Sind CMB-Photonen „abgekühlt“ oder „gedehnt“ worden?

Einführende Texte und populäre Berichte darüber, warum wir das „einst heiße“ CMB als Mikrowellen sehen, sagen fast immer etwas über die „Abkühlung“ der Photonen seit dem Urknall aus. Aber ist das nicht irreführend? Haben diese Photonen nicht lange ("kühle") Wellenlängen, weil sich der Raum seit ihrer Emission erweitert hat? Es gibt keinen separaten "Kühl"-Prozess, oder?

Vielleicht wurden sie flach gebügelt?
Wohin ist die Energie gegangen, wenn ihre Frequenz abgenommen hat? Es scheint eine sehr seltsame Art von Energieverlust zu sein. Es ist nicht so, dass sie bei Kollisionen leicht verloren gehen können, oder? Ist es an irgendein Feld verloren? Wenn die Anfangstemperatur 10 ^ 7 K beträgt (sagen wir) und es 10 ^ 89 Photonen gibt (sagen wir), ist NkT nicht genau Nickel und Groschen, oder? Ungefähr 10^73J. Vielleicht gibt es noch mehr davon? Ich weiß nicht, ob ich wirklich schwachsinnig bin und es offensichtlich ist oder ob es eine richtige Frage wert ist. Ich konnte keinen Duplikat finden. Ich fragte einen befreundeten Physiker und er sagte, es sei zu kompliziert, um es zu erklären. Nun ja!
@DanSheppard: Ich denke, die akzeptierte Antwort erklärt genau das.
Ok, ich muss schwach sein. Ich gehe davon aus, dass Energie (irgendwo) erhalten bleibt und E = hf. Sind diese beide gültig? Ich verstehe, dass sich f und Lambdba ändern, wenn sich der Raum ausdehnt, und so die Temperatur (dh Energie) abnimmt. Aber wenn E = hf, bedeutet das, dass Sie jetzt ein weniger energiereiches Photon haben. Die Energie muss irgendwohin gegangen sein, wenn sie nicht jetzt im Photon steckt. Ich verstehe den Mechanismus, was mit dem Abkühlen und Strecken zu tun hat, ich weiß einfach nicht, wie ich die Energieeinsparung erklären soll. Ich kann die akzeptierte Antwort darauf nicht sehen. Ich werde es noch einmal versuchen, wenn ich mich klüger fühle, :-) .
Ich habe die (eine?) Antwort hier gefunden. Interessantes Zeug. physical.stackexchange.com/questions/130536/…

Antworten (3)

Kühlen und Dehnen bedeuten hier im Wesentlichen dasselbe. Die Temperatur jeder Schwarzkörperstrahlung hängt mit der Spitzenwellenlänge durch das Wiensche Gesetz zusammen

λ M A X = B T
Wenn sich das Universum ausdehnt, werden daher alle Photonenwellenlängen gestreckt und auch die Spitzenwellenlänge.
λ ∝ A ( T )
Dadurch sinkt die Temperatur der Strahlung um den gleichen Faktor, der die Wellenlänge der Photonen erweitert.
T ∝ 1 A ( T )
Dieser Faktor A ( T ) ist der Skalierungsfaktor des Universums und nimmt mit der Zeit für ein expandierendes Universum zu.

Ich denke, der beste Weg, darüber nachzudenken, ist, dass der Satz "Die Photonen haben sich abgekühlt" einfach eine Tatsache beschreibt, nicht diese Tatsache erklärt. Früher hatten die Photonen an jedem beliebigen Ort eine thermische Verteilung (schwarzer Körper), die einer hohen Temperatur entsprach (gemessen von ruhenden Beobachtern im natürlichen, mitbewegten Bezugssystem). Zu späteren Zeiten hatten die Photonen an jedem beliebigen Ort eine Wärmeverteilung, die einer niedrigeren Temperatur entsprach. Das meinen wir, wenn wir sagen, dass sie "abgekühlt" sind.

