Die alten Griechen hatten eine tolle Idee: Das Universum ist simpel. Ihrer Meinung nach bestand es aus vier Elementen: Erde, Luft, Feuer und Wasser. In der Theorie klingt das wunderschön; sie hat Schlichtheit und Eleganz. Durch Kombination der vier Elemente könne man die Vielfalt des Weltalls erschaffen. Erde und Feuer etwa liefern trockene Dinge, Luft und Wasser nasse Dinge. Doch die Theorie war problematisch. Sie konnte nichts Messbares vorhersagen und Messungen sind die Basis für experimentelle Wissenschaft. Schlimmer noch: Die Theorie war falsch. Doch die Griechen waren Verstandeswissenschaftler und im 5. Jahrhundert n. Chr. entwickelte Leukipp von Milet eine der beständigsten wissenschaftlichen Ideen überhaupt. Alles was wir sehen, besteht aus kleinen, unteilbaren Teilen: Atomen. Diese Theorie ist schlicht und elegant und hat gegenüber der Elemente-Theorie den Vorteil korrekt zu sein. Jahrhunderte wissenschaftlichen Denkens und Ausprobierens wiesen nach, dass die echten Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Eisen in Atome zerlegt werden können. Nach Leukipps Theorie ist das Atom der kleinste unteilbare Teil, der noch als Wasserstoff, Kohlenstoff oder Eisen erkennbar ist. Das einzige Problem der Idee Leukipps ist, dass Atome in der Tat teilbar sind. Tatsächlich erklärt seine Theorie nur einen kleinen Teil von dem, was das Universum ausmacht. Was als normal im Weltall erscheint, ist in Wirklichkeit eher selten. Leukipps Atome und ihre Bestandteile machen nur etwa 5 % von dem aus, was wir dort draußen kennen. Physiker kennen den Rest des Universums, 95 % davon, als Dunkles Universum, das aus Dunkler Materie und Dunkler Energie besteht. Woher wir das wissen? Weil wir Dinge betrachten und sie erkennen. Das mag simpel klingen, ist aber eher tiefsinnig. Alle Dinge aus Atomen sind sichtbar. Licht prallt davon ab und wir sehen sie. Wenn wir ins Weltall blicken, sehen wir Sterne und Galaxien. Einige, wie die, in der wir leben, sind wunderschöne Spiralen, die anmutig durchs All wirbeln. In den 1930ern maßen Wissenschaftler erstmals die Bewegung von Galaxien und wogen die Masse der Materie in ihnen. Sie waren überrascht. Es gab nicht genügend sichtbare Dinge, die diese Gruppe zusammenhielt. Spätere Messungen einzelner Galaxien bestätigten dieses verwirrende Resultat. Es ist nicht genug Sichtbares in Galaxien, damit die Schwerkraft sie zusammenhält. Sie sollten auseinander fliegen, doch das tun sie nicht. Es muss also etwas geben, was wir nicht sehen können. Das nennen wir Dunkle Materie. Heutzutage stammt der beste Beweis für Dunkle Materie von Messungen der kosmischen Mikrowellenstrahlung, dem Nachbrennen des Urknalls. Aber das ist eine andere Geschichte. All unsere Beweise deuten auf Dunkle Materie hin, die für so viele Dinge in Spiralgalaxien verantwortlich ist. Was bedeutet das für uns? Wir wissen schon lange, dass der Himmel sich nicht um uns dreht. Wir sind Bewohner eines gewöhnlichen Planeten, der einen gewöhnlichen Stern umkreist, im Spiralarm einer gewöhnlichen Galaxie. Die Entdeckung Dunkler Materie führte uns einen Schritt vom Zentrum der Dinge weg. Die Dinge, aus denen wir sind, sind nur ein kleiner Teil von dem, was das Universum ausmacht. Doch das ist nicht alles. Wissenschaftler erforschten die Außenbereiche des Universums und bestätigten, dass sich alles voneinander weg bewegt, wie du es von einem Universum erwartest, das in einem dichten Urknall entstand. Die Ausdehnung des Universums scheint außerdem schneller zu werden. Was bedeutet das? Es gibt entweder eine Energie, die diese Beschleunigung vorantreibt, ähnlich wie Energie für ein Auto, oder die Schwerkraft verhält sich anders, als wir denken. Viele Wissenschaftler vermuten Ersteres: Es muss eine Energie geben, die die Beschleunigung leitet. Sie nannten sie Dunkle Energie. Die besten Messungen ermöglichen uns, den Anteil des dunklen Alls zu ermitteln. Dunkle Energie scheint etwa 68 % des Universums auszumachen; Dunkle Materie etwa 27 % und 5 % bleiben für uns und alles, was wir sehen können. Woraus bestehen diese Dunklen Dinge? Wir wissen es nicht, aber es gibt die Supersymmetrie, die etwas davon erklären könnte. Supersymmetrie, kurz SUSY, sagt eine Reihe neuer Partikel voraus, aus der Dunkle Materie bestehen könnte. Fänden wir Beweise für SUSY, würden wir statt 5 % des sichtbaren Alls, ein Drittel verstehen können. Nicht schlecht für ein Tagewerk. Dunkle Energie wäre wohl schwieriger zu verstehen, aber es gibt schon abstrakte Theorien, die richtig sein könnten. Manche beziehen sich auf die Idee der alten Griechen; die Idee, dass das Universum simpel ist. Laut diesen Theorien gibt es nur ein Element, aus dem alles im Universum abstammt: ein zitternder Faden. Demnach sind alle bekannten Partikel verschiedene Schwingungen des Fadens. Stringtheorien sind bisher nicht testbar. Aber mit so viel, das es im Universum noch zu entdecken gilt, steht viel auf dem Spiel. Fühlst du dich jetzt klein? Das solltest du nicht. Du solltest erstaunt sein, dass du ein Mitglied der einzigen Spezies im Weltall bist, die beginnt, seine Wunder zu verstehen. Du lebst zur rechten Zeit, um zu sehen, wie unser Wissen explodiert.
