prologue

01 La force d'attraction à distance : la loi de la gravité qui régit l'univers
02 L'effondrement de la nébuleuse solaire : la naissance du système solaire
03 Lune inhabituelle : La naissance de la Lune
04 L'univers mécanique : la loi de Titius-Bode
05 Police du ciel : L'histoire d'une découverte d'astéroïde
06 La planète qui a dévoré ses propres enfants : le secret des anneaux de Saturne
07 Les étoiles de Cosimo : orbites satellites et résonances de Laplace
08 D'où viennent les comètes : L'origine des comètes
09 Le chaos dans l'univers : la dynamique du chaos
10 autoroutes interplanétaires : ellipses de Hohmann et points de Lagrange
11 boules de feu géantes : spectroscopie et évolution stellaire
12 Le Grand Fleuve Céleste : La structure et les bras spiraux des galaxies
13 mondes extraterrestres : explorer les exoplanètes
14 étoiles noires : trous noirs et relativité générale
15 fils et cavités géantes : la géométrie de l'univers
16 œufs cosmiques : le Big Bang et l'expansion de l'univers
17 Big Bang : Inflation et énergie sombre
18 Le côté obscur : Matière noire
19 univers au-delà du nôtre : constantes fondamentales et multivers

Épilogue
Postface et références
Unités et termes
Source des photos et illustrations
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Comment la Terre et l'univers dans lesquels nous vivons ont-ils été créés ?
L'histoire fascinante de l'humanité et des mathématiques explorant le monde inconnu !

L'astéroïde « Point bleu pâle » a été nommé ainsi par l'astronome Carl Sagan d'après une photo de la Terre prise par Voyager 1 en 1990, juste avant qu'elle ne quitte le système solaire lors de son survol de Pluton.
Cette prise de conscience que la Terre n'est qu'un minuscule point dans l'immensité de l'espace est une pensée surprenante qui a amené l'humanité à se retourner sur elle-même avec humilité et à ressentir la grandeur de l'espace.
Parallèlement, il s'agissait d'un événement historique qui a stimulé l'imagination et la curiosité de l'humanité à propos de cette existence inconnue appelée « espace ».
Ian Stewart, mathématicien britannique et auteur de vulgarisation scientifique, lauréat du prix Michael Faraday de la Royal Society pour sa contribution à la vulgarisation scientifique et du prix de l'Association américaine pour l'avancement des sciences pour la vulgarisation scientifique, et professeur émérite à l'université de Warwick, propose aux lecteurs coréens un ouvrage surprenant qui utilise les mathématiques pour révéler les secrets cachés dans l'univers.
Le professeur Ian Stewart, bien connu des lecteurs coréens grâce à ses ouvrages « Great Mathematical Problems » et « A History of Mathematics for the Liberal Arts », déploie avec brio ses vastes connaissances allant de l'astronomie à la physique en passant par la cosmologie dans ce livre intitulé « Computing the Universe: An Invitation to Mathematical Thinking from the Vast Universe ».
Il relate les histoires fascinantes d'astronomes, de mathématiciens et de physiciens qui ont étudié les secrets de l'univers à travers l'histoire, de Kepler, qui a découvert des phénomènes naturels tels que les éclipses solaires et lunaires et les orbites des planètes, à Newton et Einstein, qui ont élaboré les lois de la gravité et de la gravitation universelle qui s'appliquent aux corps célestes.

Ce livre est un voyage à travers les mathématiques et l'humanité, retraçant comment elles ont prédit l'existence de corps célestes jusque-là inobservés, de la Terre et de la Lune aux astéroïdes et aux trous noirs, en passant par la théorie du Big Bang et le multivers, et comment elles dévoilent les secrets de cette existence inconnue qu'est l'univers.

De la gravité au soleil, à la lune, aux comètes, aux trous noirs, au Big Bang et au multivers.
Offrir une sagesse profonde et riche sur l'univers

