I "Beregning af kosmos" præsenterer Ian Stewart en spændende guide til kosmos fra vores solsystem til hele universet. Fra og med den babyloniske integration af matematik i studiet af astronomi og kosmologi sporer Stewart udviklingen af vores forståelse af kosmos: Hvordan Keplers love om planetarisk bevægelse førte til, at Newton formulerede sin teori om tyngdekraft. Hvordan to århundreder senere inspirerede små uregelmæssigheder i bevægelsen af Mars Einstein til at udtænke hans generelle relativitetsteori. Hvordan, for firs år siden, opdagelsen af, at universet udvides, førte til udviklingen af Big Bang-teorien om dens oprindelse. Hvordan oprindelsesstørrelse og udvidelse med ét punkt førte kosmologer til at teoretisere nye komponenter i universet, såsom inflation, mørkt stof og mørk energi. Men forklarer inflation strukturen i nutidens univers? Eksisterer der mørkt stof? Kunne en videnskabelig revolution, der vil udfordre den langvarige videnskabelige ortodoksi og igen transformere vores forståelse af universet være på vej? Nedenfor er et uddrag fra "Beregning af kosmos: Hvordan matematik afslører universet" (Basic Books, 2016).
Disse fremskridt inden for efterforskning og anvendelse af rum afhænger ikke kun af smart teknologi, men også af en lang række videnskabelige opdagelser, der går mindst så langt tilbage som det gamle Babylon for tre årtusinder siden. Matematik ligger i hjertet af disse fremskridt. Ingeniørarbejde er selvfølgelig også vigtig, og der var behov for opdagelser i mange andre videnskabelige discipliner, før vi kunne fremstille de nødvendige materialer og samle dem til en arbejdsrumssonde, men jeg vil koncentrere mig om, hvordan matematik har forbedret vores viden om universet.
Historien om rumundersøgelse og historien om matematik er gået hånd i hånd fra de tidligste tider. Matematik har vist sig essentiel for at forstå Solen, Månen, planeter, stjerner og den enorme panoply af tilknyttede objekter, der tilsammen danner kosmos - universet betragtet i stor skala. I tusinder af år har matematik været vores mest effektive metode til at forstå, registrere og forudsige kosmiske begivenheder. Faktisk i nogle kulturer, såsom det gamle Indien omkring 500, var matematik en undergren af astronomi. Omvendt har astronomiske fænomener påvirket udviklingen af matematik i over tre årtusinder og inspireret alt fra babyloniske forudsigelser om formørkelser til beregning, kaos og rumtids krumning.
Oprindeligt var matematikens vigtigste astronomiske rolle at registrere observationer og udføre nyttige beregninger om fænomener som solformørkelser, hvor månen midlertidigt skjuler solen, eller måneformørkelser, hvor jordens skygge skjuler månen. Ved at tænke over solsystemets geometri, indså astronomiske pionerer, at Jorden går rundt om Solen, selvom den ser omvendt nedenfra. De gamle kombinerede også observationer med geometri for at estimere jordens størrelse og afstandene til Månen og Solen.
Dypere astronomiske mønstre begyndte at dukke op omkring 1600, da Johannes Kepler opdagede tre matematiske regelmæssigheder - 'love' - i planeternes bane. I 1679 fortolkede Isaac Newton Keplers love for at formulere en ambitiøs teori, der ikke kun beskrev, hvordan solsystemets planeter bevæger sig, men bevægelsen af nogen system med himmellegemer. Dette var hans teori om tyngdekraften, en af de centrale opdagelser i hans verdensforandring Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematiske principper for naturfilosofi). Newtons tyngdelov beskriver, hvordan hver krop i universet tiltrækker enhver anden krop.
