|
Исследование современных моделей эволюции Вселенной
Суздорф Феликс, ученик 11 класса МОУ СОШ № 11 г.Ейска МО Ейский районНаучный руководитель: Семке Андрей Иванович, учитель физики МОУ СОШ № 11 г.Ейска МО Ейский район, Заслуженный учитель Кубани, Учитель года-2000
Аннотация
Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой, или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой — всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология.
В настоящее время существует несколько основных моделей происхождения и эволюции Вселенной. Каждая модель позволяет объяснить определенные космологические основы, но в теоретических и эмпирических закономерностях имеет свои недостатки, которые не позволяют дать полное и физически точное обоснование.
Объект исследования: модели происхождения и эволюции Вселенной
Предмет исследование: космологические основы происхождения и эволюции Вселенной, положительные факты и недостатки теорий
Гипотеза исследования: в настоящее время не существует идеальной модели происхождения и эволюции Вселенной
Цель исследования: рассмотреть современные теории происхождения и эволюции Вселенной, выявить положительные стороны теорий и их недостатки
Задачи исследования:
- разработать методику проведения исследования;
- изучить современные космологические модели происхождения и эволюции Вселенной;
- сравнить теории и найти положительные стороны и недостатки каждой теории;
- на основании полученных результатов создать модель происхождения и эволюции Вселенной.
Метод исследования.
В работе использованы теоретические исследования, моделирование и сравнительный анализ. Проведены теоретические исследования с учетом различных космологических факторов.
Для описания происхождения и эволюции Вселенной мы использовали математические модели, с помощью которых описали основные свойства. В нашем исследовании мы рассмотрели 12 современных моделей. Они все очень похожи, так как рассматривают в основном расширяющуюся Вселенную, в которой действуют известные законы физики.
В нашем исследовании мы наглядно проиллюстрировали, что в принципе космология позволяет получить представления о наиболее общих закономерностях строения и развития Вселенной.
Исследование теорий эволюции Вселенной
Моделирование – важный метод исследования сложных объектов природы. Фактически при моделировании мы заменяем реальный объект упрощенной математической схемой. В этой схеме некоторые элементы считаются заранее известными или определенными на основании наблюдений. Остальные находятся путем применения методов математики и теоретической физики. Самый важный заключительный этап – сравнение теоретически найденных свойств модели с реальными объектами с учетом сделанных предположений и ограничений использованной теории.
Рассмотрим модели происхождения и эволюции Вселенной и сравним их с точки зрения положительных сторон описания теории и недостатков.
Таблица . Исследование и сопоставление положительных сторон теории и их недостатков
| Название теории |
Суть теории |
Положительные стороны теории |
Недостатки теории
|
| Теория Большого Взрыва |
Космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. |
Объясняет, как вела себя Вселенная после так называемого Большого Взрыва и делает предпосылки к дальнейшей эволюции Вселенной |
Не объясняет, почему произошёл Большой Взрыв; что было до него, скорости вращения отдаленных галактик, вычисленные в соответствии с моделью Большого Взрыва, сильно превышают скорость вращения близких к нам галактик, возрастая с расстоянием, Размеры галактик, вычисленные в соответствии с теорией получаются большими, чем галактики дальше, достигая размеров в 20 раз больших, чем типичные близкие к нам галактики
|
| Теория Инфляции |
Сценарий развития Вселенной для инфляционной модели Вселенной. Теория предлагает простой способ описания инфляции Вселенной с помощью осциллирующего скалярного поля. При некоторых предположениях появляется возможность существования во Вселенной областей с различными элементарными частицами и законами их взаимодействия |
Описывает законы расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 1028 K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения |
Если потенциал инфлатона (скалярного поля, управляющего инфляцией), ф имеет форму V(ф) =1/4 (lambda) (ф)^4, то для того чтобы предсказанное значение амплитуды спектра флуктуаций плотности совпало с наблюдаемым, значение константы самодействия, lambda должно быть порядка 10^-12. Было показано, что этот вывод является справедливым для всех , построенных на скалярных полях, сценариях инфляции. Если одной из главных целей инфляции было избежать тонкой подгонки, то возвращение тонкой подгонки в физику частиц является неудовлетворительным. Было много попыток обосновать такие малые параметры, основываясь на определенных моделях частиц, но до сих пор не предложено ни одной приемлемой, так же существует так называемая транспланковская проблема, так же не найдено скалярное поле -инфлатон
