Trong "Tính toán vũ trụ", Ian Stewart trình bày một hướng dẫn thú vị về vũ trụ, từ hệ mặt trời của chúng ta đến toàn bộ vũ trụ. Bắt đầu với sự tích hợp toán học của Babylon vào nghiên cứu thiên văn học và vũ trụ học, Stewart theo dõi sự tiến hóa của sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ: Làm thế nào các định luật về chuyển động hành tinh của Kepler đã đưa Newton xây dựng lý thuyết về lực hấp dẫn của mình. Làm thế nào, hai thế kỷ sau, những bất thường nhỏ bé trong chuyển động của Sao Hỏa đã truyền cảm hứng cho Einstein nghĩ ra thuyết tương đối tổng quát của ông. Làm thế nào, tám mươi năm trước, phát hiện vũ trụ đang mở rộng dẫn đến sự phát triển của lý thuyết Big Bang về nguồn gốc của nó. Làm thế nào nguồn gốc và mở rộng một điểm khiến các nhà vũ trụ học đưa ra giả thuyết về các thành phần mới của vũ trụ, như lạm phát, vật chất tối và năng lượng tối. Nhưng lạm phát có giải thích cấu trúc của vũ trụ ngày nay không? Liệu vật chất tối có thực sự tồn tại? Liệu một cuộc cách mạng khoa học sẽ thách thức chính thống khoa học lâu đời và một lần nữa làm thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ đang trên đường? Dưới đây là một đoạn trích từ "Tính toán vũ trụ: Toán học tiết lộ vũ trụ" (Sách cơ bản, 2016).
Những tiến bộ trong khám phá và sử dụng không gian không chỉ phụ thuộc vào công nghệ thông minh, mà còn phụ thuộc vào một loạt các khám phá khoa học kéo dài ít nhất là từ thời Babylon cách đây ba thiên niên kỷ. Toán học nằm ở trung tâm của những tiến bộ này. Kỹ thuật tất nhiên cũng rất quan trọng, và những khám phá trong nhiều ngành khoa học khác là cần thiết trước khi chúng ta có thể chế tạo các vật liệu cần thiết và lắp ráp chúng thành một tàu thăm dò không gian làm việc, nhưng tôi sẽ tập trung vào cách toán học cải thiện kiến thức của chúng ta về vũ trụ.
Câu chuyện khám phá không gian và câu chuyện toán học đã song hành với nhau từ thời kỳ đầu tiên. Toán học đã chứng minh điều cần thiết để hiểu Mặt trời, Mặt trăng, các hành tinh, ngôi sao và vô số các vật thể liên kết cùng nhau tạo thành vũ trụ - vũ trụ được xem xét trên quy mô lớn. Trong hàng ngàn năm, toán học là phương pháp hiệu quả nhất để chúng ta hiểu, ghi lại và dự đoán các sự kiện vũ trụ. Thật vậy, trong một số nền văn hóa, chẳng hạn như Ấn Độ cổ đại khoảng năm 500, toán học là một nhánh phụ của thiên văn học. Ngược lại, các hiện tượng thiên văn đã ảnh hưởng đến sự phát triển của toán học trong hơn ba thiên niên kỷ, truyền cảm hứng cho mọi thứ từ các dự đoán của Babylon về nhật thực đến tính toán, hỗn loạn và độ cong của không thời gian.
Ban đầu, vai trò thiên văn chính của toán học là ghi lại các quan sát và thực hiện các tính toán hữu ích về các hiện tượng như nhật thực, trong đó Mặt trăng che khuất Mặt trời hay Mặt trăng che khuất, nơi bóng của Trái đất che khuất Mặt trăng. Khi suy nghĩ về hình học của hệ mặt trời, những người tiên phong trong thiên văn nhận ra rằng Trái đất quay quanh Mặt trời, mặc dù nó nhìn theo hướng khác từ dưới đây. Người xưa cũng kết hợp các quan sát với hình học để ước tính kích thước của Trái đất và khoảng cách đến Mặt trăng và Mặt trời.
Các mô hình thiên văn sâu hơn bắt đầu xuất hiện vào khoảng năm 1600, khi Johannes Kepler phát hiện ra ba quy tắc toán học - 'định luật' - trong quỹ đạo của các hành tinh. Năm 1679, Isaac Newton đã giải thích lại các định luật của Kepler để hình thành một lý thuyết đầy tham vọng mô tả không chỉ cách các hành tinh của hệ mặt trời di chuyển, mà là sự chuyển động của bất kì hệ thống các thiên thể. Đây là thuyết hấp dẫn của anh, một trong những khám phá trung tâm trong sự thay đổi thế giới của anh Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Nguyên tắc toán học của triết học tự nhiên). Định luật hấp dẫn của Newton mô tả cách mỗi cơ thể trong vũ trụ thu hút mọi cơ thể khác.
Bằng cách kết hợp lực hấp dẫn với các định luật toán học khác về chuyển động của các cơ thể, được tiên phong bởi Galileo một thế kỷ trước đó, Newton đã giải thích và dự đoán nhiều hiện tượng thiên thể. Tổng quát hơn, ông đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về thế giới tự nhiên, tạo ra một cuộc cách mạng khoa học vẫn còn sức mạnh trước mắt ngày nay. Newton đã chỉ ra rằng các hiện tượng tự nhiên (thường) bị chi phối bởi các mẫu toán học và bằng cách hiểu các mẫu này, chúng ta có thể cải thiện sự hiểu biết về tự nhiên. Trong thời đại của Newton, các định luật toán học đã giải thích những gì đang xảy ra trên thiên đàng, nhưng chúng không có những ứng dụng thực tế quan trọng, ngoài việc điều hướng.
