In "Calculating the Cosmos" presenteert Ian Stewart een opwindende gids voor de kosmos, van ons zonnestelsel tot het hele universum. Beginnend met de Babylonische integratie van wiskunde in de studie van astronomie en kosmologie, volgt Stewart de evolutie van ons begrip van de kosmos: hoe Keplers wetten van planetaire beweging Newton ertoe brachten zijn zwaartekrachttheorie te formuleren. Hoe, twee eeuwen later, kleine onregelmatigheden in de beweging van Mars Einstein inspireerden om zijn algemene relativiteitstheorie te bedenken. Hoe, tachtig jaar geleden, de ontdekking dat het universum zich uitbreidt, heeft geleid tot de ontwikkeling van de Big Bang-theorie over zijn oorsprong. Hoe single-point oorsprong en expansie kosmologen ertoe brachten nieuwe componenten van het universum te theoretiseren, zoals inflatie, donkere materie en donkere energie. Maar verklaart inflatie de structuur van het huidige universum? Bestaat er eigenlijk donkere materie? Zou er een wetenschappelijke revolutie kunnen komen die de lang bestaande wetenschappelijke orthodoxie zal uitdagen en ons begrip van het universum opnieuw zal transformeren? Hieronder is een fragment uit "Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe" (Basic Books, 2016).
Deze vooruitgang in de verkenning en het gebruik van de ruimte hangt niet alleen af van slimme technologie, maar ook van een lange reeks wetenschappelijke ontdekkingen die minstens zo ver teruggaan tot het oude Babylon drie millennia geleden. Wiskunde vormt de kern van deze vooruitgang. Engineering is natuurlijk ook van vitaal belang, en ontdekkingen in veel andere wetenschappelijke disciplines waren nodig voordat we de benodigde materialen konden maken en deze konden samenvoegen tot een werkruimtetaster, maar ik zal me concentreren op hoe wiskunde onze kennis van het universum heeft verbeterd.
Het verhaal van ruimteverkenning en het verhaal van de wiskunde gaan al sinds de prille tijd hand in hand. Wiskunde is essentieel gebleken voor het begrijpen van de zon, maan, planeten, sterren en het enorme arsenaal aan bijbehorende objecten die samen de kosmos vormen - het universum dat op grote schaal wordt beschouwd. Al duizenden jaren is wiskunde onze meest effectieve methode om kosmische gebeurtenissen te begrijpen, vast te leggen en te voorspellen. In sommige culturen, zoals het oude India rond 500, was wiskunde inderdaad een sub-tak van de astronomie. Omgekeerd hebben astronomische verschijnselen de ontwikkeling van de wiskunde meer dan drie millennia lang beïnvloed, en inspireerden ze alles, van Babylonische voorspellingen van verduisteringen tot calculus, chaos en de kromming van de ruimtetijd.
Aanvankelijk was de belangrijkste astronomische rol van wiskunde het vastleggen van waarnemingen en het uitvoeren van nuttige berekeningen over verschijnselen zoals zonsverduisteringen, waarbij de maan de zon tijdelijk verduistert, of maansverduisteringen, waar de schaduw van de aarde de maan verduistert. Door na te denken over de geometrie van het zonnestelsel, realiseerden astronomische pioniers dat de aarde om de zon draait, ook al kijkt ze vanaf hier de andere kant op. De Ouden combineerden ook waarnemingen met geometrie om de grootte van de aarde en de afstanden tot de maan en de zon te schatten.
Diepere astronomische patronen begonnen rond 1600 te ontstaan, toen Johannes Kepler drie wiskundige regelmatigheden - 'wetten' - ontdekte in de banen van de planeten. In 1679 herinterpreteerde Isaac Newton de wetten van Kepler om een ambitieuze theorie te formuleren die niet alleen beschreef hoe de planeten van het zonnestelsel bewegen, maar ook de beweging van ieder systeem van hemellichamen. Dit was zijn zwaartekrachttheorie, een van de centrale ontdekkingen in zijn wereld veranderende Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Wiskundige principes van de natuurfilosofie). De zwaartekrachtswet van Newton beschrijft hoe elk lichaam in het universum elk ander lichaam aantrekt.
