nelle scienze naturali

Argomento: scienza moderna sull'origine dell'Universo.

Completato dallo studente

Corso

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Insegnante:

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PIANO A:

Introduzione 3

Considerazione prescientifica sull'origine dell'Universo. 5

Teorie del XX secolo sull'origine dell'Universo. 8

La scienza moderna sull'origine dell'Universo. 12

Letteratura utilizzata: 18

Nel corso della sua esistenza, l'uomo studia il mondo che lo circonda. Essendo un essere pensante, l'Uomo, sia nel lontano passato che adesso, non poteva e non può limitarsi a ciò che gli è stato dato direttamente a livello della sua attività pratica quotidiana, e ha sempre cercato e si sforzerà di andare oltre i suoi limiti.

È caratteristico che la conoscenza da parte dell’uomo del mondo circostante sia iniziata con riflessioni cosmogoniche. Fu allora, agli albori dell'attività mentale, che nacque l'idea del “principio di tutti gli inizi”. La storia non conosce una sola nazione che, prima o poi, in una forma o nell'altra, non si sia posta questa domanda e non abbia cercato di rispondere. Le risposte, ovviamente, erano diverse, a seconda del livello di sviluppo spirituale di un dato popolo. Lo sviluppo del pensiero umano, il progresso scientifico e tecnologico hanno permesso di avanzare nella risoluzione della questione dell'origine dell'Universo dal pensiero mitologico alla costruzione di teorie scientifiche.

Il problema dell'“inizio del mondo” è uno di quei pochi problemi ideologici che attraversano l'intera storia intellettuale dell'umanità. Essendo apparsa una volta nel mondo, l'idea dell'“inizio del mondo” ha sempre occupato i pensieri degli scienziati e di tanto in tanto, in una forma o nell'altra, riemerge ancora e ancora. Così, apparentemente sepolto per sempre durante il Medioevo, esso apparve inaspettatamente all'orizzonte del pensiero scientifico nella seconda metà del XX secolo e cominciò ad essere seriamente discusso sulle pagine di riviste specializzate e in convegni di simposi problematici.

Nell'ultimo secolo, la scienza dell'Universo ha raggiunto i piani più alti organizzazione strutturale materia: galassie, loro ammassi e superammassi. La cosmologia moderna ha affrontato attivamente il problema dell'origine (formazione) di queste formazioni cosmiche.

Come immaginavano i nostri lontani antenati la formazione dell'Universo? Spiega l'origine dell'universo scienza moderna? Questo articolo è dedicato alla considerazione di queste e altre domande relative all’emergere dell’Universo.

Dove è iniziato tutto? In che modo tutto ciò che è cosmico è diventato come appare all'umanità? Quali sono state le condizioni iniziali che hanno dato origine all’Universo osservabile?

La risposta a queste domande è cambiata con lo sviluppo del pensiero umano. Tra i popoli antichi, l'origine dell'Universo era dotata di una forma mitologica, la cui essenza si riduce a una cosa: una certa divinità creò l'intero circostante l'Uomo mondo. Secondo l'antica cosmogonia mitopoietica iraniana, l'Universo è il risultato dell'attività di due principi creativi equivalenti e interconnessi: il dio del Bene - Ahuramazda e il dio del Male - Ahriman. Secondo uno dei suoi testi, l'essere primordiale, la cui divisione portò alla formazione di parti dell'Universo visibile, era originariamente Spazio esistente. La forma mitologica dell'origine dell'Universo è inerente a tutte le religioni esistenti.

Molti pensatori eccezionali di epoche storiche lontane da noi hanno cercato di spiegare l'origine, la struttura e l'esistenza dell'Universo. I loro tentativi, in assenza di mezzi tecnici moderni, di comprendere l'essenza dell'Universo utilizzando solo la mente e i dispositivi più semplici meritano un rispetto speciale. Se fai una breve escursione nel passato, scoprirai che l'idea di un Universo in evoluzione, adottata dal pensiero scientifico moderno, fu avanzata dall'antico pensatore Anassagora (500-428 a.C.). La cosmologia di Aristotele (384-332 a.C.) e le opere dell'eccezionale pensatore orientale Ibn Sina (Avicenna) (980-1037), che cercò di confutare logicamente la creazione divina del mondo, e altri nomi sopravvissuti al nostro tempo, meritano anche attenzione.

Il pensiero umano non si ferma. Insieme al cambiamento nell'idea della struttura dell'Universo, cambiò anche l'idea della sua origine, sebbene nelle condizioni dell'esistente forte potere ideologico della religione ciò fosse associato ad un certo pericolo. Ciò potrebbe spiegare il fatto che le scienze naturali dell'Europa moderna hanno evitato di discutere la questione dell'origine dell'Universo e si sono concentrate sullo studio della struttura dello spazio vicino. Questa tradizione scientifica ha determinato per lungo tempo la direzione generale e la metodologia della ricerca astronomica e poi astrofisica. Di conseguenza, le basi della cosmogonia scientifica furono gettate non dagli scienziati naturali, ma dai filosofi.

Il primo a intraprendere questa strada fu Cartesio, che cercò di riprodurre teoricamente “l’origine dei luminari, della Terra e di tutto il resto”. mondo visibile come da alcuni semi" e fornire una spiegazione meccanica unificata dell'intero insieme di fenomeni astronomici, fisici e biologici a lui noti. Tuttavia, le idee di Cartesio erano lontane dalla sua scienza contemporanea.

Pertanto, sarebbe più giusto iniziare la storia della cosmogonia scientifica non con Cartesio, ma con Kant, che dipinse un quadro della “origine meccanica dell’intero universo”. Fu Kant a possedere la prima ipotesi scientifico-cosmogonica sul meccanismo naturale dell'evento mondo materiale. Nello spazio sconfinato dell’Universo, ricreato dall’immaginazione creativa di Kant, l’esistenza di innumerevoli altri sistemi solari e di altre vie lattee è tanto naturale quanto naturale. formazione continua nuovi mondi e la morte di quelli vecchi. È con Kant che inizia la connessione cosciente e pratica del principio di connessione universale e di unità del mondo materiale. L'universo ha cessato di essere un insieme di corpi divini, perfetti ed eterni. Ora, davanti alla mente umana stupita, appariva un'armonia mondiale di tipo completamente diverso: l'armonia naturale di sistemi di corpi astronomici interagenti ed in evoluzione, collegati tra loro come anelli di un'unica catena della natura. È necessario però segnalarne due caratteristiche ulteriore sviluppo della cosmogonia scientifica. Il primo di questi è che la cosmogonia post-kantiana si limitava ai confini del sistema solare e, fino alla metà del XX secolo, riguardava solo l’origine dei pianeti, mentre le stelle e i loro sistemi rimanevano oltre l’orizzonte. analisi teorica. La seconda caratteristica è che i limiti dei dati osservativi, l’incertezza delle informazioni astronomiche disponibili e l’impossibilità di comprovare sperimentalmente le ipotesi cosmogoniche hanno infine portato alla trasformazione della cosmogonia scientifica in un sistema di idee astratte, separate non solo da altri rami delle scienze naturali. , ma anche da rami affini dell'astronomia.

