Hvorfor er den kosmiske baggrundsstråling et bevis på Big Bang?

Hej Spørg om Fysik
Her er et spørgsmål jeg som fysiklærer ikke rigtigt kan give et tilfredstillende svar på. Det blev stillet af en elev i en af mine fysik C klasser.

Spørgsmålet er hvorfor at den kosmiske baggrundsstråling er bevis på Big Bang. Altså man kan se en Boltzmann fordeling på 2,7K overalt og man siger den er kølet ned fra 3-4000 K da universet blev gennemsigtigt og det lyder jo meget fair.

MEN, hvordan ville det se ud hvis universet var statisk eller på anden måde ikke startet fra et punkt. Så ville universet vel også have en eller anden temperatur? Og hvorfor kunne den temperatur ikke være 2,7K? Mangler lige et svar til dette der slår sømmet i.

Håber i kan hjælpe og mange tak hvis i kan.
 
Med venlig hilsen
 J S - Det Frie Gymnasium

Universets temperatur falder på grund af at det udvider sig. Hvis det ikke udvidede sig, ville der ikke være nogen måde at afkøles på, da energien af et statisk system er bevaret.

Da vi jo kan se den kosmiske mikrobølgebaggrundstråling (CMB) med en temperatur på 2.7 K, ville vi i et statisk univers være nødt til at komme op med en mekanisme, der kunne frembringe stråling med netop denne temperatur, frembringe det i så stort omfang at langt det meste stråling i Universet er netop denne stråling, og som tydeligvis havde fundet sted i hele universet eftersom det jo kommer fra alle retninger. En sådan mekanisme kendes ikke, men det er selvfølgelig ikke noget bevis.

Derimod kendes mekanismer, der kan frembringe stråling ved andre bølgelængder, f.eks. rekombination af brint, som jo findes overalt i Universet. Men for det første kræver denne rekombination, at Universet først er varmt (så brinten er ioniseret) og dernæst køler (så det rekombinerer), og for det andet kræves en mekanisme der bringer den udsendte strålings temperatur ned fra de 3000 K til de 2.7 K.

Begge dele kan forklares med, at Universet udvider sig. 

Men faktisk er CMB'en ikke grunden til, at vi fandt ud af at Universet udvider sig. Udvidelsen blev fundet af Edwin Powell Hubble (USA, 1889-1953) og hans samtidige ved at se på galaksers radialhastigheder, altså hastighederne mod eller væk fra os.

Det viste sig, at jo længere en galakse ligger fra os, jo hurtigere bevæger den sig, og altid i retningen væk fra os. Hvis galakserne bevæger sig væk, må de tidligere have ligget tættere på, så jo længere vi går tilbage i tiden, jo tættere var alt stof, og jo højere var temperaturen (ligesom temperaturen af en gas i et stempel stiger, når du presser stemplet sammen).

Det fik George Anthony Gamow (Ukraine/USA, 1904-1968) og nogle andre teoretikere til at tænke, at Universet på et tidspunkt måtte have været varmt nok til, at neutral brint ikke kunne eksistere, men i stedet var ioniseret.

Og at det så på et tidspunkt måtte være kølet nok ned til, at det kunne rekombinere og udsende 3000 grader varm stråling. Og at vi burde kunne se denne stråling i dag, blot rødforskudt pga. udvidelsen, til omkring 5 K.

De forudsagde altså CMB'en (omkring 1950) før den blev opdaget (i 1965). Og dette er det smukkeste bevis for en teori: At forudsige noget fuldstændigt uventet, som kan måles og dermed verificere eller falsificere teorien.

Hvis Universet var statisk, skulle det selvfølgelig stadig have en eller anden temperatur, som i princippet kunne være 2.7 K, selvom vi ikke ved hvorfor det lige skulle være denne temperatur. Grunden til, at teorien om Big Bang er så succesfuld er,

at den forklarer mange forskellige observationer på samme tid. For eksempel fordelingen af forskellige partikler i Universet. At der er ca. 3/4 brint, 1/4 helium, og en lille smule andet, kan forklares ved, at temperaturen efter tre minutter var faldet til 100 milliarder grader.

Big Bang skete i øvrigt ikke i et punkt, men i hele Universet på en gang. Universet er ikke et stort tomt rum, hvori alt stof skabtes ét sted og bevægede sig udad. Universet skabtes, endeligt eller uendeligt stort (nok det sidste), fuldt af næsten jævnt fordelt stof, og har udvidet sig lige siden, men der er altså ikke noget som det udvider sig i.

 

Til sidst må jeg lige nævne, at man i fysik vægrer sig ved at bruge ordet "bevis"; eksperimenter kan falsificere en teori, eller de kan bekræfte den, men et endegyldigt bevis kan aldrig findes i fysik, kun i matematik. En teori kan til gengæld bekræftes på så mange afhængige eller uafhængige måder, at man til sidst beslutter sig for, at det "nok er sådan det hænger sammen". Ellers fik vi jo aldrig bygget den flyvemaskine.

Bedste hilsener
Peter Laursen