Ian Stewart esittelee "Laskeessa kosmosta" innostavan oppaan kosmokseen aurinkokuntamme kautta koko maailmankaikkeuden. Alkaen matematiikan babylonialaisesta integroinnista tähtitieteen ja kosmologian tutkimukseen, Stewart jäljittää ymmärryksemme kehitystä kosmosta: Kuinka Keplerin planeetan liikkeen lait saivat Newtonin muotoilemaan painovoiman teoriansa. Kuinka kaksi vuosisataa myöhemmin pienet epäsäännöllisyydet Marsin liikkeessä inspiroivat Einsteiniä suunnittelemaan suhteellisuusteoriaansa. Kuinka kahdeksankymmentä vuotta sitten havainto, että maailmankaikkeus laajenee, johti Big Bang -teorian kehittämiseen sen alkuperästä. Kuinka yhden pisteen alkuperä ja laajentuminen saivat kosmologit teoreettisiksi maailmankaikkeuden uusista komponenteista, kuten inflaatiosta, tummasta aineesta ja tummasta energiasta. Mutta selittääkö inflaatio nykypäivän maailmankaikkeuden rakenteen? Onko tumma aine todella olemassa? Voisiko tieteellinen vallankumous, joka haastaa pitkään pidetyn tieteellisen ortodoksian ja muuttaa jälleen ymmärrystämme maailmankaikkeudesta, olla matkalla? Alla on katkelma aiheesta "Kosmosen laskeminen: kuinka matematiikka paljastaa maailmankaikkeuden" (Basic Books, 2016).
Nämä avaruustutkimuksen ja -käytön edistysasiat eivät ole riippuvaisia vain älykkäästä tekniikasta, vaan myös pitkästä tieteellisten löytösarjojen joukosta, jotka ulottuvat ainakin muinaiseen Babyloniin kolme vuosituhatta sitten. Matematiikka on näiden edistysasioiden ydin. Suunnittelu on tietysti myös elintärkeää, ja löytöjä oli löydetty monilta muilta tieteenaloilta, ennen kuin voimme tehdä tarvittavat materiaalit ja koota ne työtilaanturiin, mutta keskityn siihen, kuinka matematiikka on parantanut tietämystämme maailmankaikkeudesta.
Avaruustutkimuksen tarina ja matematiikan tarina ovat kulkeneet käsi kädessä jo varhaisimmista ajoista. Matematiikka on osoittautunut välttämättömäksi ymmärtämään Aurinkoa, Kuua, planeettoja, tähtiä ja niihin liittyvien suurten kohteiden kokonaisuutta, jotka yhdessä muodostavat kosmoksen - maailmankaikkeuden, jota pidetään suuressa mittakaavassa. Tuhansien vuosien ajan matematiikka on ollut tehokkain tapa ymmärtää, tallentaa ja ennustaa kosmisia tapahtumia. Itse asiassa joissakin kulttuureissa, kuten muinaisessa Intiassa noin 500, matematiikka oli tähtitieteen alaosa. Päinvastoin, tähtitieteelliset ilmiöt ovat vaikuttaneet matematiikan kehitykseen yli kolmen vuosituhannen ajan, inspiroimalla kaiken Babylonian ennusteista pimennyksistä laskemiseen, kaaokseen ja avaruusajan kaarevuuteen.
Aluksi matematiikan tärkein tähtitieteellinen rooli oli havaintojen kirjaaminen ja hyödyllisten laskelmien tekeminen sellaisista ilmiöistä, kuten aurinkopimennysten kohdalla, missä Kuu väliaikaisesti hämärtää aurinkoa, tai kuunpimennyksissä, joissa maapallon varjo peittää kuun. Ajattelemalla aurinkokunnan geometriaa, tähtitieteelliset pioneerit ymmärsivät, että maa kiertää aurinkoa, vaikka se näyttää päinvastaisesti täältä. Muinaiset yhdistivät myös havainnot geometrian kanssa arvioidakseen maan koon ja etäisyydet kuuun ja aurinkoon.
Syvempi tähtitieteellinen rakenne alkoi syntyä noin vuonna 1600, kun Johannes Kepler löysi planeettojen kiertoradalla kolme matemaattista säännöllisyyttä - 'lait'. Vuonna 1679 Isaac Newton tulkitsi uudelleen Keplerin lakeja muotoillakseen kunnianhimoisen teorian, joka ei kuvaa vain aurinkokunnan planeettojen liikkumista, vaan myös minkä tahansa taivaankappaleiden järjestelmä. Tämä oli hänen painovoimansa teoria, yksi keskeisistä löytöistä hänen muuttuvassa maailmassa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Luonnofilosofian matemaattiset periaatteet). Newtonin painovoimalaki kuvaa, kuinka jokainen maailmankaikkeuden ruumis houkuttelee kaikkia muita kehoja.
