Radiazione CMB. Scoperta la radiazione cosmica di fondo a microonde. Teoria dell'Universo Caldo

Nel 2006, John Mather e George Smoot hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per la loro scoperta dello spettro del corpo nero e dell'anisotropia della radiazione cosmica di fondo a microonde. Questi risultati sono stati ottenuti sulla base di misurazioni effettuate utilizzando il satellite COBE lanciato dalla NASA nel 1988. I risultati di J. Mather e J. Smoot hanno confermato l'origine dell'Universo a seguito del Big Bang. La differenza estremamente piccola nella temperatura della radiazione cosmica di fondo ΔT/T ~ 10 -4 è la prova del meccanismo di formazione delle galassie e delle stelle.

J.Mather (nato nel 1946)

J. Smooth (nato nel 1945)

Riso. 52. Spettro del corpo nero della radiazione cosmica di fondo a microonde.

La radiazione cosmica di fondo (o radiazione cosmica di fondo) fu scoperta nel 1965 da A. Penzias e R. Wilson. In una fase iniziale dell'evoluzione dell'Universo, la materia era allo stato di plasma. Un tale mezzo è opaco alla radiazione elettromagnetica; si verifica un'intensa diffusione di fotoni da parte di elettroni e protoni. Quando l'Universo si raffreddò fino a 3000 K, elettroni e protoni si unirono in atomi di idrogeno neutri e il mezzo divenne trasparente ai fotoni. A quel tempo, l'età dell'Universo era di 300.000 anni, quindi la radiazione cosmica di fondo a microonde fornisce informazioni sullo stato dell'Universo in quest'era. A quel tempo, l'Universo era praticamente omogeneo. Le disomogeneità dell'Universo sono determinate dalla disomogeneità della temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa eterogeneità è ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. Le disomogeneità della radiazione cosmica di fondo a microonde sono testimoni delle disomogeneità dell'Universo: le prime stelle, le galassie, gli ammassi di galassie. Con l'espansione dell'Universo, la lunghezza d'onda della CMB è aumentata Δλ/λ = ΔR/R e attualmente la lunghezza d'onda della CMB è nella gamma delle onde radio, la temperatura della CMB è T = 2,7 K.

Riso. 53. Anisotropia della radiazione cosmica di fondo a microonde. I colori più scuri indicano aree dello spettro CMB che hanno una temperatura più elevata.

J.Mather: "In principio ci fu il Big Bang−quindi ora lo diciamo con grande sicurezza. Il satellite COBE, proposto come progetto nel 1974 alla National Aeronautics and Space Agency (NASA) e lanciato nel 1989, ha fornito una prova molto forte a favore di ciò: la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR, o radiazione cosmica di fondo a microonde) ha un effetto spettro quasi perfetto del corpo nero con temperatura
2,725 ± 0,001 K e questa radiazione è isotropa (la stessa in tutte le direzioni) con una deviazione standard relativa non superiore a 10 per milione su scale angolari di 7° o più. Questa radiazione viene interpretata come una traccia di uno stadio iniziale estremamente caldo e denso dell'evoluzione dell'Universo. In una fase così calda e densa, la creazione e la distruzione dei fotoni, nonché l’instaurazione dell’equilibrio tra gli stessi e con tutte le altre forme di materia ed energia, avverrebbero molto rapidamente rispetto alla scala temporale caratteristica dell’espansione dell’Universo. . Un tale stato produrrebbe immediatamente radiazione di corpo nero. Un Universo in espansione deve mantenere la natura del corpo nero di questo spettro, quindi misurare qualsiasi deviazione significativa dallo spettro ideale del corpo nero invaliderebbe l’intera idea del Big Bang o mostrerebbe che una certa energia è stata aggiunta alla CMB dopo il rapido stabilimento dell’equilibrio. (ad esempio, dal decadimento di alcune particelle primarie). Il fatto che questa radiazione sia isotropa a un grado così elevato è la prova chiave che proviene dal Big Bang”.

Riso. 54. Robert Wilson e Arno Penzias all'antenna dove è stata registrata la radiazione cosmica di fondo a microonde.

J. Smooth: “Secondo la teoria dell’Universo caldo, la radiazione cosmica di fondo a microonde è una radiazione residua formata nelle prime fasi ad alta temperatura dell’evoluzione dell’Universo in un momento vicino all’inizio dell’espansione dell’Universo moderno 13,7 miliardi di anni fa . La stessa CMB può essere utilizzata come un potente strumento per misurare la dinamica e la geometria dell’Universo. La CMB è stata scoperta da Penzias e Wilson al Laboratorio. Bella nel 1964
Scoprirono una radiazione isotropa persistente con una temperatura termodinamica di circa 3,2 K. Allo stesso tempo, i fisici di Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson e Roll) stavano sviluppando un esperimento per misurare la radiazione cosmica di fondo a microonde prevista dalla teoria dell'universo caldo. La scoperta accidentale della radiazione cosmica di fondo da parte di Penzias e Wilson inaugurò una nuova era nella cosmologia, segnando l'inizio della sua trasformazione da mito e speculazione in un campo scientifico a pieno titolo.
La scoperta dell’anisotropia della temperatura nel fondo cosmico a microonde ha rivoluzionato la nostra comprensione dell’Universo e la sua ricerca moderna continua a rivoluzionare la cosmologia. Tracciare lo spettro di potenza angolare delle fluttuazioni della temperatura della CMB con plateau, picchi acustici e una coda ad alta frequenza in decadimento ha portato alla creazione di un modello cosmologico standard in cui la geometria dello spazio è piatta (corrispondente alla densità critica), energia oscura e energia oscura. la materia domina e c'è solo una piccola quantità di materia ordinaria. Secondo questo modello confermato con successo, la struttura osservata dell’Universo è stata formata dall’instabilità gravitazionale, che ha amplificato le fluttuazioni quantistiche generate nella primissima era inflazionistica. Le osservazioni attuali e future metteranno alla prova questo modello e identificheranno i parametri cosmologici chiave con precisione e significato eccezionali."

Radiazione CMB

Le osservazioni astronomiche mostrano che, oltre alle singole fonti di radiazione sotto forma di stelle e galassie, nell'Universo c'è radiazione che non è divisa in singole fonti: radiazione di fondo. Si osserva in tutte le gamme dello spettro elettromagnetico. In sostanza, la radiazione di fondo è la somma della luminescenza di varie sorgenti (galassie, quasar, gas intergalattico), così distanti che i moderni mezzi di osservazione astronomica non riescono ancora a dividere la loro radiazione totale in singole componenti (ricordiamo che la Via Lattea era considerata una striscia continua fino alla luce del XVII secolo, e solo nel 1610 Galileo Galilei, esaminandola al telescopio, scoprì che era costituita da singole stelle).

