Как устроена Вселенная?

XXIII  Циолковские Молодежные чтения.

Секция: «Исследование космического пространства»

Исследование.

«Как устроена Вселенная?» (Это главная тема)

«Какую роль играют фундаментальные исследования?»

(Дополнительный, но очень важный вопрос).

Работу выполнил ученик  4б класса

Головизнин Даниил.

МБОУ средняя школа № 27 г.Кирова.

Руководитель : Жбанникова Т.В.

2015 год

Моё предыдущее исследование было посвящено дальним планетам, тогда я еще не мог подумать о том, что продолжением этой темы станет другой вопрос:

 «Что происходит в мире, где мы живем?» или «Насколько велик этот мир, что стоит за термином «Бесконечность»?    И это только начало.

Подробный план  моего исследования.

1.Введение. Почему мне интересен этот вопрос? Я поставил такие вопросы:

Два первых моих вопроса:

1.Как зародилась Вселенная?

2.Как устроена Вселенная?

Моя первая попытка ответить на эти вопросы, озадачили меня таким вопросом

Очень важный вопрос :

3.Вселенная бесконечна?

Тогда я перешел к подробному плану моих исследований

2. План моих исследований.

2.1  Как представляли древние люди Вселенную? (краткий обзор мифов разных народов о возникновении мира).

В Древнем Египте считалось так ,Хаос родил Ра - Солнце, отождествляли с Амоном. Ра произвёл из себя богов Шу (Воздух) и Тефнут (Вода), от которых родилась новая пара, Геб (Земля) и Нут (Небо) ставшие родителями Осириса (Рождение), Исиды (Возрождение), Сета (Пустыня) и Нептиды, Хор и Хатхор.

В Древнем Китае о возникновении мира, рассказывали так:

долгое время в мире господствовал хаос, говорили китайцы, в нём ничего нельзя было различить. Затем в этом хаосе выделились две силы: Свет и Тьма, а из них образовались небо и земля. И в это время появился первый человек — Паньгу. Был он огромен и жил очень долго. Когда же он умер, из его тела образовались природа и человек. Его дыхание превратилось в ветер и облака, голос его стал громом, левый глаз — солнцем, правый — луной. Из тела Паньгу образовалась земля. Руки его, ноги и туловище превратились в четыре страны света и пять главных гор, а пот на его теле стал дождём. Кровь потекла по земле реками, мускулы легли земной почвой, волосы превратились в травы и деревья. Из зубов его и костей образовались простые камни и металлы, из мозга — жемчуг и драгоценные камни. 

В Древней Греции рассказывали так: сначала существовал Хаос.

Боги, появившиеся из Хаоса: Хронос (Время), Гея (Земля), Эрос (Любовь), Тартар (Бездна), Эреб (Мрак) и Нюкта (Ночь).

Боги, появившиеся от Нюкты и Эреба: Эфир (Свет) и Гемера (День). (По Гигину, Эфир родился от мглы и хаоса. Его ещё считают отцом Зевса и называют отцом ветров.)

Я сделал вывод о том, что  большую роль в понимании возникновения Вселенной играет понятия хаоса. Тогда возник новый вопрос:

4. А что такое хаос?

Понятие хаоса. Какое  отношение имеет хаос к пониманию строения Вселенной.

Что же такое хаос?

Я долго рассуждал над этим и у меня получилось, что в обыденном смысле хаос понимают как беспорядок, неразбериху, смешение. В науке это первичное состояние Вселенной, бесформенная совокупность материи и пространства, которая противоположна порядку.

Вывод: я решил, что с понятием хаоса больше работает философия. А какое отношение имеет философия к моим рассуждения?

5. Я перешел к новому вопросу: может ли философия ответить на мои вопросы о бесконечности Вселенной?

Я нашел такой ответ о философии.

Философия ( смысл этого слова)  – это любовь к мудрости.

Это наука обо всём, универсальная область человеческого знания, постоянный поиск нового.

Учение об общих принципах познания и Вселенной тоже,  отношений человека к миру и Вселенной тоже.

Цель философии – увлечь человека, придать его жизни истинный смысл, открыть путь к самым совершенным ценностям и заинтересовать бесконечностью тоже.

Задача философии, которая для меня является главной

– формировать мировоззрение: формировать общие взгляды на мир и место в нем человека, но это только теория.

Вывод: что моя область исследования Вселенной тоже теоретическая, но какой в этом смысл?

6. Фундаментальные и прикладные науки.

