W „Obliczaniu kosmosu” Ian Stewart przedstawia ekscytujący przewodnik po kosmosie, od naszego Układu Słonecznego po cały wszechświat. Począwszy od babilońskiego włączenia matematyki do badań astronomii i kosmologii, Stewart śledzi ewolucję naszego rozumienia kosmosu: w jaki sposób prawa ruchu planet Keplera skłoniły Newtona do sformułowania swojej teorii grawitacji. Jak dwa wieki później drobne nieregularności w ruchu Marsa zainspirowały Einsteina do opracowania ogólnej teorii względności. Jak osiemdziesiąt lat temu odkrycie, że wszechświat się rozszerza, doprowadziło do rozwoju teorii Wielkiego Wybuchu o jego pochodzeniu. Jak jednopunktowe pochodzenie i ekspansja doprowadziły kosmologów do teorii nowych składników wszechświata, takich jak inflacja, ciemna materia i ciemna energia. Ale czy inflacja wyjaśnia strukturę dzisiejszego wszechświata? Czy ciemna materia faktycznie istnieje? Czy rewolucja naukowa, która rzuci wyzwanie naukowej ortodoksji i po raz kolejny zmieni nasze rozumienie wszechświata, będzie na dobrej drodze? Poniżej znajduje się fragment „Obliczanie kosmosu: jak matematyka odkrywa wszechświat” (Basic Books, 2016).
Postępy w eksploracji i użytkowaniu kosmosu zależą nie tylko od sprytnej technologii, ale także od długiej serii odkryć naukowych, które sięgają przynajmniej starożytnego Babilonu trzy tysiące lat temu. Matematyka leży u podstaw tych osiągnięć. Inżynieria jest oczywiście niezbędna, a odkrycia w wielu innych dyscyplinach naukowych były potrzebne, zanim mogliśmy stworzyć niezbędne materiały i złożyć je w sondę przestrzeni roboczej, ale skoncentruję się na tym, jak matematyka poprawiła naszą wiedzę o wszechświecie.
Historia eksploracji kosmosu i matematyki szły w parze od najdawniejszych czasów. Matematyka okazała się niezbędna do zrozumienia Słońca, Księżyca, planet, gwiazd i ogromnej liczby powiązanych obiektów, które razem tworzą kosmos - wszechświat rozpatrywany na dużą skalę. Przez tysiące lat matematyka była naszą najskuteczniejszą metodą rozumienia, rejestrowania i przewidywania wydarzeń kosmicznych. Rzeczywiście w niektórych kulturach, takich jak starożytne Indie około 500 roku, matematyka była pododdziałem astronomii. I odwrotnie, zjawiska astronomiczne wpływały na rozwój matematyki od ponad trzech tysiącleci, inspirując wszystko, od babilońskich prognoz zaćmień po rachunek różniczkowy, chaos i krzywiznę czasoprzestrzeni.
Początkowo główną astronomiczną rolą matematyki było rejestrowanie obserwacji i wykonywanie przydatnych obliczeń dotyczących takich zjawisk, jak zaćmienia Słońca, gdzie Księżyc czasowo przesłania Słońce, lub zaćmienia Księżyca, w których cień Ziemi zasłania Księżyc. Myśląc o geometrii Układu Słonecznego, pionierzy astronomiczni zdali sobie sprawę, że Ziemia okrąża Słońce, chociaż z drugiej strony wygląda odwrotnie. Starożytni połączyli również obserwacje z geometrią, aby oszacować rozmiar Ziemi i odległości do Księżyca i Słońca.
Głębsze wzorce astronomiczne zaczęły pojawiać się około 1600 roku, kiedy Johannes Kepler odkrył trzy matematyczne prawidłowości - „prawa” na orbitach planet. W 1679 r. Isaac Newton zinterpretował prawa Keplera, aby sformułować ambitną teorię opisującą nie tylko ruch planet Układu Słonecznego, ale ruch każdy układ ciał niebieskich. To była jego teoria grawitacji, jedno z głównych odkryć w jego zmieniającym się świecie Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne zasady filozofii naturalnej). Prawo grawitacji Newtona opisuje, w jaki sposób każde ciało we wszechświecie przyciąga każde inne ciało.