Nel 1965, gli ingegneri radiofonici americani A. Penzias e R. Wilson scoprirono la radiazione di fondo nella gamma delle microonde (lunghezza d'onda da 300 μm a 50 cm, frequenza da 6 10 8 Hz a 10 12 Hz). A queste frequenze delle onde elettromagnetiche semplicemente non esistono sorgenti che possano produrre una radiazione di fondo di tale luminosità. Questa radiazione è molto omogenea: fino ai millesimi di punto percentuale, la sua intensità è costante in tutto il cielo. Si noti che una certa percentuale della “neve” che appare sullo schermo televisivo su un canale non sintonizzato è dovuta proprio alla radiazione di fondo delle microonde.

La proprietà principale della radiazione di fondo a microonde è il suo spettro (cioè la distribuzione dell'intensità in funzione della frequenza o della lunghezza d'onda), mostrato in Fig. 5.1.2. Lo spettro di questa radiazione corrisponde esattamente alla curva teorica ben nota alla fisica: la curva di Planck. Questo tipo di spettro è chiamato spettro del corpo nero. Questo spettro è caratteristico di una sostanza riscaldata completamente opaca. La temperatura della radiazione a microonde è di circa 3 K (più precisamente 2,728 K). È impossibile ottenere uno spettro di Planck aggiungendo radiazioni provenienti da qualsiasi fonte. La conferma più attendibile della natura planckiana dello spettro della radiazione cosmica di fondo a microonde è stata ottenuta utilizzando il satellite americano COBE (Cosmic Background Explorer) nel 1992.

L'equazione della curva di Planck ha la forma

.

(5.1)

Qui ρ ν è la densità spettrale della radiazione (energia della radiazione per unità di volume e per unità di intervallo di frequenza), ν è la frequenza, h è la costante di Planck, c è la velocità della luce, k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura della radiazione.

La radiazione a microonde proveniente dall’Universo è altrimenti chiamata radiazione relitta. Questo nome è dovuto al fatto che porta informazioni sulle condizioni fisiche che regnavano nell'Universo in un momento in cui le stelle e le galassie non si erano ancora formate. Il fatto stesso dell'esistenza di questa radiazione suggerisce che in passato le proprietà dell'Universo erano significativamente diverse rispetto a quelle attuali. Per corroborare questa conclusione, presentiamo la seguente catena logica.

1. Poiché lo spettro della radiazione cosmica di fondo a microonde è lo spettro di un corpo completamente nero, questa radiazione è formata da un corpo riscaldato completamente opaco.
2. Poiché questa radiazione ci arriva uniformemente da tutti i lati, siamo circondati da tutti i lati da una sorta di corpo opaco.
3. Tuttavia, l'Universo, nella sua forma moderna, è quasi completamente trasparente alle onde radio nella gamma delle microonde (millimetri e centimetri). Pertanto, la materia che emette questa radiazione è molto più lontana da noi di qualsiasi oggetto osservabile: galassie, quasar, ecc. Ricordando il principio “più lontano nello spazio, più profondo nel tempo”, arriviamo alla conclusione che L'Universo era completamente opaco nel profondo passato, quando le stelle e le galassie non si erano ancora formate; e poiché è opaco vuol dire che è molto denso. La radiazione di fondo delle microonde è una reliquia rimasta di quell'epoca lontana.

Notare che l'omogeneità quasi perfetta di questa radiazione è il miglior argomento a favore del principio cosmologico, a favore dell'omogeneità dell'Universo su larga scala.

Presentiamo alcuni dati quantitativi sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. Secondo la legge di Wien, la temperatura della radiazione del corpo nero con una lunghezza d'onda alla quale si verifica l'intensità massima λ max è calcolata dalla formula

Per la radiazione relitta λ max =0,1 cm L'energia media di un quanto di questa radiazione è di circa 1,05·10 -22 J. Attualmente ci sono circa 4·10 8 fotoni relitti in ogni metro cubo. Si tratta di circa un miliardo di volte in più rispetto alle particelle della materia ordinaria (più precisamente, ai protoni; intendiamo, ovviamente, la densità media).

Variazione nel tempo della temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde

Per comprovare l'ipotesi di Gamow sullo stato inizialmente caldo dell'Universo, utilizzeremo i dati sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. Cerchiamo di capire quale fosse la sua temperatura in passato. In altre parole, scopriamo quale temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde registrerebbe un osservatore in una galassia con spostamento verso il rosso z. Per fare ciò, usiamo la formula (2.1) λ=λ 0 (1+z), che mostra la dipendenza della lunghezza d'onda di qualsiasi radiazione (incluso il fondo relitto delle microonde) che viaggia nello spazio intergalattico dallo spostamento verso il rosso z, e la legge di Wien (5.2) T·λmax =0,29 K cm. Combinando queste formule, troviamo che allo spostamento verso il rosso z la temperatura della radiazione CMB era T

T(z)=T0 (1+z),

(5.3)

Dove T 0 =2,728 K è la temperatura attuale (cioè a z=0). Da questa formula segue che in precedenza la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde era più alta di adesso.

Ci sono anche conferme sperimentali dirette di questo modello. Un gruppo di scienziati americani ha utilizzato il più grande telescopio Keck del mondo (alle Hawaii) dotato di uno specchio del diametro di 10 metri per ottenere gli spettri di due quasar con spostamenti verso il rosso z=1.776 ez=1.973. Come hanno scoperto questi scienziati, le linee spettrali di questi oggetti mostrano che sono irradiati con radiazione termica con una temperatura rispettivamente di 7,4 ± 0,8 K e 7,9 ± 1,1 K, che è in ottimo accordo con la temperatura prevista della radiazione cosmica di fondo a microonde. dalla formula (5.3): T(1.776) =7,58 K e T(1.973)=8,11 K. Allo stesso tempo, tra l'altro, questi fatti forniscono un ulteriore argomento a favore del fatto che la radiazione di fondo a microonde ci arriva da le profondità più profonde dell'Universo.

. Georgy Antonovich Gamov (1904-1968).

Quanto più ci si avvicina al Big Bang, tanto più calda è la radiazione cosmica di fondo a microonde. A z~1000 (questo spostamento verso il rosso corrisponde a un'epoca distante 300mila anni dal Big Bang), la sua temperatura era T~3000 K, e in ogni metro cubo c'erano circa 4·10 17 fotoni relitti. Una radiazione così potente avrebbe dovuto ionizzare tutto il gas esistente in quel momento. COSÌ, nel lontano passato dell'Universo, le stelle non potevano esistere e tutta la materia era un plasma denso, caldo e opaco.

