U "Izračunu kozmosa", Ian Stewart predstavlja uzbudljiv vodič za kozmos, od našeg Sunčevog sustava do čitavog svemira. Počevši s babilonskom integracijom matematike u proučavanje astronomije i kozmologije, Stewart prati evoluciju našeg razumijevanja kozmosa: kako su Keplerovi zakoni planetarnog pokreta doveli Newtona do formuliranja njegove teorije gravitacije. Kako su dva stoljeća kasnije, sitne nepravilnosti u kretanju Marsa nadahnule Einsteina da osmisli njegovu opću teoriju relativnosti. Kako je prije osamdeset godina otkriće da se svemir širi dovelo do razvoja teorije Velikog praska o njegovom podrijetlu. Kako su podrijetlo i širenje u jednoj točki naveli kozmologe na teoretiziranje novih komponenti svemira, poput inflacije, tamne materije i tamne energije. Ali objašnjava li inflacija strukturu današnjeg svemira? Postoji li tamna tvar? Može li znanstvena revolucija koja će izazvati dugotrajnu znanstvenu ortodoksiju i još jednom transformirati naše razumijevanje svemira biti na putu? Ispod je izvadak iz "Izračunavanje kosmosa: Kako matematika otkriva svemir" (Basic Books, 2016).
Ti pomaci u istraživanju i korištenju svemira ovise ne samo o pametnoj tehnologiji, već i o dugotrajnom nizu znanstvenih otkrića koja sežu barem još do drevnog Babilona prije tri tisućljeća. Matematika je u središtu ovih napretka. Inženjering je naravno također važan, a potrebna su i otkrića u mnogim drugim znanstvenim disciplinama prije nego što smo uspjeli napraviti potrebne materijale i sastaviti ih u sondu za radni prostor, ali usredotočit ću se na to kako je matematika poboljšala naše znanje o svemiru.
Priča o istraživanju svemira i priča o matematici išla su ruku pod ruku od najranijih vremena. Matematika se pokazala ključnom za razumijevanje Sunca, Mjeseca, planeta, zvijezda i ogromnog spektra povezanih objekata koji zajedno tvore kosmos - svemir koji se razmatra sjajno. Već tisućama godina matematika je bila naša najučinkovitija metoda razumijevanja, bilježenja i predviđanja kozmičkih događaja. Doista, u nekim kulturama, poput drevne Indije oko 500, matematika je bila podružnica astronomije. Suprotno tome, astronomski fenomeni utjecali su na razvoj matematike više od tri tisućljeća, nadahnjujući sve, od babilonskih predviđanja pomračenja, računanja, kaosa i zakrivljenosti svemirskog vremena.
U početku je glavna astronomska uloga matematike bila bilježiti promatranja i obavljati korisne proračune o pojavama poput sunčevih pomračenja, pri čemu Mjesec privremeno zatamnjuje Sunce ili Mjesečeve pomračenja, gdje Zemljina sjena zatamnjuje Mjesec. Razmišljajući o geometriji Sunčevog sustava, astronomski pioniri shvatili su da Zemlja kruži oko Sunca, iako odozdo izgleda obrnuto. Drevni su također kombinirali promatranja s geometrijom kako bi procijenili veličinu Zemlje i udaljenosti do Mjeseca i Sunca.
Dublji astronomski obrasci počeli su se pojavljivati oko 1600., kad je Johannes Kepler otkrio tri matematičke zakonitosti - "zakone" - u orbiti planeta. 1679. Isaac Newton reinterpretirao je Keplerove zakone kako bi formulirao ambicioznu teoriju koja je opisivala ne samo kako se planete Sunčevog sustava kreću, već i kretanje bilo koji sustav nebeskih tijela. Ovo je bila njegova teorija gravitacije, jedno od središnjih otkrića njegove promjene svijeta Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematički principi prirodne filozofije). Newtonov zakon gravitacije opisuje kako svako tijelo u svemiru privlači svako drugo tijelo.
Kombinirajući gravitaciju s drugim matematičkim zakonima o gibanju tijela, što ih je stoljeće ranije pokrenuo Galileo, Newton je objasnio i predvidio brojne nebeske pojave. Općenitije, promijenio je način na koji razmišljamo o prirodnom svijetu, stvorivši znanstvenu revoluciju koja i danas napreduje. Newton je pokazao da prirodne pojave (često) upravljaju matematičkim obrascima, a razumijevanjem tih obrazaca možemo poboljšati naše razumijevanje prirode. U Newtonovo doba matematički su zakoni objašnjavali što se događa na nebesima, ali nisu imali značajnije praktične uporabe, osim za plovidbu.