La fase successiva nello sviluppo della cosmologia risale al XX secolo, quando lo scienziato sovietico A.A. Friedman (1888-1925) dimostrò matematicamente l'idea di un universo in autosviluppo. Il lavoro di A.A. Friedman ha cambiato radicalmente le basi della precedente visione scientifica del mondo. Secondo lui le condizioni cosmologiche iniziali per la formazione dell'Universo erano singolari. Spiegando la natura dell'evoluzione dell'Universo, espandendosi a partire da uno stato singolare, Friedman ha evidenziato soprattutto due casi:

a) il raggio di curvatura dell'Universo aumenta costantemente nel tempo, a partire da zero;

b) il raggio di curvatura cambia periodicamente: l'Universo si contrae in un punto (nel nulla, uno stato singolare), poi ancora da un punto porta il suo raggio ad un certo valore, poi ancora, riducendo il raggio della sua curvatura, si trasforma in un punto, ecc.

In senso puramente matematico, uno stato singolare appare come il nulla, un'entità geometrica di dimensione zero. In termini fisici, la singolarità appare come uno stato molto particolare in cui la densità della materia e la curvatura dello spazio-tempo sono infinite. Tutta la materia cosmica super calda, super curva e super densa è letteralmente riunita fino a un certo punto e può farlo figuratamente Il fisico americano J. Wheeler, "spremendo attraverso la cruna di un ago".

Passiamo alla valutazione aspetto moderno sull'inizio singolare dell'Universo, è necessario prestare attenzione alle seguenti importanti caratteristiche del problema in esame nel suo insieme.

In primo luogo, il concetto di singolarità iniziale ha un contenuto fisico abbastanza specifico, che diventa sempre più dettagliato e raffinato man mano che la scienza si sviluppa. A questo proposito, dovrebbe essere considerato non come una fissazione concettuale dell'inizio assoluto di "tutte le cose e gli eventi", ma come l'inizio dell'evoluzione di quel frammento di materia cosmica, che al moderno livello di sviluppo delle scienze naturali ha diventare oggetto di conoscenza scientifica.

In secondo luogo, se, secondo i moderni dati cosmologici, l'evoluzione dell'Universo è iniziata 15-20 miliardi di anni fa, ciò non significa affatto che prima l'Universo non esistesse ancora o fosse in uno stato di eterna stagnazione.

Le conquiste della scienza hanno ampliato le possibilità di comprendere il mondo che circonda l'uomo. Sono stati fatti nuovi tentativi per spiegare come tutto ebbe inizio. Georges Lemaitre fu il primo a sollevare la questione dell'origine della struttura su larga scala osservata dell'Universo. Ha avanzato il concetto del “Big Bang” del cosiddetto “atomo primordiale” e la successiva trasformazione dei suoi frammenti in stelle e galassie. Naturalmente, dall'alto delle moderne conoscenze astrofisiche, questo concetto riveste solo interesse storico, ma l'idea stessa del movimento esplosivo iniziale della materia cosmica e del suo successivo sviluppo evolutivo è diventata parte integrante della moderna conoscenza astrofisica. quadro scientifico pace.

Una fase fondamentalmente nuova nello sviluppo della moderna cosmologia evolutiva è associata al nome del fisico americano G. A. Gamov (1904-1968), grazie al quale il concetto di un Universo caldo è entrato nella scienza. Secondo il modello da lui proposto dell '"inizio" dell'Universo in evoluzione, l'"atomo primario" di Lemaitre consisteva in neutroni altamente compressi, la cui densità raggiungeva un valore mostruoso: un centimetro cubo della sostanza primaria pesava un miliardo di tonnellate. Come risultato dell'esplosione di questo "primo atomo", secondo G.A. Gamov, si formò un calderone cosmologico unico con una temperatura di circa tre miliardi di gradi, dove ebbe luogo la sintesi naturale elementi chimici. Frammenti dell'uovo primario - singoli neutroni - poi decadono in elettroni e protoni, che, a loro volta, si combinano con neutroni non decaduti per formare i nuclei dei futuri atomi. Tutto questo è accaduto nei primi 30 minuti dopo il Big Bang.

Il modello caldo era un'ipotesi astrofisica specifica che indicava modi per verificarne sperimentalmente le conseguenze. Gamow predisse l'attuale esistenza di resti di radiazione termica dal plasma caldo primordiale, e i suoi collaboratori Alfer e Hermann, già nel 1948, calcolarono in modo abbastanza accurato la temperatura di questa radiazione residua già universo moderno. Tuttavia, Gamow e i suoi collaboratori non riuscirono a fornire una spiegazione soddisfacente della formazione naturale e della prevalenza degli elementi chimici pesanti nell'Universo, motivo per cui gli specialisti furono scettici nei confronti della sua teoria. Come si è scoperto, il meccanismo proposto fusione nucleare non è stato in grado di garantire l’emergere delle quantità attualmente osservate di questi elementi.

Gli scienziati hanno iniziato a cercare altri modelli fisici dell '"inizio". Nel 1961, l'accademico Ya.B. Zeldovich propose un modello freddo alternativo, secondo il quale il plasma iniziale era costituito da una miscela di particelle degenerate fredde (con una temperatura inferiore allo zero assoluto) - protoni, elettroni e neutrini. Tre anni dopo, gli astrofisici I.D. Novikov e A.G. Doroshkevich eseguirono un'analisi comparativa di due modelli opposti di condizioni cosmologiche iniziali - caldo e freddo - e indicarono il modo di testare sperimentalmente e selezionarne uno. È stato proposto di provare a rilevare i resti della radiazione primaria studiando lo spettro della radiazione proveniente dalle stelle e dalle sorgenti radio cosmiche. La scoperta di resti di radiazione primaria confermerebbe la correttezza del modello caldo e, se non esistessero, ciò indicherebbe a favore del modello freddo.

