في "حساب الكون" ، يقدم إيان ستيوارت دليلاً مبهجًا للكون ، من نظامنا الشمسي إلى الكون بأكمله. بدءًا من الاندماج البابلي للرياضيات في دراسة علم الفلك وعلم الكونيات ، يتتبع ستيوارت تطور فهمنا للكون: كيف دفعت قوانين كبلر لحركة الكواكب نيوتن إلى صياغة نظريته عن الجاذبية. كيف ، بعد قرنين ، ألهمت مخالفات صغيرة في حركة المريخ أينشتاين لابتكار نظريته النسبية العامة. كيف ، قبل ثمانين عامًا ، أدى اكتشاف أن الكون يتوسع إلى تطوير نظرية الانفجار الكبير لأصوله. كيف قاد أصل نقطة واحدة والتوسع علماء الكون إلى وضع نظريات لمكونات جديدة للكون ، مثل التضخم ، والمادة المظلمة ، والطاقة المظلمة. لكن هل يفسر التضخم هيكل الكون المعاصر؟ هل المادة المظلمة موجودة بالفعل؟ هل يمكن لثورة علمية تتحدى العقيدة العلمية الراسخة وتحول مرة أخرى فهمنا للكون؟ فيما يلي مقتطف من "حساب الكون: كيف تكشف الرياضيات عن الكون" (Basic Books، 2016).
لا تعتمد هذه التطورات في استكشاف الفضاء واستخدامه على التكنولوجيا الذكية فحسب ، بل تعتمد أيضًا على سلسلة طويلة من الاكتشافات العلمية التي تعود إلى بابل القديمة منذ ثلاثة آلاف عام على الأقل. تقع الرياضيات في قلب هذه التطورات. تعد الهندسة أمرًا حيويًا أيضًا أيضًا ، وكانت هناك حاجة للاكتشافات في العديد من التخصصات العلمية الأخرى قبل أن نتمكن من صنع المواد اللازمة وتجميعها في مسبار مساحة العمل ، لكني سأركز على كيفية تحسين الرياضيات لمعرفتنا للكون.
تسير قصة استكشاف الفضاء وقصة الرياضيات جنبًا إلى جنب منذ أقدم العصور. أثبتت الرياضيات أنها ضرورية لفهم الشمس والقمر والكواكب والنجوم والمجموعة الشاسعة من الأجسام المرتبطة التي تشكل معًا الكون - يعتبر الكون على نطاق واسع. منذ آلاف السنين ، كانت الرياضيات الطريقة الأكثر فاعلية لفهم وتسجيل والتنبؤ بالأحداث الكونية. في الواقع ، في بعض الثقافات ، مثل الهند القديمة حوالي 500 سنة ، كانت الرياضيات فرعًا فرعيًا لعلم الفلك. على العكس من ذلك ، أثرت الظواهر الفلكية على تطور الرياضيات لأكثر من ثلاثة آلاف سنة ، مما ألهم كل شيء من التنبؤات البابلية للكسوف إلى حساب التفاضل والتكامل والفوضى وانحناء الزمكان.
في البداية ، كان الدور الفلكي الرئيسي للرياضيات هو تسجيل الملاحظات وإجراء حسابات مفيدة حول ظواهر مثل الكسوف الشمسي ، حيث يحجب القمر مؤقتًا الشمس ، أو الكسوف القمري ، حيث يحجب ظل الأرض القمر. من خلال التفكير في هندسة النظام الشمسي ، أدرك الرواد الفلكيون أن الأرض تدور حول الشمس ، على الرغم من أنها تبدو في الاتجاه الآخر من الأسفل إلى هنا. قام القدماء أيضًا بدمج الملاحظات مع الهندسة لتقدير حجم الأرض والمسافات إلى القمر والشمس.
بدأت الأنماط الفلكية العميقة بالظهور حوالي عام 1600 ، عندما اكتشف يوهانس كبلر ثلاث قواعد رياضية - "قوانين" - في مدارات الكواكب. في عام 1679 أعاد إسحاق نيوتن تفسير قوانين كبلر لصياغة نظرية طموحة لم تصف فقط كيفية تحرك الكواكب في النظام الشمسي ، ولكن حركة أي نظام الأجرام السماوية. كانت هذه نظريته عن الجاذبية ، أحد الاكتشافات المركزية في تغير العالم Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية). يصف قانون الجاذبية لنيوتن كيف يجذب كل جسد في الكون كل جسد آخر.
من خلال الجمع بين الجاذبية والقوانين الرياضية الأخرى حول حركة الأجسام ، التي ابتكرها جاليليو قبل قرن من الزمان ، شرح نيوتن وتنبأ بالعديد من الظواهر السماوية. بشكل أعم ، قام بتغيير طريقة تفكيرنا في العالم الطبيعي ، وخلق ثورة علمية لا تزال تمضي قدما اليوم. أظهر نيوتن أن الظواهر الطبيعية (غالبًا) تحكمها أنماط رياضية ، ومن خلال فهم هذه الأنماط يمكننا تحسين فهمنا للطبيعة. في عصر نيوتن ، أوضحت القوانين الرياضية ما يحدث في السماء ، لكن لم يكن لها استخدامات عملية مهمة ، بخلاف الملاحة.
