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.
Les Grecs de l'antiquité ont eu une idée géniale : L'univers est simple. Dans leur esprit, tout ce qu'il faut pour le créer, ce sont 4 éléments : la terre, l'air, le feu, et l'eau. C'est une belle théorie. Elle est simple et élégante. Elle dit qu'en combinant les 4 éléments de base de différentes manières, on pourrait produire toute la merveilleuse diversité de l'univers. La terre et le feu, par exemple, donnent des choses sèches. L'air et l'eau, des choses humides. Mais cette théorie posait un problème. Elle ne prédisait rien qui puisse être mesuré, et la mesure est à la base de la science expérimentale. Pire encore, la théorie était fausse. Mais les Grecs étaient de grands scientifiques de l'esprit et au 5e siècle av. J.-C., Leucippe de Milet a émis l'une des idées scientifiques les plus durables. Tout ce que nous voyons se compose de morceaux minuscules et indissociables de choses appelées atomes. Cette théorie est simple et élégante, et elle a l'avantage sur la théorie de la terre, l'air, le feu et l'eau d'être juste. Des siècles de pensée scientifique et d'expérimentation ont établi que les éléments réels, des choses comme l'hydrogène, le carbone, et le fer, peut être décomposé en atomes. Dans la théorie de Leucippe, l'atome est la plus petite chose indivisible encore reconnaissable comme de l'hydrogène, du carbone, ou du fer. La seule chose fausse dans l'idée de Leucippe est que les atomes sont, en fait, divisibles. En outre, son idée d'atomes s'avère n'expliquer qu'une petite partie de ce dont l'univers est fait. Ce qui semble être la matière ordinaire de l'univers est, en fait, assez rare. Les atomes de Leucippe et les choses dont ils sont faits, ne représentent en fait qu'environ 5 % de ce que nous savons être là. Les physiciens connaissent le reste de l'univers, 95 %, comme l'univers noir, fait de matière noire et d'énergie noire. Comment le savons-nous ? Nous le savons parce que nous regardons les choses et nous les voyons. Ça peut sembler plutôt simpliste, mais c'est en fait assez profond. Toute la matière qui est faite d'atomes est visible. La lumière rebondit dessus, et nous pouvons la voir. Quand on regarde dans l'espace on voit des étoiles et des galaxies. Certaines d'entre elles, comme celle dans laquelle nous vivons, sont de belles formes en spirale, qui tourbillonnent gracieusement à travers l'espace. Quand les scientifiques ont mesuré pour la première fois le mouvement des groupes de galaxies dans les années 1930 et pesé la quantité de matière qu'ils contenaient, ils ont eu une surprise. Ils ont constaté qu'il n'y a pas assez de matière visible dans ces groupes pour les maintenir ensemble. Des mesures ultérieures de galaxies individuelles ont confirmé ce résultat étonnant. Il n'y a tout simplement pas assez de matière visible dans les galaxies pour fournir une gravité suffisante pour les maintenir ensemble. De ce que nous voyons, elles devaient voler en éclats, mais ce n'est pas le cas. Donc, il doit y avoir de la matière là-bas que nous ne pouvons pas voir. Nous appelons cette matière la matière noire. La meilleure preuve de l'existence de la matière noire aujourd'hui vient des mesures de quelque chose appelé le fond diffus cosmologique, la rémanence du Big Bang, mais c'est une autre histoire. Toutes les preuves que nous avons disent que la matière noire est là et qu'elle représente une grande partie de la matière dans ces belles galaxies en spirales qui remplissent les cieux. Alors où en sommes-nous ? Nous savons depuis longtemps que les cieux ne tournent pas autour de nous et que nous sommes des habitants d'une planète assez ordinaire, en orbite autour d'une étoile assez ordinaire, dans le bras d'une galaxie assez ordinaire. La découverte de la matière noire nous a éloigné un peu du centre des choses. Ça nous a dit que la matière dont nous sommes faits n'est qu'une petite fraction de ce qui compose l'univers. Mais il y a plus à venir. Au début du siècle, des scientifiques qui étudiaient les confins de l'univers ont confirmé que non seulement tout s'éloigne de tout le reste, comme vous vous en doutez dans un univers qui a commencé par un Big Bang chaud et dense, mais cette expansion de l'univers semble aussi s'accélérer. De quoi s'agit-il ? Soit il y a une sorte d'énergie qui pousse cette accélération, tout comme vous fournissez l'énergie pour accélérer une voiture, ou la gravité ne se comporte pas exactement comme nous le pensons. La plupart des scientifiques pensent que c'est la première solution, qu'il y a une sorte d'énergie qui pousse à l'accélération, et ils l'appelèrent <i>l'énergie noire</i>. Les meilleures mesures d'aujourd'hui nous permettent de calculer à quel point de l'univers est noir. Il semble que l'énergie noire compose environ 68 % de l'univers et la matière noire, environ 27 %, ne laissant que 5 % pour nous et tout ce que nous voyons d'autre. Alors de quoi est faite la matière noire ? Nous ne savons pas, mais il y a une théorie, appelée la <i>supersymétrie</i>, qui pourrait l'expliquer en partie. La supersymétrie ou SUSY, prévoit toute une série de nouvelles particules, dont certaines pourraient constituer la matière noire. Si on trouvait des preuves de SUSY, on pourrait comprendre un tiers de notre univers, de ce que nous pouvons voir, au lieu de 5 % aujourd'hui. Pas mal pour une journée de travail. L'énergie noire serait probablement plus difficile à comprendre, mais il existe certaines théories spéculatives qui pourraient montrer la voie. Parmi ces théories se trouvent celles qui remontent à cette première grande idée de la Grèce antique, l'idée par laquelle nous avons commencé il y a quelques minutes, l'idée que l'univers doit être simple. Ces théories prédisent qu'il n'y a qu'un seul élément d'où a émergé la merveilleuse diversité de l'univers, une corde vibrante. L'idée est que toutes les particules que nous connaissons aujourd'hui ne sont que les différentes harmoniques de cette corde. Malheureusement, les théories des cordes aujourd'hui sont, pour l'instant, invérifiables. Mais, avec une si grande partie de l'univers à explorer, les enjeux sont élevés. Tout ça vous fait-il sentir petit ? Ça ne le devrait pas. Vous devriez plutôt admirer le fait que, pour autant qu'on sache, vous appartenez à la seule espèce de l'univers capable même de commencer à saisir ses merveilles, et vous vivez au bon moment pour voir notre compréhension exploser.