I "Beräkna kosmos" presenterar Ian Stewart en spännande guide till kosmos, från vårt solsystem till hela universum. Från och med den babyloniska integrationen av matematik i studiet av astronomi och kosmologi, spårar Stewart utvecklingen av vår förståelse av kosmos: Hur Keplers lagar om planetrörelse fick Newton att formulera sin teori om tyngdkraft. Hur, två århundraden senare, små ojämnheter i Mars rörelse inspirerade Einstein att utforma sin allmänna relativitetsteori. Hur för åttio år sedan upptäckten att universum expanderar ledde till utvecklingen av Big Bang-teorin om dess ursprung. Hur enpunktsersprung och utvidgning ledde kosmologer till att teoretisera nya komponenter i universum, såsom inflation, mörk materia och mörk energi. Men förklarar inflationen dagens universums struktur? Finns det faktiskt mörk materia? Kan en vetenskaplig revolution som utmanar den länge hållna vetenskapliga ortodoxin och återigen förändra vår förståelse av universum vara på väg? Nedan är ett utdrag från "Beräkna kosmos: Hur matematik avslöjar universum" (Basic Books, 2016).
Dessa framsteg när det gäller utforskning och användning av rymden beror inte bara på smart teknik, utan också på en lång serie vetenskapliga upptäckter som går tillbaka åtminstone så långt som det gamla Babylon för tre årtusenden sedan. Matematik ligger i hjärtat av dessa framsteg. Ingenjör är naturligtvis avgörande, och upptäckter inom många andra vetenskapliga discipliner behövdes innan vi kunde skapa nödvändiga material och samla dem i en arbetsutrymmesond, men jag ska koncentrera mig på hur matematik har förbättrat vår kunskap om universum.
Historien om rymdutforskning och historien om matematik har gått hand i hand från de tidigaste tiderna. Matematik har visat sig vara avgörande för att förstå solen, månen, planeterna, stjärnorna och det stora panopiet av tillhörande föremål som tillsammans bildar kosmos - universumet som anses i stor skala. Under tusentals år har matematik varit vår mest effektiva metod att förstå, spela in och förutsäga kosmiska händelser. I vissa kulturer, till exempel det antika Indien runt 500, var matematiken en undergren av astronomin. Omvänt har astronomiska fenomen påverkat matematikens utveckling i över tre årtusenden och inspirerat allt från babyloniska förutsägelser om förmörkelser till kalkyl, kaos och rymdtidens krökning.
Ursprungligen var matematikens huvudsakliga astronomiska roll att registrera observationer och utföra användbara beräkningar om fenomen som solförmörkelser, där månen tillfälligt döljer solen, eller månförmörkelserna, där jordens skugga döljer månen. Genom att tänka på solsystemets geometri insåg astronomiska pionjärer att jorden går runt solen, även om den ser tvärtom ner härifrån. De gamla kombinerade också observationer med geometri för att uppskatta jordens storlek och avståndet till månen och solen.
Djupare astronomiska mönster började dyka upp omkring 1600, när Johannes Kepler upptäckte tre matematiska regelbundenheter - "lagar" - i planets omloppsbana. År 1679 tolkade Isaac Newton Keplers lagar för att formulera en ambitiös teori som inte bara beskrev hur solsystemets planeter rör sig, utan rörelsen av några system av himmelkroppar. Detta var hans tyngdkraftteori, en av de centrala upptäckterna i hans världsförändring Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematiska principer för naturfilosofi). Newtons tyngdlag beskriver hur varje kropp i universum lockar varannan kropp.
Genom att kombinera tyngdkraften med andra matematiska lagar om kroppens rörelse, som var banbrytande av Galileo ett sekel tidigare, förklarade och förutsåg Newton många himmelsfenomen. Mer generellt ändrade han hur vi tänker på den naturliga världen och skapade en vetenskaplig revolution som fortfarande driver framåt idag. Newton visade att naturfenomen (ofta) styrs av matematiska mönster, och genom att förstå dessa mönster kan vi förbättra vår förståelse av naturen. I Newtons era förklarade de matematiska lagarna vad som hände i himlen, men de hade inga betydande praktiska användningsområden än för navigering.
***
Allt som förändrades när USSR: s Sputnik satellit gick in på låg jordbana 1957 och avfyrde startpistolen för rymdloppet. Om du tittar på fotboll på satellit-tv - eller opera eller komedier eller vetenskapliga dokumentärer - skördar du en verklig nytta av Newtons insikter.
Ursprungligen ledde hans framgångar till en bild av kosmos som ett urverkunivers, där allt majestätiskt följer vägar som lagts ner vid skapelsens gryning. Till exempel trodde man att solsystemet skapades i stort sett sitt nuvarande tillstånd, med samma planeter som rör sig längs samma nära cirkulära banor. Det är riktigt, att allt fnissade runt; periodens framsteg inom astronomiska observationer hade gjort det rikligt klart. Men det fanns en utbredd tro att ingenting hade förändrats, förändrats eller skulle förändras på något dramatiskt sätt över otaliga eoner. I europeisk religion var det otänkbart att Guds perfekta skapelse kunde ha varit annorlunda tidigare. Den mekanistiska synen på ett regelbundet, förutsägbart kosmos varade i tre hundra år.
Inte längre. Nya innovationer inom matematik, såsom kaosteori, kopplade till dagens kraftfulla datorer, som kan knäcka relevanta nummer med enastående hastighet, har förändrat våra syn på kosmos väsentligt. Solsystemets urverksmodell förblir giltig under korta tidsperioder, och i astronomi är en miljon år vanligtvis kort. Men vår kosmiska trädgård avslöjas nu som en plats där världar gjorde och kommer att migrera från en bana till en annan. Ja, det finns väldigt långa perioder med regelbundet beteende, men från tid till annan prickas de av spräng av vild aktivitet. De oföränderliga lagarna som gav upphov till uppfattningen om ett urverkunivers kan också orsaka plötsliga förändringar och mycket oberäknat beteende.
De scenarier som astronomer nu ser för sig är ofta dramatiska. Under bildandet av solsystemet kolliderade till exempel hela världar med apokalyptiska konsekvenser. En dag, i en avlägsen framtid, kommer de förmodligen att göra det igen: det finns en liten chans att antingen Merkurius eller Venus är dömd, men vi vet inte vilken. Det kan vara båda, och de kan ta oss med dem. En sådan kollision ledde förmodligen till bildandet av månen. Det låter som något av science fiction, och det är ... men den bästa typen, "hård" science fiction där bara den fantastiska nya uppfinningen går utöver känd science. Förutom att det här inte finns någon fantastisk uppfinning, bara en oväntad matematisk upptäckt.
Matematik har informerat vår förståelse av kosmos i alla skalor: Månens ursprung och rörelse, rörelserna och formen på planeterna och deras följeslagare, de asteroidernas, komplikationer och Kuiper-bälteobjekt och den underbara himmeldansen från hela solsystemet. Det har lärt oss hur interaktioner med Jupiter kan slänga asteroider mot Mars och därifrån jorden; varför Saturnus inte är ensam om att ha ringar; hur dess ringar bildades till att börja med och varför de uppför sig som de gör, med flätor, krusningar och konstiga roterande "ekrar". Det har visat oss hur en planets ringar kan skära ut månar, en i taget.
Urverk har gett plats för fyrverkerier.
Utdrag ur "Beräkning av kosmos: Hur matematik avslöjar universum" av Ian Stewart. Copyright © 2016. Tillgängligt från Basic Books, ett avtryck av Perseus Books, LLC, ett dotterbolag till Hachette Book Group, Inc. Alla rättigheter reserverade.