Quand la curiosité de l'humanité pour l'espace a-t-elle commencé ?
L'histoire de l'exploration spatiale et des sciences humaines qui en ont découlé remonte à l'ancienne Babylone, il y a 3 000 ans.
Depuis les prédictions des éclipses par les anciens Babyloniens jusqu'au calcul infinitésimal, au chaos et à la courbure de l'espace-temps, l'humanité s'est constamment efforcée de comprendre les phénomènes astronomiques, notamment le soleil, la lune, les planètes et les étoiles.
Ces efforts ont inspiré tous les aspects de l'apprentissage humain et ont eu un impact particulièrement profond sur le développement des mathématiques.
Grâce aux mathématiques, l'humanité a pu calculer les principes des éclipses solaires et lunaires, et même estimer la rotation et la vitesse orbitale des planètes, la taille des étoiles et les distances entre les étoiles.
De plus, les mathématiques nous ont aidés à comprendre la planète sur laquelle nous vivons, la Terre, grâce à la loi de la gravité, et sont devenues le fondement de la civilisation scientifique qui nous permet aujourd'hui de naviguer dans l'univers.
Ce livre, « Calculer l'univers », révèle que la nature (y compris l'univers) est formée et fonctionne selon des lois mathématiques.
Ce livre comprend un total de 19 chapitres.
Il couvre presque tous les phénomènes célestes que l'humanité a jamais découverts, depuis la loi de la gravitation découverte par Newton, les secrets de la formation du système solaire et de la lune, la loi de Titius-Bode qui a révélé les secrets de la disposition des planètes dans l'univers, la découverte des astéroïdes, les orbites des satellites, la composition et les principes des comètes, la structure des galaxies, la matière noire, les principes des trous noirs, le Big Bang et l'expansion de l'univers, et le multivers.
Comme l'a dit le professeur Kim Min-hyung, mathématicien de renommée mondiale et professeur au Merton College d'Oxford, ce livre nous offre une « sagesse profonde et riche sur l'univers ».

Réfléchissons à la gravité.
Il a fallu un génie hors pair pour comprendre que la force qui fait tomber les objets terrestres est la même force qui maintient les objets célestes en l'air.
Newton a comparé une pomme qui tombe à la lune et s'est rendu compte que la lune, contrairement à la pomme, flotte dans le ciel parce qu'elle se déplace « latéralement ».
En réalité, la Lune s'éloigne constamment de la Lune, mais la surface de la Terre s'en éloigne à la même vitesse.
La lune tourne donc éternellement autour de la Terre, en tombant, sans jamais entrer en collision avec elle.
La véritable différence n'était donc pas que les pommes tombaient et que la lune, elle, restait en place.
La véritable différence résidait dans le fait que la pomme ne s'est pas déplacée latéralement assez vite pour finir par entrer en collision avec la Terre.
La découverte de la loi de la gravitation universelle est considérée comme un moment véritablement héroïque dans l'histoire et le développement des sciences.
Cette loi, qui stipule que « tout objet » de l'univers attire tout autre objet, nous permet de connaître l'ampleur et la direction de « toutes les forces qui y apparaissent » dans n'importe quel espace (que ce soit sur Terre ou hors de la Terre).
En intégrant toutes ces forces dans les lois du mouvement, nous pouvons déterminer l'accélération, ou vitesse, et la position de chaque objet à tout instant.
Les lois du mouvement et de la gravitation de Newton ont conduit à une alliance permanente entre l'astronomie et les mathématiques, à l'origine d'une grande partie de nos connaissances actuelles sur l'univers.
Ian Stewart explore l'histoire des comètes, ainsi que celle de la gravité.
Comme le révèlent les œuvres de Shakespeare, les comètes sont depuis longtemps considérées comme des présages de désastre.
Cet objet énigmatique apparaît soudainement dans le ciel nocturne, doté d'une longue queue brillante et incurvée, se déplaçant lentement sur fond d'étoiles avant de disparaître à nouveau.
Autrefois, lorsque la compréhension de l'astronomie était limitée, les comètes étaient soit des messagères envoyées par les dieux, soit utilisées par les prêtres et les chamans pour renforcer leur influence.
Cette ignorance fut finalement dissipée par des preuves scientifiques, lorsque l'astronome Tycho Brahe calcula la distance qui le séparait de la Grande Comète en 1577, démontrant qu'elle était plus éloignée que la Lune.
Une comète était un corps céleste qui existait dans le ciel.
La comète de Halley, la plus connue d'entre nous, est l'une des grandes découvertes astronomiques réalisées par Edmond Halley vers 1705, basée sur des modèles mathématiques.
Edmond Halley avait prédit que le mouvement des comètes était périodique et que la même comète reviendrait dans le ciel terrestre à intervalles réguliers.
Edmond Halley a étudié et synthétisé les preuves relatives aux observations de comètes pour prouver cette prédiction, et a démontré que son hypothèse était correcte (bien qu'il soit décédé avant que cela puisse être prouvé).
En réalité, les premières observations de la comète de Halley remontent à la Chine, en 240 avant J.-C.
La comète de Halley, nommée d'après Edmond, fut le premier corps céleste autre qu'une planète découvert en orbite autour du Soleil, et la prédiction d'Edmond fut l'une des premières prédictions véritablement astronomiques basées sur la théorie mathématique de la mécanique céleste.
La plupart des cosmologistes pensent aujourd'hui que l'univers entier est né il y a environ 13,8 milliards d'années.
Un grain d'espace-temps est apparu de nulle part et s'est étendu à une vitesse incroyable, et à mesure que la boule de feu incandescente se refroidissait, des particules telles que les quarks et les gluons sont nées.
Ces particules se sont combinées pour former des protons et des neutrons, qui se sont combinés pour former des noyaux atomiques, et après 380 000 ans, les atomes d'hydrogène, d'hélium et de deutérium sont apparus.
À partir de ce moment, la matière commença à former des amas sous l'influence de la gravité, ce qui entraîna l'apparition d'étoiles et de planètes.
Ce scénario correspond au fameux Big Bang.
La théorie du Big Bang est née lorsque Hubble a découvert un schéma mathématique simple grâce à des observations astronomiques.
Einstein publia plus tard sa théorie de la relativité générale, qui réfutait l'idée que l'univers est un espace vide infiniment grand, et en 1927, Lemaître fit la surprenante découverte que « l'univers est en expansion » en utilisant les équations de champ d'Einstein.
Jusqu'à cette découverte, l'opinion dominante au sein de la communauté scientifique était que l'univers restait dans son état actuel (un espace infiniment vaste).
Il s'agissait d'une idée très novatrice, et la technologie astronomique de l'époque ne permettait ni de prouver l'hypothèse, ni de recueillir le soutien de la communauté scientifique.
Même Einstein pensait que cela n'avait aucun sens.
Mais quelques années plus tard, une astronome nommée Levitt, grâce à des expériences mesurant la luminosité de milliers d'étoiles, découvrit une régularité mathématique dans un type spécifique d'étoiles appelées variables céphéides.
Autrement dit, la luminosité intrinsèque d'une étoile est liée à sa période de variation d'une manière mathématique spécifique, et en utilisant les céphéides comme référence, il devient possible de déterminer la distance qui nous sépare d'autres étoiles.
D’après ces résultats, l’examen des spectres de nombreuses galaxies a révélé que beaucoup d’entre elles s’éloignent rapidement de la Terre.
L'univers continue de s'étendre de façon exponentielle en ce moment même.