Quasi contemporaneamente, un gruppo di ricercatori americani guidati dal fisico Robert Dicke, ignaro dei risultati pubblicati del lavoro di Gamow, Alpher e Hermann, fece rivivere il modello caldo dell'Universo sulla base di altre considerazioni teoriche. Attraverso misurazioni astrofisiche, R. Dicke e i suoi collaboratori trovarono conferma dell'esistenza della radiazione termica cosmica. Questa scoperta epocale ha permesso di ottenere informazioni importanti, precedentemente non disponibili, sulle fasi iniziali dell'evoluzione dell'Universo astronomico. La radiazione cosmica di fondo registrata non è altro che un rapporto radiofonico diretto su eventi universali unici che hanno avuto luogo poco dopo il "Big Bang" - il processo catastrofico più grandioso per dimensioni e conseguenze nella storia osservabile dell'Universo.

Pertanto, a seguito di recenti osservazioni astronomiche, è stato possibile risolvere inequivocabilmente la questione fondamentale sulla natura delle condizioni fisiche prevalenti nelle prime fasi dell'evoluzione cosmica: il modello caldo dell '"inizio" si è rivelato il più adeguato. Ciò che è stato detto, tuttavia, non significa che tutte le affermazioni teoriche e le conclusioni del concetto cosmologico di Gamow siano state confermate. Delle due ipotesi iniziali della teoria - sulla composizione neutronica dell'“uovo cosmico” e sullo stato caldo dell'Universo giovane - solo quest'ultima ha resistito alla prova del tempo, indicando la predominanza quantitativa della radiazione sulla materia all'origine dell'Universo. l’espansione cosmologica attualmente osservata.

Nell'attuale fase di sviluppo della cosmologia fisica, è emerso il compito di creare la storia termica dell'Universo, in particolare lo scenario per la formazione della struttura su larga scala dell'Universo.

Le recenti ricerche teoriche dei fisici si sono svolte nella direzione della seguente idea fondamentale: alla base di tutto tipi conosciuti interazioni fisiche esiste un'interazione universale; Le interazioni elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale sono aspetti diversi di una singola interazione, che si divide come livello energetico della corrispondente processi fisici. In altre parole, a temperature molto elevate (superiori a determinati valori critici), vari tipi di interazioni fisiche iniziano a combinarsi e, al limite, tutti e quattro i tipi di interazione si riducono a un’unica proto-interazione, chiamata “Grande Sintesi”.

Secondo teoria dei quanti ciò che rimane dopo aver rimosso le particelle di materia (ad esempio, da un recipiente chiuso utilizzando una pompa a vuoto) non è vuoto nel senso letterale del termine, come credeva la fisica classica. Sebbene il vuoto non contenga particelle ordinarie, è saturo di " semiviventi”, i cosiddetti corpi virtuali. Per trasformarli in vere e proprie particelle di materia basta eccitare il vuoto, ad esempio, influenzandolo con un campo elettromagnetico creato da particelle cariche in esso introdotte.

Ma cosa ha causato esattamente il “Big Bang”? A giudicare dai dati astronomici, il valore fisico della costante cosmologica che appare nelle equazioni della gravità di Einstein è molto piccolo, forse vicino allo zero. Ma pur essendo così insignificante, può causare conseguenze cosmologiche molto grandi. Lo sviluppo della teoria quantistica dei campi ha portato a conclusioni ancora più interessanti. Si è scoperto che la costante cosmologica è una funzione dell'energia, in particolare dipende dalla temperatura. Alle temperature ultra elevate prevalenti nelle prime fasi dello sviluppo della materia cosmica, la costante cosmologica potrebbe essere molto grande e, soprattutto, di segno positivo. In altre parole, in un lontano passato, il vuoto avrebbe potuto trovarsi in uno stato fisico estremamente insolito, caratterizzato dalla presenza di potenti forze repulsive. Furono queste forze a servire come causa fisica del “Big Bang” e della successiva rapida espansione dell’Universo.

Una considerazione delle cause e delle conseguenze del “Big Bang” cosmologico non sarebbe completa senza un altro concetto fisico. Stiamo parlando della cosiddetta transizione di fase (trasformazione), cioè trasformazione qualitativa di una sostanza, accompagnata da un brusco cambiamento da uno stato all'altro. I fisici sovietici D.A. Kirzhnits e A.D. Linde furono i primi ad attirare l'attenzione sul fatto che nella fase iniziale della formazione dell'Universo, quando la materia cosmica era in uno stato super caldo ma già in raffreddamento, processi fisici simili (transizioni di fase) potevano verificarsi.

Ulteriori studi sulle conseguenze cosmologiche delle transizioni di fase con simmetria rotta hanno portato a nuove scoperte e generalizzazioni teoriche. Tra questi c'è la scoperta di un'era precedentemente sconosciuta nell'autosviluppo dell'Universo. Si è scoperto che durante il cosmologico transizione di fase poteva raggiungere uno stato di espansione estremamente rapida, in cui le sue dimensioni aumentavano molte volte, ma la densità della sostanza rimaneva praticamente invariata. Lo stato iniziale che ha dato origine all'Universo in espansione è considerato un vuoto gravitazionale. I bruschi cambiamenti che accompagnano il processo di espansione cosmologica dello spazio sono caratterizzati da figure fantastiche. Pertanto, si presume che l'intero Universo osservabile sia nato da un'unica bolla di vuoto che misura meno di 10 gradi centigradi fino a meno 33 gradi cm! La bolla di vuoto da cui si è formato il nostro Universo aveva una massa pari solo a un centomillesimo di grammo.

Al momento, non esiste ancora una teoria completamente testata e universalmente accettata sull'origine della struttura su larga scala dell'Universo, sebbene gli scienziati abbiano compiuto progressi significativi nella comprensione delle modalità naturali della sua formazione ed evoluzione. Lo sviluppo è iniziato nel 1981 teoria fisica un universo in inflazione (inflazionistico). Ad oggi, i fisici hanno proposto diverse versioni di questa teoria. Si presume che l'evoluzione dell'Universo, iniziata con un grandioso cataclisma cosmico chiamato "Big Bang", sia stata successivamente accompagnata da ripetuti cambiamenti nel regime di espansione.

