Ios Stewart tutvustab raamatus "Kosmose arvutamine" kosmose virgutavat juhendit meie päikesesüsteemist kogu universumisse. Alustades matemaatika Babüloonia integreerimisega astronoomia ja kosmoloogia uurimisse, jälgib Stewart meie arusaama kosmosest arengut: kuidas Kepleri planeetide liikumise seadused panid Newtoni sõnastama oma gravitatsiooniteooria. Kuidas inspireerisid Einsteini kaks sajandit hiljem pisikesed ebakorrapärasused Marsi liikumises kavandama oma üldist relatiivsusteooriat. Kuidas kaheksakümmend aastat tagasi avastus, et universum laieneb, viis Suure Paugu teooria väljakujunemiseni. Kuidas ühepunktiline päritolu ja laienemine viisid kosmoloogid teooriasse universumi uusi komponente, nagu näiteks inflatsioon, tumeaine ja tume energia. Kuid kas inflatsioon seletab tänapäeva universumi ülesehitust? Kas tume aine on tegelikult olemas? Kas saaks olla teel teadusrevolutsioon, mis seaks väljakutse kauaaegsele teaduslikule ortodoksiale ja muudaks taas meie arusaama universumist? Allpool on katkend raamatust "Kosmose arvutamine: kuidas matemaatika paljastab universumi" (Basic Books, 2016).
Need edusammud kosmose uurimisel ja kasutamisel ei sõltu mitte ainult nutikast tehnoloogiast, vaid ka pikkadest teaduslike avastuste seeriast, mis ulatuvad tagasi vähemalt muistsesse Babülooniasse kolm aastatuhandet tagasi. Nende edusammude keskmes on matemaatika. Inseneriteadus on muidugi ka ülioluline ja enne vajalike materjalide valmistamist ja tööruumi proovivõtturiks koondamist oli vaja avastusi paljudes teistes teadusharudes, kuid keskendun sellele, kuidas matemaatika on meie teadmisi universumi kohta parandanud.
Kosmoseuuringute ja matemaatika lugu on käinud käsikäes kõige varasemast ajast. Matemaatika on osutunud vajalikuks Päikese, Kuu, planeetide, tähtede ja nendega seotud objektide suure hulga mõistmiseks, mis koos moodustavad kosmose - universumi, mida vaadeldakse suures plaanis. Matemaatika on tuhandete aastate jooksul olnud meie kõige tõhusam meetod kosmiliste sündmuste mõistmiseks, registreerimiseks ja ennustamiseks. Mõnedes kultuurides, näiteks iidses Indias umbes 500, oli matemaatika astronoomia alaharu. Astronoomilised nähtused on vastupidiselt mõjutanud matemaatika arengut üle kolme aastatuhande, inspireerides kõike Babüloonia ennustustest eklooside kohta kalkulatsiooni, kaose ja kosmoseaja kumeruseni.
Algselt oli matemaatika peamiseks astronoomiliseks rolliks vaatluste salvestamine ja kasulike arvutuste tegemine selliste nähtuste kohta nagu päikesevarjutused, kus Kuu varjutab ajutiselt Päikese, või Kuu eklopsid, kus Maa vari varjutab Kuud. Päikesesüsteemi geomeetriale mõeldes mõistsid astronoomilised teerajajad, et Maa läheb ümber Päikese, ehkki siit paistab vastupidi. Muistsed inimesed ühendasid vaatlused ka geomeetriaga, et hinnata Maa suurust ning Kuu ja Päikese kaugusi.
Sügavamad astronoomilised mustrid hakkasid ilmnema umbes 1600. aasta paiku, kui Johannes Kepler avastas planeetide orbiitidel kolm matemaatilist seaduspärasust - seadusi. 1679. aastal tõlgendas Isaac Newton Kepleri seadusi, et sõnastada ambitsioonikas teooria, mis kirjeldas mitte ainult seda, kuidas Päikesesüsteemi planeedid liiguvad, vaid mis tahes taevakehade süsteem. See oli tema gravitatsiooniteooria, mis oli üks tema maailmamuutmise keskseid avastusi Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted). Newtoni gravitatsiooniseadus kirjeldab, kuidas iga universumi keha köidab kõiki teisi keha.
