Тепловое излучение Вселенной Энергия излучения дает существенный вклад во внутреннюю энергию системы при больших температурах. Одной из таких систем является высокотемпературная плазма. В таком состоянии вещества фотонный газ наряду с газом частиц должен быть включен в рассмотрение равноправным элементом системы. Многие свойства высокотемпературной плазмы можно объяснить, изучая взаимодействие фотонного газа с газом частиц.

Интересный пример такого взаимодействия представляет современная космологическая теория, описывающая ранние стадии эволюции Вселенной. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла приблизительно миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Взрыв образовал в очень малом объеме пространства горячий «котел», в котором при фантастически больших плотностях и температурах находилось все вещество нашей Вселенной.

По оценкам Г. Гамова через 100 с после взрыва плотность вещества была в тысячи раз больше плотности воды, а температура (Т ~ 10 9 К) значительно превышала температуру в центре термоядерного взрыва. В этот момент материя существовала в виде высокотемпературной плазмы, состоящей из протонов, нейтронов, электронов, фотонов, нейтрино и их античастиц. Вещество в таком состоянии было ионизованно и непрозрачно для излучения, и излучение находилось в «плену» вещества.

Согласно теории А.А. Фридмана, высказанной еще в 1922 г., после взрыва Вселенная начала расширяться. В результате расширения Вселенной температура вещества и излучения уменьшалась, достигнув через тысячу лет после взрыва значения Т* = 3000 К. Плотность вещества во Вселенной к этому времени приняла значение порядка ρ* ~ кг/м 3. В этих условиях электроны, протоны и нейтроны объединяются, образуя атомы водорода, гелия и других легких элементов.

Среда, состоящая из таких нейтральных атомов, становится прозрачной для излучения, и оно «отрывается» от вещества. Начиная с этого момента времени фотонный газ занимает весь объем Вселенной и расширяется вместе с ней. Это расширение фотонного газа можно считать адиабатическим.

По мере роста объема расширяющейся Вселенной температура фотонного газа, заполняющего ее, будет уменьшаться. Расчет показывает, что в результате такого процесса вся Вселенная к настоящему времени должна быть заполнена равновесным излучением с температурой порядка 3 К. Так как это тепловое космическое излучение представляет собой первичное излучение, зародившееся на ранней стадии эволюции Вселенной, то известный астрофизик И.С. Шкловский назвал его реликтовым (от лат. relictus оставленный). Оценки показывают, что сейчас в каждом кубическом сантиметре Вселенной находится порядка 700 фотонов реликтового излучения.

В 1965 г. американские инженеры А. Пензиас и Р. Уилсон при отладке приемника радиотелескопа обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса в виде равномерно распределенного по небесной сфере излучения с максимумом энергии на длине волны m = 0,96 нм. Закон Вина m = b/T m позволяет определить, что на такой длине волны находится максимум энергии равновесного теплового излучения при температуре T m = 3К. Так, в какой-то мере случайно, было обнаружено реликтовое тепловое излучение, как след процессов, происходивших во Вселенной в далеком прошлом.

Открытие реликтового излучения, удостоенное в 1978 г. Нобелевской премии по физике, является важным достижением современной науки. Оно подтверждает правильность теории «горячей» расширяющейся Вселенной, описывающей эволюцию Вселенной в течение десятков миллиардов лет. Из этой теории следует, что на ранней стадии эволюции Вселенная существенно отличалась от современной и представляла собой сгусток сверхплотной плазмы и излучения с очень высокой температурой, рожденных в момент Большого взрыва.

Определим число фотонов в единице объема пространства, заполненного равновесным тепловым излучением при температуре Т. Введем объемную концентрацию n фотонов излучения из интервала частот от до + d, искомая концентрация фотонов излучения всевозможных частот определится как

По определению, спектральная объемная плотность энергии излучения u T = ħ n. С учетом формулы Планка имеем По этой формуле находим, что n ф = м 3 при Т = 10 К и n ф = м 3 при Т = 1000 К. Такая зависимость концентрации частиц от температуры является характерной особенностью фотонного газа.

В теории «горячей» Вселенной считается, что «отрыв» излучения от вещества на ранней стадии эволюции Вселенной произошел при температуре Т* = 3000 К и плотности вещества ρ* ~ кг/м 3 – в процессе образования атомов и нейтрализации вещества. В настоящее время плотность вещества во Вселенной ρ 0 ~ кг. Оценим температуру реликтового излучения на современном этапе эволюции Вселенной.

Предположим, что излучение, заполняющее Вселенную, расширяется вместе с ней адиабатно. С учетом уравнения адиабаты для фотонного газа находим Т * 3 V * = Т 0 3 V 0, где Т 0 искомая температура реликтового излучения в настоящее время, а V * и V 0 объемы расширяющейся Вселенной на ранней и современной стадиях ее эволюции.

Подставляя значения плотностей ρ * и ρ 0, находим T 0 = 10 3T* = 3 K. До такой температуры «остыло» излучение в расширяющейся Вселенной к настоящему времени. Считая массу вещества во Вселенной неизменной и равной M, определим плотности вещества ρ * = M/V *, ρ 0 = M/V 0. Отсюда получаем