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.
Orang Yunani kuno punya ide brilian: Alam semesta itu sederhana. Dalam pikiran mereka, yang dibutuhkan untuk membuatnya adalah empat elemen: tanah, udara, api, dan air. Secara teori sangat bagus. Sederhana dan anggun. Konon dengan menggabungkan empat elemen dengan cara yang berbeda, Anda bisa menghasilkan keragaman alam semesta yang indah. Tanah dan api, misalnya, memberikan hal-hal yang kering. Udara dan air, memberikan hal-hal yang basah. Tapi seperti teori lainnya, ada kekurangan. Yaitu tidak memprediksi apa pun yang bisa diukur, dan pengukuran adalah dasar dari ilmu eksperimental. Lebih buruk lagi, teori itu salah. Tapi orang Yunani adalah ilmuwan hebat dan pada Abad ke-5 SM, Leucippus dari Miletus muncul dengan salah satu ide ilmiah paling abadi yang pernah ada. Semua yang kita lihat terbuat dari potongan kecil tak terpisahkan yang disebut atom. Teori ini sederhana dan elegan, dan mengambil keuntungan dari teori tanah, udara, api, dan air. menjadi benar. Berabad-abad pemikiran dan eksperimen ilmiah telah menetapkan bahwa unsur-unsur nyata, seperti hidrogen, karbon, dan besi, dapat dipecah menjadi atom. Dalam teori Leucippus, atom adalah bagian terkecil, tak terpisahkan yang masih bisa dikenali sebagai hidrogen, karbon, atau besi. Satu-satunya kesalahan ide ini adalah atom ternyata bisa dibagi. Ide tentang atom ternyata untuk menjelaskan sebagian kecil bahan pembuat apa alam semesta. Yang tampak biasa di alam semesta sebenarnya hal yang langka. Atom Leucippus dan bahan penyusunnya, hanya sekitar 5% dari yang sebenarnya ada. Fisikawan tahu seluruh alam semesta, 95% bagiannya adalah alam semesta gelap, terbuat dari materi dan energi gelap. Bagaimana kita mengetahuinya? Kita tahu karena memerhatikan dan melihat mereka. Mungkin tampak sederhana, tapi sebenarnya cukup rumit. Semua hal yang terbuat dari atom bisa terlihat. Cahaya memantul darinya, dan kita bisa melihatnya. Saat melihat ke luar angkasa, kita melihat bintang dan galaksi. Beberapa dari mereka, seperti yang kita tinggali, indah, berbentuk spiral, berputar anggun di luar angkasa. Ketika para ilmuwan pertama kali mengukur gerakan kumpulan galaksi pada 1930-an dan menimbang jumlah materi yang dikandungnya, mereka terkejut. Mereka menemukan bahwa tidak ada cukup benda dalam grup untuk menyatukan mereka. Pengukuran dari setiap galaksi membuktikan hasil membingungkan ini. Tidak cukup banyak benda di galaksi yang memberikan gravitasi untuk menahan mereka bersama. Mereka seharusnya terbang terpisah, tapi tenyata tidak. Di sana pasti ada benda yang tidak bisa kita lihat. Kita menyebutnya materi gelap. Bukti terbaik untuk materi gelap saat ini berasal dari pengukuran yang disebut gelombang mikro kosmik, sisa-sisa Big Bang, tapi itu cerita lain. Semua bukti yang kita miliki mengatakan bahwa materi gelap itu ada dan menyumbang banyak hal di galaksi spiral indah yang memenuhi surga. Jadi bagaimana kita memahaminya? Kita sudah lama tahu bahwa surga tidak berputar di sekitar kita dan bahwa kita adalah penghuni planet biasa, mengorbit bintang biasa, di lintasan galaksi biasa. Penemuan materi gelap membawa kita satu langkah lebih jauh dari pusat benda. Benda itu memberi tahu kita bahwa benda terbuat dari bagian kecil yang membentuk alam semesta. Tapi ada banyak lagi yang muncul. Awal abad ini, ilmuwan mempelajari jangkauan terluar alam semesta menegaskan bahwa tidak hanya bergerak terpisah satu sama lain, seperti yang Anda kira alam semesta dimulai dari big bang yang panas dan padat, tapi ekspansi alam semesta juga tampak semakin cepat. Apa artinya? Entah ada semacam energi mendorong percepatan ini, seperti Anda memberi energi untuk mempercepat mobil, atau gravitasi tidak berjalan seperti yang kita kira. Banyak ilmuwan awalnya berpikir, bahwa ada semacam energi yang mendorong percepatan, mereka menyebutnya energi gelap. Pengukuran terbaik hari ini memungkinkan kita untuk tahu seberapa banyak alam semesta gelap. Sepertinya energi gelap memenuhi sekitar 68% alam semesta dan 27 % materi gelap, menyisakan hanya 5% untuk kita dan segala hal yang bisa kita lihat. Jadi terbuat dari apa benda gelap itu? Kita tidak tahu, tapi ada satu teori, disebut supersimetri, yang bisa menjelaskannya. Supersimetri, disingkat SUSY, memprediksi berbagai macam partikel baru, beberapa di antaranya membentuk materi gelap. Jika kita menemukan bukti SUSY, kita bisa memahami 5% alam semesta, hal yang bisa kita lihat, menjadi sekitar sepertiga. Cukup bagus. Energi gelap mungkin akan lebih sulit dipahami, tapi ada teori spekulatif lain yang mungkin menunjukkan jalan. Salah satunya teori yang mengacu pada ide awal orang Yunani kuno, ide yang kita mulai beberapa saat lalu, ide bahwa alam semesta harus sederhana. Teori-teori ini memprediksi hanya ada satu elemen asal semua keragaman indah alam semesta, seutas tali yang bergetar. Idenya adalah semua partikel yang kini kita kenal hanya harmonik yang berbeda pada tali. Sayangnya, teori tali ini masih belum bisa diuji. Tapi, ada banyak bagian alam semesta yang menunggu untuk dijelajahi. Apakah hal ini membuat Anda merasa kecil? Seharusnya tidak. Sebaliknya, Anda harus kagum pada fakta, sejauh yang kita tahu, menjadi bagian dari satu-satunya spesies di alam semesta yang mampu untuk mulai memahami keajaibannya, dan Anda hidup di waktu yang tepat untuk menyaksikan pemahaman kita berkembang.