Kombineerides gravitatsiooni muude kehade liikumist käsitlevate matemaatiliste seadustega, mille Galileo oli rajanud sajand varem, selgitas ja ennustas Newton arvukalt taevalikke nähtusi. Üldisemas plaanis muutis ta seda, kuidas mõtleme loodusmaailmale, luues teadusrevolutsiooni, mis on täna veel võimuses. Newton näitas, et loodusnähtusi reguleerivad (sageli) matemaatilised mustrid ja nende mustrite mõistmisel saame parandada oma arusaama loodusest. Newtoni ajastul selgitasid matemaatilised seadused taevas toimuvat, kuid neil polnud muid olulisi praktilisi kasutusvõimalusi peale navigeerimise.
***
Kõik, mis NSV Liidu ajal muutus Sputnik satelliit läks madalale Maa orbiidile 1957. aastal, tulistades kosmosevõistluse stardipüssi. Kui vaatate jalgpalli satelliittelevisiooni kaudu - või ooperit, komöödiaid või teaduslikke dokumentaalfilme -, saate Newtoni teadmistest reaalse maailma eeliseid.
Algselt viisid tema õnnestumised kosmosesse kui kellavärvi universumisse, milles kõik järgneb majesteetlikult loomise alguses. Näiteks usuti, et Päikesesüsteem on loodud peaaegu praeguses olekus, kus samad planeedid liiguvad mööda samu ringikujulisi orbiite. Tõsi, kõik hiiglas natuke ümber; perioodi edusammud astronoomiliste vaatluste osas olid selle täiesti selgeks teinud. Kuid levis laialt levinud arvamus, et lugematute eoonide kohal pole midagi muutunud, ei muutunud ega muutu dramaatiliselt. Euroopa usundis polnud mõeldav, et Jumala täiuslik looming võis minevikus teistsugune olla. Regulaarse ja ettearvatava kosmose mehhaaniline vaade püsis kolmsada aastat.
Enam mitte. Viimased uuendused matemaatikas, näiteks kaoseteooria, koos tänapäevaste võimsate arvutitega, mis suudavad enneolematu kiirusega kruntida vastavaid numbreid, on meie seisukohti kosmosest oluliselt muutnud. Päikesesüsteemi kellakeeratud mudel kehtib lühikese aja jooksul ja astronoomias on miljon aastat tavaliselt lühike. Kuid meie kosmiline tagaaed on nüüd ilmutatud kui koht, kus maailmad rändasid ja saavad rännata ühelt orbiidilt teisele. Jah, regulaarse käitumisega on väga pikki perioode, kuid aeg-ajalt torgivad neid loodusliku tegevuse pursked. Õigekeelsuse universumi mõiste aluseks olevad muutumatud seadused võivad põhjustada ka järske muutusi ja väga ebakorrektset käitumist.
Stsenaariumid, mida astronoomid nüüd ette näevad, on sageli dramaatilised. Näiteks päikesesüsteemi kujunemise ajal põrkasid terved maailmad apokalüptiliste tagajärgedega. Ühel päeval, kauges tulevikus, teevad nad seda tõenäoliselt uuesti: on väike võimalus, et kas Merkuur või Veenus on hukule määratud, kuid me ei tea, kumb. See võib olla mõlemad ja nad võiksid meid endaga kaasa võtta. Üks selline kokkupõrge viis arvatavasti Kuu moodustumiseni. See kõlab nagu ulme väljamõeldis ja see on… kuid kõige parem selline „raske” ulme, milles ainult fantastiline uus leiutis ületab teadaoleva teaduse. Välja arvatud see, et siin pole fantastilist leiutist, vaid ootamatu matemaatiline avastus.
Matemaatika on andnud mõista meie arusaama kohta kosmosest igal skaalal: Kuu päritolu ja liikumine, planeetide ja nende kaaslaste kuude liikumine ja vorm, asteroidide, komeetide ja Kuiperi vööobjektide keerukused ning punniline taevalik tants kogu päikesesüsteem. See on meile õpetanud, kuidas interaktsioonid Jupiteriga võivad asteroide Marsile suunata ja sealt Maa; miks Saturn pole rõngaste omamine üksi; kuidas selle rõngad alguse said ja miks nad käituvad, nagu nad käituvad, punutiste, rippide ja kummaliste pöörlevate „kodaratega“. See on meile näidanud, kuidas üks planeedi rõngad suudab kuusid ükshaaval välja sülitada.
Kellatöö on ilutulestiku kätte andnud.
Katkend Ian Stewarti raamatust "Kosmose arvutamine: kuidas matemaatika avab universumi". Autoriõigused © 2016. Saadaval ettevõttelt Basic Books, väljavõte Perseus Books, LLC, mis on Hachette Book Group, Inc. tütarettevõte. Kõik õigused kaitstud.
