В "Изчисляване на Космоса" Иън Стюарт представя вълнуващо ръководство за Космоса, от нашата Слънчева система до цялата Вселена. Започвайки с вавилонската интеграция на математиката в изучаването на астрономията и космологията, Стюарт проследява еволюцията на нашето разбиране за Космоса: Как законите на Кеплер за планетарното движение доведоха Нютон да формулира теорията си за гравитацията. Как два века по-късно дребни нередности в движението на Марс вдъхновяват Айнщайн да разработи общата си теория на относителността. Как преди осемдесет години откритието, че Вселената се разширява, доведе до развитието на теорията за Големия взрив за нейния произход. Как едноточковият произход и разширяването накараха космолозите да теоретизират нови компоненти на Вселената, като инфлация, тъмна материя и тъмна енергия. Но обяснява ли инфлацията структурата на днешната Вселена? Има ли всъщност тъмна материя? Възможно ли е една научна революция, която да предизвика дълготрайната научна православие и отново да трансформира разбирането ни за Вселената? По-долу е откъс от „Изчисляване на Космоса: Как математиката разкрива Вселената“ (Основни книги, 2016).
Този напредък в космическото проучване и използване зависи не само от интелигентната технология, но и от продължителна поредица от научни открития, които се отнасят поне до древния Вавилон преди три хилядолетия. Математиката лежи в основата на тези постижения. Разбира се, инженерството също е жизненоважно и бяха необходими открития в много други научни дисциплини, преди да успеем да направим необходимите материали и да ги сглобим в сонда за работно пространство, но ще се съсредоточа върху това как математиката е подобрила познанията ни за Вселената.
Историята на космическото изследване и историята на математиката са вървели ръка за ръка от най-ранните времена. Математиката се оказа съществена за разбирането на Слънцето, Луната, планетите, звездите и огромната панорама от свързани обекти, които заедно образуват Космоса - Вселената, разгледана с голям мащаб. В продължение на хиляди години математиката е най-ефективният ни метод за разбиране, записване и прогнозиране на космическите събития. Наистина в някои култури, като Древна Индия около 500 г., математиката е под-клон на астрономията. И обратно, астрономическите явления са повлияли върху развитието на математиката в продължение на повече от три хилядолетия, вдъхновявайки всичко от вавилонските прогнози за затъмнения до смятане, хаос и кривината на космическото време.
Първоначално основната астрономическа роля на математиката беше да записва наблюдения и да извършва полезни изчисления за явления като слънчеви затъмнения, при които Луната временно затъмнява Слънцето или лунните затъмнения, където земната сянка затъмнява Луната. Мислейки за геометрията на Слънчевата система, астрономическите пионери разбраха, че Земята обикаля Слънцето, въпреки че изглежда обратното от тук долу. Древните също комбинирали наблюдения с геометрия, за да преценят размера на Земята и разстоянията до Луната и Слънцето.
По-дълбоки астрономически модели започват да се появяват около 1600 г., когато Йоханес Кеплер открива три математически закономерности - „закони“ - в орбитите на планетите. През 1679 г. Исак Нютон интерпретира законите на Кеплер, за да формулира амбициозна теория, която описва не само как се движат планетите на Слънчевата система, но и движението на който и да е система от небесни тела. Това беше неговата теория за гравитацията, едно от централните открития в променящия се свят Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Математически принципи на естествената философия). Законът на гравитацията на Нютон описва как всяко тяло във Вселената привлича всяко друго тяло.
Комбинирайки гравитацията с други математически закони за движението на телата, въведени от Галилео век по-рано, Нютон обясни и предсказа многобройни небесни явления. В по-общ план той промени начина, по който мислим за природния свят, създавайки научна революция, която продължава да се развива и днес. Нютон показа, че природните явления (често) се управляват от математически модели и чрез разбирането на тези модели можем да подобрим разбирането си за природата. В ерата на Нютон математическите закони обясняват какво се случва на небето, но те не са имали значителни практически приложения, освен за навигация.
***
Всичко това се промени, когато тези на СССР изкуствен спътник сателит излезе в ниска земна орбита през 1957 г., стреляйки със стартовия пистолет за космическата надпревара. Ако гледате футбол по сателитна телевизия - или опера, или комедии, или научни документални филми - вие извличате реална полза от прозренията на Нютон.
Първоначално успехите му водят до възглед за Космоса като часовникова вселена, в която всичко величествено следва пътища, заложени в зората на създаването. Например се смяташе, че Слънчевата система е създадена в почти сегашното си състояние, като същите планети се движат по същите близо кръгови орбити. Наистина, всичко се въртеше наоколо; напредъкът в периода на астрономическите наблюдения направи това много ясно. Но имаше широко разпространено вярване, че нищо не се е променило, променило се или ще се промени по някакъв драматичен начин през безброй еони. В европейската религия беше немислимо Божието съвършено творение да е можело да бъде различно в миналото. Механистичният възглед на редовен, предсказуем космос се запазва триста години.
Вече не. Последните иновации в математиката, като теорията на хаоса, съчетана с днешните мощни компютри, способни да смачкат съответните числа с безпрецедентна скорост, значително промениха представите ни за Космоса. Моделът на часовниковата система на слънчевата система остава валиден за кратки периоди от време, а в астрономията милион години обикновено е кратък. Но нашият космически заден двор е разкрит като място, където светове са мигрирали от една орбита на друга. Да, има много дълги периоди на редовно поведение, но от време на време те се ограничават от изблици на дива дейност. Неизменните закони, породили представата за вселената на часовника, също могат да причинят резки промени и силно хаотично поведение.
Сценариите, които сега предвиждат астрономите, често са драматични. По време на формирането на Слънчевата система, например, цели светове се сблъскват с апокалиптични последици. Един ден, в далечното бъдеще, те вероятно ще направят това отново: има малък шанс или Меркурий, или Венера да бъдат обречени, но ние не знаем коя. Може и двете, и те да ни вземат със себе си. Един такъв сблъсък вероятно е довел до образуването на Луната. Това звучи като нещо извън научната фантастика и е ... но най-добрият вид, "твърда" научна фантастика, в който само фантастичното ново изобретение надхвърля познатата наука. Само дето тук няма фантастично изобретение, а просто неочаквано математическо откритие.
Математиката е информирала нашето разбиране за Космоса във всеки мащаб: произхода и движението на Луната, движенията и формата на планетите и техните спътници, тънкостите на астероидите, кометите и предметите от пояса на Койпер, и разкошния небесен танц на цялата слънчева система. Тя ни научи как взаимодействията с Юпитер могат да хвърлят астероиди към Марс, а оттам и към Земята; защо Сатурн не е сам в притежаването на пръстени; как са се образували пръстените му за начало и защо се държат така, както правят, с плитки, пулсации и странни въртящи се „спици“. Той ни показа как пръстените на планетата могат да изплюят луни, една по една.
Clockwork отстъпи място на фойерверките.
Извадка от „Изчисляване на Космоса: Как математиката разкрива Вселената“ от Иън Стюарт. Copyright © 2016. Достъпно от Basic Books, отпечатък на Perseus Books, LLC, дъщерно дружество на Hachette Book Group, Inc. Всички права са запазени.