Secondo le ipotesi degli scienziati, da 10 a meno quarantatreesimo grado di secondi dopo il "Big Bang" la densità della materia cosmica surriscaldata era molto alta (da 10 a 94° grado grammi/cm cubo). Anche la densità del vuoto era elevata, sebbene in ordine di grandezza fosse molto inferiore alla densità della materia ordinaria, e quindi l'effetto gravitazionale del “vuoto” fisico primordiale era invisibile. Tuttavia, durante l'espansione dell'Universo, la densità e la temperatura della materia diminuirono, mentre la densità del vuoto rimase invariata. Questa circostanza ha portato ad un brusco cambiamento nella situazione fisica già da 10 a meno 35 secondi dopo il “Big Bang”. La densità del vuoto viene prima confrontata e poi, dopo diversi superistanti di tempo cosmico, diventa maggiore di essa. Quindi l'effetto gravitazionale del vuoto si fa sentire: le sue forze repulsive prendono nuovamente la precedenza sulle forze gravitazionali della materia ordinaria, dopodiché l'Universo inizia ad espandersi a un ritmo estremamente veloce (si gonfia) e in una frazione infinitesimale di secondo raggiunge un'enorme dimensioni. Tuttavia, questo processo è limitato nel tempo e nello spazio. L’Universo, come ogni gas in espansione, dapprima si raffredda rapidamente ed è già fortemente sottoraffreddato da circa 10 a meno 33 secondi dopo il Big Bang. Come risultato di questo “raffreddamento” universale, l’Universo passa da una fase all’altra. Stiamo parlando di una transizione di fase del primo tipo: un brusco cambiamento nella struttura interna della materia cosmica e di tutto ciò che è ad essa correlato Proprietà fisiche e caratteristiche. Nella fase finale di questa transizione di fase cosmica, l'intera riserva energetica del vuoto viene convertita in energia termica della materia ordinaria e, di conseguenza, il plasma universale viene nuovamente riscaldato alla sua temperatura originale e di conseguenza cambia la modalità della sua espansione .

Non meno interessante, e più importante da una prospettiva globale, è un altro risultato delle ultime ricerche teoriche: la possibilità fondamentale di evitare la singolarità iniziale nel suo senso fisico. Stiamo parlando di una visione fisica completamente nuova del problema dell'origine dell'Universo.

Si è scoperto che, contrariamente ad alcune recenti previsioni teoriche (che la singolarità iniziale non può essere evitata nemmeno con la generalizzazione quantistica teoria generale relatività) ci sono alcuni fattori microfisici che possono impedire la compressione infinita della materia sotto l'influenza delle forze gravitazionali.

Alla fine degli anni Trenta, fu teoricamente scoperto che le stelle con una massa superiore a quella del Sole di oltre tre volte, nell'ultima fase della loro evoluzione, sono compresse in modo incontrollabile in uno stato singolare. Quest'ultimo, in contrasto con la singolarità di tipo cosmologico, detta di Friedmann, è chiamato Schwarzschild (dal nome dell'astronomo tedesco che per primo considerò le conseguenze astrofisiche della teoria della gravità di Einstein). Ma da un punto di vista puramente fisico, entrambi i tipi di singolarità sono identici. Formalmente differiscono in quanto la prima singolarità è lo stato iniziale dell'evoluzione della materia, mentre la seconda è lo stato finale.

Secondo recenti concetti teorici, il collasso gravitazionale dovrebbe terminare con la compressione della materia letteralmente "fino a un punto" - in uno stato di densità infinita. Secondo i più recenti concetti fisici, il collasso può essere fermato da qualche parte nella regione del valore di densità di Planck, cioè a cavallo tra 10 e 94 gradi grammo/cm cubo. Ciò significa che l'Universo riprende la sua espansione non da zero, ma con un volume (minimo) geometricamente definito e uno stato regolare e fisicamente accettabile.

L'accademico M.A. Markov ha proposto una versione interessante di un universo pulsante. Nel quadro logico di questo modello cosmologico, le vecchie difficoltà teoriche, se non completamente risolte, vengono almeno illuminate da una nuova prospettiva promettente. Il modello si basa sull'ipotesi che con una forte diminuzione della distanza, le costanti di tutte le interazioni fisiche tendono a zero. Questa ipotesi è una conseguenza di un'altra ipotesi, secondo la quale la costante di interazione gravitazionale dipende dal grado di densità della sostanza.

Secondo la teoria di Markov, ogni volta che l'Universo passa dallo stadio di Friedmann (compressione finale) allo stadio di De Sitter (espansione iniziale), le sue caratteristiche fisiche e geometriche risultano essere le stesse. Markov ritiene che questa condizione sia più che sufficiente per superare la classica difficoltà nel cammino verso la realizzazione fisica di un Universo eternamente oscillante.

1) Nel cerchio dell'eterno ritorno? Tre ipotesi.-- M.: Znanie, 1989.- 48 pp.--(Nuovo nella vita, scienza, tecnologia. Ser. "Punto interrogativo"; N. 4).

2) Come funziona una macchina del tempo? - M.: Conoscenza, 1991. - 48 p. -- (Abbonamento alla serie di divulgazione scientifica "Punto interrogativo"; n. 5).

3) Dizionario filosofico conciso, ed. M. Rosenthal e P. Yudin. Ed. 4, aggiungi. e corr. . M. - stato ed. annaffiato illuminato. ,1954.

4) Chi, quando, perché? --stato ed. det. illuminato. ,Ministero della Pubblica Istruzione della RSFSR, M. - 1961.

5) L'origine del sistema solare. Ed. G. Reeves. Per. dall'inglese e francese a cura di G.A. Leikin e V.S. Safronov. M, "MIR", 1976.

6) Dizionario enciclopedico sovietico ucraino. In 3 volumi / Redazione: risposta. ed. A.V.Kudritsky--K.: Testa. ed. USO, - 1988.

7) L'uomo e l'universo: visione della scienza e della religione - M.: Sov. Russia1986.

8) Cosa cercano gli “archeologi spaziali”?-- M.: Znanie, 1989. - 48 p., con illustrazioni.-- (Nuovo nella vita, scienza, tecnologia. Serie "Punto interrogativo"; N. 12)

9)Che cos'è? Chi è? : In 3 volumi T. 1. - 3a ed., riveduta. Parte 80 e aggiuntive - M.: "Pedagogy-press", 1992. -384 p. : malato.

