Математика космоса
Как современная наука расшифровывает Вселенную

Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную
Иэн Стюарт

М.: Альпина Паблишер, 2018. — 542 с.
ISBN: 978-5-91671-814-0

Читать фрагмент книги

Как математические модели объясняют космос? Иэн Стюарт, лауреат нескольких премий за популяризацию науки, представляет захватывающее руководство по механике космоса в пределах от нашей Солнечной системы и до всей Вселенной. Он описывает архитектуру пространства и времени, темную материю и темную энергию, рассказывает, как сформировались галактики и почему взрываются звезды, как все началось и чем все это может закончиться. Он обсуждает параллельные вселенные, проблему тонкой настройки космоса, которая позволяет жить в нем, какие формы может принимать внеземная жизнь и с какой вероятностью наша земная может быть сметена ударом астероида.

«Математика космоса» — это волнующий и захватывающий математический квест на деталях внутреннего мира астрономии и космологии.

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория».

Другие книги автора:
1.Величайшие математические задачи. Иэн Стюарт
М.: Альпина Нон-фикшн, 2017
2.Математические головоломки профессора Стюарта. Иэн Стюарт
М.: Альпина Нон-фикшн, 2017
3. Невероятные числа профессора Стюарта. Иэн Стюарт. М.: Альпина Нон-фикшн, 2017

Отзыв на книгу написал Олег Верходанов, доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории радиоастрофизики САО РАН.

"Сразу следует признаться, что вот так просто сесть, прочесть толстую (542 стр.) научно-популярную книгу известного автора, профессора математики Иэна Стюарта и после этого написать отзыв для меня дело не то, чтобы нетривиальное, но довольно необычное…

И этому тексту, естественно, предшествовало множество разговоров с разными специалистами — как с математиками, так и с коллегами-астрофизиками. Обсуждаемые темы касались не только уровня популярности, на котором автору предпочтительнее представлять подобный материал, но вопроса о том, стоило ли вообще в книге подробно останавливаться на альтернативных моделях, не отражающих полно современные результаты высокоточных астрономических наблюдений. И вообще: может ли ученый из другой области науки, хотя бы и точной, обсуждать и сомневаться в современных знаниях из области астрофизики и космологии? И, дабы не нагнетать ненужной интриги, сразу отвечу на основной вопрос потенциальных читателей: стоит ли читать эту книгу? Да, стоит.

Вопросы, связанные c содержанием отдельных глав, на самом деле касаются нескольких существенных моментов научной и научно-популяризаторской деятельности. Первое: действительно ли то, что сейчас считается хорошо изученным, также ясно представляется специалистам из другой области? То есть могут ли они увидеть сомнительные элементы не в данных, а именно в логике теоретических рассуждений и интерпретации наблюдений? Второе: может ли математик, известный ученый-популяризатор, писать о другой, пусть и естественнонаучной области и оставлять едкие замечания, как это делает Иэн Стюарт о некоторых фундаментальных результатах современных астрофизики и космологии? И третье: как вообще нужно преподносить обществу важные результаты, чтобы они были, с одной стороны, интересны и понятны, а с другой — чтобы автора популярного текста не посчитали профаном в данной области?

Начнем с автора. Кто такой Иэн Стюарт? Это действительно выдающийся (а не просто известный) популяризатор математики, профессор Уорикского университета (Великобритания).

Он является автором десятков научно-популярных статей, пяти учебников по математике, в том числе и по теории катастроф, которая связана с некоторыми главами обсуждаемой книги. Кроме того, Иэн Стюарт пишет в соавторстве с Джеком Коэном научно-фантастические романы. Среди известных работ Стюарта есть и много публицистических статей о математических проблемах в разных областях науки.

Любопытным творением Иэна Стюарта вместе с Терри Пратчеттом и Джеком Коэном представляется книга «Наука Плоского мира», содержащая научное обсуждение событий в утопической вселенной «Плоского мира» Терри Пратчетта, описанных им более чем в сорока произведениях.

Книга «Математика космоса» продолжает серию статей и книг Стюарта о значимости математики в разных областях знания. Объем глав и их направленность, конечно же, отражают личные интересы автора — специалиста по динамическим нелинейным системам и теории хаоса. Чуть больше половины книги (десять глав плюс включения в других главах, описывающих, скажем, динамику галактик) посвящено различным вопросам небесной механики, которую можно рассматривать как область математики. Причем область, близкую к исследованиям самого автора в теории хаоса и нелинейной динамике. Сам стиль изложения в этих главах отличается от классического в учебниках по небесной механике, с которым мы встречаемся в университетских курсах по общей астрономии.

Автор показательно избегает формул, а когда они требуются для пояснения взаимодействия между телами, то описывает процессы буквально на пальцах. На мой взгляд, простейшие формулы вроде закона всемирного тяготения Ньютона, можно было бы, конечно, ввести в текст книги. Это бы не отпугнуло потенциального читателя, а продемонстрировало бы ему красоту законов природы. Главы, посвященные описанию взаимодействий небесных тел, позволяют читателю разобраться с красивой теорией резонансов, объясняющей взаимоположения планет и их спутников, а также то, каким образом некоторые астероиды и кометы неожиданно меняют свои траектории. Автор показывает, как организуются хаотические орбиты малых планет и спутников. В продолжении темы заинтересованные читатели найдут в этих главах ссылки и на наших соотечественников — выдающихся ученых А. М. Ляпунова, А. Н. Коломогорова, В. И. Арнольда, которые развивали близкие области математики.

Почти все популярные современные книги о космосе не могут избежать волнующего рассказа о свойствах пространства-времени, о черных дырах, темной материи и темной энергии, о происхождении жизни и тонкой «настройке» Вселенной (вспомним антропный принцип), о возникновении самого нашего мира и рассуждений о Мультивселенной.