Door zwaartekracht te combineren met andere wiskundige wetten over de beweging van lichamen, een eeuw eerder ontwikkeld door Galileo, verklaarde en voorspelde Newton talrijke hemelverschijnselen. Meer in het algemeen veranderde hij onze manier van denken over de natuurlijke wereld, waardoor hij een wetenschappelijke revolutie creëerde die nog steeds aan de gang is. Newton toonde aan dat natuurlijke fenomenen (vaak) worden beheerst door wiskundige patronen, en door deze patronen te begrijpen, kunnen we ons begrip van de natuur verbeteren. In het tijdperk van Newton legden de wiskundige wetten uit wat er in de hemel gebeurde, maar ze hadden geen belangrijke praktische toepassingen, behalve voor navigatie.
***
Dat veranderde allemaal toen de USSR's Spoetnik satelliet ging in 1957 in een lage baan om de aarde en vuurde het startschot voor de ruimterace. Als u voetbal kijkt op satelliettelevisie - of opera of komedies of wetenschappelijke documentaires - profiteert u echt van Newton's inzichten.
Aanvankelijk leidden zijn successen tot een blik op de kosmos als een uurwerkuniversum, waarin alles majestueus de paden volgt die aan het begin van de schepping zijn aangelegd. Er werd bijvoorbeeld aangenomen dat het zonnestelsel in vrijwel zijn huidige staat is gemaakt, met dezelfde planeten die langs dezelfde bijna cirkelvormige banen bewegen. Toegegeven, alles schudde een beetje rond; de vooruitgang van de periode in astronomische waarnemingen had dat overduidelijk gemaakt. Maar er was een wijdverbreide overtuiging dat er gedurende talloze aionen niets was veranderd, veranderd of op een dramatische manier zou veranderen. In de Europese religie was het ondenkbaar dat Gods perfecte schepping in het verleden anders had kunnen zijn. De mechanistische kijk op een regelmatige, voorspelbare kosmos bleef driehonderd jaar bestaan.
Niet langer. Recente innovaties in de wiskunde, zoals de chaostheorie, gekoppeld aan de krachtige computers van vandaag, die in staat zijn om de relevante getallen met een ongekende snelheid te kraken, hebben onze kijk op de kosmos sterk veranderd. Het uurwerkmodel van het zonnestelsel blijft geldig gedurende korte perioden en in de astronomie is een miljoen jaar meestal kort. Maar onze kosmische achtertuin wordt nu onthuld als een plaats waar werelden van de ene baan naar de andere migreerden en zullen blijven. Ja, er zijn zeer lange periodes van regelmatig gedrag, maar van tijd tot tijd worden ze onderbroken door uitbarstingen van wilde activiteit. De onveranderlijke wetten die aanleiding gaven tot het idee van een uurwerkuniversum, kunnen ook plotselinge veranderingen en zeer grillig gedrag veroorzaken.
De scenario's die astronomen nu voor ogen hebben, zijn vaak dramatisch. Tijdens de vorming van het zonnestelsel kwamen bijvoorbeeld hele werelden in botsing met apocalyptische gevolgen. Op een dag, in de verre toekomst, zullen ze dat waarschijnlijk nog een keer doen: er is een kleine kans dat Mercurius of Venus verdoemd is, maar we weten niet welke. Het kunnen beide zijn en ze kunnen ons meenemen. Een dergelijke botsing leidde waarschijnlijk tot de vorming van de maan. Het klinkt als iets uit sciencefiction, en het is ... maar de beste soort, 'harde' sciencefiction waarin alleen de fantastische nieuwe uitvinding verder gaat dan de bekende wetenschap. Behalve dat er hier geen fantastische uitvinding is, alleen een onverwachte wiskundige ontdekking.
Wiskunde heeft ons begrip van de kosmos op elke schaal geïnformeerd: de oorsprong en beweging van de maan, de bewegingen en vorm van de planeten en hun begeleidende manen, de fijne kneepjes van asteroïden, kometen en Kuipergordelobjecten, en de zware hemelse dans van het hele zonnestelsel. Het heeft ons geleerd hoe interacties met Jupiter asteroïden naar Mars kunnen werpen, en vandaar de aarde; waarom Saturnus niet de enige is die ringen bezit; hoe de ringen zich in het begin vormden en waarom ze zich gedragen zoals ze doen, met vlechten, rimpels en vreemde roterende 'spaken'. Het heeft ons laten zien hoe de ringen van een planeet manen één voor één kunnen uitspuwen.
Uurwerk heeft plaats gemaakt voor vuurwerk.
Uittreksel uit "Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe" van Ian Stewart. Copyright © 2016. Verkrijgbaar bij Basic Books, een afdruk van Perseus Books, LLC, een dochteronderneming van Hachette Book Group, Inc. Alle rechten voorbehouden.
