У «Обчисленні Космосу» Іен Стюарт представляє хвилюючий путівник по космосу, від нашої Сонячної системи до всього Всесвіту. Починаючи з вавілонської інтеграції математики до вивчення астрономії та космології, Стюарт простежує еволюцію нашого розуміння космосу: як закони Кеплера планетарного руху змусили Ньютона сформулювати свою теорію гравітації. Як через два століття, крихітні нерівності в русі Марса надихнули Ейнштейна розробити його загальну теорію відносності. Як вісімдесят років тому відкриття про те, що Всесвіт розширюється, призвело до розробки теорії Великого вибуху про її витоки. Як одноточкове походження та розширення змусили космологів теоретизувати нові компоненти Всесвіту, такі як інфляція, темна речовина та темна енергія. Але чи пояснює інфляція структуру сьогоднішнього Всесвіту? Чи існує насправді темна матерія? Чи може наукова революція, яка кидає виклик давній науковій ортодоксальності та ще раз перетворить наше розуміння Всесвіту? Нижче наводиться уривок із "Обчислення космосу: як математика відкриває Всесвіт" (Основні книги, 2016).
Ці досягнення у дослідженні та використанні космосу залежать не лише від розумних технологій, але й від тривалої серії наукових відкриттів, які приходять щонайменше, аж до стародавнього Вавилону три тисячоліття тому. Математика лежить в основі цих досягнень. Інженерія, звичайно, теж життєво важлива, і відкриття в багатьох інших наукових дисциплінах були потрібні, перш ніж ми змогли скласти необхідні матеріали та зібрати їх у зонд робочого простору, але я зосередитимусь на тому, як математика покращила наші знання про Всесвіт.
Історія дослідження космосу та історія математики йшли рука об руку з найдавніших часів. Математика виявилася важливою для розуміння Сонця, Місяця, планет, зірок та величезної картини пов'язаних об'єктів, які разом утворюють космос - Всесвіт, що розглядається у великій масштабі. Тисячі років математика була нашим найефективнішим методом розуміння, запису та прогнозування космічних подій. Дійсно, в деяких культурах, таких як стародавня Індія близько 500, математика була підгалуззю астрономії. І навпаки, астрономічні явища впливали на розвиток математики вже протягом трьох тисячоліть, надихаючи все - від вавилонських передбачень затемнень до числення, хаосу та викривлення простору-часу.
Спочатку головна астрономічна роль математики полягала в записух спостережень і виконанні корисних розрахунків щодо таких явищ, як сонячні затемнення, де Місяць тимчасово затемнює Сонце або місячні затемнення, де тінь Землі затемнює Місяць. Роздумуючи про геометрію Сонячної системи, астрономічні піонери зрозуміли, що Земля обходить Сонце, навіть не дивлячись на те, що звідси йде навпаки. Древні також поєднували спостереження з геометрією, щоб оцінити розміри Землі та відстані до Місяця та Сонця.
Більш глибокі астрономічні закономірності почали формуватися близько 1600 р., Коли Йоганнес Кеплер виявив три математичні закономірності - «закони» - на орбітах планет. У 1679 році Ісаак Ньютон переосмислив закони Кеплера, щоб сформулювати амбітну теорію, яка описувала не просто рух планет Сонячної системи, а рух будь-який система небесних тіл. Це була його теорія гравітації, одне з центральних відкриттів у його зміні світу Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Математичні засади натурфілософії). Закон гравітації Ньютона описує, як кожне тіло у Всесвіті приваблює кожне інше тіло.
Поєднуючи гравітацію з іншими математичними законами щодо руху тіл, започаткованими Галілеєм століттям раніше, Ньютон пояснив і передбачив численні небесні явища. Більш загально, він змінив, як ми думаємо про природний світ, створивши наукову революцію, яка все ще випереджає сьогодні. Ньютон показав, що природні явища (часто) регулюються математичними зразками, і розуміючи ці закономірності, ми можемо покращити наше розуміння природи. В епоху Ньютона математичні закони пояснювали те, що відбувається на небі, але вони не мали жодного значного практичного використання, крім навігації.
***
Все, що змінилося в часи СРСР Sputnik супутник вийшов на низьку орбіту Землі в 1957 році, вистріливши стартовий пістолет для космічної гонки. Якщо ви дивитесь футбол по супутниковому телебаченню - або оперу, комедії чи наукові документальні фільми - ви отримуєте реальні вигоди від розумінь Ньютона.
Спочатку його успіхи спричинили погляд на космос як на годинниковий всесвіт, в якому все велично слідує стежками, прокладеними на зорі створення. Наприклад, вважалося, що Сонячна система створена майже в своєму нинішньому стані, і ті ж планети рухаються по одній і тій же круговій орбіті. Справді, все трохи розхитувалося; прогреси астрономічних спостережень періоду зробили це досить ясно. Але була поширена думка, що нічого не змінилося, не змінилося або змінилось би будь-яким драматичним чином протягом незліченних еонів. У європейській релігії було немислимо, що досконале творіння Бога могло бути інакшим у минулому. Механістичний погляд на регулярний передбачуваний космос зберігався триста років.
Не довше. Останні інновації в математиці, такі як теорія хаосу, поєднані з сучасними потужними комп'ютерами, здатними розчарувати відповідні числа з небувалою швидкістю, значно змінили наші погляди на космос. Модель годинникової роботи Сонячної системи залишається чинною протягом коротких періодів часу, а в астрономії мільйон років зазвичай короткий. Але наше космічне подвір’я тепер розкривається як місце, де світи робили і будуть мігрувати з однієї орбіти на іншу. Так, існують дуже тривалі періоди регулярної поведінки, але час від часу вони перериваються сплесками дикої активності. Незмінні закони, що породили поняття всесвіту за годинниковим механізмом, також можуть спричинити раптові зміни та сильно хаотичну поведінку.
Сценарії, які зараз передбачають астрономи, часто є драматичними. Наприклад, під час утворення Сонячної системи цілі світи зіткнулися з апокаліптичними наслідками. Одного разу, у віддаленому майбутньому, вони, ймовірно, зроблять це знову: є невеликий шанс, що або Меркурій, або Венера приречені, але ми не знаємо, на що. Це могло бути і те, і інше, і вони могли взяти нас із собою. Одне таке зіткнення, ймовірно, призвело до утворення Місяця. Це звучить як щось поза науковою фантастикою, і це… але найкращий вид, «жорстка» наукова фантастика, в якій лише фантастичний новий винахід виходить за рамки відомої науки. За винятком того, що тут немає фантастичного винаходу, просто несподіване математичне відкриття.
Математика повідомила про наше розуміння космосу в будь-якому масштабі: походження та рух Місяця, рухи та форми планет та супутніх супутників, тонкощі астероїдів, комет та об'єктів пояса Койпера, а також чудовий небесний танець всю Сонячну систему. Це навчило нас, як взаємодія з Юпітером може перекидати астероїди на Марс і звідти на Землю; чому Сатурн не один у володінні кільцями; як утворилися кільця для початку і чому вони поводяться так, як роблять, з косами, брижами та дивними обертовими «спицями». Це показало нам, як кільця планети можуть виплювати по одному місяці.
Годинник поступився місцем феєрверкам.
Уривок із "Обчислення космосу: як математика відкриває Всесвіт" Яна Стюарта. Copyright © 2016. Доступно від Basic Books, відбиток Perseus Books, LLC, дочірньої компанії Hachette Book Group, Inc. Усі права захищені.