Yhdistämällä painovoima muiden matemaattisten lakien kanssa, jotka koskevat ruumiiden liikettä, Galileon edelläkävijä vuosisataa aikaisemmin, Newton selitti ja ennusti lukuisia taivaallisia ilmiöitä. Yleisemmin hän muutti sitä, miten ajattelemme luonnon maailmaa, luomalla tieteellisen vallankumouksen, joka on edelleen valta edessä. Newton osoitti, että luonnonilmiöitä ohjaavat (usein) matemaattiset mallit, ja ymmärtämällä näitä malleja voimme parantaa ymmärrystämme luonnosta. Newtonin aikakaudella matemaattiset lait selittivät taivaassa tapahtuvaa, mutta niillä ei ollut merkittäviä käytännön käyttötarkoituksia, paitsi navigointiin.
***
Kaikki muuttui, kun Neuvostoliitto Sputnik satelliitti meni matalaan maapallon kiertoradalle vuonna 1957 ampumalla lähtöpisteen avaruuskilpailuun. Jos katsot jalkapalloa satelliittitelevisiossa - tai oopperaa, komediaa tai tieteellisiä dokumentteja - saat Newtonin oivalluksista todellista hyötyä.
Alun perin hänen menestyksensä johtivat näkemykseen kosmosta kellotyyppisenä universumina, jossa kaikki majesteettisesti noudattaa luomisen kynnyksellä laskettuja polkuja. Esimerkiksi uskottiin, että aurinkokunta luotiin melkein nykyisessä tilassaan samojen planeettojen liikkuessa samoja lähellä ympyränmuotoisia kiertoratoja. Tosin kaikki jiggled vähän ympäri; ajanjakson edistyminen tähtitieteellisissä havainnoissa oli tehnyt siitä selvästi. Mutta oli laajalle levinnyt usko, että mikään ei ollut muuttunut, muuttunut tai muuttuvan dramaattisesti lukemattomien eoneiden yli. Eurooppalaisessa uskonnossa ei ollut kuviteltavaa, että Jumalan täydellinen luominen olisi voinut olla erilainen aiemmin. Mekaaninen näkymä säännöllisestä, ennustettavasta kosmosta pysyi kolmesataa vuotta.
Ei enää. Viimeaikaiset matemaattiset innovaatiot, kuten kaaostoteoria, yhdistettynä nykypäivän voimakkaisiin tietokoneisiin, jotka pystyvät puristamaan merkitykselliset numerot ennennäkemättömällä nopeudella, ovat muuttaneet suuresti näkemyksiämme kosmosta. Aurinkokunnan kellomalli pysyy voimassa lyhyen ajanjakson ajan, ja tähtitieteessä miljoona vuotta on yleensä lyhyt. Mutta kosminen takapihamme on nyt paljastettu paikkana, jossa maailmat muuttivat ja tulevat muuttamaan yhdeltä kiertoradalta toiselle. Kyllä, säännöllisestä käytöksestä on erittäin pitkiä aikoja, mutta ajoittain ne keskeytetään villin toiminnan purskeilla. Muutokset, jotka saivat aikaan ajankäytön universumin käsityksen, voivat myös aiheuttaa äkillisiä muutoksia ja erittäin epämääräistä käyttäytymistä.
Tähtitieteilijöiden nyt suunnittelemat skenaariot ovat usein dramaattisia. Esimerkiksi aurinkokunnan muodostumisen aikana kokonaiset maailmat törmäsivät apokalyptisiin seurauksiin. Eräänä päivänä kaukaisessa tulevaisuudessa he todennäköisesti tekevät niin taas: on pieni mahdollisuus, että joko elohopea tai Venus on tuomittu, mutta emme tiedä kumpi. Se voi olla molemmat, ja he voivat ottaa meidät mukaan. Yksi tällainen törmäys johti todennäköisesti Kuun muodostumiseen. Se kuulostaa siltä, että se olisi jotain tieteiskirjallisuudesta, ja se on… mutta paras tyyppi, ”kova” tieteiskirjallisuus, jossa vain fantastinen uusi keksintö ylittää tunnetun tieteen. Paitsi, että tässä ei ole fantastista keksintöä, vaan odottamaton matemaattinen löytö.
Matematiikka on antanut ymmärryksemme kosmosta kaikilla mittakaavoilla: Kuun alkuperä ja liike, planeettojen ja heidän seuraavien kuidensa liikkeet ja muoto, asteroidien, komeetojen ja Kuiperin vyökohteiden hienostuneisuus sekä mielenkiintoinen taivaallinen tanssi koko aurinkokunnan. Se on opettanut meille, kuinka vuorovaikutus Jupiterin kanssa voi heittää asteroideja kohti Marsia ja sieltä maata; miksi Saturnus ei ole yksin hallussaan renkaat; miten sen renkaat muodostuivat aluksi ja miksi ne käyttäytyvät kuten tekevät punoksilla, aallotuksilla ja omituisilla pyörivillä "pinnoilla". Se on osoittanut meille, kuinka planeetan renkaat voivat sylkeä kuut yksi kerrallaan.
Kellotyö on antanut ilotulitteille.
Ote Ian Stewartin julkaisusta "Cosmosin laskeminen: kuinka matematiikka paljastaa maailmankaikkeuden". Copyright © 2016. Saatavana Basic Books -yrityksestä, jäljennös Perseus Books, LLC: stä, Hachette Book Group, Inc: n tytäryhtiö. Kaikki oikeudet pidätetään.
