「宇宙の計算」では、イアン・スチュワートが、太陽系から宇宙全体まで、宇宙への爽快なガイドを紹介します。天文学と宇宙論の研究への数学のバビロニアの統合から始めて、スチュワートは宇宙の私たちの理解の進化を追跡します：惑星運動のケプラーの法則がニュートンに重力の理論を定式化するように導いた方法。 2世紀後、火星の動きの小さな不規則性がアインシュタインに刺激を与え、相対性理論の一般的な理論を考案しました。宇宙が拡大しているという発見が80年前にどのようにしてビッグバン理論の起源に発展したか。単一点の起源と膨張が宇宙学者をインフレ、暗黒物質、暗黒エネルギーなどの宇宙の新しい要素の理論に導いた方法。しかし、インフレは今日の宇宙の構造を説明しているのでしょうか？暗黒物質は実際に存在しますか？長い間続いてきた科学的正統性に挑戦し、宇宙に対する私たちの理解を再び変える科学革命が起こり得るでしょうか？以下は、「宇宙の計算：数学が宇宙を明らかにする方法」（Basic Books、2016）からの抜粋です。
宇宙探査と利用におけるこれらの進歩は、巧妙な技術だけでなく、少なくとも3千年前の古代バビロンまでさかのぼる、長期にわたる一連の科学的発見にも依存しています。数学はこれらの進歩の中心にあります。もちろんエンジニアリングも不可欠です。必要な材料を作成して作業スペースのプローブに組み立てる前に、他の多くの科学分野での発見が必要でしたが、私は数学が宇宙に関する知識をどのように向上させたかに集中します。
宇宙探査の物語と数学の物語は、古くから密接に関係しています。数学は、太陽、月、惑星、星、そして宇宙を形成する関連オブジェクトの広大なパノラマを理解するために不可欠であることが証明されています-宇宙は壮大なスケールで考えられています。何千年もの間、数学は宇宙事象の理解、記録、予測の最も効果的な方法でした。確かに、500前後の古代インドなどの一部の文化では、数学は天文学の副分野でした。逆に、天文学的現象は3千年以上にわたって数学の発展に影響を与え、日食のバビロニアの予測から微積分、カオス、時空の曲率まですべてを刺激してきました。
当初、数学の主な天文学的な役割は、観測を記録し、月が一時的に太陽を遮る日食や、地球の影が月を遮る月食などの現象について有用な計算を行うことでした。太陽系の幾何学について考えることで、天文学の先駆者たちは、地球が太陽の下を回っていることに気づきました。古代の人々はまた、地球のサイズと月と太陽までの距離を推定するために、観測とジオメトリを組み合わせました。
ヨハネスケプラーが惑星の軌道に3つの数学的規則性-「法則」-を発見したとき、より深い天文学的パターンが1600年頃に現れ始めました。 1679年、アイザックニュートンはケプラーの法則を再解釈して、太陽系の惑星がどのように動くかだけでなく、 どれか 天体のシステム。これは彼の重力理論であり、世界を変える彼の中心的な発見の1つでした。 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica （自然哲学の数学的原理）。ニュートンの重力の法則は、宇宙の各体が他のすべての体をどのように引き付けるかを説明しています。
1世紀前にガリレオによって開拓された身体の動きに関する他の数学的法則と重力を組み合わせることにより、ニュートンは多くの天体現象を説明し、予測しました。より一般的には、彼は自然界に対する私たちの考え方を変え、今日も力を発揮している科学革命を生み出しました。ニュートンは、自然現象が（しばしば）数学的パターンに支配されていることを示し、これらのパターンを理解することで、自然に対する理解を向上させることができます。ニュートンの時代には、数学の法則が天国で何が起こっているかを説明していましたが、航法以外には実用的な用途はありませんでした。
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ソビエト連邦の スプートニク 衛星は1957年に地球の低軌道に突入し、宇宙レースの始発砲を発射しました。サッカーを衛星テレビで見たり、オペラやコメディ、科学のドキュメンタリーを見たりすると、ニュートンの洞察から現実の利益を享受できます。
当初、彼の成功は宇宙を時計仕掛けの宇宙と見なすようになり、すべてが堂々と創造の夜明けに定められた道をたどっています。たとえば、太陽系はほぼ現在の状態で作成され、同じ惑星が同じ円に近い軌道に沿って移動すると信じられていました。確かに、すべてが少しぐらつきました。天文観測の時代の進歩は、それを十分に明らかにしました。しかし、何も変わっていない、変わっていない、または数えきれない時代にわたって劇的な方法で変わると広く信じられていました。ヨーロッパの宗教では、神の完全な創造が過去に異なっていたとは考えられませんでした。定期的で予測可能な宇宙のメカニズムの見方は、300年間続きました。
もはや。カオス理論などの数学における最近の革新は、前例のないスピードで関連する数値を処理できる今日の強力なコンピューターと相まって、宇宙に対する私たちの見方を大きく変えました。太陽系の時計仕掛けのモデルは短期間有効であり、天文学では通常100万年は短いです。しかし、私たちの宇宙の裏庭は、世界が1つの軌道から別の軌道に移動した場所であることが明らかになりました。はい、規則正しい行動の期間は非常に長いですが、時々、野生の活動のバーストによって中断されることがあります。時計仕掛けの宇宙の概念を生み出した不変の法則も、突然の変化と非常に不安定な動作を引き起こす可能性があります。
現在、天文学者が想定しているシナリオは劇的です。たとえば、太陽系の形成中に、世界全体が終末論的な結果と衝突しました。ある日、遠い将来、彼らはおそらく再びそうするでしょう。水星と金星のどちらかが破滅する可能性はわずかですが、どちらかはわかりません。それは両方とも可能で、彼らは私たちを連れて行くことができます。そのような衝突の1つが、おそらく月の形成につながったでしょう。それはサイエンスフィクションの外の何かのように聞こえますが、それは...素晴らしい種類の「ハード」サイエンスフィクションであり、素晴らしい新しい発明だけが既知のサイエンスを超えています。ただし、ここには素晴らしい発明はなく、予期しない数学的発見があるだけです。
数学は、あらゆるスケールでの宇宙の理解に私たちに知らせました：月の起源と運動、惑星とそれらの伴星の動きと形、小惑星、彗星、カイパーベルトオブジェクトの複雑さ、そしてその壮大な天体ダンス太陽系全体。それは、木星との相互作用が小惑星を火星に向かって、そしてそれから地球にどのように飛ばすことができるかを私たちに教えました。なぜ土星は指輪を持っているだけではないのですか。そのリングが最初にどのように形成され、ブレードが波紋、奇妙な回転「スポーク」で、なぜそれらが彼らのように振舞うのかこれは、惑星の輪が一度に1つずつ月を吐き出す方法を示しています。
時計じかけは花火に道を譲った。
イアン・スチュワートによる「宇宙の計算：数学が宇宙を明らかにする方法」からの抜粋。 Copyright©2016。BasicBooksから入手できます。これは、Hachette Book Group、Incの子会社であるPerseus Books、LLCの刻印です。
