In "Berechnung des Kosmos" präsentiert Ian Stewart einen aufregenden Leitfaden für den Kosmos, von unserem Sonnensystem bis zum gesamten Universum. Beginnend mit der babylonischen Integration der Mathematik in das Studium der Astronomie und Kosmologie verfolgt Stewart die Entwicklung unseres Verständnisses des Kosmos: Wie Keplers Gesetze der Planetenbewegung Newton dazu veranlassten, seine Gravitationstheorie zu formulieren. Wie zwei Jahrhunderte später winzige Unregelmäßigkeiten in der Bewegung des Mars Einstein dazu inspirierten, seine allgemeine Relativitätstheorie zu entwickeln. Wie vor achtzig Jahren die Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, zur Entwicklung der Urknalltheorie ihrer Ursprünge führte. Wie Einzelpunktursprung und -expansion Kosmologen dazu veranlassten, neue Komponenten des Universums wie Inflation, dunkle Materie und dunkle Energie zu theoretisieren. Aber erklärt die Inflation die Struktur des heutigen Universums? Existiert dunkle Materie tatsächlich? Könnte eine wissenschaftliche Revolution auf dem Weg sein, die die langjährige wissenschaftliche Orthodoxie in Frage stellt und unser Verständnis des Universums erneut verändert? Unten finden Sie einen Auszug aus "Berechnung des Kosmos: Wie Mathematik das Universum enthüllt" (Basic Books, 2016).
Diese Fortschritte bei der Erforschung und Nutzung des Weltraums hängen nicht nur von cleverer Technologie ab, sondern auch von einer langen Reihe wissenschaftlicher Entdeckungen, die mindestens bis ins alte Babylon vor drei Jahrtausenden zurückreichen. Die Mathematik steht im Mittelpunkt dieser Fortschritte. Ingenieurwissenschaften sind natürlich auch von entscheidender Bedeutung, und Entdeckungen in vielen anderen wissenschaftlichen Disziplinen waren erforderlich, bevor wir die erforderlichen Materialien herstellen und zu einer Arbeitsraumsonde zusammensetzen konnten, aber ich werde mich darauf konzentrieren, wie die Mathematik unser Wissen über das Universum verbessert hat.
Die Geschichte der Weltraumforschung und die Geschichte der Mathematik gehen seit jeher Hand in Hand. Die Mathematik hat sich als wesentlich erwiesen, um Sonne, Mond, Planeten, Sterne und die Vielzahl der dazugehörigen Objekte zu verstehen, die zusammen den Kosmos bilden - das Universum, das im großen Stil betrachtet wird. Seit Tausenden von Jahren ist Mathematik unsere effektivste Methode, um kosmische Ereignisse zu verstehen, aufzuzeichnen und vorherzusagen. In einigen Kulturen, wie dem alten Indien um 500, war die Mathematik ein Teilzweig der Astronomie. Umgekehrt haben astronomische Phänomene die Entwicklung der Mathematik seit über drei Jahrtausenden beeinflusst und alles inspiriert, von babylonischen Vorhersagen von Finsternissen bis hin zu Kalkül, Chaos und der Krümmung der Raumzeit.
Anfänglich bestand die astronomische Hauptaufgabe der Mathematik darin, Beobachtungen aufzuzeichnen und nützliche Berechnungen über Phänomene wie Sonnenfinsternisse durchzuführen, bei denen der Mond die Sonne vorübergehend verdeckt, oder Mondfinsternisse, bei denen der Erdschatten den Mond verdeckt. Durch das Nachdenken über die Geometrie des Sonnensystems erkannten astronomische Pioniere, dass die Erde um die Sonne herum verläuft, obwohl sie von hier unten umgekehrt aussieht. Die Alten kombinierten auch Beobachtungen mit Geometrie, um die Größe der Erde und die Entfernungen zum Mond und zur Sonne abzuschätzen.
Um 1600 entstanden tiefere astronomische Muster, als Johannes Kepler drei mathematische Regelmäßigkeiten - "Gesetze" - in den Umlaufbahnen der Planeten entdeckte. 1679 interpretierte Isaac Newton Keplers Gesetze neu, um eine ehrgeizige Theorie zu formulieren, die nicht nur die Bewegung der Planeten des Sonnensystems beschrieb, sondern auch die Bewegung von irgendein System der Himmelskörper. Dies war seine Gravitationstheorie, eine der zentralen Entdeckungen in seiner Weltveränderung Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie). Newtons Gravitationsgesetz beschreibt, wie jeder Körper im Universum jeden anderen Körper anzieht.
Durch die Kombination der Schwerkraft mit anderen mathematischen Gesetzen über die Bewegung von Körpern, die Galileo ein Jahrhundert zuvor entwickelt hatte, erklärte und prognostizierte Newton zahlreiche himmlische Phänomene. Im Allgemeinen veränderte er unsere Einstellung zur natürlichen Welt und schuf eine wissenschaftliche Revolution, die bis heute voranschreitet. Newton hat gezeigt, dass Naturphänomene (oft) von mathematischen Mustern bestimmt werden, und durch das Verständnis dieser Muster können wir unser Verständnis der Natur verbessern. In Newtons Ära erklärten die mathematischen Gesetze, was am Himmel geschah, aber sie hatten außer für die Navigation keinen wesentlichen praktischen Nutzen.