È questa affermazione che costituisce l'essenza della teoria dell'Universo caldo, le cui basi furono gettate dall'eccezionale fisico Georgy Antonovich Gamov, che nacque e studiò nel nostro paese, divenne famoso qui come fisico, ma fu costretto a farlo emigrare negli USA durante gli anni della repressione stalinista. Questa teoria è brevemente discussa in questa sezione.

Radiazione di fondo a microonde (radiazione relitta)

- spazio radiazione avente uno spettro caratteristico di una temperatura di ca. ZK; determina l'intensità della radiazione di fondo dell'Universo nella gamma radio a onde corte (a onde centimetriche, millimetriche e submillimetriche). È caratterizzato dal più alto grado di isotropia (l'intensità è quasi la stessa in tutte le direzioni). Scoperta di M. f. E. (A. Penzias, R. Wilson, 1965, USA) ha confermato il cosiddetto. , ha fornito le prove sperimentali più importanti a favore del concetto di isotropia dell'espansione dell'Universo e della sua omogeneità su larga scala (vedi).

Secondo il modello dell'Universo caldo, la materia dell'Universo in espansione aveva in passato una densità molto più elevata di quella attuale e una temperatura estremamente elevata. A T> 10 8 K primario, costituito da protoni, ioni di elio ed elettroni, che emettevano, diffondevano e assorbevano continuamente fotoni, era in completa emissione. Durante la successiva espansione dell'Universo, la temperatura del plasma e della radiazione diminuì. L'interazione delle particelle con i fotoni non ha più avuto il tempo di influenzare in modo significativo lo spettro della radiazione durante il tempo di espansione caratteristico (l'Universo in termini di bremsstrahlung a questo punto era diventato molto inferiore all'unità). Tuttavia, anche in completa assenza di interazione della radiazione con la materia durante l'espansione dell'Universo, lo spettro della radiazione del corpo nero rimane quello del corpo nero, solo la temperatura della radiazione diminuisce. Mentre la temperatura superava i 4000 K, la sostanza primaria era completamente ionizzata, la distanza dei fotoni da un evento di diffusione all'altro era molto inferiore. A 4000 K, protoni ed elettroni andarono perduti, il plasma si trasformò in una miscela di atomi neutri di idrogeno ed elio e l'Universo divenne completamente trasparente alle radiazioni. Durante la sua ulteriore espansione, la temperatura della radiazione continuò a scendere, ma la natura di corpo nero della radiazione fu preservata come una reliquia, come una “memoria” del primo periodo dell’evoluzione del mondo. Questa radiazione è stata scoperta prima su un'onda di 7,35 cm, e poi su altre onde (da 0,6 mm a 50 cm).

Temperatura di M.f. E. con una precisione del 10% è risultato pari a 2,7 K. Avg. l'energia dei fotoni di questa radiazione è estremamente bassa - 3000 volte inferiore all'energia dei fotoni della luce visibile, ma il numero di fotoni è M. f. E. molto largo. Per ogni atomo nell'Universo ci sono ~ 10 9 fotoni della M.f. E. (in media 400-500 fotoni per 1 cm3).

Insieme al metodo diretto per determinare la temperatura di M. f. E. - secondo la curva di distribuzione dell'energia nello spettro delle radiazioni (vedi), esiste anche un metodo indiretto - secondo la popolazione dei livelli energetici inferiori delle molecole nel mezzo interstellare. Quando un fotone viene assorbito da M.f. E. la molecola si sposta dalla base. stato in uno stato eccitato. Maggiore è la temperatura della radiazione, maggiore è la densità dei fotoni con energia sufficiente ad eccitare le molecole e maggiore è la loro proporzione a livello eccitato. Dal numero di molecole eccitate (popolazione di livelli) si può giudicare la temperatura della radiazione eccitante. Quindi, osservazioni ottiche. Le linee di assorbimento del ciano interstellare (CN) mostrano che i suoi livelli energetici inferiori sono popolati come se le molecole di CN si trovassero in un campo di radiazione di corpo nero di tre gradi. Questo fatto fu stabilito (ma non del tutto compreso) nel 1941, molto prima della scoperta di M. f. E. osservazioni dirette.

Né stelle, né radiogalassie, né calde intergalattiche. gas, né la riemissione di luce visibile da parte della polvere interstellare possono produrre radiazioni prossime alla f magnetica. i.: l'energia totale di questa radiazione è troppo alta e il suo spettro non è simile né allo spettro delle stelle né allo spettro delle radiosorgenti (Fig. 1). Ciò, così come la quasi totale assenza di fluttuazioni di intensità attraverso la sfera celeste (fluttuazioni angolari su piccola scala), dimostra l'origine cosmologica e relitta della f magnetica. E.

Fluttuazioni di M. f. E.
Rilevazione di piccole differenze nell'intensità di M. f. i., ricevuto da diverse parti della sfera celeste, consentirebbe di trarre una serie di conclusioni sulla natura dei disturbi primari della materia, che successivamente portarono alla formazione di galassie e ammassi di galassie. Le galassie moderne e i loro ammassi si sono formati a seguito della crescita di disomogeneità di ampiezza insignificanti nella densità della materia che esistevano prima della ricombinazione dell'idrogeno nell'Universo. Per qualsiasi cosmologico modello, si può trovare la legge di crescita dell'ampiezza delle disomogeneità durante l'espansione dell'Universo. Se si conosce quali erano le ampiezze della disomogeneità della sostanza al momento della ricombinazione, si potrà stabilire quanto tempo impiegarono per crescere e divenire dell'ordine dell'unità. Successivamente, aree con una densità significativamente superiore alla media avrebbero dovuto distinguersi dal contesto generale in espansione e dare origine alle galassie e ai loro ammassi. Solo la radiazione relitta può “raccontare” l’ampiezza delle disomogeneità di densità iniziali al momento della ricombinazione. Poiché prima della ricombinazione la radiazione era strettamente accoppiata alla materia (elettroni sparsi, fotoni), le disomogeneità nella distribuzione spaziale della materia portavano a disomogeneità nella densità dell'energia della radiazione, cioè a differenze nella temperatura della radiazione in regioni dell'Universo di diversa densità. Quando, dopo la ricombinazione, la sostanza smise di interagire con la radiazione e divenne trasparente ad essa, M. f. E. avrebbe dovuto preservare tutte le informazioni sulle disomogeneità di densità nell'Universo durante il periodo di ricombinazione. Se esistessero disomogeneità, allora la temperatura del M. f. E. dovrebbero fluttuare e dipendere dalla direzione di osservazione. Tuttavia, gli esperimenti per rilevare le fluttuazioni previste non hanno ancora una precisione sufficientemente elevata. Forniscono solo limiti superiori per i valori di fluttuazione. Su piccole scale angolari (da un minuto d'arco a sei gradi d'arco), le fluttuazioni non superano i 10 -4 K. La ricerca delle fluttuazioni della f magnetica. E. sono complicati anche dal fatto che elementi cosmici discreti contribuiscono alle fluttuazioni del fondo. sorgenti radio, la radiazione dell'atmosfera terrestre fluttua, ecc. Esperimenti su grandi scale angolari hanno anche dimostrato che la temperatura del M. f. E. praticamente indipendente dalla direzione di osservazione: le deviazioni non superano K. I dati ottenuti hanno permesso di ridurre di 100 volte la stima del grado di anisotropia dell'espansione dell'Universo rispetto alla stima derivante dall'osservazione diretta delle galassie “scattering” .

