Promieniowanie reliktowe 2.Przewidywane cechy promieniowania tła

   To promieniowanie cieplne posiadać powinno określone widmo. Nie może więc to być promieniowanie monochromatyczne. Dlaczego? Otóż temperaturę ciała określa średnia energia kinetyczna cząstek stanowiących układ, poruszających się w sposób bezładny. Energie kinetyczne cząstek tworzą szerokie spektrum. Samo promieniowanie ciała jest wynikiem oddziaływań między samymi cząstkami o zróżnicowanych przecież energiach. Zatem promieniowanie to nie jest monochromatyczne. Przy tym istnieje w jego widmie promieniowanie dominujące w sensie statystycznym. Jeśli temperatura ciała jest wyższa, to promieniowanie dominujące swym natężeniem, jest bardziej krótkofalowe. Przedstawia to poniższy rysunek.

 By promieniowanie to odnaleźć, powinniśmy przewidzieć długość jego fali, która przecież musiała się zmienić przez te wszystkie lata ciągłego rozszerzania się Wszechświata. „Te same fotony by wypełnić zwiększającą się przestrzeń, powinny ulegać ciągłej zmianie. Powinna wzrastać długość ich fali (długość – jeden wymiar) w stosunku, w którym zwiększa się promień Wszechświata, w którym powiększają się wszystkie wymiary”, tak, jak ruch każdego z nich w jednym z trzech kierunków trójwymiarowej przestrzeni (a nie, jakby się rozszerzał – w trzech wymiarach równoczesnie). Ruch jest jednowymiarowy, a rozmiary Wszechświata rosną ruchem względnym ciał. [Oznaczać to może (Czy musi?), że przestrzeń jest wyłącznie tam, gdzie jest materia, a jej metryka zmienna jest ruchem globalnym tej materii we wszystkich kierunkach.] Tak na marginesie zauważmy, że podejście to jakby przeczy dzisiejszemu modelowaniu ekspansji Wszechświata w sensie malenia krzywizny przestrzeni, ekspansji jakby nie dotyczącej zawartości materialnej Wszechświata (cząstek, ciał, nawet galaktyk). A jednak fotony wydłużają się, pomimo, że ponoć nawet galaktyki nie ulegają zmianie, unoszone jak punkciki na powierzchni balonu... W każdym razie tak się to dzisiaj opisuje poglądowo dla spełnienia poznawczych potrzeb amatorów. Czy tylko amatorów? Mimo wszystko, czy to nie zastanawia (fotony tak, a galaktyki nie)? Ale to przecież duże uproszczenie. Przecież zawartość materialna Wszechświata, jej wielkość, ma bezpośredni wpływ na wielkość parametru gęstości. A jak jest w istocie? 
[Tu warto przypomnieć sobie (z artykułu o zasadzie kosmologicznej i dalszych rozważań) wniosek-hipotezę, że to, co widzimy, jest wszystkością, że horyzont hubblowski zamyka całkowicie Wszechświat. To było bardzo herezjalne oświadczenie. Jednak...  Jeśli nie jest tak, to nie ma możliwości jednoznaczne wyznaczenie długości fali dzisiaj, gdyż ścisłe określenie dzisiejszych rozmiarow (większych niż hubblowskie), w tej sytuacji nie jest możliwe.] 
   Należy więc uznać Wszechświat za wnękę o określonych rozmiarach. Tak zresztą podchodzi się pomimo, że na tym samym oddechu mówi się, że widoczny Wszechświat jest częścią czegoś większego. Wyraźna niekonsekwencja. Wszechświat jest nielokalny! Od tego należałoby zacząć. I dlatego to, co badamy, co można badać, jest Wszystkością. Powtarzam to jak mantrę. 

    „Powinna wzrastać długość ich fali...” Tak na chłopski rozum, choć w latach czterdziestych ub. wieku nie było to wcale tak oczywiste. Właśnie wtedy G. Gamow wraz ze swymi uczniami na bazie przypuszczenia, że na początku temperatura musiała być bardzo wysoka, przewidywał istnienie promieniowania tła stanowiącego relikt najdawniejszych czasów – tuż po Big-Bangu (tak ironizując nazwał Fred Hoyle Wielki Wybuch, ale nazwa się przyjęła). „Powinno to być promieniowanie cieplne, którego rozkład zgodny ma być z prawem Wiena.” 