Natürlich ist es dann ganz natürlich zu fragen, warum sie abgekühlt sind. Hier kommt die Erklärung der „Dehnung des Raums“ ins Spiel. Ich denke, dass diese Erklärung problematisch ist, da ich hier ausführlich geschrieben habe , aber andere sind anderer Meinung.

Ist es nicht ein ziemlich großer Unterschied zwischen der "Streckung" eines einzelnen Photons (was zu niedrigeren detektierten Energiequanten beim Empfang führt) und einer Änderung der gesamten Wellenlängenverteilung (die einer Verschiebung der scheinbaren Schwarzkörpertemperatur entspricht)?
Ich glaube nicht, dass ich das verstehe. Die "Tatsache" ist, dass Beobachter einmal Photonen messen, deren Wellenlängenverteilung um kurze Wellenlängen zentriert ist, Beobachter zu einem späteren Zeitpunkt eine Verteilung messen, die um lange Wellenlängen zentriert ist, und letztere Beobachter eine geringere Dichte von Photonen messen. Alle diese Tatsachen können in dem Wort "gekühlt" zusammengefasst werden (da diese Tatsachen genau den Unterschied zwischen einem Hochtemperatur- und einem Niedertemperatur-Schwarzkörperspektrum beschreiben). Manche Leute "erklären" diese Tatsache dann gerne mit der "dehnbaren" Sprache.
Ich dachte eher an den Spezialfall, bei dem ein einzelnes Photon mit einer ausreichend spezifizierten Energie vor 3 Milliarden Jahren freigesetzt und seine Energie jetzt gemessen und als reduziert befunden wird. Das Schwarzkörper-Zeug befindet sich auf einer anderen Ebene der Analyse, nicht wahr, indem Interpretationen einer gesamten Verteilung von Photonen diskutiert werden?
Es stimmt, dass es nicht sehr natürlich wäre, das Wort „gekühlt“ zu verwenden, um ein einzelnes Photon zu beschreiben, insbesondere eines, das nicht aus einer thermischen Verteilung stammt.
Das ist eine großartige Erklärung, Ted, danke dafür!

Ich werde den größten Teil der @Ted-Antwort verwenden, um "heiß" zu beschreiben, aber ich werde eine grundlegendere Frage stellen:

Ich denke, der beste Weg, darüber nachzudenken, ist, dass der Satz "Die Photonen haben sich abgekühlt" einfach eine Tatsache beschreibt, nicht diese Tatsache erklärt. Früher hatten die Photonen an jedem beliebigen Ort eine thermische (Schwarzkörper-)Verteilung, die einer hohen Temperatur entsprach (gemessen von ruhenden Beobachtern im natürlichen, mitbewegten Bezugssystem). Zu späteren Zeiten hatten die Photonen an jedem beliebigen Ort eine Wärmeverteilung, die einer niedrigeren Temperatur entsprach. Das meinen wir, wenn wir sagen, dass sie "gekühlt" sind. Natürlich ist es dann ganz natürlich zu fragen

F: Was würde passieren, wenn CMB-Photonen in der Vergangenheit wirklich heiß wären?
A: Es ist eine Unmöglichkeit!

wie hier zu sehen: Verbleibende Probleme bei der Interpretation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds :

Die erwarteten CMB-Temperaturerhöhungen wären für die Sternentstehung in Galaxien bei Rotverschiebungen über mehr als unerschwinglich z = 2 wo dennoch die kosmologisch relevantesten Supernovae beobachtet wurden

Die offizielle Interpretation des CMB in einem Universum aus heißer Vergangenheit ist in Schwierigkeiten. Ein guter Grund zu der Annahme, dass größere Atome in der Vergangenheit bei größeren Wellenlängen strahlten, was die kosmologische Rotverschiebung erklärt, wie hier gezeigt wird : Ein selbstähnliches Modell des Universums enthüllt die Natur der dunklen Energie

Sind CMB-Photonen „abgekühlt“ oder „gedehnt“ worden?
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