M.f. E. come "nuovo etere".
M.f. E. isotropico solo nel sistema di coordinate associato alle galassie “scattering”, nelle cosiddette. sistema di riferimento associato (questo sistema si espande insieme all'Universo). In qualsiasi altro sistema di coordinate, l'intensità della radiazione dipende dalla direzione. Questo fatto apre la possibilità di misurare la velocità del Sole rispetto al sistema di coordinate associato al campo magnetico. E. Infatti, a causa dell'effetto Doppler, i fotoni che si propagano verso un osservatore in movimento hanno un'energia maggiore di quelli che lo raggiungono, nonostante in un sistema associato a f magnetica. i., le loro energie sono uguali. Pertanto, la temperatura della radiazione per un tale osservatore risulta dipendere dalla direzione: , dove T 0 - Mercoledì attraverso la temperatura della radiazione del cielo, v- la velocità dell'osservatore, - l'angolo tra il vettore velocità e la direzione di osservazione.

L'anisotropia dipolare della radiazione cosmica di fondo a microonde, associata al movimento del sistema solare rispetto al campo di tale radiazione, è ormai stabilita (fig. 2): in direzione della costellazione del Leone, la temperatura della M . F. E. è 3,5 mK superiore alla media, e nella direzione opposta (la costellazione dell'Acquario) è altrettanto inferiore alla media. Di conseguenza, il Sole (insieme alla Terra) si muove rispetto alla funzione magnetica. E. ad una velocità di ca. 400 km/s verso la costellazione del Leone. La precisione delle osservazioni è così elevata che gli sperimentatori registrano la velocità della Terra attorno al Sole pari a 30 km/s. Tenendo conto della velocità del movimento del Sole attorno al centro della Galassia è possibile determinare la velocità di movimento della Galassia rispetto al campo magnetico f. E. Sono 600 km/s. In linea di principio esiste un metodo che consente di determinare le velocità dei ricchi ammassi di galassie rispetto alla CMB (vedi).

Spettro M. f. E.
Nella fig. La tabella 1 mostra i dati sperimentali esistenti su M. f. E. e la curva di Planck della distribuzione dell'energia nello spettro della radiazione di equilibrio di un corpo assolutamente nero avente una temperatura di 2,7 K. Le posizioni dei punti sperimentali sono in buon accordo con quelle teoriche. storto. Ciò fornisce un forte supporto al modello dell’Universo caldo.

Si noti che nell'intervallo delle onde centimetriche e decimetriche, le misurazioni della temperatura M. f. E. possibile dalla superficie della Terra utilizzando radiotelescopi. Nella banda millimetrica e soprattutto submillimetrica, la radiazione atmosferica interferisce con le osservazioni della fisica magnetica. i., pertanto, le misurazioni vengono effettuate a banda larga, montate su palloncini (cilindri) e razzi. Dati preziosi sullo spettro di M. f. E. nella regione millimetrica sono stati ottenuti da osservazioni di linee di assorbimento di molecole del mezzo interstellare negli spettri delle stelle calde. Si è scoperto che il principale contributo alla densità energetica del M. f. E. produce radiazioni da 6 a 0,6 mm, la cui temperatura è vicina a 3 K. In questo intervallo di lunghezze d'onda, la densità di energia del magnetico f. E. =0,25 eV/cm3.

Molti dei cosmologici prevedono teorie e teorie sulla formazione delle galassie, che considerano i processi della materia e dell'antimateria, la dissipazione di movimenti potenziali sviluppati su larga scala, l'evaporazione di piccole masse primarie, il decadimento di quelle instabili. rilascio di energia nelle prime fasi dell’espansione dell’Universo. Allo stesso tempo, qualsiasi rilascio di energia si allinea="absmiddle" width="127" Height="18"> alla fase in cui la temperatura del M.f. E. variava fino a 3 K, avrebbe dovuto distorcere notevolmente il suo spettro di corpo nero. Pertanto, lo spettro di M. f. E. trasporta informazioni sulla storia termica dell’Universo. Inoltre queste informazioni risultano differenziate: il rilascio di energia in ciascuno dei tre stadi di espansione (K; 3T 4000 K). Ci sono pochissimi fotoni così energetici (~10 -9 del loro numero totale). Pertanto, la radiazione di ricombinazione derivante durante la formazione di atomi neutri dovrebbe aver notevolmente distorto lo spettro del campo magnetico. E. a onde di 250 micron.

La sostanza potrebbe subire un altro riscaldamento durante la formazione delle galassie. Spettro M. f. E. allo stesso tempo, potrebbe anche cambiare, poiché la diffusione dei fotoni relitti da parte degli elettroni caldi aumenta l'energia dei fotoni (vedi). Cambiamenti particolarmente forti si verificano in questo caso nella regione delle onde corte dello spettro. Una delle curve che dimostrano la possibile distorsione dello spettro di M. f. i., mostrato in Fig. 1 (curva tratteggiata). Cambiamenti disponibili nello spettro di M. f. E. ha dimostrato che il riscaldamento secondario della materia nell’Universo è avvenuto molto più tardi della ricombinazione.

M.f. E. e raggi cosmici.

