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.
ליוונים העתיקים היה רעיון מעולה היקום הוא פשוט. לדעתם, כל מה שהיה צריך כדי ליצור אותו היו ארבעה יסודות: אדמה, אויר, אש, ומים. התאוריות אומרות, שהוא יפיפיה. יש לו פשטות ואלגנטיות. היא אומרת שעל ידי שילוב ארבעת היסודות הפשוטים האלה בדרכים שונות, אתם יכולים ליצור את כל הגיוון הנפלא של היקום. אדמה ואש לדוגמה, נותנים לכם דברים יבשים. אויר ומים, דברים רטובים. אבל התאוריות אומרות, שהיתה לה בעיה. היא לא חזתה שום דבר שניתן למדידה, ומדידה היא הבסיס למדע ניסויי. וגרוע יותר, התאוריה היתה שגויה. אבל המדענים היו מדענים מעולים של החשיבה ובמאה ה 5 לפני הספירה, ליוזיפוס ממילטוס הגה את אחד הרעיונות המדעיים שהחזיקו הכי הרבה זמן אי פעם. כל מה שאנחנו רואים עשוי מחלקים זעירים ואינדיבידואלים של חומר שנקראים אטומים. התאוריה הזו פשוטה ואלגנטית, ויש לה את היתרון על פני תאוריית האדמה, אויר, אש ומים של להיות נכונה. מאות של מחשבות וניסויים מדעיים הוכיחו שהיסודות האמיתיים, דברים כמו מימן, פחמן, וברזל, יכולים להיות מפורקים לאטומים. בתאוריה של ליוסיפוס, האטום הוא החלקיק הבלתי נראה הקטן ביותר שעדיין ניתן לזיהוי כמימן, פחמן, או ברזל. הדבר היחידי השגוי ברעיון של ליוסיפיוס הוא שאטומים, הם למעשה, ברי חלוקה. מה עוד, רעיון האטומים שלו מסתבר שמסביר רק חלק קטן ממה שהיקום עשוי ממנו. מה שנראה כחומר הרגיל של היקום הוא, למעשה, די נדיר. האטומים של ליוסיפיוס, והדברים שהם עשויים ממנו, הם למעשה רק 5% ממה שאנחנו יודעים שיש שם. הפיסיקאים יודעים ששאר היקום, 95% ממנו, הוא יקום אפל, עשוי מחומר אפל ואנרגיה אפלה. איך אנחנו יודעים את זה? ובכן, אנחנו יודעים מפני שאנחנו צופים בדברים ואנחנו רואים אותם. זה אולי נראה מאוד פשטני, אבל זה למעשה די עמוק. כל הדברים שעשויים מאטומים הם נראים. אור חוזר מהם, אנחנו יכולים לראות אותם. כשאנחנו מביטים לחלל, אנחנו רואים כוכבים וגלקסיות. חלקם, כמו זה שאנחנו חיים עליו, הם ספירלות יפיפיות, שמסתובבות בחינניות בחלל. כשמדענים מדדו לראשונה את התנועה של קבוצות של גלקסיות בשנות ה30, ומדדו את כמות החומר שהן הכילו, היתה להם הפתעה. הם מצאו שאין מספיק חומר נראה בקבוצות האלה כדי להחזיק אותן יחד. מדידות מאוחרות יותר של גלקסיות בודדות אישרו את התוצאה המבלבלת הזו. פשוט אין מספיק חומר נראה לעין בגלקסיות לספק מספיק כוח משיכה להחזיק אותן יחד. ממה שאנחנו יכולים לראות, הן אמורות להתפרק, אבל הן לא. אז חייב להיות חומר שם שאנחנו לא יכולים לראות. אנחנו קוראים לחומר הזה חומר אפל. העדות הטובה ביותר לחומר אפל היום באה מהמדידות של משהו שנקרא קרינת רקע קוסמית, הזוהר השיורי של המפץ הגדול, אבל זה סיפור אחר. כל העדויות שיש לנו אומרות שחומר אפל נמצא שם בחוץ והוא רוב החומר בגלקסיות הספירליות היפיפיות האלו שממלאות את השמיים. אז איפה זה משאיר אותנו? ידענו מזמן שהשמיים לא מסתובבים סביבנו ושאנחנו תושבים של פלנטה די רגילה, שמקיפה כוכב די רגיל, בזרוע ספירלית של גלקסיה די רגילה. הגילוי של חומר אפל לקח אותנו צעד אחד הלאה ממרכז העניינים. זה אמר לנו שהחומר ממנו אנחנו עשויים הוא רק חלק מההרכב של היקום. אבל עוד הגיע. בתחילת המאה, מדענים שחקרו את המחוזות הרחוקים של היקום אישרו שלא רק שהכל מתרחק מכל דבר אחר, כמו שמצפים מיקום שהתחיל בפיצוץ חם ודחוס, אלא שההתפשטות של היקום נראת גם כמאיצה. מה בנוגע לזה? או שיש איזה סוג של אנרגיה שדוחפת את התאוצה הזו, בדיוק כמו שאתם מספקים אנרגיה להאיץ מכונית, או שכוח המשיכה לא מתנהג כמו שאנחנו חושבים. רוב המדענים חושבים שזו התשובה הראשונה, שיש איזה שהוא סוג של אנרגיה שדוחפת את התאוצה, והם קראו לה אנרגיה אפלה. המדידות הטובות ביותר כיום מאפשרות לנו לחשב בדיוק כמה מהיקום אפל. זה נראה שאנרגיה אפלה היא בערך 68% מהיקום וחומר אפל הוא בערך 27%, מה שמשאיר רק 5% בשבילנו וכל דבר אחר שאנחנו יכולים לראות. אז ממה עשוי החומר האפל? אנחנו לא יודעים , אבל יש תאוריה אחת, שנקראת סופרסימטריה, שיכולה להסביר חלק מזה. סופרסימטריה, או סוסי בקיצור, מנבאת תחום שלם של חלקיקים חדשים, חלקם יכולים להרכיב את החומר האפל. אם נמצא עדויות לסוסי, נוכל לעבור מלהבין 5% מהיקום שלנו, הדברים שאנחנו יכולים לראות למעשה, לבערך שליש. לא רק ליום עבודה. אנרגיה אפלה תהיה כנראה קשה יותר להבנה, אבל יש כמה תאוריות השערתיות שם שאולי יראו את הדרך. בינהן יש תאוריות שחוזרות לרעיון הגדול של היוונים העתיקים, הרעיון שהתחלנו איתו לפני מספר דקות, הרעיון שהיקום צריך להיות פשוט. התאוריות האלה מנבאות שיש רק אלמנט אחד ממנו נובע על הגיוון הנפלא של היקום, מיתר רוטט. הרעיון הוא שכל החלקיקים שאנחנו מכירים היום הם פשוט הרמוניות שונות של המיתר. לצערנו, תאוריות המיתרים היום הן, עדיין, בלתי ניתנות לניסוי. אבל, עם כל כך הרבה יקום שמחכה לחקירה, הרף הוא גבוה. האם כל זה גורם לכם להרגיש קטנים? זה לא צריך. במקום, אתם צריכים להנות מהעובדה, שככל שאנחנו יודעים, אתם חברים במין היחידי ביקום שמסוגל אפילו להתחיל לקלוט את הפלאים שלו, ואתם חיים בזמן הנכון כדי לראות את ההבנה שלנו מתרחבת.