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.
Az ókori görögök hittek egy nagyszerű dologban: az univerzum egyszerűségében. Úgy gondolták, hogy mindössze négy elemből áll: föld, levegő, tűz és víz. Mint elmélet, ez szép elgondolás, egyszerű és elegáns. E szerint, ha eltérő arányban vegyítjük a négy elemet, a világmindenség valamennyi csodáját létrehozhatjuk. Földből és tűzből, például, száraz dolgok jönnek létre. Levegőből és vízből nedvesek. Az elmélettel azonban van egy gond: nem következik belőle semmi, ami mérhető volna, márpedig a mérés a kísérleti tudományok alapja. És ami még rosszabb, hogy az elmélet hibás. De a görögök kiváló elméleti tudósok voltak, és az i.e. 5. században a milétoszi Leukipposz előállt a valaha volt egyik legnagyobb hatású tudományos felvetéssel: minden, amit látunk, apró, oszthatatlan anyagi részecskékből, atomokból épül fel. Az elmélet egyszerű és elegáns, és megvan az az előnye a föld-levegő-tűz-víz elmélettel szemben, hogy működik. Több évszázadnyi tudományos gondolkodás és kísérletezés bebizonyította, hogy a valódi elemek, pl. a hidrogén, a szén és a vas, mind felbonthatók atomokra. Leukipposz elmélete szerint az atom a legkisebb, oszthatatlan anyagi rész, amely még azonosítható hidrogénként, szénként vagy vasként. Leukipposz elméletének egyetlen hibája, hogy az atomok valójában tovább oszthatók. Ráadásul, az atomok elmélete az univerzum egy kis részére ad csak magyarázatot. Az univerzumot látszólag kitöltő anyag valójában nagyon ritka. Leukipposz atomjai, és az azokat felépítő részecskék, a világegyetemnek mindössze körülbelül 5%-át teszik ki. A fizikusok a fennmaradó részt, a 95%-ot, sötét univerzumnak nevezik, amely sötét anyagból és sötét energiából áll. Honnan tudjuk mindezt? Onnan, hogy ránézünk dolgokra, és látjuk azokat. Ez a látszólag egyszerű érv valójában nagyon is észszerű. Minden, ami atomokból áll, látható: visszaveri a fényt, amit megfigyelhetünk. Amikor az űrbe nézünk, csillagokat és galaxisokat látunk. Egyesek, mint a mi galaxisunk is, gyönyörű spirális alakzatok, melyek méltóságteljesen keringenek az űrben. Amikor az 1930-as években a tudósok először mérték galaxiscsoportok mozgását és a bennük lévő anyag mennyiségét, váratlan eredményre jutottak: a látható anyag nem volt elég arra, hogy a csoportokat együtt tartsa. Később a galaxisok önálló vizsgálata szintén igazolta a meglepő eredményt. Nincs elegendő látható anyag a galaxisokban, hogy a gravitáció összetartsa őket. Ezek alapján szét kellene esniük, de nem teszik. Kell legyen ott valami, amit nem látunk. Ezt hívjuk sötét anyagnak. A sötét anyag létezését elsősorban az ősrobbanás visszfényének, a kozmikus mikrohullámú háttérnek vizsgálata támasztja alá, de ez már egy más történet. A bizonyítékok igazolják a sötét anyag létezését és azt, hogy ez az anyag felelős az eget betöltő szép spirálgalaxisok tömegének nagy részéért. Mi következik mindebből? Régóta tudjuk, hogy az égbolt nem körülöttünk forog, és lakóhelyünk sem túl különleges bolygó. Hétköznapi csillag körül keringünk, egy átlagos spirálgalaxis egyik karjában. A sötét anyag felfedezése is a földközéppontú szemlélet ellen hatott. Kiderült: a minket alkotó anyag csak töredéke az univerzum alkotóelemeinek. És itt még nem volt vége. A század elején az univerzum távoli részeit tanulmányozó tudósok igazolták, hogy amellett, hogy minden mindentől távolodik – ahogy az várható az univerzumban, amely forró, sűrű anyag robbanásával keletkezett –, az univerzum látszólag egyre gyorsabban tágul. Vajon mi okozhatja ezt? Vagy valamilyen energia következménye a gyorsulás, ahogy például plusz energiával gyorsítunk egy autót, vagy a gravitáció nem úgy működik, ahogy eddig gondoltuk. A tudósok többsége az első megoldásban hisz, abban, hogy valamilyen energia fokozza a gyorsulást, amit el is neveztek sötét energiának. Ma már pontos mérésekkel kiszámítható, hogy az univerzum mekkora része sötét. Úgy tűnik, a sötét energia felel az univerzum kb. 68%-áért, és a sötét anyag a 27%-áért, így 5% marad ránk és minden más, látható dologra. De miből áll a sötét anyag? Nem tudjuk, bár a szuperszimmetria nevű elmélet részben magyarázatot adhat rá. A szuperszimmetria, röviden SUSY, számos új részecskét feltételez. Ezek egy részéből állhat a sötét anyag. Ha a SUSY igazolható lenne, az univerzum 5%-nak megértése helyett – ezek a látható dolgok – a harmadát értenénk. Nem rossz, egy kis erőfeszítésért! A sötét energia megértése viszont nehezebb, bár vannak spekulatív elméletek, amelyek irányt mutathatnak. Némelyik visszanyúl az ókori görögök felvetéséhez, amellyel az előadást is kezdtük, nevezetesen, hogy az univerzum egyszerű. Az elméletek szerint az univerzum csodálatos változatossága egyetlen elemre vezethető vissza, egy vibráló húrra. A lényeg, hogy a ma ismert összes részecske a húr különböző rezgéseiként fogható fel. Sajnos, a húrelméleteket ma még nem tudjuk tesztelni. De sok minden vár felfedezésre az univerzumban, ezért a tét nagy. Ezek után ne érezzük magunkat tudatlannak? Semmiképpen! Vegyük észre, hogy – amennyire tudjuk – az egyetlen olyan faj vagyunk az univerzumban, amely egyáltalán elkezdte felfogni annak csodáit, és pont egy olyan korban élünk, amikor ez a tudás kiteljesedik.