Cosmico i raggi (protoni e nuclei ad alta energia; elettroni ultrarelativistici che determinano l'emissione radio della nostra e di altre galassie nella gamma del metro) trasportano informazioni sui giganteschi processi esplosivi nelle stelle e nei nuclei galattici, durante i quali nascono. Come si è scoperto, la durata della vita delle particelle ad alta energia nell'Universo dipende in gran parte dai fotoni del campo magnetico. i., a bassa energia, ma estremamente numerosi: ce ne sono un miliardo di volte di più degli atomi nell'Universo (questo rapporto viene mantenuto durante l'espansione dell'Universo). Nella collisione di elettroni ultrarelativistici, cosmici. raggi con fotoni M.f. E. si verifica una ridistribuzione dell'energia e della quantità di moto. L'energia del fotone aumenta molte volte e il fotone radio si trasforma in un fotone a raggi X. radiazione, l'energia dell'elettrone cambia in modo insignificante. Poiché questo processo si ripete molte volte, l’elettrone perde gradualmente tutta la sua energia. Osservato da satelliti e razzi a raggi X. la radiazione di fondo sembra essere dovuta in parte a questo processo.

Anche i protoni e i nuclei di energie ultraelevate sono soggetti all'influenza dei fotoni M. f. i.: quando entrano in collisione con loro, i nuclei si dividono e le collisioni con i protoni portano alla nascita di nuove particelle (coppie elettrone-positrone, mesoni, ecc.). Di conseguenza, l'energia del protone diminuisce rapidamente fino alla soglia al di sotto della quale la nascita di particelle diventa impossibile secondo le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. È con questi processi che diventa pratico assenza nello spazio raggi di particelle con energia 10-20 eV, nonché un piccolo numero di nuclei pesanti.

Illuminato.:
Zeldovich Ya.B., Modello “caldo” dell’Universo, UFN, 1966, v. 89, v. 4, pag. 647; Weinberg S., I primi tre minuti, trad. dall'inglese, M., 1981.

Radiazione CMB-radiazione elettromagnetica cosmica con un alto grado di isotropia e con uno spettro caratteristico di un corpo assolutamente nero con una temperatura? 2.725 K. La CMB fu prevista da G. Gamow, R. Alpher e R. Hermann nel 1948 sulla base della prima teoria del Big Bang da loro creata. Alpher e Herman riuscirono a stabilire che la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde dovrebbe essere 5 K, e Gamow ha fatto una previsione in 3 K. Sebbene esistessero già alcune stime della temperatura dello spazio, presentavano diversi limiti. In primo luogo, queste erano misurazioni solo della temperatura effettiva dello spazio, non si presumeva che lo spettro della radiazione obbedisse alla legge di Planck. In secondo luogo, dipendevano dalla nostra particolare posizione ai margini della Galassia e non presumevano che la radiazione fosse isotropa. Inoltre, darebbero risultati completamente diversi se la Terra si trovasse da qualche altra parte nell'Universo. Né lo stesso G. Gamow né molti dei suoi seguaci hanno sollevato la questione della rilevazione sperimentale della radiazione cosmica di fondo a microonde. Apparentemente credevano che questa radiazione non potesse essere rilevata, poiché “annega” nei flussi di energia portati sulla terra dalla radiazione delle stelle e dei raggi cosmici.

La possibilità di rilevare la radiazione cosmica di fondo a microonde sullo sfondo della radiazione proveniente da galassie e stelle nella regione delle onde radio centimetriche è stata confermata dai calcoli di A.G. Doroshkevich e I.D. Novikov, realizzato su suggerimento di Ya.B. Zeldovich nel 1964, cioè un anno prima della scoperta di A. Pepzias e R. Wilson.

Nel 1965, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson costruirono il radiometro Dicke, che intendevano utilizzare non per la ricerca della radiazione cosmica di fondo a microonde, ma per esperimenti di radioastronomia e comunicazioni satellitari. Durante la calibrazione del dispositivo, si è scoperto che l'antenna aveva una temperatura eccessiva di 3,5 K che non potevano spiegare. Il leggero rumore di fondo non è cambiato né dalla direzione né dal tempo di funzionamento. All'inizio decisero che si trattava di rumore inerente all'attrezzatura. Il radiotelescopio è stato smantellato e il suo "imbottitura" è stato testato più e più volte. L'orgoglio degli ingegneri è stato ferito, e quindi il controllo è andato fino all'ultimo dettaglio, fino all'ultima saldatura. Tutto è stato eliminato. Lo raccolsero di nuovo: il rumore riprese. Dopo molte riflessioni, i teorici giunsero alla conclusione che questa radiazione non poteva essere altro che uno sfondo costante di emissioni radio cosmiche che riempiono l'Universo in un flusso costante. Ricevendo una chiamata da Holdmdale, Dicke scherzò: "Abbiamo vinto il jackpot, ragazzi". Un incontro tra i team di Princeton e Holmdale ha stabilito che la temperatura dell'antenna era causata dalla radiazione cosmica di fondo a microonde. Gli astrofisici hanno calcolato che il rumore corrisponde a una temperatura di circa 3 gradi Kelvin ed è “udibile a diverse frequenze. Nel 1978 Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la loro scoperta. Si può immaginare come abbiano gioito i sostenitori del modello “caldo” quando è arrivato questo messaggio. Questa scoperta non solo ha rafforzato la posizione del modello “caldo”. La radiazione relitta ha permesso di scendere dal passo temporale dei quasar (8-10 miliardi di anni) a un passo corrispondente a 300mila anni dall'inizio stesso. Allo stesso tempo, è stata confermata l'idea che l'Universo una volta avesse una densità un miliardo di volte superiore a quella attuale. È noto che la materia riscaldata emette sempre fotoni. Secondo le leggi generali della termodinamica, ciò manifesta il desiderio di uno stato di equilibrio in cui si raggiunge la saturazione: la nascita di nuovi fotoni è compensata dal processo inverso, l'assorbimento dei fotoni da parte della materia, per cui il numero totale di fotoni presenti nel il mezzo non cambia. Questo “gas fotonico” riempie uniformemente l’intero Universo. La temperatura del gas dei fotoni è vicina allo zero assoluto - circa 3 Kelvin, ma l'energia in esso contenuta è maggiore dell'energia luminosa emessa da tutte le stelle durante la loro vita. Per ogni centimetro cubo di spazio nell'Universo ci sono circa cinquecento quanti di radiazione, e il numero totale di fotoni nell'Universo visibile è diversi miliardi di volte maggiore del numero totale di particelle di materia, cioè atomi, nuclei, elettroni che compongono pianeti, stelle e galassie. Questa radiazione di fondo generale dell'Universo è chiamata con mano leggera da I.S. Shklovsky, relitto, cioè residuo, che è un residuo, una reliquia dello stato iniziale denso e caldo dell'Universo. Supponendo che la materia dell'Universo primordiale fosse calda, G. Gamow predisse che i fotoni, che allora erano in equilibrio termodinamico con la materia, sarebbero persistiti nell’era moderna. Questi fotoni furono rilevati direttamente nel 1965. Dopo aver sperimentato un'espansione generale e un relativo raffreddamento, il gas dei fotoni ora forma la radiazione di fondo dell'Universo, arrivando a noi uniformemente da tutti i lati. Il quanto di fondo cosmico a microonde non ha massa a riposo, come ogni quanto di radiazione elettromagnetica, ma ha energia, e quindi, secondo la famosa formula di Einstein E=signora? e la massa corrispondente a questa energia. Per la maggior parte dei quanti relitti, questa massa è molto piccola: molto inferiore alla massa di un atomo di idrogeno, l’elemento più comune di stelle e galassie. Pertanto, nonostante la significativa predominanza nel numero di particelle, la radiazione cosmica di fondo a microonde è inferiore alle stelle e alle galassie in termini di contributo alla massa totale dell'Universo. Nell'era moderna, la densità della radiazione è 3 * 10 -34 g/cm 3, ovvero circa mille volte inferiore alla densità media della materia nelle galassie. Ma non è sempre stato così: nel lontano passato dell'Universo, il contributo principale alla sua densità è stato dato dai fotoni. Il fatto è che durante l'espansione cosmologica, la densità della radiazione diminuisce più velocemente della densità della materia. In questo processo, non solo diminuisce la concentrazione dei fotoni (alla stessa velocità della concentrazione delle particelle), ma diminuisce anche l'energia media di un fotone, poiché durante l'espansione la temperatura del gas dei fotoni diminuisce. Durante la successiva espansione dell'Universo, la temperatura del plasma e della radiazione diminuirono. L'interazione delle particelle con i fotoni non ha più avuto il tempo di influenzare significativamente lo spettro di emissione durante il tempo di espansione caratteristico. Tuttavia, anche in completa assenza di interazione tra radiazione e materia durante l'espansione dell'Universo, lo spettro della radiazione del corpo nero rimane solo la temperatura della radiazione diminuisce; Mentre la temperatura superava i 4000 K, la materia primaria era completamente ionizzata, la distanza dei fotoni da un evento di diffusione all'altro era molto inferiore all'orizzonte dell'Universo. A T ? 4000K protoni ed elettroni si ricombinarono, il plasma si trasformò in una miscela di atomi neutri di idrogeno ed elio e l'Universo divenne completamente trasparente alle radiazioni. Durante la sua ulteriore espansione, la temperatura della radiazione continuò a diminuire, ma la natura di corpo nero della radiazione fu preservata come una reliquia, come una “memoria” del primo periodo dell'evoluzione del mondo. Questa radiazione è stata scoperta prima su un'onda di 7,35 cm, e poi su altre onde (da 0,6 mm a 50 cm).