10) Conversazioni sull'Universo - M.: Politizdat, 1984. - 111 pp. - (Conversazioni sul mondo e sull'uomo).

Il cielo stellato eccita da tempo l'immaginazione umana. I nostri lontani antenati cercavano di capire che tipo di strani punti tremolanti pendessero sopra le loro teste. Quanti sono, da dove vengono, influenzano gli eventi terreni? Fin dall'antichità l'uomo ha cercato di comprendere come funziona l'Universo in cui vive.

Oggi possiamo solo apprendere come gli antichi immaginavano l'Universo dalle fiabe e dalle leggende che sono arrivate fino a noi. Ci sono voluti secoli e millenni perché la scienza dell'Universo emergesse e si rafforzasse, studiandone le proprietà e le fasi di sviluppo: la cosmologia. I cardini di questa disciplina sono l'astronomia, la matematica e la fisica.

Oggi comprendiamo molto meglio la struttura dell'Universo, ma ogni conoscenza acquisita fa sorgere solo nuove domande. Studiare le particelle atomiche in un collisore, osservare la vita animali selvatici, l'atterraggio di una sonda interplanetaria su un asteroide può anche essere definito uno studio dell'Universo, perché questi oggetti ne fanno parte. Anche l'uomo fa parte della nostra bellezza universo stellato. Studiando il sistema solare o le galassie lontane, impariamo di più su noi stessi.

Cosmologia e oggetti del suo studio

Il concetto stesso di Universo non ha una definizione chiara in astronomia. In diverso periodi storici e presso vari popoli ebbe numerosi sinonimi, come “spazio”, “mondo”, “universo”, “universum” o “sfera celeste”. Spesso, quando si parla di processi che avvengono nelle profondità dell'Universo, si usa il termine “macrocosmo”, il cui opposto è il “microcosmo” del mondo degli atomi e delle particelle elementari.

Nel difficile cammino della conoscenza, la cosmologia si interseca spesso con la filosofia e persino con la teologia, e questo non sorprende. La scienza della struttura dell'Universo cerca di spiegare quando e come è nato l'universo, di svelare il mistero dell'origine della materia, di comprendere il posto della Terra e dell'umanità nell'infinito dello spazio.

La cosmologia moderna ha due problemi principali. In primo luogo, l'oggetto del suo studio - l'Universo - è unico, il che rende impossibile l'uso di schemi e metodi statistici. In breve, non sappiamo dell'esistenza di altri Universi, delle loro proprietà, struttura, quindi non possiamo fare confronti. In secondo luogo, la durata dei processi astronomici non consente di effettuare osservazioni dirette.

La cosmologia si basa sul postulato che le proprietà e la struttura dell'Universo sono le stesse per qualsiasi osservatore, ad eccezione di rari fenomeni cosmici. Ciò significa che la materia nell'Universo è distribuita uniformemente e ha le stesse proprietà in tutte le direzioni. Ne consegue che leggi fisiche, lavorando in una parte dell'Universo, è del tutto possibile estrapolare l'intera Metagalassia.

La cosmologia teorica sviluppa nuovi modelli, che vengono poi confermati o confutati dalle osservazioni. Ad esempio, è stata dimostrata la teoria dell'origine dell'Universo a seguito di un'esplosione.

Età, dimensione e composizione

La scala dell'Universo è sorprendente: è molto più grande di quanto avremmo potuto immaginare venti o trent'anni fa. Gli scienziati hanno già scoperto circa cinquecento miliardi di galassie e il numero è in costante aumento. Ognuno di essi ruota attorno al proprio asse e si allontana dagli altri a velocità enorme a causa dell'espansione dell'Universo.

Quasar 3C 345, uno degli oggetti più luminosi dell'Universo, si trova a cinque miliardi di anni luce da noi. La mente umana non può nemmeno immaginare tali distanze. Un'astronave che viaggi alla velocità della luce impiegherebbe mille anni per volare intorno alla Via Lattea. Gli ci vorrebbero 2,5 mila anni per raggiungere la Galassia di Andromeda. Ma questo è il vicino più vicino.

Quando parliamo delle dimensioni dell'Universo, intendiamo la sua parte visibile, chiamata anche Metagalassia. Più risultati osservativi otteniamo, più si espandono i confini dell’Universo. Inoltre, ciò avviene simultaneamente in tutte le direzioni, il che dimostra la sua forma sferica.

Il nostro mondo è apparso circa 13,8 miliardi di anni fa a seguito del Big Bang, un evento che ha dato vita a stelle, pianeti, galassie e altri oggetti. Questa cifra è la vera età dell'Universo.

Basandosi sulla velocità della luce, si può presumere che anche le sue dimensioni siano di 13,8 miliardi di anni luce. Tuttavia, in realtà sono più grandi, perché dal momento della nascita l'Universo è in continua espansione. Alcuni si muovono a velocità superluminali, motivo per cui un numero significativo di oggetti nell'Universo rimarrà invisibile per sempre. Questo limite è chiamato sfera o orizzonte di Hubble.

Il diametro della Metagalassia è di 93 miliardi di anni luce. Non sappiamo cosa si trova oltre l'universo conosciuto. Forse ci sono oggetti più distanti che oggi sono inaccessibili per le osservazioni astronomiche. Una parte significativa degli scienziati crede nell'infinito dell'Universo.

L'età dell'Universo è stata ripetutamente testata utilizzando varie tecniche e strumenti scientifici. L'ultima volta è stata confermata utilizzando il telescopio orbitale Planck. I dati disponibili sono pienamente coerenti con i moderni modelli di espansione dell’Universo.

Di cosa è fatto l'Universo? L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo (75%), l'elio è al secondo posto (23%) e gli altri elementi rappresentano un insignificante 2% della quantità totale di materia. La densità media è di 10-29 g/cm3, una parte significativa della quale è costituita dalla cosiddetta energia e materia oscura. I nomi minacciosi non indicano la loro inferiorità; è solo che la materia oscura, a differenza della materia ordinaria, non interagisce con la radiazione elettromagnetica. Di conseguenza, non possiamo osservarlo e trarre le nostre conclusioni solo sulla base di segni indiretti.

