу практически невозможно без горячей, плотной ранней фазы, поэтому измерения убедительно подтверждают модель Большого взрыва по сравнению с конкурирующими моделями.