I "Beregne kosmos" presenterer Ian Stewart en spennende guide til kosmos, fra solsystemet vårt til hele universet. Fra begynnelsen av den babyloniske integreringen av matematikk i studiet av astronomi og kosmologi, sporer Stewart utviklingen av vår forståelse av kosmos: Hvordan Keplers lover om planetarisk bevegelse førte til at Newton formulerte sin teori om tyngdekraften. Hvordan to århundrer senere, små ujevnheter i bevegelsen av Mars inspirerte Einstein til å utforme sin generelle relativitetsteori. For hvordan åtti år siden oppdagelsen av at universet ekspanderer førte til utviklingen av Big Bang-teorien om dens opprinnelse. Hvordan opprinnelse og utvidelse av ett punkt førte til at kosmologer teoretiserte nye komponenter i universet, for eksempel inflasjon, mørk materie og mørk energi. Men forklarer inflasjonen strukturen i dagens univers? Eksisterer faktisk mørk materie? Kan en vitenskapelig revolusjon som vil utfordre den langvarige vitenskapelige ortodoksen og nok en gang transformere vår forståelse av universet være på vei? Nedenfor er et utdrag fra "Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe" (Basic Books, 2016).
Disse fremskrittene innen romutforskning og bruk avhenger ikke bare av smart teknologi, men også av en lang rekke vitenskapelige funn som går minst like langt som det gamle Babylon for tre årtusener siden. Matematikk ligger kjernen i disse fremskrittene. Ingeniørfag er selvfølgelig også viktig, og det var behov for funn i mange andre vitenskapelige fagområder før vi kunne lage nødvendige materialer og sette dem sammen til en arbeidsromsonde, men jeg skal konsentrere meg om hvordan matematikk har forbedret kunnskapen vår om universet.
Historien om romutforskning og historien om matematikk har gått hånd i hånd fra de tidligste tider. Matematikk har vist seg essensielt for å forstå solen, månen, planeter, stjerner og det enorme utvalget av tilknyttede objekter som til sammen danner kosmos - universet som regnes i stor skala. I tusenvis av år har matematikk vært vår mest effektive metode for å forstå, registrere og forutsi kosmiske hendelser. I noen kulturer, som det gamle India rundt 500, var matematikk faktisk en undergren av astronomien. Omvendt har astronomiske fenomener påvirket utviklingen av matematikk i over tre årtusener, og inspirert alt fra babylonske forutsigelser om formørkelser til kalkulatur, kaos og romtidens krumning.
Opprinnelig var matematikkens viktigste astronomiske rolle å registrere observasjoner og utføre nyttige beregninger om fenomener som solformørkelser, der månen midlertidig skjuver sola, eller måneformørkelser, der jordens skygge skjuver månen. Ved å tenke på solsystemets geometri, innså astronomiske pionerer at jorden går rundt sola, selv om den ser omvendt nedenfra. De eldgamle kombinerte også observasjoner med geometri for å estimere jordens størrelse og avstandene til Månen og Solen.
Dypere astronomiske mønstre begynte å dukke opp rundt 1600, da Johannes Kepler oppdaget tre matematiske regelmessigheter - 'lover' - i banene i planetene. I 1679 tolket Isaac Newton Keplers lover for å formulere en ambisiøs teori som beskrev ikke bare hvordan planetene i solsystemet beveger seg, men bevegelsen til noen system av himmellegemer. Dette var tyngdekraften hans, en av de sentrale oppdagelsene i hans verdensforandring Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematiske prinsipper for naturfilosofi). Newtons tyngdelov beskriver hvordan hver kropp i universet tiltrekker seg hver annen kropp.
Ved å kombinere tyngdekraften med andre matematiske lover om kroppens bevegelse, banebryt av Galileo et århundre tidligere, forklarte og forutså Newton en rekke himmelske fenomener. Mer generelt endret han hvordan vi tenker på den naturlige verden, og skapte en vitenskapelig revolusjon som fremdeles er i kraft fremover i dag. Newton viste at naturfenomener (ofte) styres av matematiske mønstre, og ved å forstå disse mønstrene kan vi forbedre vår forståelse av naturen. I Newtons tid forklarte de matematiske lovene hva som skjedde i himmelen, men de hadde ingen vesentlig praktisk bruk, annet enn for navigering.