***
Tất cả đã thay đổi khi Liên Xô Sputnik vệ tinh đã đi vào quỹ đạo Trái đất thấp vào năm 1957, bắn phát súng khởi đầu cho cuộc đua vũ trụ. Nếu bạn xem bóng đá trên truyền hình vệ tinh - hoặc opera hoặc hài kịch hoặc phim tài liệu khoa học - bạn sẽ gặt hái được lợi ích trong thế giới thực từ những hiểu biết của Newton.
Ban đầu, những thành công của ông đã dẫn đến một cái nhìn về vũ trụ như một vũ trụ đồng hồ, trong đó mọi thứ đều hùng vĩ đi theo những con đường được đặt vào buổi bình minh của sự sáng tạo. Ví dụ, người ta tin rằng hệ mặt trời được tạo ra ở trạng thái hiện tại khá nhiều, với cùng các hành tinh di chuyển dọc theo cùng quỹ đạo gần tròn. Phải thừa nhận rằng, mọi thứ cứ luẩn quẩn một chút; những tiến bộ của thời kỳ trong các quan sát thiên văn đã làm cho điều đó trở nên rõ ràng. Nhưng có một niềm tin rộng rãi rằng không có gì thay đổi, đã thay đổi hoặc sẽ thay đổi theo bất kỳ cách thức kịch tính nào qua vô số các eons. Trong tôn giáo châu Âu, điều không thể tưởng tượng là sự sáng tạo hoàn hảo của Chúa có thể khác trước đây. Quan điểm cơ học về một vũ trụ thường xuyên, có thể dự đoán được tồn tại trong ba trăm năm.
Không còn nữa. Những đổi mới gần đây trong toán học, chẳng hạn như lý thuyết hỗn loạn, cùng với các máy tính mạnh mẽ ngày nay, có thể tạo ra những con số liên quan với tốc độ chưa từng thấy, đã thay đổi đáng kể quan điểm của chúng ta về vũ trụ. Mô hình đồng hồ của hệ mặt trời vẫn còn hiệu lực trong khoảng thời gian ngắn và trong thiên văn học, một triệu năm thường ngắn. Nhưng sân sau vũ trụ của chúng ta hiện được tiết lộ là một nơi mà các thế giới đã và sẽ di cư từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Vâng, có những khoảng thời gian rất dài của hành vi thường xuyên, nhưng theo thời gian, chúng bị ngắt quãng bởi các hoạt động hoang dã. Các định luật bất biến đã đưa ra khái niệm về vũ trụ đồng hồ cũng có thể gây ra những thay đổi đột ngột và hành vi rất thất thường.
Các kịch bản mà các nhà thiên văn học hiện nay dự tính thường rất kịch tính. Trong quá trình hình thành hệ mặt trời, chẳng hạn, toàn bộ thế giới đã va chạm với hậu quả tận thế. Một ngày nào đó, trong tương lai xa, họ có thể sẽ lại làm như vậy: có một cơ hội nhỏ rằng Sao Thủy hoặc Sao Kim sẽ bị tiêu diệt, nhưng chúng ta không biết điều đó. Nó có thể là cả hai, và họ có thể đưa chúng ta theo. Một vụ va chạm như vậy có lẽ đã dẫn đến sự hình thành của Mặt trăng. Nghe có vẻ như là một thứ gì đó ngoài khoa học viễn tưởng, và nó là loại nhưng là loại khoa học viễn tưởng 'cứng' nhất, trong đó chỉ có phát minh mới tuyệt vời vượt xa khoa học đã biết. Ngoại trừ ở đây không có phát minh tuyệt vời, chỉ là một khám phá toán học bất ngờ.
Toán học đã thông báo cho sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở mọi quy mô: nguồn gốc và chuyển động của Mặt trăng, sự chuyển động và hình dạng của các hành tinh và các mặt trăng đồng hành của chúng, sự phức tạp của các tiểu hành tinh, sao chổi và các vật thể vành đai Kuiper và vũ điệu thiên thể đáng kinh ngạc của Toàn bộ hệ mặt trời. Nó đã dạy chúng ta cách tương tác với Sao Mộc có thể ném các tiểu hành tinh về phía Sao Hỏa và từ đó đến Trái đất; Tại sao Sao Thổ không đơn độc trong việc sở hữu nhẫn; những chiếc nhẫn của nó hình thành như thế nào để bắt đầu và tại sao chúng hoạt động như chúng, với bím tóc, gợn sóng và 'nan hoa' quay lạ. Nó đã cho chúng ta thấy làm thế nào các vòng của một hành tinh có thể phun ra các mặt trăng, từng cái một.
Đồng hồ đã nhường chỗ cho pháo hoa.
Trích từ "Tính toán vũ trụ: Toán học tiết lộ vũ trụ" của Ian Stewart như thế nào. Bản quyền © 2016. Có sẵn từ Sách cơ bản, dấu ấn của Perseus Books, LLC, công ty con của Tập đoàn sách Hachette, Inc. Tất cả quyền được bảo lưu.