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All das änderte sich, als die UdSSR Sputnik Der Satellit ging 1957 in die Erdumlaufbahn und feuerte die Startkanone für das Weltraumrennen ab. Wenn Sie Fußball im Satellitenfernsehen schauen - oder in Opern, Komödien oder wissenschaftlichen Dokumentationen -, profitieren Sie von Newtons Erkenntnissen in der Praxis.
Seine Erfolge führten zunächst zu einer Betrachtung des Kosmos als Uhrwerkuniversum, in dem alles majestätisch den zu Beginn der Schöpfung festgelegten Wegen folgt. Zum Beispiel wurde angenommen, dass das Sonnensystem so ziemlich in seinem gegenwärtigen Zustand geschaffen wurde, wobei sich dieselben Planeten entlang derselben nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen bewegten. Zugegeben, alles wackelte ein bisschen herum; Die Fortschritte der Zeit bei den astronomischen Beobachtungen hatten dies sehr deutlich gemacht. Aber es gab eine weit verbreitete Überzeugung, dass sich über unzählige Äonen nichts geändert hatte, sich geändert hat oder sich auf dramatische Weise ändern würde. In der europäischen Religion war es undenkbar, dass Gottes perfekte Schöpfung in der Vergangenheit anders gewesen sein könnte. Die mechanistische Sichtweise eines regelmäßigen, vorhersehbaren Kosmos blieb dreihundert Jahre lang bestehen.
Nicht mehr, nicht länger. Jüngste Innovationen in der Mathematik wie die Chaostheorie in Verbindung mit den heutigen leistungsstarken Computern, die in der Lage sind, die relevanten Zahlen mit beispielloser Geschwindigkeit zu ermitteln, haben unsere Sicht auf den Kosmos stark verändert. Das Uhrwerkmodell des Sonnensystems bleibt über kurze Zeiträume gültig, und in der Astronomie ist eine Million Jahre normalerweise kurz. Aber unser kosmischer Hinterhof wird jetzt als ein Ort offenbart, an dem Welten von einer Umlaufbahn in eine andere gewandert sind und werden. Ja, es gibt sehr lange Perioden regelmäßigen Verhaltens, aber von Zeit zu Zeit werden sie von wilden Aktivitätsschüben unterbrochen. Die unveränderlichen Gesetze, aus denen die Vorstellung eines Uhrwerkuniversums hervorging, können auch plötzliche Veränderungen und sehr unberechenbares Verhalten verursachen.
Die Szenarien, die sich Astronomen jetzt vorstellen, sind oft dramatisch. Während der Entstehung des Sonnensystems kollidierten beispielsweise ganze Welten mit apokalyptischen Konsequenzen. Eines Tages, in ferner Zukunft, werden sie es wahrscheinlich wieder tun: Es besteht eine geringe Chance, dass Merkur oder Venus zum Scheitern verurteilt sind, aber wir wissen nicht, welche. Es könnte beides sein und sie könnten uns mitnehmen. Eine solche Kollision führte wahrscheinlich zur Bildung des Mondes. Es klingt wie etwas aus Science-Fiction, und es ist ... aber die beste Art, "harte" Science-Fiction, in der nur die fantastische neue Erfindung über die bekannte Wissenschaft hinausgeht. Nur dass es hier keine fantastische Erfindung gibt, nur eine unerwartete mathematische Entdeckung.
Die Mathematik hat unser Verständnis des Kosmos auf jeder Skala beeinflusst: den Ursprung und die Bewegung des Mondes, die Bewegungen und Formen der Planeten und ihrer Begleitmonde, die Feinheiten von Asteroiden, Kometen und Kuipergürtelobjekten und den schwerfälligen himmlischen Tanz von das gesamte Sonnensystem. Es hat uns gelehrt, wie Interaktionen mit Jupiter Asteroiden zum Mars und von dort zur Erde schleudern können. warum Saturn nicht allein ist, wenn er Ringe besitzt; wie sich seine Ringe anfänglich gebildet haben und warum sie sich so verhalten, mit Zöpfen, Wellen und seltsam rotierenden „Speichen“. Es hat uns gezeigt, wie die Ringe eines Planeten nacheinander Monde ausspucken können.
Das Uhrwerk ist dem Feuerwerk gewichen.
Auszug aus "Berechnung des Kosmos: Wie Mathematik das Universum enthüllt" von Ian Stewart. Copyright © 2016. Erhältlich bei Basic Books, einem Impressum von Perseus Books, LLC, einer Tochtergesellschaft der Hachette Book Group, Inc. Alle Rechte vorbehalten.