|
| Теория Струн |
Направление теоретической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн |
Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени, Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации |
Основной проблемой теории суперструн, явилось появление пяти ее различных проявлений. Это очень озадачило ученых, так как, претендовавшая на звание «теории всего», теория суперструн, фактически развалилась, распавшись на пять различных теорий, она описывает явления на таких малых масштабах, что напрямую экспериментально подтвердить её основные утверждения невозможно. И никогда не будет возможно — для этого не достаточно адронного коллайдера длиной 27 километров, а нужен ускоритель размером примерно с видимую Вселенную
|
| Теория Бесконечной вложенности Вселенной |
В противоположность атомизму, альтернативная философская, физическая и космологическая теория, не входящая в стандартные академические области науки. Теория бесконечной вложенности материи основывается на индуктивных логических выводах о строении наблюдаемой Вселенной. |
Эта парадигма подчёркивает иерархическую организацию систем природы, от наименьших наблюдаемых элементарных частиц — до наибольших видимых скоплений галактик. Также, она выдвигает на первый план тот факт, что глобальная иерархия природы является дискретной; особо выделяются атомный,звёздный и галактический уровни. Третий важный принцип фрактальной парадигмы — это то, что космологические уровни являются строго самоподобными, так что для каждого класса объектов или явлений в данном масштабном уровне есть аналогичный класс объектов или явления в любом другом космологическим уровне. Самоподобные аналоги объектов и явлений из различных уровней имеют совпадающую морфологию, кинематику и динамику. |
В данной теории отсутствуют элементарные частицы материи как таковые, вещество бесконечно делимо, в противоположность теории атомизма, находящей минимальную единицу материи
|
| Теория Иерархии Вселенной |
Эта теория подразумевает, что наш мир может быть составляющей частью другого. Быть “подмиром” или включать в себя множество других. Звёзды объединены в скопления звёзд, скопления звёзд в галактики, галактики в систему галактик, системы галактик в квадранты ит.д. |
|
Не имеет подтверждений в астрономических наблюдениях, хотя это можно объяснить несовершенством технических возможностей человечества
|
М-теория
|
Вселенная существует не одна, а много, бесконечно много. Появляется такое понятие, как мультивселенная. Все эти вселенные располагаются на, так называемых, бранах, мембранах, по одним предположениях, похожих на пончик, по другим, представляющим собой плоские листы с ребристыми концами. И британский физик Бэрт Оврат допускает тот факт, что в условиях мультивселеной эти самые мембраны могут сталкиваться. В других измерениях, в более высоких эти столкновения происходят постоянно, и один Большой Взрыв сменяет другой.
|
Пертурбативная теория имеет свои пределы применимости, так что непертурбативные аспекты этих теорий, используя дуальности, суперсимметрию, и т.д. мы приходим к заключению, что все они объединены одной единственной квантовой теорией, Развитие 11-мерной М-теории позволило физикам заглянуть за пределы времени, перед которым произошёл Большой взрыв. Была создана теория, согласно которой наша Вселенная является следствием столкновения объектов в другой Вселенной, которых в свою очередь может быть бесчисленное множество. Таким образом раскрытие одного вопроса привело к появлению еще большего количества вопросов
|
Как и Теория Струн данная теория не имеет экспериментальных подтверждений
|
Теория одноэлектронной Вселенной
|
Гипотетическая модель Вселенной, в которой все электроны являются одним электроном, находящимся попеременно в разных точкахпространства. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип тождественности электронов, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается Ричард Фейнман
|
Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике. Рассмотрим для простоты одномерную Вселенную. В пространстве-времени начертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и позитрону. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем одномерное пространство, в каждый момент времени которого всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).
|
Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во вселенной количество электронов преобладает над количеством позитронов (вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).