Né le stelle e le radiogalassie, né il gas caldo intergalattico, né la riemissione di luce visibile da parte della polvere interstellare possono produrre radiazioni che si avvicinino alle proprietà della radiazione di fondo a microonde: l'energia totale di questa radiazione è troppo elevata e il suo spettro non è simile a o lo spettro delle stelle o lo spettro delle radiosorgenti. Ciò, così come la quasi totale assenza di fluttuazioni di intensità attraverso la sfera celeste (fluttuazioni angolari su piccola scala), dimostra l'origine cosmologica e relitta della radiazione di fondo a microonde.

La radiazione di fondo è isotropa solo nel sistema di coordinate associato alle galassie “scattering”, nelle cosiddette. sistema di riferimento associato (questo sistema si espande insieme all'Universo). In qualsiasi altro sistema di coordinate, l'intensità della radiazione dipende dalla direzione. Questo fatto apre la possibilità di misurare la velocità del Sole rispetto al sistema di coordinate associato alla radiazione di fondo a microonde. Infatti, a causa dell'effetto Doppler, i fotoni che si propagano verso un osservatore in movimento hanno un'energia maggiore di quelli che lo raggiungono, nonostante in un sistema associato a m.f. i., le loro energie sono uguali. Pertanto, la temperatura della radiazione per un tale osservatore risulta dipendere dalla direzione. L’anisotropia del dipolo della radiazione cosmica di fondo a microonde, associata al movimento del sistema solare rispetto al campo di questa radiazione, è ormai stabilita: in direzione della costellazione del Leone, la temperatura della radiazione relitta è 3,5 mK più alta. rispetto alla media, e nella direzione opposta (la costellazione dell'Acquario) è altrettanto inferiore alla media. Di conseguenza il Sole (insieme alla Terra) si muove rispetto alla m.f. E. ad una velocità di circa 400 km/s verso la costellazione del Leone. La precisione delle osservazioni è così elevata che gli sperimentatori registrano la velocità della Terra attorno al Sole pari a 30 km/s. Tenendo conto della velocità del Sole attorno al centro della Galassia possiamo determinare la velocità della Galassia rispetto alla radiazione di fondo che è di circa 600 km/s. Lo spettrofotometro di radiazione infrarossa lontana (FIRAS) sul satellite Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA ha effettuato misurazioni precise dello spettro della radiazione cosmica di fondo a microonde. Queste misurazioni sono state le misurazioni più accurate dello spettro del corpo nero fino ad oggi. La mappa più dettagliata della radiazione cosmica di fondo è stata costruita grazie al lavoro della navicella spaziale americana WMAP.

Lo spettro della radiazione cosmica di fondo a microonde che riempie l'Universo corrisponde allo spettro della radiazione di un corpo assolutamente nero con una temperatura di 2,725 K. Il suo massimo si verifica alla frequenza di 160,4 GHz, che corrisponde ad una lunghezza d'onda di 1,9 mm. È isotropo entro lo 0,001%: la deviazione standard della temperatura è di circa 18 μK. Questo valore non tiene conto dell'anisotropia del dipolo (la differenza tra la regione più fredda e quella più calda è 6,706 mK) causata dallo spostamento di frequenza Doppler della radiazione dovuto alla nostra stessa velocità rispetto al sistema di coordinate associato alla CMB. L'anisotropia dipolare corrisponde al movimento del sistema solare verso la costellazione della Vergine ad una velocità di? 370 chilometri al secondo.

