A „Kozmosz kiszámítása” című szakaszban Ian Stewart izgalmas útmutatást mutat be a kozmoszba, a Naprendszerünkből az egész univerzumba. A matematika babiloni integrációjával kezdve a csillagászat és a kozmológia tanulmányozásához Stewart nyomon követi a kozmosz megértésünk alakulását: Hogyan vezette Kepler bolygómozgás törvényei Newtonot a gravitációs elmélet megfogalmazásához. Hogyan, két évszázaddal később, a Mars mozgásának apró szabálytalanságai inspirálták Einsteint az relativitáselmélet általános elméletének kidolgozására. Hogy nyolcvan évvel ezelőtt a felfedezés, hogy az univerzum bővül, vezetett a Big Bang-elmélet kialakulásához. Hogy az egypontos eredet és kiterjedés miként vezette a kozmológusokat az univerzum új alkotóelemeinek, például az infláció, a sötét anyag és a sötét energia elméletének elméletébe. De az infláció magyarázza-e a mai világegyetem felépítését? Valójában létezik-e sötét anyag? Lehetséges-e úton egy tudományos forradalom, amely kihívást jelent a régóta tartott tudományos ortodoxia számára, és ismét megváltoztatja a világegyetemről szóló megértésünket? Az alábbiakban egy részlet a "Kozmosz kiszámítása: Hogyan fedezi fel a matematika az univerzumot" című kiadványból (Basic Books, 2016).
Az űrkutatás és -használat előrelépése nemcsak az okos technológiától függ, hanem egy hosszú tudományos felfedezés sorozatától is, amelyek legalább annyira nyúlnak vissza, mint az ősi Babilon három évezredevel ezelőtt. A matematika a fejlődés középpontjában áll. A mérnöki tevékenység természetesen szintén létfontosságú, és sok más tudományos tudományág felfedezésére is szükség volt, mielőtt elkészíthetjük a szükséges anyagokat és összeállíthatjuk azokat egy munkahelyi szondaba, de arra összpontosítom, hogy a matematika hogyan javította tudásunkat az univerzumról.
Az űrkutatás története és a matematika története a legkorábbi időktől fogva együtt járnak. A matematika elengedhetetlennek bizonyult a Nap, a Hold, a bolygók, csillagok és a kapcsolódó tárgyak hatalmas panopliájának megértésében, amelyek együttesen alkotják a kozmoszt - az univerzumot nagy léptékben tekintve. Évezredek óta a matematika volt a leghatékonyabb módszer a kozmikus események megértésére, rögzítésére és előrejelzésére. Bizonyos kultúrákban, például az ókori Indiában 500 körül, a matematika a csillagászat alágazata volt. Ezzel szemben a csillagászati jelenségek három évezreden keresztül befolyásolták a matematika fejlődését, mindent inspirálva a fogyatékosság babiloni előrejelzéseitől a kalkulusig, a káoszig és a téridő görbületéig.
A matematika fő csillagászati szerepe kezdetben a megfigyelések rögzítése és hasznos számítások elvégzése volt olyan jelenségekről, mint a napfogyatkozás, ahol a Hold ideiglenesen eltakarja a Napot, vagy a holdfogyatkozás, ahol a Föld árnyéka eltakarja a Holdot. A Naprendszer geometriájára gondolkodva a csillagászati úttörők rájöttek, hogy a Föld a Nap körül megy, annak ellenére, hogy innen fordítva fordul elő. Az ősök a megfigyeléseket a geometriával is kombinálták, hogy megbecsüljék a Föld méretét, valamint a Hold és a Nap távolságát.
A mélyebb csillagászati minták 1600 körül kezdtek megjelenni, amikor Johannes Kepler felfedezett három matematikai szabályszerűséget - „törvényeket” - a bolygók pályáin. 1679-ben Isaac Newton újraértelmezte Kepler törvényeit, hogy ambiciózus elméletet dolgozzon ki, amely nem csupán a Naprendszer bolygóinak mozgását, hanem a Bármi égi testek rendszere. Ez volt a gravitációs elmélete, a világváltozás egyik központi felfedezése Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (A természetes filozófia matematikai alapelvei). Newton gravitációs törvénye leírja, hogy az univerzumban minden egyes test vonzza minden más testet.
