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.
Gli antichi Greci ebbero una grande idea: L'universo è semplice. Per loro, era fatto solo di quattro elementi: terra, aria, fuoco, e acqua. Come teoria è molto bella. È semplice ed elegante. Dice che combinando i quattro elementi fondamentali in vari modi, si ottengono tutte le meravigliose diversità dell'universo. Per esempio, da terra e fuoco derivano le cose asciutte. Dall'aria e dall'acqua le cose umide. Ma, come in tutte le teorie, c'è un "ma". Non prevedeva le cose misurabili, e la misurazione è la base della scienza sperimentale. Peggio ancora, la teoria era sbagliata. Ma i Greci erano grandi esperti della mente e nel quinto secolo d.C., Leucippo di Mileto elaborò una delle idee scientifiche più durature di sempre. Tutto ciò che vediamo è fatto di minuscole particelle indivisibili chiamate atomi. Questa teoria è semplice ed elegante, e ha il vantaggio rispetto a quella di terra, aria, fuoco e acqua, di essere giusta. Secoli di pensiero scientifico e di sperimentazioni hanno stabilito che i veri elementi, come l'idrogeno, il carbonio e il ferro, possono essere scomposti in atomi. Secondo la teoria di Leucippo, l'atomo è la parte più piccola e indivisibile ancora identificabile come idrogeno, carbonio, o ferro. L'unico errore nell'idea di Leucippo è che in realtà gli atomi sono divisibili. Inoltre, la sua idea degli atomi spiega solo in parte la composizione dell'universo. In realtà, ciò che sembra la normale materia dell'universo è piuttosto rara. Gli atomi di Leucippo, e gli elementi di cui sono fatti, costituiscono solo il 5% circa di ciò che sta là fuori. I fisici definiscono il resto dell'universo, il 95% come universo oscuro, fatto di materia oscura ed energia oscura. Come facciamo a saperlo? Lo sappiamo perché guardiamo le cose e le vediamo. Sembra banale, ma in realtà è un concetto profondo. Ogni cosa fatta di atomi è visibile. La luce vi si riflette, e la rende visibile. Se osserviamo lo spazio, vediamo stelle e galassie. Alcune, come quella in cui viviamo, sono meravigliose spirali che ruotano elegantemente nello spazio. Quando gli scienziati misurarono per la prima volta il moto di gruppi di galassie negli anni '30 e pesarono il loro contenuto di materia, ebbero una sorpresa. Scoprirono che non c'è abbastanza materia visibile in quei gruppi per tenerli insieme. Successive misurazioni di singole galassie confermarono questo risultato enigmatico. Semplicemente, nelle galassie non c'è abbastanza materia visibile da fornire gravità sufficiente a tenerle insieme. Da ciò che si può vedere, dovrebbero disgregarsi e invece non è così. Quindi dev'esserci qualcosa che non riusciamo a vedere. Questo qualcosa è definito materia oscura. Attualmente la prova migliore dell'esistenza della materia oscura viene dalla misurazione del cosiddetto sfondo cosmico a microonde, il calore residuo del Big Bang, ma questa è un'altra storia. Tutte le prove che abbiamo dicono che la materia oscura c'è e costituisce la maggior parte della materia di quelle meravigliose galassie spirali che riempiono i cieli. E quindi? Sappiamo bene che non è il cielo a ruotare attorno a noi e che noi abitiamo un pianeta piuttosto comune, che orbita attorno a una stella piuttosto comune, nella spirale di una altrettanto comune galassia. La scoperta della materia oscura ci ha spinti un passo oltre il centro delle cose. Ci ha detto che la materia di cui siamo fatti è solo una piccola parte di ciò che compone l'universo. Ma non era finita qui. All'inizio di questo secolo, gli scienziati che studiavano i confini dell'universo hanno confermato non solo che tutte le cose si stanno allontanando fra loro, come è normale in un universo cominciato con un denso e incandescente big bang, ma che anche l'espansione dell'universo sembra accelerare. Di cosa si tratta? O c'è un qualche tipo di energia che provoca l'accelerazione, proprio come quando schiacciamo l'acceleratore in macchina, o la gravità non si comporta esattamente come pensavamo. La maggior parte degli scienziati opta per la prima ipotesi, cioè che l'accelerazione sia dovuta a una qualche energia che hanno definito 'energia oscura'. Le attuali misurazioni più accurate ci consentono di calcolare quanta parte dell'universo è oscura. Sembra che l'energia oscura costituisca circa il 68% dell'universo e la materia oscura circa il 27%, e solo il restante 5% siamo noi e tutto ciò che riusciamo effettivamente a vedere. Ma di cosa è fatta la materia oscura? Non lo sappiamo, ma la cosiddetta teoria della 'supersimmetria' potrebbe spiegarlo in parte. Secondo la supersimmetria, o SUSY in breve, esiste un'intera gamma di nuove particelle, alcune delle quali potrebbero costituire la materia oscura. Se SUSY vienisse dimostrata, passeremmo dalla comprensione del 5% dell'universo delle cose visibili, a circa un terzo. Non male per un giorno di lavoro. Forse l'energia oscura sarebbe più difficile da capire, ma esistono alcune teorie speculative che potrebbero indicare la strada. Fra queste, alcune risalgono a quella prima grande intuizione degli antichi Greci, l'idea da cui siamo partiti poco fa, che l'universo deve essere semplice. Secondo queste teorie esiste un unico elemento che ha dato origine a tutta la varietà dell'universo, una stringa vibrante. L'idea è che tutte le particelle oggi conosciute siano solo diverse armoniche su questa corda. Purtroppo, attualmente le teorie delle stringhe non sono ancora dimostrabili. Ma, con tutto l'universo ancora da esplorare, la posta in gioco è alta. Tutto questo vi fa sentire piccoli? Non dovrebbe. Anzi, dovreste meravigliarvi del fatto che, per quanto ne sappiamo, apparteniamo all'unica specie nell'universo in grado persino di afferrarne i misteri, e stiamo vivendo il periodo giusto per vedere la nostra conoscenza esplodere.