In base alla densità di cui sopra, la massa dell'Universo è di circa 6*1051 kg. Dovrebbe essere chiaro che questa cifra non include la massa oscura.

La struttura dell'universo: dagli atomi agli ammassi di galassie

Lo spazio non è solo un enorme vuoto in cui stelle, pianeti e galassie sono equamente sparsi. La struttura dell'Universo è piuttosto complessa e presenta diversi livelli di organizzazione, che possiamo classificare in base alla scala degli oggetti:

1. I corpi astronomici nell'Universo sono solitamente raggruppati in sistemi. Le stelle spesso formano coppie o fanno parte di ammassi che contengono dozzine o addirittura centinaia di stelle. Sotto questo aspetto, il nostro Sole è abbastanza atipico, poiché non ha un “doppio”;
2. Il livello successivo di organizzazione sono le galassie. Possono essere spirali, ellittiche, lenticolari, irregolari. Gli scienziati non comprendono ancora appieno il motivo per cui le galassie hanno forme diverse. A questo livello scopriamo meraviglie dell'Universo come i buchi neri, la materia oscura, il gas interstellare, stelle doppie. Oltre alle stelle, la loro composizione comprende polvere, gas, radiazioni elettromagnetiche. Nell'Universo conosciuto sono state scoperte diverse centinaia di miliardi di galassie. Spesso si scontrano tra loro. Non è come un incidente d'auto: le stelle si confondono e cambiano le loro orbite. Tali processi richiedono milioni di anni e portano alla formazione di nuovi ammassi stellari;
3. Si formano numerose galassie Gruppo locale. Il nostro, oltre alla Via Lattea, comprende la Nebulosa Triangolo, la Nebulosa Andromeda e altri 31 sistemi. Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture stabili conosciute nell'Universo; sono tenuti insieme dalla forza gravitazionale e da qualche altro fattore. Gli scienziati hanno calcolato che l'attrazione da sola chiaramente non è sufficiente per mantenere la stabilità di questi oggetti. Non esiste ancora una base scientifica per questo fenomeno;
4. Il livello successivo della struttura dell'Universo sono i superammassi di galassie, ognuno dei quali contiene decine o addirittura centinaia di galassie e ammassi. Tuttavia, la gravità non li trattiene più, quindi seguono l’Universo in espansione;
5. L'ultimo livello di organizzazione dell'universo sono le cellule o bolle, le cui pareti formano superammassi di galassie. Tra di loro ci sono aree vuote chiamate vuoti. Queste strutture dell'Universo hanno scale di circa 100 Mpc. A questo livello, i processi di espansione dell'Universo sono più evidenti e ad esso è associata anche la radiazione relitta, un'eco del Big Bang.

Come è nato l'universo

Come è nato l'Universo? Cosa è successo prima di questo momento? Come è diventato lo spazio infinito che conosciamo oggi? È stato un incidente o un processo naturale?

Dopo decenni di dibattiti e aspri dibattiti, fisici e astronomi hanno quasi raggiunto un consenso sul fatto che l'universo è apparso come risultato di un'esplosione di potenza colossale. Non solo ha dato vita a tutta la materia nell'Universo, ma ha anche determinato le leggi fisiche in base alle quali esiste il cosmo a noi noto. Si chiama teoria del Big Bang.

Secondo questa ipotesi, tutta la materia una volta, in qualche modo incomprensibile, era raccolta in un piccolo punto con temperatura e densità infinite. Si chiamava singolarità. 13,8 miliardi di anni fa, il punto esplose, formando stelle, galassie, i loro ammassi e altri corpi astronomici dell'Universo.

Perché e come ciò sia accaduto non è chiaro. Gli scienziati devono mettere da parte molte domande legate alla natura della singolarità e alla sua origine: una teoria fisica completa di questa fase della storia dell'Universo non esiste ancora. Va notato che esistono altre teorie sull'origine dell'Universo, ma hanno molti meno aderenti.

Il termine "Big Bang" entrò in uso alla fine degli anni '40 dopo la pubblicazione dei lavori dell'astronomo britannico Hoyle. Oggi questo modello è stato completamente sviluppato: i fisici possono descrivere con sicurezza i processi che si sono verificati una frazione di secondo dopo questo evento. Puoi anche aggiungerlo questa teoria ha permesso di determinare l'età esatta dell'Universo e descrivere le principali fasi della sua evoluzione.

La prova principale a favore della teoria del Big Bang è la presenza di radiazione cosmica di fondo a microonde. È stato inaugurato nel 1965. Questo fenomeno è nato a seguito della ricombinazione degli atomi di idrogeno. La radiazione CMB può essere definita la principale fonte di informazioni su come era strutturato l'Universo miliardi di anni fa. È isotropo e riempie uniformemente lo spazio esterno.

Un altro argomento a favore dell'oggettività di questo modello è il fatto stesso dell'espansione dell'Universo. È un dato di fatto, estrapolando questo processo nel passato, gli scienziati sono giunti a un concetto simile.

Ci sono anche punti deboli nella teoria del Big Bang. Se l'universo si fosse formato istantaneamente da un piccolo punto, allora avrebbe dovuto esserci una distribuzione della materia non uniforme, che non osserviamo. Inoltre, questo modello non può spiegare dove sia andata a finire l'antimateria, la cui quantità al “momento della creazione” non avrebbe dovuto essere inferiore alla normale materia barionica. Tuttavia, ora il numero di antiparticelle nell’Universo è minuscolo. Ma lo svantaggio più significativo di questa teoria è la sua incapacità di spiegare il fenomeno del Big Bang; viene semplicemente percepito come un fatto compiuto. Non sappiamo come apparisse l'Universo prima della singolarità.

Esistono altre ipotesi sull'origine e sull'ulteriore evoluzione dell'universo. Per molti anni è stato popolare il modello di un Universo stazionario. Un certo numero di scienziati erano dell'opinione che a causa delle fluttuazioni quantistiche provenisse dal vuoto. Tra questi c'era il famoso Stephen Hawking. Lee Smolin ha avanzato la teoria secondo cui il nostro, come altri universi, si è formato all'interno dei buchi neri.

Sono stati fatti tentativi per migliorare teoria esistente Big Bang. Ad esempio, esiste un'ipotesi sulla natura ciclica dell'Universo, secondo la quale la nascita da una singolarità non è altro che la sua transizione da uno stato all'altro. È vero, questo approccio contraddice la seconda legge della termodinamica.

