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 to see our understanding explode.
یونانیان باستان ایدهای عالی داشتند: جهان هستی ساده است. از نظر آنها، تنها چهار عنصر برای ساختن جهان لازم بود: زمین، هوا، آتش و آب. به عنوان یک نظریه، زیباست. سادگی و ظرافت دارد. میگوید با ترکیب کردن چهار عنصر اولیه به روشهای مختلف، میتوانید این تنوع فوقالعاده در جهان را به وجود آورید. به عنوان مثال، زمین و آتش، چیزهای خشک را به وجود میآورند. هوا و آب، چیزهای خیس. اما به عنوان نظریه، مشکلی داشت. چیزی را پیشبینی نمیکرد که قابل اندازهگیری باشد، و اندازهگیری، مبنای علم تجربی است. از آن بدتر این که نظریه اشتباه بود. اما یونانیان باستان متفکران بزرگی بودند و در قرن پنجم پیش از میلاد لئوکیپوس از شهر میلتوس یکی از پایدارترین ایدههای علمی را مطرح کرد. هر چیزی که ما میبینیم از اجزایی کوچک و غیرقابلتقسیم به نام اتمها تشکیل شده است. این نظریه ساده و ظریف است و نسبت به نظریهی زمین، هوا، آتش و آب درستتر است. قرنها تفکر علمی و آزمایش ثابت کردهاند که عناصر واقعی مانند هیدروژن، کربن و آهن، میتوانند به اتمها شکسته شوند. در نظریه لئوکیپوس، اتم کوچکترین جزء غیرقابلتقسیمی است که همچنان قابل تشخیص است مانند هیدروژن، کربن یا آهن. تنها مشکل ایدهی لئوکیپوس این است که اتمها در واقع قابلتقسیم هستند. علاوه بر این، مشخص شد ایدهی اتم او تنها بخش کوچکی از عناصر سازنده جهان را توضیح میدهد. چیزی که به نظر میرسد عنصر معمول جهان باشد، در واقع بسیار کمیاب است. اتمهای لئوکیپوس و چیزهایی که از آنها ساخته شدهاند، در واقع تنها ۵ درصد از جهان را تشکیل میدهند. فیزیکدانها بقیهی جهان، ۹۵ درصد از آن را به عنوان جهان تاریک میشناسند، که از ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است. چطور این را میدانیم؟ خب، چون ما به چیزها نگاه میکنیم و آنها را میبینیم. شاید نسبتاً ساده به نظر برسد، اما در واقع خیلی عمیق است. تمام چیزهای ساخته شده از اتم، قابل دیدن هستند. نور را بازتاب میدهد و میتوانیم آن را ببینیم. وقتی به فضا نگاه میکنیم، ستارهها و کهکشانها را میبینیم. برخی از آنها، مثل این یکی که در آن زندگی میکنیم، زیبا و مارپیچی هستند و به آرامی در فضا میچرخند. وقتی دانشمندان برای اولین بار، حرکت گروهی از کهکشانها را در دهه ۱۹۳۰ اندازه گرفتند، و میزان مواد موجود در آنها را وزن کردند، غافلگیر شدند. آنها فهمیدند به اندازه کافی چیزهای قابل مشاهده برای کنار هم نگه داشتن آن گروهها وجود ندارد. سنجشهای بعدی هر یک از کهکشانها این نتیجه گیجکننده را تأیید کرد. در کهکشانها چیزهای قابل مشاهده کافی وجود ندارند که جاذبه کافی برای کنار هم نگه داشتن آنها ایجاد کند. بر اساس آنچه میبینیم، آنها باید از هم جدا شوند، اما نمیشوند. پس باید چیزهایی باشند که نمیتوانیم ببینیم. ما آن چیزها را ماده تاریک مینامیم. امروزه بهترین شواهد وجود ماده تاریک حاصل از سنجش چیزی است که تابش زمینه کیهانی نامیده میشود، تابش پس از مهبانگ، اما این داستان دیگری است. تمام شواهدی که داریم میگویند ماده تاریک وجود دارد و بیشتر چیزهای سازندهی آن کهکشانهای زیبا و مارپیچی را تشکیل میدهد که آسمانها را پر کردهاند. پس این ما را به کجا میرساند؟ زمان زیادی است که میدانیم آسمانها به دور ما نمیچرخند و ما ساکنین یک سیاره نسبتاً عادی هستیم، که به دور یک ستاره نسبتاً عادی میچرخد، در بازوی مارپیچی یک کهکشان نسبتاً عادی. کشف ماده تاریک ما را یک قدم از مرکز جهان بودن، به جلو برد. به ما گفت که چیزهای سازندهی ما تنها بخش کوچکی از چیزهایی هستند که جهان را میسازند. اما نکات دیگری هم بود. اوایل این قرن، دانشمندانی که فضای بیرونی جهان را مطالعه میکنند، تأیید کردند که نه تنها همه چیزها در حال دور شدن از هم هستند، همانطور که چنین انتظاری از جهانی که با مهبانگ داغ و متراکم آغاز شد، دارید، بلکه به نظر میرسد که سرعت انبساط جهان در حال افزایش است. دلیل این چیست؟ یا این که نوعی از انرژی این سرعت را افزایش میدهد، مثل این که با انرژی، سرعت یک خودرو را افزایش دهید، یا این که جاذبه دقیقاً آنطور که فکر میکنیم، عمل نمیکند. بیشتر دانشمندان فکر میکنند دلیل اول درست است، که نوعی انرژی، موجب این افزایش سرعت میشود، و آن را «انرژی تاریک» نامیدند. بهترین اندازهگیریهای امروزی به ما امکان میدهند که بفهمیم چقدر از جهان تاریک است. به نظر میرسد انرژی تاریک حدود ۶۸ درصد از جهان و ماده تاریک حدود ۲۷ درصد از آن را تشکیل میدهند، که ۵ درصد را برای ما و هر چیزی که میتوانیم ببینیم، باقی میگذارند. پس این چیزهای تاریک از چه ساخته شدهاند؟ نمیدانیم، اما نظریهای به «اَبَرتقارن» وجود دارد، که میتواند بخشی از آن را توضیح دهد. ابرتقارن یا به اختصار «سوزی»، طیف کاملی از ذرات جدید را پیشبینی میکند، که برخی از آنها میتوانند ماده تاریک را بسازند. اگر شواهدی از سوزی بیابیم، میتوانیم از درک ۵ درصد از جهان، چیزهایی که میتوانیم ببینیم، به درک حدود یک سوم آن برسیم. برای یک روز کار بد نیست. در ک انرژی تاریک احتمالاً سختتر خواهد بود، اما گمانهزنیهایی در مورد آن وجود دارند که شاید راه را مشخص کنند. در میان آنها نظریههایی هستند که به ایده عالی یونانیان باستان برمیگردند، ایدهای که چند دقیقه قبل با آن شروع کردیم، این ایده که جهان باید ساده باشد. این نظریهها پیشبینی میکنند که تنها یک عنصر وجود دارد که ریشه تمام تنوع فوقالعاده جهان در آن است، یک ریسمان ارتعاشی. ایده این است که تمام ذراتی که امروزه میشناسیم تنها هارمونیهای متفاوتی روی این ریسمان هستند. متاسفانه، امروزه نظریههای ریسمان هنوز قابل آزمون نیستند. اما با توجه به این همه بخشهای کشف نشده از جهان، احتمالات زیادی وجود دارد. آیا اینها باعث میشوند احساس کوچک بودن کنید؟ نباید اینطور باشد. در عوض، باید شگفتزده شوید از این واقعیت که تا آنجا که میدانیم، شما عضوی از تنها گونههایی در جهان هستید که قادرند شروع به درک شگفتیهای آن کنند، و در زمانی زندگی میکنید که انفجار دانش ما را ببینید.