Radiazione CMB

La radiazione di fondo a microonde extragalattica si verifica nella gamma di frequenze da 500 MHz a 500 GHz, corrispondente a lunghezze d'onda da 60 cm a 0,6 mm. Questa radiazione di fondo trasporta informazioni sui processi avvenuti nell'Universo prima della formazione di galassie, quasar e altri oggetti. Questa radiazione, chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde, è stata scoperta nel 1965, sebbene fosse stata prevista già negli anni '40 da George Gamow ed è stata studiata dagli astronomi per decenni.

Nell'Universo in espansione, la densità media della materia dipende dal tempo: in passato era più alta. Tuttavia, durante l'espansione, non cambia solo la densità, ma anche l'energia termica della sostanza, il che significa che nella fase iniziale dell'espansione l'Universo non era solo denso, ma anche caldo. Di conseguenza, ai nostri giorni dovrebbe esserci una radiazione residua, il cui spettro è uguale allo spettro di un corpo assolutamente solido, e questa radiazione dovrebbe essere altamente isotropa. Nel 1964, A.A. Penzias e R. Wilson, testando un'antenna radio sensibile, scoprirono una radiazione a microonde di fondo molto debole, dalla quale non poterono liberarsi in alcun modo. La sua temperatura è risultata essere di 2,73 K, che è vicina al valore previsto. Da esperimenti di isotropia è stato dimostrato che la sorgente della radiazione di fondo a microonde non può essere localizzata all'interno della Galassia, poiché in questo caso si dovrebbe osservare una concentrazione di radiazione verso il centro della Galassia. La fonte di radiazione non potrebbe trovarsi all'interno del sistema solare, perché Ci sarebbe una variazione giornaliera nell’intensità delle radiazioni. Per questo motivo si è giunti alla conclusione sulla natura extragalattica di questa radiazione di fondo. Pertanto, l'ipotesi di un Universo caldo ha ricevuto una base osservativa.

Per comprendere la natura della radiazione cosmica di fondo a microonde, è necessario rivolgersi ai processi avvenuti nelle prime fasi dell'espansione dell'Universo. Consideriamo come sono cambiate le condizioni fisiche nell'Universo durante il processo di espansione.

Ora ogni centimetro cubo di spazio contiene circa 500 fotoni relitti e c'è molta meno materia per volume. Poiché il rapporto tra il numero di fotoni e il numero di barioni durante l'espansione viene mantenuto, ma l'energia dei fotoni durante l'espansione dell'Universo diminuisce nel tempo a causa dello spostamento verso il rosso, possiamo concludere che in qualche momento del passato l'energia la densità della radiazione era maggiore della densità di energia delle particelle materiali. Questo periodo è chiamato lo stadio di radiazione nell'evoluzione dell'Universo. Lo stadio di radiazione era caratterizzato dall'uguaglianza della temperatura della sostanza e della radiazione. A quel tempo, la radiazione determinava completamente la natura dell'espansione dell'Universo. Circa un milione di anni dopo l'inizio dell'espansione dell'Universo, la temperatura scese a diverse migliaia di gradi e avvenne una ricombinazione degli elettroni, che prima erano particelle libere, con i protoni e i nuclei di elio, cioè con i nuclei di elio. formazione degli atomi. L'Universo è diventato trasparente alle radiazioni, ed è questa radiazione che ora rileviamo e chiamiamo radiazione relitta. È vero, da quel momento, a causa dell'espansione dell'Universo, i fotoni hanno diminuito la loro energia di circa 100 volte. In senso figurato, i quanti dello sfondo cosmico a microonde hanno “impresso” l’era della ricombinazione e trasportano informazioni dirette sul lontano passato.

Dopo la ricombinazione, la materia iniziò per la prima volta ad evolversi in modo indipendente, indipendentemente dalla radiazione, e in essa iniziarono ad apparire densità: gli embrioni delle future galassie e dei loro ammassi. Questo è il motivo per cui gli esperimenti per studiare le proprietà della radiazione cosmica di fondo a microonde - il suo spettro e le fluttuazioni spaziali - sono così importanti per gli scienziati. I loro sforzi non furono vani: all'inizio degli anni '90. L'esperimento spaziale russo Relikt-2 e quello americano Kobe hanno scoperto differenze nella temperatura della radiazione cosmica di fondo delle aree vicine del cielo, e la deviazione dalla temperatura media è solo di circa un millesimo di punto percentuale. Queste variazioni di temperatura portano informazioni sulla deviazione della densità della materia dal valore medio durante l'epoca di ricombinazione. Dopo la ricombinazione, la materia nell'Universo era distribuita quasi uniformemente e dove la densità era almeno leggermente superiore alla media, l'attrazione era più forte. Sono state le variazioni di densità che successivamente hanno portato alla formazione di strutture su larga scala, ammassi di galassie e singole galassie osservate nell'Universo. Secondo le idee moderne, le prime galassie dovrebbero essersi formate in un'epoca che corrisponde agli spostamenti verso il rosso da 4 a 8.

C’è la possibilità di guardare ancora più lontano nell’era prima della ricombinazione? Fino al momento della ricombinazione, è stata la pressione della radiazione elettromagnetica a creare principalmente il campo gravitazionale che ha rallentato l'espansione dell'Universo. In questa fase la temperatura variava in maniera inversamente proporzionale alla radice quadrata del tempo trascorso dall'inizio dell'espansione. Consideriamo successivamente i vari stadi di espansione dell'Universo primordiale.

Ad una temperatura di circa 1013 Kelvin, nell'Universo nascono e si annichilano coppie di varie particelle e antiparticelle: protoni, neutroni, mesoni, elettroni, neutrini, ecc. Quando la temperatura scese a 5*1012 K, quasi tutti i protoni e neutroni furono annientato, trasformandosi in quanti di radiazione; Rimasero solo quelle per le quali “non c’erano abbastanza” antiparticelle. È da questi protoni e neutroni “in eccesso” che consiste principalmente la materia del moderno Universo osservabile.

A T = 2*1010 K, i neutrini onnipenetranti hanno smesso di interagire con la materia - da quel momento dovrebbe essere rimasto uno "fondo di neutrini relitti", che potrebbe essere rilevato durante futuri esperimenti sui neutrini.

Tutto ciò di cui abbiamo appena parlato è avvenuto a temperature ultra elevate nel primo secondo dopo l'inizio dell'espansione dell'Universo. Pochi secondi dopo la “nascita” dell'Universo, iniziò l'era della nucleosintesi primaria, quando si formarono nuclei di deuterio, elio, litio e berillio. Durò circa tre minuti e il suo risultato principale fu la formazione di nuclei di elio (il 25% della massa di tutta la materia nell'Universo). Gli elementi rimanenti, più pesanti dell'elio, costituivano una parte trascurabile della sostanza, circa lo 0,01%.