Прикладная наука всегда имеет конкретное применение, например, астрономы составляли точные календари и учили ориентироваться по звездам (навигация). А фундаментальная астрономия отвечает на вопрос: как устроена Вселенная. На сайте Роскосмоса   http://www.federalspace.ru  я нашел цитату: «не все результаты фундаментальных научных исследований порождают технологии, но абсолютно все современные технологии основываются на фундаментальных законах . Так например,  

в Федеральной космической программе России 2006 - 2015 годы запланировано выполнение более двух десятков проектов научного назначения.

Среди  самых важных исследований:

1. Изучение Солнца, космической плазмы и солнечно – земных связей;

         Каждый  знает, какое большое значение  на практике играет Солнце,      оно дарит свет и тепло. Откуда Солнце берет такую энергию? Это  уже фундаментальные исследования.  Влияние  Солнца на различные земные явления и процессы – это и статистика сердечно  - сосудистых заболеваний в период активности Солнца, и рост ДТП. Разве это неважно на практике?

2. Изучение возможностей искусственного изменения физических условий сначала на поверхности Марса, а потом и Венеры может оказаться необходимым для расселения там наших далеких потомков. Пока это фундаментальные исследования, но со временем, когда наступит освоение планет, они станут необходимыми на практике.

3. Исследование антивещества в космических лучах на борту искусственного спутника Земли. Регистрация потоков и спектров антипротонов и позитронов. Поиск ядер атомов антивещества. Научная аппаратура "Памела" установлена на российском КА "Ресурс-ДК", запуск которого был осуществлен в 2006 году.

Это всего лишь три примера, но таких примеров может быть гораздо больше.

Станут ли прикладными  вопросы о Бесконечности Вселенной, пока говорить рано, но я об этом еще подумаю.

Поэтому я продолжаю…

7. Что сегодня известно науке о Вселенной?

Начнем с бесконечности Вселенной. Ученый астроном Ф.Ю. Зигель считает, что проблема бесконечности Вселенной является одной из сложных проблем в науке. Если думать логически, то бесконечность - это пространство (система) у которой нет начала и нет конца, но возможны внутренние границы его элементов. Например, космос, по какой- то теории у него нет ни начала ни конца, но в нем есть планеты, галактики которые имеют определенные границы. А безграничность - это пространство (система) у которой возможно начало и конец, но отсутствуют всякие границы. Примером может быть замершее озеро.

8. Далее я решил продолжить главную тему, провести опрос, как к этому относятся мои сверстники – одноклассники и 11- классники нашей школы, которые изучают  астрономию. Вот мои результаты.

Результаты опроса.

Опрос: что происходит с Вселенной?  Мои одноклассники.(4а, 4б, 4в)

Опрос: что происходит с Вселенной?  Ученики 11 класса.

Вывод: мои одноклассники считают что Вселенная расширяется и её изучают. Ученики 11 класса также считают что Вселенная расширяется и изучается. И я этого не отрицаю.

Исследуя эту, я   пришел к выводу: эта проблема связана с моей главной темой.

Далее я работал по плану, но возникли новые вопросы для исследования

9.Теория Большого взрыва, почему она самая главная для астрономов.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Приблизительно через 10−35 секунд после наступления   Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий  это вызвало  расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен другой переход, На этом этапе появились  протоны и нейтроны. Дальнейшее падение температуры привело к следующему переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эра, в которую протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия,гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала главной силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода .После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

Именно реликтовое излучения стало главным подтверждением Большого взрыва на практике. Эта теория подтверждается практикой или экспериментом.

10.Другие теории.

