If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

The cosmic microwave background

W 1929 r. Edwin Hubble pokazał, że światło z odległych galaktyk jest przesunięte w stronę większych długości fali, proporcjonalnie do ich odległości od Drogi Mlecznej. Współczesna interpretacja tego zjawiska głosi, że przestrzeń rozszerza się, ciągnąc wraz z sobą galaktyki. W 1931 r. Georges Lemaître przeprowadził eksperyment myślowy, odwracający ekspansję przestrzeni w czasie. W pewnym odległym momencie w przeszłości, dowodził, wszystko we Wszechświecie musiało być ściśnięte w jednym punkcie przy olbrzymiej gęstości. Lemaître zasugerował, że cała materia i energia obserwowalnego Wszechświata powstała w wyniku eksplozji, dzisiaj zwanej Wielkim Wybuchem, który zapoczątkował ekspansję przestrzeni, która trwa do dziś.
W 1948 Hermann Bondi, Thomas Gold i Fred Hoyle opublikowali alternatywną teorię kosmologiczną, która tłumaczyła obserwowaną ekspansję bez odwoływania się do początku w przeszłości. Zaproponowali, że materia nieustannie się tworzy, formuje nowe galaktyki, więc rozszerzający się Wszechświat zachowuje tę samą średnią gęstość i wygląd przez nieskończony czas. W teorii “stanu stacjonarnego” materia jest tworzona w sposób ciągły. W teorii Wielkiego Wybuchu cała materia we Wszechświecie została stworzona od razu w określonym momencie w przeszłości.

Era promieniowania

W tym samym roku fizycy George Gamow, Ralph Alpher i Robert Herman opracowali szczegółowy teoretyczny model Wielkiego Wybuchu. Zdali sobie sprawę, że Wszechświat tuż po eksplozji byłby nie tylko skrajnie gęsty, ale także skrajnie gorący. Przy tak wysokich temperaturach większość zawartości Wszechświata byłaby raczej w formie intensywnego światła (promieniowania) niż materii. Ten wczesny okres nazywany jest teraz erą promieniowania.
Podczas rozszerzania się Wszechświata całkowita ilość światła i materii wypełniała wciąż zwiększającą się objętość przestrzeni, więc ich gęstość musiała maleć. Ale ekspansja przestrzeni rozciągała także podróżujące przez nią fale światła. Im większa jest długość fali światła, tym niższa jest jej energia. So the expansion of space caused the energy density of light to decrease even faster than the density of matter. Consequently, most of the energy of the universe was soon in the form of matter instead of radiation, and today we live in a matter-dominated universe.
The cosmic microwave background radiation is the faint remnant glow of the big bang. This false color image, covering about 2.5 percent of the sky, shows fluctuations in the ionized gas that later condensed to make superclusters of galaxies. Photo courtesy of the BOOMERANG Project
The three scientists recognized that the radiant energy of the Big Bang must still exist in the universe today, although greatly reduced in intensity by the expansion of space. Alpher and Herman went on to calculate the present temperature corresponding to this energy. The answer they got was 5 K, which means 5 degrees above absolute zero on the Kelvin scale. (At absolute zero, the lowest possible temperature, molecular motion and thermal radiation come to a complete stop.) Radiant energy at a temperature of 5 K is mostly in the frequency band of microwaves.

The remnant glow from the Big Bang

Alpher and Herman in effect predicted that the universe today should be awash in a faint but uniform bath of microwave energy coming from every direction — the remnant glow from the Big Bang. But they made no attempt to search for it. As theoretical physicists, not observational astronomers, they perhaps assumed that the technology required for such an observation did not yet exist. Furthermore, radio astronomy was in its infancy in those days, and the handful of radio astronomers who might have known how to use the available technology to search for the microwave background radiation were unaware of the published theoretical prediction. So for several years the debate between the steady state and Big Bang theories continued, in the absence of any strong observational evidence in favor of one over the other.
In 1964, Arno A. Penzias and Robert W. Wilson at the Bell Telephone Laboratories in New Jersey began investigating the microwave radio emissions from the Milky Way and other natural sources. They had a very sensitive detector connected to a large horn-shaped antenna, previously used for satellite communication. When the two scientists tuned their equipment to the microwave portion of the spectrum, they discovered an annoying background static that wouldn’t go away. No matter where they pointed the antenna, or when, the microwave static was the same. They spent months running down every possible cause for the static, including pigeon droppings inside the antenna, but they couldn’t find a source or a solution.

“They’ve got it.”

At about the same time, Princeton physicist Robert H. Dicke had come to his own conclusion that residual radiation from the Big Bang must still be present in the universe. He did not know about the previously published work by Gamow, Alpher, and Herman. So Dicke independently calculated that the lingering radiation should have a temperature of about 10 K. He realized that it should be observable in the microwave portion of the spectrum. His research team was in the process of building an antenna to search for it when he learned that Penzias and Wilson had discovered a persistent microwave background noise. Dicke turned to his colleagues and said simply, “They’ve got it.”
Penzias and Wilson had stumbled on the first observational evidence to support the Big Bang theory of the origin of the universe. For this discovery they shared the Nobel Prize for Physics in 1978. Subsequent observations of the microwave background at different wavelengths have refined the value of the radiation temperature of the universe to 2.73 K. This is about half the value calculated by Alpher and Herman in 1948, but their result is widely regarded as a successful prediction in view of the approximations required by the calculation. The discovery of the cosmic microwave background radiation led most astronomers to accept the Big Bang theory.
To jest fragment z Cosmic Horizons: Astronomy at the Cutting Edge, pod redakcją Stevena Sotera i Neila deGrasse Tysona, opublikowanej przez wydawnictwo New Press. © 2000 Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.