Dopo l'era della nucleosintesi e prima dell'era della ricombinazione (circa 106 anni), si verificò un'espansione e un raffreddamento silenziosi dell'Universo, e poi - centinaia di milioni di anni dopo l'inizio - apparvero le prime galassie e stelle.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo della cosmologia e della fisica delle particelle elementari ha permesso di considerare teoricamente il periodo iniziale, “superdenso”, dell'espansione dell'Universo. Si scopre che all'inizio dell'espansione, quando la temperatura era incredibilmente alta (più di 1028 K), l'Universo potrebbe trovarsi in uno stato speciale in cui si espandeva con accelerazione e l'energia per unità di volume rimaneva costante. Questa fase di espansione fu chiamata inflazionistica. Un tale stato della materia è possibile a una condizione: la pressione negativa. La fase di espansione inflazionistica ultrarapida coprì un periodo di tempo ristretto: terminò intorno ai 10-36 s. Si ritiene che la vera “nascita” delle particelle elementari della materia nella forma in cui le conosciamo oggi sia avvenuta subito dopo la fine della fase inflazionistica e sia stata causata dal decadimento di un ipotetico campo. Successivamente, l'espansione dell'Universo continuò per inerzia.

L'ipotesi dell'universo inflazionistico risponde a una serie di importanti domande in cosmologia che fino a poco tempo fa erano considerate paradossi inspiegabili, in particolare la questione della causa dell'espansione dell'universo. Se nella sua storia l'Universo avesse davvero attraversato un'era in cui c'era una grande pressione negativa, allora la gravità avrebbe inevitabilmente dovuto causare non attrazione, ma reciproca repulsione delle particelle materiali. E questo significa che l'Universo ha iniziato ad espandersi rapidamente, in modo esplosivo. Naturalmente il modello dell'Universo inflazionistico è solo un'ipotesi: anche una verifica indiretta delle sue previsioni richiede strumenti che semplicemente non sono ancora stati realizzati. Tuttavia, l'idea dell'espansione accelerata dell'Universo nella fase iniziale della sua evoluzione è entrata saldamente nella cosmologia moderna.

Parlando dell'Universo primordiale, siamo improvvisamente trasportati dalle più grandi scale cosmiche alla regione del micromondo, che è descritta dalle leggi della meccanica quantistica. La fisica delle particelle elementari e delle energie ultraelevate è strettamente intrecciata in cosmologia con la fisica dei giganteschi sistemi astronomici. Il più grande e il più piccolo sono qui collegati tra loro. Questa è la straordinaria bellezza del nostro mondo, pieno di connessioni inaspettate e profonda unità.

Le manifestazioni della vita sulla Terra sono estremamente diverse. La vita sulla Terra è rappresentata da creature nucleari e prenucleari, unicellulari e multicellulari; multicellulari, a loro volta, sono rappresentati da funghi, piante e animali. Ciascuno di questi regni unisce vari tipi, classi, ordini, famiglie, generi, specie, popolazioni e individui.

In tutta la diversità apparentemente infinita degli esseri viventi, si possono distinguere diversi livelli di organizzazione degli esseri viventi: molecolare, cellulare, tessuto, organo, ontogenetico, popolazione, specie, biogeocenotico, biosfera. I livelli elencati sono evidenziati per facilità di studio. Se proviamo a identificare i livelli principali, riflettendo non tanto i livelli di studio quanto i livelli di organizzazione della vita sulla Terra, allora i criteri principali per tale identificazione dovrebbero essere la presenza di specifiche strutture elementari, discrete e fenomeni elementari. Con questo approccio risulta necessario e sufficiente distinguere i livelli genetico molecolare, ontogenetico, popolazione-specie e biogeocenotico (N.V. Timofeev-Resovsky e altri).

Livello genetico molecolare. Nello studio di questo livello, a quanto pare, la massima chiarezza è stata raggiunta nella definizione dei concetti di base, nonché nell'identificazione di strutture e fenomeni elementari. Lo sviluppo della teoria cromosomica dell'ereditarietà, l'analisi del processo di mutazione e lo studio della struttura dei cromosomi, dei fagi e dei virus hanno rivelato le caratteristiche principali dell'organizzazione delle strutture genetiche elementari e dei fenomeni correlati. È noto che le strutture principali a questo livello (codici di informazioni ereditarie trasmesse di generazione in generazione) sono il DNA differenziato per lunghezza in elementi di codice: triplette di basi azotate che formano i geni.

I geni a questo livello di organizzazione della vita rappresentano unità elementari. I principali fenomeni elementari associati ai geni possono essere considerati i loro cambiamenti strutturali locali (mutazioni) e il trasferimento delle informazioni in essi immagazzinate ai sistemi di controllo intracellulari.

La duplicazione convariante avviene secondo il principio dello stampo rompendo i legami idrogeno della doppia elica del DNA con la partecipazione dell'enzima DNA polimerasi. Quindi ciascuno dei filamenti costruisce un filamento corrispondente, dopo di che i nuovi filamenti sono collegati tra loro in modo complementare. Le basi pirimidiniche e puriniche dei filamenti complementari sono tenute insieme da legami idrogeno dalla DNA polimerasi. Questo processo viene eseguito molto rapidamente. Pertanto, l'autoassemblaggio del DNA di Escherichia coli, costituito da circa 40mila coppie di nucleotidi, richiede solo 100 s. Le informazioni genetiche vengono trasferite dal nucleo mediante molecole di mRNA al citoplasma ai ribosomi e lì partecipano alla sintesi proteica. Una proteina contenente migliaia di amminoacidi viene sintetizzata in una cellula vivente in 5-6 minuti e più velocemente nei batteri.

I principali sistemi di controllo, sia durante la duplicazione convariante che durante il trasferimento intracellulare dell’informazione, utilizzano il “principio della matrice”, ovvero sono matrici accanto alle quali vengono costruite le corrispondenti macromolecole specifiche. Attualmente viene decifrato con successo il codice incorporato nella struttura degli acidi nucleici, che funge da matrice per la sintesi di specifiche strutture proteiche nelle cellule. La duplicazione, basata sulla copiatura della matrice, preserva non solo la norma genetica, ma anche le deviazioni da essa, ad es. mutazioni (la base del processo evolutivo). Una conoscenza sufficientemente accurata del livello genetico molecolare è un prerequisito necessario per una chiara comprensione dei fenomeni vitali che si verificano a tutti gli altri livelli di organizzazione della vita.