Sadaļā “Kosmosa aprēķināšana” Ians Stjuarts piedāvā uzmundrinošu ceļvedi kosmosam, sākot no mūsu Saules sistēmas līdz visumam. Sākot ar matemātikas Babilonijas integrāciju astronomijas un kosmoloģijas izpētē, Stjuarts izseko mūsu kosmosa izpratnes evolūcijai: Kā Keplera planētas kustības likumi lika Ņūtonam formulēt gravitācijas teoriju. Kā divus gadsimtus vēlāk sīki nelīdzenumi Marsa kustībā iedvesmoja Einšteinu izstrādāt savu vispārējo relativitātes teoriju. Kā pirms astoņdesmit gadiem atklājums, ka Visums paplašinās, izraisīja Lielā sprādziena teorijas attīstību. Kā viena punkta izcelsme un izplešanās lika kosmologiem teorētiski noteikt jaunus Visuma komponentus, piemēram, inflāciju, tumšo vielu un tumšo enerģiju. Bet vai inflācija izskaidro mūsdienu Visuma struktūru? Vai tiešām pastāv tumšā matērija? Vai varētu notikt zinātniskā revolūcija, kas izaicinās ilgstoši notikušo zinātnisko pareizticību un atkal pārveidos mūsu izpratni par Visumu? Zemāk ir fragments no "Kosmosa aprēķināšana: kā matemātika atklāj Visumu" (Basic Books, 2016).
Šie sasniegumi kosmosa izpētē un izmantošanā ir atkarīgi ne tikai no gudrām tehnoloģijām, bet arī no ilgstošām zinātnisko atklājumu sērijām, kas sniedzas vismaz līdz senai Babilonijai pirms trim gadu tūkstošiem. Matemātika ir šo sasniegumu pamatā. Inženierzinātnes, protams, ir arī vitāli svarīgas, un bija nepieciešami atklājumi daudzās citās zinātnes disciplīnās, pirms mēs varējām izgatavot nepieciešamos materiālus un salikt tos darba telpas zondei, bet es koncentrēšos uz to, kā matemātika ir uzlabojusi mūsu zināšanas par Visumu.
Stāsts par kosmosa izpēti un matemātikas stāsts ir gājis roku rokā jau no senākajiem laikiem. Matemātika ir izrādījusies būtiska, lai izprastu Sauli, Mēnesi, planētas, zvaigznes un plašo saistīto objektu klāstu, kas kopā veido kosmosu - Visumu, kas tiek skatīts lielos apmēros. Tūkstošiem gadu matemātika ir bijusi mūsu efektīvākā kosmisko notikumu izpratnes, reģistrēšanas un prognozēšanas metode. Patiešām, dažās kultūrās, piemēram, senajā Indijā ap 500, matemātika bija astronomijas apakšnozare. Un otrādi, astronomiskās parādības ir ietekmējušas matemātikas attīstību vairāk nekā trīs gadu tūkstošus, iedvesmojot katru no Babilonijas prognozēm par aptumsumiem līdz aprēķiniem, haosam un kosmosa laika izliekumam.
Sākumā galvenā matemātikas astronomiskā loma bija reģistrēt novērojumus un veikt noderīgus aprēķinus par tādām parādībām kā Saules aptumsumi, kur Mēness īslaicīgi aizēno Sauli, vai Mēness aptumsumi, kur Zemes ēna aizēno Mēnesi. Domājot par Saules sistēmas ģeometriju, astronomiskie pionieri saprata, ka Zeme iet ap Sauli, kaut arī šeit no šejienes izskatās otrādi. Senie cilvēki arī apvienoja novērojumus ar ģeometriju, lai novērtētu Zemes lielumu un attālumus līdz Mēnesim un Saulei.
Dziļāki astronomiskie raksti sāka parādīties ap 1600. gadu, kad Johanness Keplers planētu orbītā atklāja trīs matemātiskas likumsakarības - “likumus”. 1679. gadā Īzaks Ņūtons atkārtoti interpretēja Keplera likumus, lai formulētu vērienīgu teoriju, kas aprakstīja ne tikai to, kā pārvietojas Saules sistēmas planētas, bet arī jebkura debess ķermeņu sistēma. Tā bija viņa gravitācijas teorija, kas bija viens no centrālajiem atklājumiem viņa mainīgajā pasaulē Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Dabas filozofijas matemātiskie principi. Ņūtona gravitācijas likums apraksta, kā katrs Visuma ķermenis piesaista katru citu ķermeni.