The ancient Greeks had a great idea: The universe is simple. In their minds, all you needed to make it were four elements: earth, air, fire, and water. As theories go, it's a beautiful one. It has simplicity and elegance. It says that by combining the four basic elements in different ways, you could produce all the wonderful diversity of the universe. Earth and fire, for example, give you things that are dry. Air and water, things that are wet. But as theories go, it had a problem. It didn't predict anything that could be measured, and measurement is the basis of experimental science. Worse still, the theory was wrong. But the Greeks were great scientists of the mind and in the 5th century B.C., Leucippus of Miletus came up with one of the most enduring scientific ideas ever. Everything we see is made up of tiny, indivisible bits of stuff called atoms. This theory is simple and elegant, and it has the advantage over the earth, air, fire, and water theory of being right. Centuries of scientific thought and experimentation have established that the real elements, things like hydrogen, carbon, and iron, can be broken down into atoms. In Leucippus's theory, the atom is the smallest, indivisible bit of stuff that's still recognizable as hydrogen, carbon, or iron. The only thing wrong with Leucippus's idea is that atoms are, in fact, divisible. Furthermore, his atoms idea turns out to explain just a small part of what the universe is made of. What appears to be the ordinary stuff of the universe is, in fact, quite rare. Leucippus's atoms, and the things they're made of, actually make up only about 5% of what we know to be there. Physicists know the rest of the universe, 95% of it, as the dark universe, made of dark matter and dark energy. How do we know this? Well, we know because we look at things and we see them. That might seem rather simplistic, but it's actually quite profound. All the stuff that's made of atoms is visible. Light bounces off it, and we can see it. When we look out into space, we see stars and galaxies. Some of them, like the one we live in, are beautiful, spiral shapes, spinning gracefully through space. When scientists first measured the motion of groups of galaxies in the 1930's and weighed the amount of matter they contained, they were in for a surprise. They found that there's not enough visible stuff in those groups to hold them together. Later measurements of individual galaxies confirmed this puzzling result. There's simply not enough visible stuff in galaxies to provide enough gravity to hold them together. From what we can see, they ought to fly apart, but they don't. So there must be stuff there that we can't see. We call that stuff dark matter. The best evidence for dark matter today comes from measurements of something called the cosmic microwave background, the afterglow of the Big Bang, but that's another story. All of the evidence we have says that dark matter is there and it accounts for much of the stuff in those beautiful spiral galaxies that fill the heavens. So where does that leave us? We've long known that the heavens do not revolve around us and that we're residents of a fairly ordinary planet, orbiting a fairly ordinary star, in the spiral arm of a fairly ordinary galaxy. The discovery of dark matter took us one step further away from the center of things. It told us that the stuff we're made of is only a small fraction of what makes up the universe. But there was more to come. Early this century, scientists studying the outer reaches of the universe confirmed that not only is everything moving apart from everything else, as you would expect in a universe that began in hot, dense big bang, but that the universe's expansion also seems to be accelerating. What's that about? Either there is some kind of energy pushing this acceleration, just like you provide energy to accelerate a car, or gravity does not behave exactly as we think. Most scientists think it's the former, that there's some kind of energy driving the acceleration, and they called it <i>dark energy</i>. Today's best measurements allow us to work out just how much of the universe is dark. It looks as if dark energy makes up about 68% of the universe and dark matter about 27%, leaving just 5% for us and everything else we can actually see. So what's the dark stuff made of? We don't know, but there's one theory, called <i>supersymmetry</i>, that could explain some of it. Supersymmetry, or SUSY for short, predicts a whole range of new particles, some of which could make up the dark matter. If we found evidence for SUSY, we could go from understanding 5% of our universe, the things we can actually see, to around a third. Not bad for a day's work. Dark energy would probably be harder to understand, but there are some speculative theories out there that might point the way. Among them are theories that go back to that first great idea of the ancient Greeks, the idea that we began with several minutes ago, the idea that the universe must be simple. These theories predict that there is just a single element from which all the universe's wonderful diversity stems, a vibrating string. The idea is that all the particles we know today are just different harmonics on the string. Unfortunately, string theories today are, as yet, untestable. But, with so much of the universe waiting to be explored, the stakes are high. Does all of this make you feel small? It shouldn't. Instead, you should marvel in the fact that, as far as we know, you are a member of the only species in the universe able even to begin to grasp its wonders, and you're living at the right time