A gravitációnak a testmozgást érintő más matematikai törvényekkel való kombinálásával, melyeket Galileo egy évszázaddal korábban úttörőként szolgált, Newton számos égi jelenséget magyarázott és jósolt előre. Általánosabban megváltoztatta, hogyan gondolkodunk a természeti világról, olyan tudományos forradalmat hozva létre, amely még ma is hatalom előtt áll. Newton megmutatta, hogy a természeti jelenségeket (gyakran) matematikai minták szabályozzák, és ezek megértésével javíthatjuk a természet megértését. Newton korszakában a matematikai törvények magyarázták az égben zajló eseményeket, ám ezeknek csak a navigációtól eltérő jelentős gyakorlati felhasználásuk volt.
***
Mindez megváltozott a Szovjetunió idején Szputnyik A műhold 1957-ben ment az alacsony földi pályára, és lövöldözte az űrverseny induló fegyverét. Ha focit néz műholdas televízión - vagy operát, vagy vígjátékokat vagy tudományos dokumentumfilmeket -, akkor valódi előnyöket élvezhet Newton betekintéséből.
Kezdetben sikerei ahhoz vezettek, hogy a kozmoszt az óramű univerzumának tekintsék, amelyben minden fenségesen követi a teremtés hajnalán megtett ösvényeket. Például azt hitték, hogy a Naprendszert nagyjából jelenlegi állapotában hozták létre, ugyanazon bolygók mozogva ugyanazon a körkörös pályán. Igaz, hogy minden kicsit körbeugrott; a korszak csillagászati megfigyeléseiben elért haladás ezt világosan világossá tette. De széles körben elterjedt a vélemény, hogy semmi sem változott, nem változott meg, vagy drámai módon megváltozik számtalan örökkévalóság felett. Az európai vallásban elképzelhetetlen volt, hogy Isten tökéletes teremtése a múltban más is lehetett volna. A rendszeres, kiszámítható kozmosz mechanisztikus nézete háromszáz évig fennmaradt.
Már nem. A matematika olyan újításai, mint például a káoszelmélet, a mai nagy teljesítményű számítógépekkel párosulva, amelyek példátlan sebességgel képesek a megfelelő számok összetörésére, nagyban megváltoztatta a kozmoszról alkotott véleményünket. A Naprendszer óramű-modellje rövid ideig érvényben marad, és a csillagászatban egy millió év általában rövid. Kozmikus hátsó udvarunkat azonban most egy olyan helyként mutatják be, ahol a világok egy másik pályára vándoroltak és fognak vándorolni. Igen, nagyon hosszú időszakok vannak a rendszeres viselkedésben, de ezeket időről időre megszakítják a vad tevékenységek. Az óramutató-univerzum fogalmának alapjául szolgáló változatlan törvények hirtelen változásokat és rendkívül szokatlan viselkedést okozhatnak.
A forgatókönyvek, amelyeket a csillagászok most elképzelnek, gyakran drámai. A Naprendszer kialakulása során például az egész világ apokaliptikus következményekkel ütközött. Egy nap, a távoli jövőben, valószínűleg újra meg fogják tenni: kicsi az esélye, hogy akár a Merkúr, akár a Vénusz ítélkezzen, de nem tudjuk, melyik. Lehet, hogy mindkettő, és el tudnak vinni magukat. Az egyik ilyen ütközés valószínűleg a Hold kialakulásához vezetett. Úgy hangzik, mint valami a tudományos fantasztikából, és ez… de a legjobb fajta, „kemény” sci-fi, amelyben csak a fantasztikus új találmány túllép az ismert tudományon. Kivéve, hogy itt nincs fantasztikus találmány, csak egy váratlan matematikai felfedezés.
A matematika minden szinten tájékoztatta a kozmosz megértését: a Hold eredete és mozgása, a bolygók és társaik holdjainak mozgása és formája, az aszteroidák, üstökösök és Kuiper öv tárgyak bonyolultsága, valamint a a teljes Naprendszer. Megtanította nekünk, hogy a Jupiterrel való interakció hogyan képes az aszteroidákat a Mars felé repülni, és onnan a Földet átengedni; miért nem a Saturn egyedül rendelkezik gyűrűkkel; hogyan alakultak ki a gyűrűi, és miért viselkednek úgy, ahogy vannak, zsinórral, hullámokkal és furcsaan forgó „küllőkkel”. Megmutatta nekünk, hogy a bolygó gyűrűi miként tudnak egy-egy időben kibújni a holdakat.
Az óramű késztette utat a tűzijátékok számára.
Kivonat az Ian Stewart "A kozmosz kiszámítása: Hogyan fedezi fel a matematika az univerzumot" című részéből. Szerzői jog © 2016. A Basic Books-től, a Perseus Books, LLC, a Hachette Book Group, Inc. leányvállalatának lenyomata. Minden jog fenntartva.