Ved at kombinere tyngdekraften med andre matematiske love om bevægelse af kroppe, banebrydt af Galileo et århundrede tidligere, forklarede Newton og forudsagde adskillige himmelfænomener. Mere generelt ændrede han, hvordan vi tænker på den naturlige verden, og skabte en videnskabelig revolution, der stadig kører fremad i dag. Newton viste, at naturfænomener (ofte) styres af matematiske mønstre, og ved at forstå disse mønstre kan vi forbedre vores forståelse af naturen. I Newtons æra forklarede de matematiske love, hvad der skete i himlen, men de havde ingen væsentlig praktisk anvendelse, bortset fra til navigation.
***
Alt det ændrede sig, når USSR's Sputnik satellitten gik ind i en lav jordbane i 1957 og fyrede startpistolen til rumløbet. Hvis du ser fodbold på satellit-tv - eller opera eller komedier eller videnskabsdokumentarer - høster du en virkelig fordel af Newtons indsigt.
Oprindeligt førte hans succeser til et syn på kosmos som et urværksunivers, hvor alt majestætisk følger stier, der blev lagt ned ved skabelsens morgen. For eksempel blev det antaget, at solsystemet blev skabt i stort set sin nuværende tilstand, med de samme planeter bevæger sig langs de samme næsten cirkulære bane. Ganske vist vrang alt omkring; periodens fremskridt inden for astronomiske observationer havde gjort det rigeligt. Men der var en udbredt tro på, at intet havde ændret sig, ændret eller ville ændre sig på nogen dramatisk måde over utallige eoner. I europæisk religion var det ikke tænkeligt, at Guds perfekte skabelse kunne have været anderledes i fortiden. Det mekanistiske syn på et regelmæssigt, forudsigeligt kosmos varede i tre hundrede år.
Ikke længere. Nye innovationer i matematik, såsom kaosteori, koblet til nutidens magtfulde computere, der er i stand til at knuse de relevante tal med en hidtil uset hastighed, har ændret vores syn på kosmos meget. Ursystemet for solsystemet forbliver gyldigt over korte perioder, og i astronomi er en million år normalt kort. Men vores kosmiske baggård afsløres nu som et sted, hvor verdener gjorde og vil migrere fra en bane til en anden. Ja, der er meget lange perioder med regelmæssig opførsel, men fra tid til anden punkteres de af udbrud af vild aktivitet. De uforanderlige love, der gav anledning til forestillingen om et urværksunivers, kan også forårsage pludselige ændringer og meget uberegnelig opførsel.
De scenarier, som astronomer nu ser for sig, er ofte dramatiske. Under dannelsen af solsystemet kolliderede for eksempel hele verdener med apokalyptiske konsekvenser. En dag i en fjern fremtid vil de sandsynligvis gøre det igen: der er en lille chance for, at enten Merkur eller Venus er dømt, men vi ved ikke, hvilken. Det kunne være begge dele, og de kunne tage os med dem. En sådan kollision førte sandsynligvis til dannelsen af Månen. Det lyder som noget ud af science fiction, og det er ... men den bedste slags 'hårde' science fiction, hvor kun den fantastiske nye opfindelse går ud over kendt science. Bortset fra at her ikke er nogen fantastisk opfindelse, bare en uventet matematisk opdagelse.
Matematik har informeret vores forståelse af kosmos på enhver skala: Månens oprindelse og bevægelse, planeternes bevægelser og form og deres ledsagende måner, forviklingerne i asteroider, kometer og Kuiper-bælteobjekter og den vidunderlige himmeldans fra hele solsystemet. Det har lært os, hvordan interaktioner med Jupiter kan kaste asteroider mod Mars og derfra Jorden; hvorfor Saturn ikke er alene om at besidde ringe; hvordan dens ringe dannedes til at begynde med, og hvorfor de opfører sig som de gør, med fletninger, krusninger og underlige roterende eger. Det har vist os, hvordan en planetens ringe kan spytte måner ud ad gangen.
Urværk har givet plads til fyrværkeri.
Uddrag fra "Beregning af kosmos: Hvordan matematik afslører universet" af Ian Stewart. Copyright © 2016. Fås fra Basic Books, et aftryk af Perseus Books, LLC, et datterselskab af Hachette Book Group, Inc. Alle rettigheder forbeholdes.