Łącząc grawitację z innymi prawami matematycznymi dotyczącymi ruchu ciał, zapoczątkowanymi przez Galileusza sto lat wcześniej, Newton wyjaśnił i przewidział liczne zjawiska niebieskie. Mówiąc bardziej ogólnie, zmienił nasze myślenie o świecie przyrody, tworząc rewolucję naukową, która wciąż napędza nas do dziś. Newton pokazał, że zjawiskami naturalnymi rządzą (często) wzorce matematyczne, a rozumiejąc te wzorce, możemy poprawić nasze zrozumienie natury. W erze Newtona prawa matematyczne wyjaśniały, co dzieje się na niebie, ale nie miały one żadnego praktycznego zastosowania poza nawigacją.
***
Wszystko zmieniło się, gdy ZSRR Sputnik satelita wszedł na niską orbitę Ziemi w 1957 r., wystrzeliwując pistolet startowy do wyścigu kosmicznego. Oglądając piłkę nożną w telewizji satelitarnej - operze, komediach lub dokumentach naukowych - czerpiesz rzeczywiste korzyści z wiedzy Newtona.
Początkowo jego sukcesy doprowadziły do postrzegania kosmosu jako wszechświata zegarowego, w którym wszystko majestatycznie podąża ścieżkami określonymi na początku stworzenia. Na przykład uważano, że Układ Słoneczny został stworzony w prawie obecnym stanie, z tymi samymi planetami poruszającymi się po tych samych prawie okrągłych orbitach. Wprawdzie wszystko trochę się trzęsło; postępy w obserwacjach astronomicznych wyraźnie to wyjaśniły. Ale powszechnie panowało przekonanie, że nic się nie zmieniło, nie zmieniło ani nie zmieniło by w jakikolwiek dramatyczny sposób przez niezliczone eony. W religii europejskiej nie do pomyślenia było, aby doskonałe stworzenie Boga mogło być inne w przeszłości. Mechanistyczny pogląd na regularny, przewidywalny kosmos trwał przez trzysta lat.
Już nie. Ostatnie innowacje w matematyce, takie jak teoria chaosu, w połączeniu z dzisiejszymi potężnymi komputerami, zdolnymi do kruszenia odpowiednich liczb z niespotykaną szybkością, znacznie zmieniły nasze poglądy na temat kosmosu. Zegarowy model Układu Słonecznego pozostaje aktualny przez krótki czas, a w astronomii milion lat jest zwykle krótki. Ale nasze kosmiczne podwórko jest teraz ujawnione jako miejsce, w którym światy dokonywały i będą migrować z jednej orbity na drugą. Tak, zdarzają się bardzo długie okresy regularnego zachowania, ale od czasu do czasu przerywane są wybuchami dzikiej aktywności. Niezmienne prawa, które zrodziły pojęcie wszechświata zegarowego, mogą również powodować nagłe zmiany i wysoce nieobliczalne zachowanie.
Scenariusze, które obecnie przewidują astronomowie, są często dramatyczne. Na przykład podczas powstawania Układu Słonecznego całe światy zderzyły się z apokaliptycznymi konsekwencjami. Pewnego dnia, w odległej przyszłości, prawdopodobnie zrobią to ponownie: istnieje niewielka szansa, że albo Merkury, albo Wenus będą skazani na zagładę, ale nie wiemy która. Mogą być jedno i drugie i mogą nas zabrać ze sobą. Jedna taka kolizja prawdopodobnie doprowadziła do powstania Księżyca. Brzmi jak coś z science fiction i jest… ale najlepszym rodzajem „twardej” science fiction, w której tylko fantastyczny nowy wynalazek wykracza poza znaną naukę. Tyle że tutaj nie ma fantastycznego wynalazku, tylko nieoczekiwane odkrycie matematyczne.
Matematyka poinformowała nasze rozumienie kosmosu w każdej skali: pochodzenie i ruch Księżyca, ruchy i formy planet i ich księżyców towarzyszących, zawiłości planetoid, komet i obiektów z pasów Kuipera, a także intensywny niebiański taniec cały układ słoneczny. Nauczył nas, w jaki sposób interakcje z Jowiszem mogą rzucać asteroidy w kierunku Marsa, a stąd i Ziemi; dlaczego Saturn nie jest sam w posiadaniu pierścieni; jak powstały jego pierścienie i dlaczego zachowują się tak, jak one, z warkoczami, zmarszczkami i dziwnymi obrotowymi „szprychami”. Pokazało nam, jak pierścienie planety mogą wypluć księżyce, pojedynczo.
Mechaniczna ustąpiła miejsca fajerwerkom.
Fragment „Obliczenia kosmosu: jak matematyka odkrywa wszechświat” Iana Stewarta. Prawa autorskie © 2016. Dostępne w Basic Books, nadruk Perseus Books, LLC, spółka zależna Hachette Book Group, Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone.