Трудность объяснить некоторые реакции элементарных частиц.
|
Теория Горячей Вселенной(Теория Нестационарной Вселенной)
|
Физическая теория эволюции Вселенной, в основе которой лежит предположение о том, что до того, как в природе появились звезды, галактики и другие астрономические объекты, вещество представляло собой быстро расширяющуюся и первоначально очень горячую среду.
|
В настоящее время Теория Горячей Вселенной считается общепризнанной, Двумя самыми важными наблюдательными подтверждениями этой теории является обнаружение реликтового излучения, предсказанного теорией, и объяснение наблюдаемого соотношения между относительной массой водорода и гелия в природе.
|
Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит, при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации, к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью (многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной).
|
Теория Стационарной Вселенной
|
Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория Большого взрыва). Но при этом требовалось принять без доказательств новую концепцию процесса образования вещества.
|
Основным достоинством этой теории была ее философская сторона. Утверждалось, что теория согласуется спринципом Коперника о том, что наш мир не уникален, и не выделяет какой-то момент времени как главный
|
В точных лабораторных экспериментах не удалось воспроизвести образование вещества. Что важнее, новые открытия в космологии — такие как космический микроволновый фон — показали, что многие явления во Вселенной можно объяснить исходя из сценария Большого взрыва, но не из теории стационарной Вселенной. Например, когда мощные телескопы смогли заглянуть во Вселенную поглубже и таким образом проникнуть в ее прошлое, стало ясно, что все наиболее удаленные галактики представляют собой молодые, еще не сформировавшиеся системы.
|
Греческие мифы
|
Повествование о богах и героях, пришедшие к нам из глубины веков. В мифах переплетены ранние элементы религии, философии, науки и искусства. В греческих мифах можно провести много параллелей с легендами других народов. Впечатляют знания древних греков о происхождении Вселенной и человека.
|
Показывают представления людей того времени о Вселенной. Является ценным литературным сокровищем. Так же в мифах отражены многие исторические события и философские воззрения людей, а так же быт тех времён.
|
Не имеет под собой никакой научной основы.
|
Теория квантовой петлевой гравитации
|
Согласно этой теории, пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время.
|
Одним из преимуществ петлевой квантовой теории гравитации является естественность, с которой в ней получает своё объяснение Стандартная модель физики элементарных частиц.
|
|
Теория Мульти Вселенной
|
Гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Представления о структуре такой мультивселенной, природе каждой вселенной, входящей в её состав, и отношениях между этими вселенными зависят от выбранной гипотезы.
|
Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Данная идея активно используется, например, в теории струн. Предположение о существовании мультивселенной используется также в многомировой интерпретации квантовой механики.
|
На данный момент нет экспериментальных подтверждений для данной теории. Но космический радиотелескоп «Планк» возможно сможет получить данные о подтверждении гипотетических столкновения пузырей Вселенных(одно из следствий данной теории).
|
Принцип «космической цензуры»
|
Был сформулирован в 1969 году Роджером Пенроузом в следующей образной форме: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Он гласит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям чёрных дыр, скрыты от наблюдателей.
|
|
Этот принцип до сих пор не доказан, и есть основания сомневаться в его абсолютной правильности (например, коллапс пылевого облака с большим угловым моментом приводит к «голой сингулярности», но неизвестно, стабильно ли это решение уравнений Эйнштейна).
|
Изучая законы Вселенной, мы еще глубже познаем свойства вещества, пространства и времени. Именно поэтому результаты нашего исследования имеют важнейшее значение не только для астрономии и физики, которые получают возможность лучше понять существующие законы природы, но и для философии, приобретающей обширный материал для обобщения закономерностей нашего мира.
В современной космологии существует достаточное количество моделей описания происхождения и эволюции Вселенной, но все эти модели имеют существенные недостатки и проблемы, которые в настоящее время необходимо разрабатывать, несмотря на трудности, связанные с решением даже казалось бы самых простых вопросов.
В нашем исследовании мы наглядно проиллюстрировали, что в принципе космология позволяет получить представления о наиболее общих закономерностях строения и развития Вселенной.
В ходе нашего исследования мы не смогли ответить на вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной. Такая же Вселенная как наша, но только не расширяющаяся, а сжимающаяся? Или совсем незнакомый нам мир с абсолютно иными свойствами пространства и времени? А возможно, это был мир, управляемый совершенно другими, неизвестными нам законами природы? Эти проблемы настолько сложны, что в настоящее время ими просто необходимо заниматься.
|
Библиотека исследовательских работ обучающихся 
Комментарии
RSS лента комментариев этой записи