Apvienojot smagumu ar citiem matemātiskiem likumiem par ķermeņu kustību, kuru gadsimtu iepriekš sāka Galileo, Ņūtons izskaidroja un paredzēja daudzas debess parādības. Vispārīgāk runājot, viņš mainīja to, kā mēs domājam par dabisko pasauli, radot zinātnisku revolūciju, kas mūsdienās joprojām virza uz priekšu. Ņūtons parādīja, ka dabas parādības (bieži) regulē matemātiski modeļi, un, izprotot šos modeļus, mēs varam uzlabot savu izpratni par dabu. Ņūtona laikmetā matemātiskie likumi izskaidroja debesīs notiekošo, taču tiem nebija nozīmīgu praktisku pielietojumu, izņemot navigāciju.
***
Viss, kas mainījās, kad PSRS Sputnik satelīts nonāca zemā Zemes orbītā 1957. gadā, izšaujot kosmosa sacensību starta pistoli. Ja skatāties futbolu satelīta televīzijā - vai operu, vai komēdijas, vai zinātniskas dokumentālās filmas -, jūs gūstat labumu no Ņūtona atziņām reālajā pasaulē.
Sākotnēji viņa panākumi lika uz kosmosu skatīties kā uz pulksteņrādītāja Visumu, kurā viss majestātiski seko takai, kas bija ielikti radīšanas rītausmā. Piemēram, tika uzskatīts, ka Saules sistēma ir izveidota gandrīz pašreizējā stāvoklī, tām pašām planētām virzoties pa tām pašām gandrīz apļveida orbītām. Jāatzīst, ka viss mazliet līkločojās; perioda sasniegumi astronomisko novērojumu laikā to bija skaidri parādījuši. Bet plaši izplatīts uzskats, ka nekas neskaitāms, nemainīgs vai dramatiski mainīsies pār neskaitāmiem mūžiem. Eiropas reliģijā nebija iedomājams, ka Dieva nevainojamā radīšana agrāk varēja būt citāda. Mehāniskais skatījums uz regulāru, paredzamu kosmosu pastāvēja trīs simti gadu.
Vairs ne. Nesenie jauninājumi matemātikā, piemēram, haosa teorija, apvienojumā ar mūsdienu jaudīgajiem datoriem, kas spēj saspiest attiecīgos skaitļus ar vēl nebijušu ātrumu, ir ievērojami mainījuši mūsu uzskatus par kosmosu. Saules sistēmas pulksteņrādītāja modelis paliek spēkā īsā laika posmā, un astronomijā miljons gadu parasti ir īss. Bet mūsu kosmiskais piemājas objekts tagad ir atklāts kā vieta, kur pasaules darīja un gribēs migrēt no vienas orbītas uz otru. Jā, ir ļoti ilgi regulāras uzvedības periodi, taču laiku pa laikam viņus pārņem savvaļas aktivitātes pārrāvumi. Nemainīgi likumi, kas radīja priekšstatu par pulksteņrādītāja Visumu, var izraisīt arī pēkšņas izmaiņas un ļoti neparastu uzvedību.
Scenāriji, ko tagad paredz astronomi, bieži ir dramatiski. Piemēram, Saules sistēmas veidošanās laikā veselas pasaules sadūrās ar apokaliptiskām sekām. Kādu dienu tālā nākotnē viņi, iespējams, to darīs vēlreiz: pastāv maza iespēja, ka Merkurs vai Venēra ir lemta, bet mēs nezinām, kura. Tas varētu būt abi, un viņi varētu mūs ņemt līdzi. Viena šāda sadursme, iespējams, noveda pie Mēness veidošanās. Tas izklausās kā kaut kas no zinātniskās fantastikas, un tas ir… bet vislabākā veida “cietā” zinātniskā fantastika, kurā tikai fantastiski jaunais izgudrojums pārsniedz zināmo zinātni. Izņemot to, ka šeit nav fantastiska izgudrojuma, tikai negaidīts matemātisks atklājums.
Matemātika ir informējusi mūsu izpratni par kosmosu katrā mērogā: Mēness izcelsme un kustība, planētu un to pavadošo pavadoņu kustības un forma, asteroīdu, komētu un Kuipera jostas objektu sarežģītība un apdomīgā debesu deja. visa Saules sistēma. Tas mums ir iemācījis, kā mijiedarbība ar Jupiteru var bīdīt asteroīdus uz Marsu un no turienes uz Zemi; kāpēc Saturns nav viens pats, kam pieder gredzeni; kā sākās tā gredzeni un kāpēc viņi uzvedas tā, kā rīkojas, ar bizēm, ripples un savādi rotējošiem “spieķiem”. Tas mums parādīja, kā planētas gredzeni pa vienam var izspļaut pavadoņus.
Pulksteņi ir devuši ceļu uguņošanai.
Izraksts no Ian Stewart grāmatas "Kosmosa aprēķināšana: kā matemātika atklāj Visumu". Autortiesības © 2016. Pieejams no Basic Books, Perseus Books, LLC, Hachette Book Group, Inc. meitasuzņēmuma nospiedums. Visas tiesības aizsargātas.