***
Alt det endret seg når USSR Sputnik satellitt gikk inn i bane på lav jord i 1957, og avfyrte startpistolen for romløpet. Hvis du ser på fotball på satellitt-TV - eller opera eller komedier eller vitenskapelige dokumentarer - høster du en virkelig fordel av Newtons innsikt.
Opprinnelig førte suksessene hans til et syn på kosmos som et urverkunivers, der alt majestetisk følger stier lagt ned ved skapelsens morgen. For eksempel ble det antatt at solsystemet ble opprettet i ganske mye sin nåværende tilstand, med de samme planetene som beveget seg langs de samme nesten sirkulære banene. Riktignok fniste alt litt rundt; periodens framskritt i astronomiske observasjoner hadde gjort det ganske tydelig. Men det var en utbredt tro på at ingenting hadde endret seg, endret eller ville forandret seg på noen dramatisk måte over utallige eoner. I europeisk religion var det utenkelig at Guds perfekte skapelse kunne ha vært annerledes i fortiden. Det mekanistiske synet på et vanlig, forutsigbart kosmos vedvarte i tre hundre år.
Ikke lenger. Nyere innovasjoner i matematikk, som kaosteori, koblet til dagens kraftige datamaskiner, og som kan knuse de relevante tallene med enestående hastighet, har forandret synet vårt på kosmos sterkt. Urverket modell av solsystemet forblir gyldig over korte perioder, og i astronomi er en million år vanligvis kort. Men vår kosmiske bakgård er nå avslørt som et sted der verdener gjorde, og vilje, migrere fra en bane til en annen. Ja, det er veldig lange perioder med regelmessig oppførsel, men fra tid til annen blir de punktert av utbrudd av vill aktivitet. De uforanderlige lovene som ga opphav til forestillingen om et urverkunivers kan også forårsake plutselige forandringer og svært uberegnelig oppførsel.
Scenarioene som astronomer nå ser for seg er ofte dramatiske. Under dannelsen av solsystemet, for eksempel, kolliderte hele verdener med apokalyptiske konsekvenser. En dag, i en fjern fremtid, vil de sannsynligvis gjøre det igjen: det er en liten sjanse for at enten Merkur eller Venus er dømt, men vi vet ikke hvilken. Det kan være begge deler, og de kan ta oss med seg. En slik kollisjon førte sannsynligvis til dannelsen av Månen. Det høres ut som noe ut av science fiction, og det er ... men den beste typen 'harde' science fiction der bare den fantastiske nye oppfinnelsen går utover kjent vitenskap. Bortsett fra at her er det ingen fantastisk oppfinnelse, bare en uventet matematisk oppdagelse.
Matematikk har informert vår forståelse av kosmos i alle målestokker: opprinnelsen og bevegelsen til månen, bevegelsene og formen til planetene og deres ledsager-måner, intrikatene til asteroider, kometer og Kuiper-belteobjekter og den vidunderlige himmeldansen til hele solsystemet. Det har lært oss hvordan interaksjoner med Jupiter kan kaste asteroider mot Mars, og derfra jorden; hvorfor Saturn ikke er alene om å eie ringer; hvordan ringene ble dannet til å begynne med og hvorfor de oppfører seg som de gjør, med fletter, krusninger og rare roterende eiker. Det har vist oss hvordan en planetens ringer kan spytte ut måner, om gangen.
Urverk har gitt vei for fyrverkeri.
Utdrag fra "Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe" av Ian Stewart. Copyright © 2016. Tilgjengelig fra Basic Books, et avtrykk av Perseus Books, LLC, et datterselskap av Hachette Book Group, Inc. Alle rettigheter forbeholdt.