Le voyage sans fin dans l'espace !

Le voyage dans l'espace a commencé à la préhistoire, lorsque les premiers humains levaient les yeux vers le ciel nocturne et se demandaient ce qui se passait là-haut.
Et nous poursuivons ce chemin.
La raison pour laquelle nous ignorons quand ce voyage prendra fin est que plus nous en apprenons sur l'univers, moins nous comprenons.
Les mathématiques se sont développées parallèlement à des domaines connexes tels que l'astronomie, la physique, la relativité et la théorie des cordes.
Quand la science pose des questions, les mathématiques tentent d'y répondre.
Les efforts de Newton pour découvrir les lois de la gravitation et du mouvement ont conduit au développement des équations différentielles et des problèmes à n corps.
Ces calculs ont à leur tour inspiré des prédictions quant à l'existence de Neptune et à la chute chaotique d'Hypérion.
C’est ainsi que les mathématiques et les sciences (notamment l’astronomie) sont devenues de plus en plus sophistiquées, s’inspirant mutuellement de nouveaux concepts.
Aujourd'hui, les scientifiques affinent et améliorent constamment leur compréhension de l'univers.
Voilà comment progresse la véritable science.
C'est comme faire trois pas en avant puis deux pas en arrière.
Dans cet ouvrage, Ian Stewart explique les conceptions traditionnelles de l'astronomie et des mathématiques et pourquoi elles ont été si largement acceptées.
Et si de telles conceptions doivent être révisées et remplacées par de nouvelles théories, elles doivent être critiquées de manière justifiée.
Ian Stewart soutient que fonder les énigmes scientifiques sur des preuves historiques n'est peut-être pas la bonne solution aujourd'hui.
Il y a encore quelques décennies, peu de gens croyaient au Big Bang ou à la matière noire.
Il y a eu d'innombrables erreurs et fautes, et c'est grâce à ce processus que les fondements scientifiques actuels ont été établis.
Ce fondement scientifique est-il vraiment correct ?
Peut-être pas.
Le Big Bang n'a peut-être pas eu lieu, et les trous noirs n'existent peut-être pas.
Le décalage vers le rouge n'est peut-être pas la preuve d'un univers en expansion.
Peut-être bien.
Peut-être pas.
Notre voyage dans l'espace se poursuit.
La joie est donc ici et maintenant, dans la tentative de comprendre tout cela.