     Sądząc po przedstawionym wyżej uproszczonym modelu, stwierdzić można, że długość fali domniemanego promieniowania reliktowego wzrasta proporcjonalnie do rozmiarów Wszechświata, to znaczy do jego promienia. Zapisujemy to następująco:

 Problemem byłoby to, że początkowej (gdy w czasie samego Wybuchu pojawiło się promieniowanie elektromagnetyczne), tej najmniejszej w historii Wszechświata długości fali, nie możemy znać. Oczywiście nie jest możliwe jej obserwacyjne wyznaczenie. Całe szczęście możliwe jest obliczenie po jakim czasie od Wielkiego Wybuchu dojść musiało do separacji promieniowania i materii substancjalnej. Moment ten służyć może za punkt odniesienia. Jak wyżej wspomniałem, promieniowanie odseparowało się od materii substancjalnej, gdy odpowiadało temperturze 3000K. Nastąpiło to po upływie około trzystu tysięcy lat od momentu „wybychu”. Promień Wszechświata równy był tyleż samo lat świetlnych. Nie bierzemy oczywiście pod uwagę wstępnego, bardzo wczesnego, okresu, w którym, zgodnie z przyjętym powszechnie dość uzasadnionym poglądem (który i ja podzielam), miał miejsce wzrost nieliniowy. Trwał on jednak bardzo krótko, wprost drobny ułamek sekundy (zgodnie z naszą subiektywną miarą czasu).

  Oszacujmy najpierw długość fali promieniowania termicznego odpowiadającego wspomnianej temperaturze trzech tysięcy kelwinów. Oprzemy się na prawie Wiena:                                                                             

Tutaj: C – stała, C = 2,898·10^-3 [m·K] , T – temperatura w skali bezwzględnej, którą dla uproszczenia nazwiemy temperaturą promieniowania. W naszym przypadku temperatura ta wynosi 3000K. Otrzymujemy więc:  λ₁ = 0,966·10^-6 m.

  Odpowiadałoby to promieniowaniu podczerwonemu. Warto tu zauważyć, że dane użyte do obliczenia określiliśmy z grubsza, a poza tym chodzi o oszacowanie na poziomie licealnym. Więcej nie potrzeba. Inna rzecz, że spora część promieniowania pobudzonego atomu wodoru, to przecież właśnie podczerwień (nie tylko światło widzialne – seria Balmera).

     Przyjmijmy teraz, że dziś promień Wszechświata, R₂, równy jest 15 miliardów lat świetlnych (zgodnie z przyjętą przez nas „roboczo” wartością stałej Hubble’a), a w momencie rozprzężenia wynosił 3·10⁵ ly. Bazując na równości (*) otrzymujemy:   λ₂ = 4,83·10^-2 m = 4,83 cm. Jest to długość fali promieniowania mikrofalowego. Wynik ten daje tylko oszacowanie rzędu wielkości. Trudno o większe wymagania. Wszak bazowaliśmy w gruncie rzeczy na programie fizyki licealnej. Czy takie promieniowanie w ogóle istnieje?…

   Oszacowanie to, jak wspomniałem powyżej, jest dużym uproszczeniem również z tego powodu, że fotony stanowią ogromną przewagę ilościową w stosunku do cząstek masywnych. Na każdy barion przypada bowiem około miliarda fotonów. Zatem nawet jeśli temperatura odpowiadająca maksimum widma jest stosunkowo niska (na przykład 3.000K), bardzo dużo jest fotonów o bardzo wielkiej energii. Nie było więc tak, że jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki Wszechświat nagle stał się przeźroczysty. Oto jedna z przyczyn tego, że obliczenia powyższe są grubym oszacowaniwem, tylko dla potrzeb ogólnej orientacji. Poza tym, choćby z tego samego powodu, sam proces rozprzężenia rozciągnięty musiał być w czasie, nie mógł być aktem przbiegającym w mgnieniu oka. Dodać do tego należy, że sam Wszechświat, już wtedy, jednorodny był tylko w skali globalnej, a niejednorodności lokalne z całą pewnością już istniały. Czym spowodowane? – o tym innym razem. 

      Można przypuszczać, że podobnie rozumował George Gamow w latach czterdziestych. Uczniowie jego: Alper i Herman uznali, że powinno to być promieniowanie mikrofalowe. Pracujący w różnych ośrodkach Peebls i Zeldowicz oszacowali (w początkach lat sześćdziesiątych) temperaturę hipotetycznego promieniowania reliktowego na 5 – 10 K. Jest to temperatura odpowiadająca rzeczywiście promieniowaniu mikrofalowemu. Nie wiedzieli, że dokładnie w tym samym czasie dokonuje się największe odkrycie dwudziestego wieku (tak sądzi wielu, choć dziś raczej skłaniają się oni ku ciemnej energii, moim zdaniem niesłusznie.).