***
Sve se to promijenilo kad je bilo SSSR-a Sputnjik satelit je ušao u nisku zemaljsku orbitu 1957. godine, ispalivši startni pištolj za svemirsku utrku. Ako gledate nogomet na satelitskoj televiziji - ili opere, komedije ili znanstveni dokumentarci - uživate u stvarnom svijetu od Newtonovih uvida.
U početku su njegovi uspjesi doveli do pogleda na kosmos kao svemir sa satom u kojem sve veličanstveno slijedi staze utvrđene u zoru stvaranja. Na primjer, vjerovalo se da je sunčev sustav stvoren u gotovo svom trenutnom stanju, pri čemu se isti planeti kreću istom istom kružnom orbitrom. Doduše, sve se malo vrtilo; Napredak razdoblja u astronomskim promatranjima to je učinio obilno jasnim. Ali rasprostranjeno je vjerovanje da se ništa nije promijenilo, promijenilo ili da će se promijeniti na bilo koji dramatičan način tijekom nebrojenih eona. U europskoj religiji bilo je nezamislivo kako je Božje savršeno stvaranje u prošlosti moglo biti drugačije. Mehaničistički pogled na pravilan, predvidljivi kosmos postojao je tri stotine godina.
Više ne. Nedavne inovacije u matematici, kao što je teorija haosa, spojena s današnjim moćnim računalima, sposobnim krcatiti relevantne brojeve neviđenom brzinom, uvelike su promijenile naše poglede na kosmos. Model satnog sustava Sunčevog sustava ostaje validan u kratkim vremenskim razdobljima, a u astronomiji je milijun godina obično kratak. Ali naše se kozmičko dvorište sada otkriva kao mjesto na kojem su svjetovi prelazili i htjeli migrirati s jedne orbite na drugu. Da, postoje vrlo duga razdoblja redovitog ponašanja, ali s vremena na vrijeme oni su naglašeni burnim aktivnostima. Nepromjenjivi zakoni koji su potaknuli pojam univerzuma sa satom također mogu uzrokovati nagle promjene i vrlo nepromišljeno ponašanje.
Scenariji koje astronomi sada predviđaju često su dramatični. Na primjer, tijekom formiranja Sunčevog sustava, sudarili su se čitavi svjetovi s apokaliptičkim posljedicama. Jednog dana, u dalekoj budućnosti, to će vjerojatno učiniti opet: male su šanse da su Merkur ili Venera osuđeni, ali ne znamo koji. Moglo bi biti i jedno i drugo, a mogli bi nas povesti i sa sobom. Jedan takav sudar vjerojatno je doveo do stvaranja Mjeseca. Zvuči kao nešto izvan znanstvene fantastike, a to je ... ali najbolja vrsta, 'tvrda' znanstvena fantastika u kojoj samo fantastični novi izum nadilazi poznatu znanost. Osim što ovdje ne postoji fantastičan izum, samo neočekivano matematičko otkriće.
Matematika je izvijestila o našem razumijevanju kosmosa na svim mjerilima: podrijetlo i kretanje Mjeseca, kretanja i oblik planeta i njihovih pratilaca, zamršenosti asteroida, kometa i Kuiperovih pojaseva, te zapanjujući nebeski ples cijeli Sunčev sustav. Naučila nas je kako interakcije s Jupiterom mogu odletjeti asteroide prema Marsu, a odatle i prema Zemlji; zašto Saturn nije sam u posjedovanju prstenova; kako su nastali prstenovi za početak i zašto se ponašaju kako rade, s pletenicama, talasima i čudnim rotirajućim "žbicama". Pokazao nam je kako planeti prstenovi mogu ispirati mjesece, jednu po jednu.
Satovi su ustupili mjesto vatrometu.
Izdvojeno iz "Izračunavanja kosmosa: Kako matematika otkriva svemir" Iana Stewarta. Copyright © 2016. Dostupno od Basic Books, otisak tvrtke Perseus Books, LLC, podružnice Hachette Book Group, Inc. Sva prava zadržana.