L'evoluzione dell'universo o cosa è successo dopo il Big Bang

La teoria del Big Bang ha permesso agli scienziati di creare un modello accurato dell'evoluzione dell'Universo. E oggi sappiamo abbastanza bene quali processi hanno avuto luogo nel giovane Universo. L'unica eccezione è la prima fase della creazione, che continua ad essere oggetto di accese discussioni e dibattiti. Naturalmente, per ottenere un risultato del genere, una base teorica non è bastata: ci sono voluti anni di ricerca sull’Universo e migliaia di esperimenti agli acceleratori.

Oggi la scienza individua le seguenti fasi successive al Big Bang:

1. Il primo periodo a noi noto è chiamato era di Planck, occupa l'intervallo da 0 a 10-43 secondi. A quel tempo, tutta la materia e l'energia dell'Universo erano raccolte in un punto e le quattro forze principali erano una;
2. L'era della Grande Unificazione (da 10−43 a 10−36 secondi). È caratterizzato dalla comparsa dei quark e dalla separazione dei principali tipi di interazioni. L'evento principale di questo periodo è considerato il rilascio della forza gravitazionale. Durante questa era, iniziarono a formarsi le leggi dell'Universo. Oggi abbiamo l'opportunità di descrivere in dettaglio i processi fisici di quest'epoca;
3. La terza fase della creazione è chiamata Età dell’Inflazione (da 10−36 a 10−32). In questo momento, il rapido movimento dell'Universo iniziò a una velocità significativamente superiore a quella della luce. Diventa più grande dell'attuale Universo visibile. Inizia il raffreddamento. Durante questo periodo le forze fondamentali dell'universo vengono finalmente separate;
4. Nel periodo compreso tra 10-32 e 10-12 secondi compaiono particelle “esotiche” come il bosone di Higgs e il plasma di quark e gluoni riempie lo spazio. L'intervallo da 10−12 a 10−6 secondi è chiamato l'era dei quark, da 10−6 a 1 secondo - gli adroni, 1 secondo dopo il Big Bang inizia l'era dei leptoni;
5. Fase della nucleosintesi. Durò fino al terzo minuto circa dall'inizio degli eventi. Durante questo periodo, gli atomi di elio, deuterio e idrogeno nascono dalle particelle dell'Universo. Il raffreddamento continua, lo spazio diventa trasparente ai fotoni;
6. Tre minuti dopo il Big Bang inizia l’era della Ricombinazione Primaria. Durante questo periodo apparve la radiazione relitta, che gli astronomi stanno ancora studiando;
7. Il periodo compreso tra 380mila e 550 milioni di anni è chiamato Medioevo. L'universo in questo momento è pieno di idrogeno, elio, vari tipi radiazione. Non c'erano fonti di luce nell'Universo;
8. 550 milioni di anni dopo la Creazione compaiono le stelle, le galassie e altre meraviglie dell'Universo. Le prime stelle esplodono, liberando materia per formare sistemi planetari. Questo periodo è chiamato Era della Reionizzazione;
9. All'età di 800 milioni di anni, nell'Universo iniziano a formarsi i primi sistemi stellari con pianeti. L’Era della Sostanza sta arrivando. Durante questo periodo si formò il nostro pianeta natale.

Si ritiene che il periodo compreso tra 0,01 secondi dopo l'atto della creazione fino ai giorni nostri sia di interesse per la cosmologia. Durante questo periodo si formarono gli elementi primari, da cui stelle, galassie, sistema solare. Per i cosmologi, l'era della ricombinazione è considerata un periodo particolarmente importante, quando sorse la radiazione relitta, con l'aiuto della quale continua lo studio dell'Universo conosciuto.

Storia della cosmologia: il periodo più antico

L'uomo pensa alla struttura del mondo che lo circonda da tempo immemorabile. Le prime idee sulla struttura e le leggi dell'Universo si possono trovare nelle fiabe e nelle leggende nazioni diverse pace.

Si ritiene che le osservazioni astronomiche regolari iniziarono ad essere praticate per la prima volta in Mesopotamia. Diverse civiltà sviluppate vissero successivamente su questo territorio: Sumeri, Assiri, Persiani. Possiamo apprendere come immaginavano l'Universo da molte tavolette cuneiformi trovate nei siti di antiche città. Le prime testimonianze riguardanti il ​​movimento dei corpi celesti risalgono al VI millennio a.C.

Tra i fenomeni astronomici, i Sumeri erano più interessati ai cicli: i cambiamenti delle stagioni e le fasi lunari. Da loro dipendevano il raccolto futuro e la salute degli animali domestici, e quindi la sopravvivenza della popolazione umana. Da ciò è stata tratta una conclusione sull'influenza dei corpi celesti sui processi che si verificano sulla Terra. Pertanto, studiando l'Universo, puoi prevedere il tuo futuro: è così che è nata l'astrologia.

I Sumeri inventarono un palo per determinare l'altezza del Sole, crearono un calendario solare e lunare, descrissero le principali costellazioni e scoprirono alcune leggi della meccanica celeste.

Molta attenzione è stata prestata al movimento degli oggetti cosmici nelle pratiche religiose dell'Antico Egitto. Gli abitanti della Valle del Nilo utilizzavano un modello geocentrico dell'Universo, in cui il Sole ruotava attorno alla Terra. Ci sono pervenuti molti testi dell'antico Egitto contenenti informazioni astronomiche.

La scienza del cielo raggiunse livelli significativi nell’antica Cina. Qui, nel 3 ° millennio a.C. e. apparve la posizione di astronomo di corte e nel XII secolo a.C. e. Vengono aperti i primi osservatori. Conosciamo principalmente le eclissi solari, i passaggi delle comete, gli sciami meteorici e altri interessanti eventi cosmici dell'antichità dagli annali e dalle cronache cinesi, che furono scrupolosamente conservati per secoli.

L'astronomia era tenuta in grande considerazione dagli Elleni. Hanno studiato questo problema con numerose scuole filosofiche, ognuna delle quali, di regola, aveva il proprio sistema dell'Universo. I Greci furono i primi a proporre la forma sferica della Terra e la rotazione del pianeta attorno al proprio asse. L'astronomo Ipparco introdusse i concetti di apogeo e perigeo, eccentricità orbitale, sviluppò modelli del movimento del Sole e della Luna e calcolò i periodi di rivoluzione dei pianeti. Tolomeo, che può essere definito il creatore del modello geocentrico del sistema solare, ha dato un grande contributo allo sviluppo dell'astronomia.