Большой отскок.
Эта интересная альтернативная Большому взрыву теория говорит о том, что до нашей Вселенной существовала другая. Таким образом, если рождение Вселенной, а именно Большой взрыв, рассматривали как уникальное явление, то в данной теории это лишь одно звено из цепи реакций, в результате которых Вселенная постоянно воспроизводит саму себя.
Из теории следует, что Большой взрыв не является точкой начала времени и пространства, а появился и результате предельного сжатия другой Вселенной, масса которой, по этой теории, не равна нулю, а лишь близка этому значению, при этом энергия Вселенной мс бесконечна. В момент предельного сжатия Вселенная имела максимальную энергию, заключенную в минимальный объем, в результате чего произошел большой отскок, и родилась новая Вселенная, которая также начала расширяться. Таким образом, квантовые состояния, существовавшие в старой Вселенной, просто изменились в результате Большого отскока и перешли в новую Вселенную.
В основе новой модели рождения Вселенной лежит теория петлевой квантовой гравитации, которая помогает заглянуть за Большой взрыв. До этого считалось, что все во Вселенной появилось в результате взрыва, поэтому вопрос о том, что же было до него, практически не ставился.
Данная теория принадлежит к числу теорий квантовой гравитации и объединяет в себе общую теорию относительности и уравнения квантовой механики. Предложили ее в 1980-х гг. такие ученые, как Э. Аштекар и Л. Смолин.
Теория петлевой квантовой гравитации говорит о том, что время и пространство дискретны, т.е. состоят из отдельных частей, или маленьких квантовых ячеек. На малых масштабах пространства и времени ни ячейки создают разделенную прерывистую структуру, а на больших — появляется гладкое и непрерывное пространство-время.
Рождение новой Вселенной происходило в экстремальных условиях, которые заставляли квантовые ячейки отделяться друг от друга, этот процесс и был назван Большим отскоком, т.е. Вселенная не появилась из ничего, как при Большом взрыве, а начала быстро расширяться из сжатого состояния.
М. Божовальд стремился получить сведения о Вселенной, предшествующей нашей, для чего несколько упростил некоторые квантово-гравитационные модели и уравнения теории петлевой квантовой гравитации. В данные уравнения входят несколько параметров состояния нашей Вселенной, которые необходимы для того, чтобы узнать, какой была предыдущая Вселенная.
Уравнения содержат взаимодополняемые параметры, позволяющие описать квантовую неопределенность об объеме Вселенной до и после Большого взрыва, и отражают тот факт, что ни один из параметров предшествующей Вселенной не сохранился после Большого отскока, поэтому в нашей Вселенной он отсутствует. Иными словами, в результате бесконечной цепи расширения, сжатия и взрыва, а затем нового расширения образуются не одинаковые, а разные Вселенные.
Теория струн и М-теория
Идея того, что Вселенная может постоянно воспроизводить себя, многим ученым кажется разумной. Некоторые полагают, что наша Вселенная возникла в результате квантовых флуктаций (колебаний) в предшествующей Вселенной, поэтому вполне вероятно, что в какой-то момент времени и в нашей Вселенной может возникнуть такая флуктация, и появится новая Вселенная, несколько отличная от настоящей.
Ученые идут в своих рассуждениях дальше и предполагают, что квантовые колебания могут произойти в любом количестве и в любом месте Вселенной, в результате чего появляется не одна новая Вселенная, а сразу несколько. На этом строится инфляционная теория возникновения Вселенной.
Образовавшиеся Вселенные отличны друг от друга, в них действуют разные физические законы, при этом все они находятся в одной огромной мегавселенной, но изолированы друг от друга. Сторонники данной теории утверждают, что время и пространство не появились в результате Большого взрыва, а существовали всегда в нескончаемой череде сжатия и расширения Вселенных.
Своего рода развитием инфляционной теории является теория струн и ее усовершенствованный вариант - М-теория, или теория мембран, которые строятся на цикличности мироздания. Согласно М-теории, физический мир состоит из десяти пространственных и одного временного измерения. В этом мире находятся пространства, так называемые браны, одной из которых и является наша Вселенная, состоящая из тpёx пространственных измерений.
Большой взрыв — результат столкновения бран, которые под воздействием огромного количества энергии разлетелись, затем началось расширение, постепенно замедлившееся. Выделенные в результате столкновения излучение и вещество остывали, появились галактики. Между бранами находится положительная по плотности энергия, вновь ускоряющая расширение, которое через некоторое время снова замедляется. Геометрия пространства становится плоской. Когда браны вновь притягиваются друг к другу, квантовые колебания становятся сильнее, геометрия пространства деформируется, а места таких деформаций в будущем становятся зародышами галактик. Когда браны сталкиваются друг с другом, цикл повторяется.
Какая теория  для меня самая верная?

Вывод: Вселенная может быть бесконечной в пространстве,  но теория Большого взрыва  ограничивает время существования Вселенной. Эта теория основывается на изучении реликтового излучения  и эта сильная сторона теории.

11. На какие вопросы я не смог ответить. Почему?

• Что было до Большого взрыва?
• Можно ли обогнать луч света в расширяющейся Вселенной?
• Если теория отскока верна, то что считать началом отсчёта времени и пространства?
• Можно ли использовать энергию большого взрыва на практике?

Самый главный вывод:

Цепочка моих вопросов привела меня к выводу: бесконечно познание мира. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.  

Самое главное бесконечность Вселенной  - в бесконечности её познания.

Значит меня ждут новые интересные вопросы!!!

Источники информации:

• http://www.federalspace.ru
• http://www.astronet.ru
• М.Ю.Шевченко. Путешествие по Вселенной.
• С.Хокинг. Кратчайшая история времени.
• Астрономия без скуки.
• ХХI век.Астрономия.