Естественно, любое исследование в области физики включает математический анализ данных измерений и их теоретическую интерпретацию, часто представленную в виде аналитических формул. И автор закономерно рассматривает исследования в области астрофизики и космологии как применение разнообразных математических методов.

Уже в 12-й главе, где обсуждается образование структуры спиральных галактик, рассмотрено несколько вариантов их формирования, включая альтернативные, например опирающиеся на скачки плотности в меж­звездной среде. На самом деле Иэн Стюарт c удовольствием рассматривает альтернативные модели различных объектов и вообще Вселенной, наслаждаясь именно математическими построениями. Здесь, конечно, есть минус. Мы, действительно, можем иметь красивое математическое описание и решение космологической задачи, но оно может вовсе не иметь отношения к новым данным, точнее отражающим реальность. В этом плане Стюарту близок другой математик, внесший, кстати, большой вклад в теорию черных дыр, — Роджер Пенроуз. На него Стюарт ссылается неоднократно. Любопытно, что читая описание альтернативных моделей астрофизических объектов и систем, сомнительных с точки зрения современных данных, читатель не до конца понимает, подтрунивает ли на ним автор или это действительно его серьезные сомнения в результатах наблюдений. Например, на разных страницах 14-й главы Стюарт говорит и о существовании черных дыр, и о том, что их может не быть вовсе. И приводит на нескольких страницах описание альтернативной модели — гравастаров. Можно, конечно, спросить: а куда смотрел научный редактор? И вот здесь я выражу благодарность научному редактору перевода, который во множестве мест аккуратно (чтобы не задеть автора), но точно (для читателя) вставляет в текст замечания, позволяющие быть в курсе реального состояния дел. И об этом следует сказать отдельно ниже.

Количество рассматриваемых альтернативных моделей значительно возрастает в главах, посвященных космологическим проблемам, — формированию крупномасштабной структуры Вселенной, теории инфляции, темной материи и темной энергии. Автор, конечно же, дает и описание стандартной современной космологической модели. Но мы к этому подходим (вместе с автором) через блок описаний, в корне противоречащих последним наблюдениям. Мы видим, что Стюарт в курсе современных деталей, но следует интересным (на его взгляд) математическим выкладкам, не вполне соответствующим (отметим это вслед за научным редактором перевода) данным наблюдений. Сомнения автора касаются и возраста Вселенной, и ее размеров, и соотношения основных ее компонентов, а также самой теории Большого взрыва и даже — в чем-то — теории гравитации.

Конечно, автор ссылается на определенные работы, но их подбор неоднозначен и вовсе не полон. У меня при прочтении книги всё время возникало впечатление, что Стюарт понимает значимость последних измерений и построения согласованной модели, иначе не приводил бы альтернативные модели Вселенной для разных частных случаев наблюдений, которые вместе друг с другом уже абсолютно не согласуются.

Иногда подтрунивание наблюдается явно, когда Стюарт вводит новую несовершенную модель, сохраняя интригу, описывая ее в деталях и наслаждаясь математическими выкладками, а потом вдруг приводит результаты новых измерений, которые ее опровергают.

Если читатель знаком с результатами и данными последних астрофизических экспериментов, то в начале изложения у него не может не возникнуть мысль: «Как же так?! Это же уже закрыто в прошлом веке!» А если читатель со всем этим не знаком, то будет переживать разрушение красивых математических построений вместе с автором. Много чего можно сказать про физическое несовершенство большинства описанных в книге моделей Вселенной. Но вопрос ведь не в этом, а в том (как и в начале этой заметки), надо ли про всё это читать? На мой взгляд, да, надо.

Вдумчивый или сомневающийся читатель сможет с этим разобраться и даже начнет задавать столь же едкие вопросы как на астрономических и физических форумах, так и на популярных лекциях. И ответы на эти вопросы станут как бы продолжением этой книги.

Мой университетский профессор при чтении курса физики звезд говорил, что «Виктор Амазаспович Амбарцумян [кстати, основатель нашей университетской кафедры астрофизики] может говорить, что звезды горят благодаря распаду D-тел. Но вы обязаны знать физику звезд». Иэн Стюарт может рассматривать альтернативные модели жизни Вселенной (и, кстати, современную стандартную тоже) как известный математик, получающий удовольствие от их построения и делящийся этим удовольствием с читателем. Но читатель должен быть в курсе того, что происходит на самом деле. И здесь помогают множественные комментарии научного редактора. Отмечу с улыбкой, что при рассмотрении большого числа космологических моделей нашей Вселенной был бы необходим всего один комментарий, описывающий реальную ситуацию.

Я рекомендую читать книгу с карандашом, отмечая любопытные моменты и сомнительные места. И самостоятельно либо с помощью ответов профессионалов в дальнейшем с ними разбираться. Это тоже путь понимания нашего мира. Для себя я отметил несколько. А из забавного оценил математический подход к построению возможной альтернативной жизни. Этот момент из 13-й главы касается рассмотрения возможности появления жизни, основанной на принципиально другой системе передачи информации, отличной от нашей ДНК. Приводится пример гипотетических организмов, названных Nimbus, которые могли бы передавать наследственную инфомацию так, как это делается при копировании микросхем. И эти существа могли бы быть, упрощенно говоря, трехполыми. Аналогично, ошибки при копировании способны приводить к полезным мутациям, дающим новым копиям конкурентные преимущества.

Математика — красивая наука. Несомненно, тот, кто ее любит, получит удовольствие от прочтения книги. И все читатели увидят не только сложность нашего мира, но и разные попытки объяснения реальности."

ТрВ №23 (267) за 2018 год - читать источник