La civiltà Maya raggiunse grandi traguardi nello studio delle leggi dell'Universo. Ciò è confermato dai risultati degli scavi archeologici. I sacerdoti sapevano prevedere le eclissi solari, crearono un calendario perfetto e costruirono numerosi osservatori. Gli astronomi Maya osservarono i pianeti vicini e furono in grado di determinare con precisione i loro periodi orbitali.

Medioevo e tempi moderni

Dopo il crollo dell'Impero Romano e la diffusione del Cristianesimo, l'Europa precipitò per quasi un millennio nel Medioevo. Scienze naturali, compresa l'astronomia, si è praticamente fermata. Gli europei trassero informazioni sulla struttura e sulle leggi dell'Universo dai testi biblici; alcuni astronomi aderirono fermamente a sistema geocentrico Tolomeo, l'astrologia godeva di una popolarità senza precedenti. Il vero studio dell'Universo da parte degli scienziati iniziò solo durante il Rinascimento.

Alla fine del XV secolo, il cardinale Nicola di Cusa avanzò un'idea audace sull'universalità dell'universo e sull'infinità delle profondità dell'Universo. Già da XVI secolo divenne chiaro che le opinioni di Tolomeo erano errate e senza accettare un nuovo paradigma ulteriori sviluppi la scienza è impensabile. Il matematico e astronomo polacco Niccolò Copernico decise di rompere il vecchio modello, proponendo un modello eliocentrico del sistema solare.

Da un punto di vista moderno, il suo concetto era imperfetto. Per Copernico il movimento dei pianeti era assicurato dalla rotazione delle sfere celesti a cui erano attaccati. Le orbite stesse avevano una forma circolare e al confine del mondo c'era una sfera con stelle fisse. Tuttavia, ponendo il Sole al centro del sistema, lo scienziato polacco ha senza dubbio compiuto una vera rivoluzione. La storia dell’astronomia può essere divisa in due grandi parti: periodo antico e lo studio dell'Universo da Copernico ai giorni nostri.

Nel 1608, lo scienziato italiano Galileo inventò il primo telescopio al mondo, che diede un enorme impulso allo sviluppo dell'astronomia osservativa. Ora gli scienziati potrebbero contemplare le profondità dell'Universo. Si è scoperto che la Via Lattea è composta da miliardi di stelle, il Sole ha macchie, la Luna ha montagne e i satelliti ruotano attorno a Giove. L'avvento del telescopio provocò un vero e proprio boom delle osservazioni ottiche delle meraviglie dell'Universo.

A metà del XVI secolo, lo scienziato danese Tycho Brahe fu il primo a iniziare regolari osservazioni astronomiche. Ha dimostrato l'origine cosmica delle comete, smentendo così l'idea di Copernico delle sfere celesti. IN inizio XVII secolo, Giovanni Keplero svelò i misteri del moto planetario formulando le sue famose leggi. Allo stesso tempo furono scoperte le nebulose di Andromeda e Orione e gli anelli di Saturno e fu compilata la prima mappa della superficie lunare.

Nel 1687 Isaac Newton formulò la legge della gravitazione universale, che spiega l'interazione di tutti i componenti dell'Universo. Me lo ha fatto vedere significato nascosto Le leggi di Keplero, che, in effetti, furono derivate empiricamente. I principi scoperti da Newton hanno permesso agli scienziati di dare uno sguardo nuovo allo spazio dell'Universo.

Il XVIII secolo fu un periodo di rapido sviluppo dell'astronomia, espandendo significativamente i confini dell'Universo conosciuto. Nel 1785, Kant ebbe la brillante idea che la Via Lattea fosse un enorme ammasso di stelle unite dalla gravità.

In questo momento, nuovi corpi celesti apparvero sulla “mappa dell’Universo” e i telescopi furono migliorati.

Nel 1785, l'astronomo inglese Herschel, basandosi sulle leggi dell'elettromagnetismo e della meccanica newtoniana, cercò di creare un modello dell'Universo e di determinarne la forma. Tuttavia, ha fallito.

Nel XIX secolo gli strumenti degli scienziati divennero più precisi e apparve l'astronomia fotografica. L'analisi spettrale, apparsa a metà del secolo, ha portato a una vera rivoluzione nell'astronomia osservativa: ora l'argomento della ricerca è diventato Composizione chimica oggetti. Fu scoperta la cintura degli asteroidi e fu misurata la velocità della luce.

L'era delle scoperte o dei tempi moderni

Il ventesimo secolo è stata un'era di autentici progressi nel campo dell'astronomia e della cosmologia. All'inizio del secolo, Einstein rivelò al mondo la sua teoria della relatività, che fece una vera rivoluzione nelle nostre idee sull'universo e ci permise di dare un nuovo sguardo alle proprietà dell'Universo. Nel 1929 Edwin Hubble scoprì che il nostro Universo è in espansione. Nel 1931, Georges Lemaitre avanzò l'idea della sua formazione partendo da un punto molto piccolo. In sostanza, questo fu l’inizio della teoria del Big Bang. Nel 1965 fu scoperta la radiazione cosmica di fondo a microonde, confermando questa ipotesi.

Nel 1957 fu mandato in orbita il primo satellite artificiale, dopodiché iniziò l'era spaziale. Ora gli astronomi non solo potevano osservare i corpi celesti attraverso i telescopi, ma anche studiarli da vicino utilizzando stazioni interplanetarie e sonde lander. Siamo riusciti addirittura ad atterrare sulla superficie della Luna.

Gli anni ’90 possono essere definiti il ​​“periodo della materia oscura”. La sua scoperta spiega l'accelerazione dell'espansione dell'Universo. Durante questo periodo furono introdotti nuovi telescopi, che ci consentirono di spingere i limiti dell'Universo conosciuto.

Nel 2016 hanno aperto onde gravitazionali, che probabilmente segnerà l'inizio di un nuovo ramo dell'astronomia.

Negli ultimi secoli abbiamo ampliato significativamente i confini della nostra conoscenza dell'Universo. Tuttavia, in realtà, le persone hanno solo aperto la porta e hanno guardato in un mondo enorme e sorprendente, pieno di segreti e meraviglie sorprendenti.

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