В «Расчетах космоса» Ян Стюарт представляет волнующее руководство по космосу, от нашей солнечной системы до всей вселенной. Начиная с вавилонской интеграции математики в изучение астрономии и космологии, Стюарт прослеживает эволюцию нашего понимания космоса: как законы движения планет Кеплера побудили Ньютона сформулировать свою теорию гравитации. Как два столетия спустя крошечные нарушения в движении Марса вдохновили Эйнштейна на разработку его общей теории относительности. Как восемьдесят лет назад открытие, что вселенная расширялась, привело к развитию теории Большого взрыва о ее происхождении. Как единый источник и расширение привели космологов к теоретизированию новых компонентов вселенной, таких как инфляция, темная материя и темная энергия. Но объясняет ли инфляция структуру современной вселенной? Существует ли темная материя на самом деле? Может ли быть на пути научная революция, которая бросит вызов давней научной ортодоксальности и вновь трансформирует наше понимание вселенной? Ниже приведен отрывок из «Вычисления космоса: как математика раскрывает вселенную» (Basic Books, 2016).
Эти успехи в освоении и использовании космического пространства зависят не только от умных технологий, но и от длительной серии научных открытий, которые восходят как минимум к древнему Вавилону три тысячи лет назад. Математика лежит в основе этих достижений. Инженерия, конечно, тоже жизненно важна, и открытия во многих других научных дисциплинах были необходимы, прежде чем мы смогли изготовить необходимые материалы и собрать их в зонд рабочего пространства, но я сосредоточусь на том, как математика улучшила наши знания о вселенной.
История освоения космоса и математика неразрывно связаны с древними временами. Математика оказалась необходимой для понимания Солнца, Луны, планет, звезд и огромного множества связанных объектов, которые вместе образуют космос - вселенную, которая рассматривается в большом масштабе. На протяжении тысячелетий математика была нашим наиболее эффективным методом понимания, регистрации и предсказания космических событий. Действительно, в некоторых культурах, таких как древняя Индия около 500 лет, математика была подразделением астрономии. И наоборот, астрономические явления оказывали влияние на развитие математики на протяжении более трех тысячелетий, вдохновляя все от вавилонских предсказаний затмений до исчисления, хаоса и искривления пространства-времени.
Первоначально основная астрономическая роль математики заключалась в том, чтобы записывать наблюдения и выполнять полезные вычисления о явлениях, таких как солнечные затмения, когда Луна временно затеняет Солнце, или лунные затмения, когда тень Земли затмевает Луну. Размышляя о геометрии Солнечной системы, астрономы-пионеры поняли, что Земля вращается вокруг Солнца, хотя она выглядит здесь наоборот. Древние также объединили наблюдения с геометрией, чтобы оценить размеры Земли и расстояния до Луны и Солнца.
Более глубокие астрономические закономерности начали появляться около 1600 года, когда Иоганн Кеплер обнаружил три математические закономерности - «законы» - на орбитах планет. В 1679 году Исаак Ньютон переосмыслил законы Кеплера, чтобы сформулировать амбициозную теорию, описывающую не только движение планет Солнечной системы, но и движение любой система небесных тел. Это была его теория гравитации, одно из центральных открытий в его изменяющем мир Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Математические основы естественной философии). Закон тяготения Ньютона описывает, как каждое тело во вселенной притягивает любое другое тело.
Комбинируя гравитацию с другими математическими законами о движении тел, впервые предложенными Галилеем столетием ранее, Ньютон объяснил и предсказал многочисленные небесные явления. В более общем плане он изменил наше представление о мире природы, создав научную революцию, которая еще впереди. Ньютон показал, что природные явления (часто) регулируются математическими закономерностями, и, понимая эти закономерности, мы можем улучшить наше понимание природы. В эпоху Ньютона математические законы объясняли, что происходит на небесах, но они не имели значительного практического применения, кроме как для навигации.
***
Все это изменилось, когда в СССР Спутник спутник вышел на низкую околоземную орбиту в 1957 году, выпустив стартовую пушку для космической гонки. Если вы смотрите футбол по спутниковому телевидению - или оперу, или комедии, или документальные фильмы о науке - вы пожинаете реальную выгоду от идей Ньютона.
Первоначально его успехи привели к тому, что космос стал часовым механизмом вселенной, в которой все величественно следует путям, проложенным на заре творения. Например, считалось, что Солнечная система была создана в своем нынешнем состоянии, с теми же планетами, движущимися по одним и тем же почти круговым орбитам. По общему признанию, все немного вертелось; достижения периода в астрономических наблюдениях сделали это совершенно очевидным. Но было широко распространено убеждение, что ничто не изменилось, не изменилось или изменится каким-либо драматическим образом за бесчисленные эоны. В европейской религии было немыслимо, что совершенное творение Бога могло быть другим в прошлом. Механистический взгляд на регулярный, предсказуемый космос сохранялся в течение трехсот лет.
Больше никогда. Недавние инновации в математике, такие как теория хаоса, в сочетании с современными мощными компьютерами, способными сокращать соответствующие числа с беспрецедентной скоростью, значительно изменили наши взгляды на космос. Часовая модель Солнечной системы остается действительной в течение коротких периодов времени, а в астрономии миллион лет обычно короток. Но наш космический задний двор теперь раскрывается как место, где миры перемещались и будут мигрировать с одной орбиты на другую. Да, существуют очень длительные периоды регулярного поведения, но время от времени они перемежаются вспышками дикой активности. Неизменные законы, которые породили понятие часовой механизм вселенной, также могут вызывать внезапные изменения и крайне неустойчивое поведение.
Сценарии, которые сейчас предусматривают астрономы, часто бывают драматичными. Например, во время формирования солнечной системы целые миры столкнулись с апокалиптическими последствиями. Однажды, в далеком будущем, они, вероятно, сделают это снова: есть небольшой шанс, что Меркурий или Венера обречены, но мы не знаем, какие именно. Это могут быть оба, и они могут взять нас с собой. Одно из таких столкновений, вероятно, привело к образованию Луны. Это звучит как что-то из научной фантастики, и это ... но лучший вид "жесткой" научной фантастики, в которой только фантастическое новое изобретение выходит за рамки известной науки. За исключением того, что здесь нет фантастического изобретения, просто неожиданное математическое открытие.
Математика определила наше понимание космоса во всех масштабах: происхождение и движение Луны, движения и форма планет и спутников-спутников, сложность астероидов, комет и объектов пояса Койпера, а также тяжелый небесный танец вся солнечная система. Он научил нас тому, как взаимодействие с Юпитером может перебрасывать астероиды к Марсу и оттуда к Земле; почему Сатурн не одинок в обладании кольцами; как формировались его кольца и почему они ведут себя так, как делают, с косами, рябью и странными вращающимися «спицами». Он показал нам, как кольца планеты могут выплевывать луны, по одному за раз.
Часовой механизм уступил место фейерверку.
Выдержка из «Вычисления космоса: как математика раскрывает вселенную» Иана Стюарта. Copyright © 2016. Доступно в Basic Books, отпечаток Perseus Books, LLC, дочерней компании Hachette Book Group, Inc. Все права защищены.