***
كل ذلك تغير عندما كان اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية سبوتنيك ذهب القمر الصناعي إلى مدار أرضي منخفض في عام 1957 ، وأطلق مسدس البداية لسباق الفضاء. إذا كنت تشاهد كرة القدم على التلفزيون الفضائي - أو الأوبرا أو الكوميديا أو الأفلام الوثائقية العلمية - فأنت تجني فائدة في العالم الحقيقي من رؤى نيوتن.
في البداية ، أدت نجاحاته إلى رؤية الكون ككون يعمل على مدار الساعة ، حيث يتبع كل شيء بشكل مهيب المسارات الموضوعة في فجر الخلق. على سبيل المثال ، كان يعتقد أن النظام الشمسي تم إنشاؤه في حالته الحالية إلى حد كبير ، مع تحرك نفس الكواكب على طول المدارات شبه الدائرية نفسها. من المسلم به أن كل شيء هزه قليلاً ؛ إن تقدم الفترة في الملاحظات الفلكية قد أوضح ذلك تمامًا. ولكن كان هناك اعتقاد واسع النطاق بأن لا شيء تغير أو تغير أو سيتغير بأي شكل دراماتيكي على مدى دهور لا تحصى. في الدين الأوروبي ، كان من غير المتصور أن الخليقة الكاملة لله كان يمكن أن تكون مختلفة في الماضي. استمرت النظرة الميكانيكية للكون المنتظم الذي يمكن التنبؤ به لمدة ثلاثمائة سنة.
ليس اطول. غيرت الابتكارات الحديثة في الرياضيات ، مثل نظرية الفوضى ، إلى جانب أجهزة الكمبيوتر القوية اليوم ، القادرة على تحليل الأرقام ذات الصلة بسرعة غير مسبوقة ، تغييرًا كبيرًا في وجهات نظرنا حول الكون. يظل نموذج عمل الساعة في النظام الشمسي ساريًا على مدى فترات زمنية قصيرة ، وفي الفلك عادة ما تكون مليون سنة قصيرة. لكن فناءنا الخلفي الكوني يُكشف الآن كمكان تنتشر فيه العوالم ، وسوف تنتقل ، من مدار إلى آخر. نعم ، هناك فترات طويلة جدًا من السلوك المنتظم ، ولكن من وقت لآخر تتخللها رشقات من النشاط البري. يمكن للقوانين غير القابلة للتغيير التي أدت إلى فكرة كون الساعة أن تتسبب أيضًا في حدوث تغييرات مفاجئة وسلوك غير منتظم للغاية.
غالبًا ما تكون السيناريوهات التي يتصورها علماء الفلك مثيرة. أثناء تكوين النظام الشمسي ، على سبيل المثال ، اصطدمت عوالم بأكملها بعواقب نهاية العالم. في يوم من الأيام ، في المستقبل البعيد ، من المحتمل أن يفعلوا ذلك مرة أخرى: هناك فرصة ضئيلة أن يكون الزئبق أو الزهرة محكومًا بالفشل ، لكننا لا نعرف أيهما. يمكن أن تكون على حد سواء ، ويمكن أن يأخذونا معهم. ربما أدى أحد هذه الاصطدامات إلى تكوين القمر. يبدو وكأنه شيء من الخيال العلمي ، وهو ... ولكن أفضل نوع ، الخيال العلمي "الصعب" الذي لا يتجاوز فيه الاختراع الجديد الرائع سوى العلم المعروف. باستثناء أنه لا يوجد اختراع رائع هنا ، مجرد اكتشاف رياضي غير متوقع.
لقد أبلغت الرياضيات فهمنا للكون على كل نطاق: أصل وحركة القمر ، وحركات وشكل الكواكب وأقمارها المصاحبة ، وتعقيدات الكويكبات ، والمذنبات ، وأشياء حزام كويبر ، والرقص السماوي الراقص النظام الشمسي بأكمله. لقد علمتنا كيف يمكن للتفاعلات مع المشتري دفع الكويكبات نحو المريخ ومن ثم الأرض. لماذا ليس زحل وحده في امتلاك الحلقات ؛ كيف تشكلت حلقاتها لتبدأ ولماذا تتصرف كما تفعل مع الضفائر والتموجات و "المتحدث" الدوار غريب. لقد بينت لنا كيف يمكن لحلقات الكوكب أن تبصق الأقمار ، واحدة تلو الأخرى.
لقد أتاح العمل على مدار الساعة للألعاب النارية.
مقتطف من "حساب الكون: كيف تكشف الرياضيات عن الكون" بواسطة إيان ستيوارت. حقوق الطبع والنشر © 2016. متوفرة من Basic Books ، بصمة من Perseus Books ، LLC ، إحدى الشركات التابعة لمجموعة Hachette Book Group، Inc. جميع الحقوق محفوظة.
