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.
古代のギリシャ人には 素晴らしい考えがありました 彼らの宇宙は シンプルで 全てのものは たった4つの元素から 出来ていると考えました 全てのものは たった4つの元素から 出来ていると考えました 「土」「空気」「火」そして 「水」です 「土」「空気」「火」そして 「水」です 「土」「空気」「火」そして 「水」です 「土」「空気」「火」そして 「水」です 理論としては 美しく シンプルでエレガントです 4つの元素をいろいろ組み合わせて 4つの元素をいろいろ組み合わせて 宇宙の素晴らしい多様性を作り出すのです 例えば「土」と「火」は 乾いた物質を作り 「空気」と「水」は 湿ったものを作る という具合です でも理論としては 問題がありました この理論では測定できるものを 予測できません 実験科学では測定することが 基本なのです その上 理論は誤りでした でもギリシャには 偉大な哲学者がたくさんいました 紀元前5世紀になると ミレトスのレウキッポスが その後 長いこと信じられることになる 科学の概念を思いつきました 目に見える全てのものは 小さくて目には見えない 「原子」から出来ているという概念です この理論はシンプルでエレガントな上 この理論はシンプルでエレガントな上 「土」「空気」「火」「水」の理論よりも ずっと正しいものでした その後何世紀もの 科学的探求や 実験の結果 今日の元素である 水素とか炭素 鉄も 水素とか炭素 鉄も 水素とか炭素 鉄も 原子に分割できるとわかっています レウキッポスの理論でも原子とは これ以上 小さくしたら 水素、炭素、鉄とは識別できない これ以上 小さくしたら 水素、炭素、鉄とは識別できない 分割不可能な最小単位でした 分割不可能な最小単位でした レウキッポスの考えに欠けていたのは 原子は更に小さいものに 分割できるということ レウキッポスの考えに欠けていたのは 原子は更に小さいものに 分割できるということ また 彼に始まった原子の考え方では この宇宙を作る ごく一部のものしか 説明できない事が分かったのです この宇宙を作る ごく一部のものしか 説明できない事が分かったのです 我々の考える宇宙にある通常の物質は 実は稀なもののようなのです 我々の考える宇宙にある通常の物質は 実は稀なもののようなのです レウキッポスの原子や その原子が作るものは 宇宙全体にあるものの ほんの5%程だとわかったのです 宇宙全体にあるものの ほんの5%程だとわかったのです 物理学者は宇宙の残りの95%を ダークユニバースと呼んでいます ダークユニバースと呼んでいます ダークマターとダークエネルギーから 出来ています なぜそんなことが解るのか? 私たち物理学者は 物事を観察し 発見するのです 私たち物理学者は 物事を観察し 発見するのです 簡単に聞こえますが 実はとても意味が深いものです 簡単に聞こえますが 実はとても意味が深いものです 原子からできているものは 目で見えます 光が跳ね返るので 見えるのです 宇宙に目を向けると 星や銀河が見えます 私たちの住むような 美しい銀河も 優雅に渦巻きながら宇宙内を動いています 1930年代に科学者が 銀河団の動く速度と 1930年代に科学者が 銀河団の動く速度と 銀河の含む物質の質量を はかりました するとびっくりすることが わかったのです 観測できる全ての質量を合せても 銀河団としてまとめるには 足りないとわかたのです 後にそれぞれの銀河の測定からも 同じ結果が得られました 後にそれぞれの銀河の測定からも 同じ結果が得られました 目に見えるものだけでは 銀河をまとめる重力がないのです 目に見えるものだけでは 銀河をまとめる重力がないのです 我々に見えるものだけなら バラバラになってしまう でもそうはなりません 我々に見えるものだけなら バラバラになってしまう でもそうはなりません ということは 何か見えないものが あるはずです ということは 何か見えないものが あるはずです そこで それをダークマターと名づけました ダークマター存在の最も重要な証拠は 「宇宙マイクロ波背景放射」というものの 観測から得られています 「宇宙マイクロ波背景放射」というものの 観測から得られています このビッグバンの残光については また別の機会にお話しましょう このビッグバンの残光については また別の機会にお話しましょう 現在ある全ての証拠は ダークマターの存在を証明しています 現在ある全ての証拠は ダークマターの存在を証明しています そしてそれは 夜空に輝く 美しい渦巻き銀河の ほとんどを占めるのです そしてそれは 夜空に輝く 美しい渦巻き銀河の ほとんどを占めるのです そしてそれは 夜空に輝く 美しい渦巻き銀河の ほとんどを占めるのです それが何を意味するのでしょう? 地球が宇宙の中心でない事は ずっと昔からわかっています 地球が宇宙の中心でない事は ずっと昔からわかっています 我々の住む どこにでもあるような平凡な惑星は 平凡な星を回り その星は 平凡な銀河から伸びる一本の腕に属します ダークマターの発見は 我々をさらに物の中心でないと意識させます 我々を形作るものは 宇宙全体を形作る ごく一部のものなのです でもまだあります 今世紀の始めに 宇宙の彼方を研究する科学者が あることを証明しました 宇宙が膨張しているということは 宇宙が膨張しているということは 高温 高密度のビッグバンから 生まれた宇宙では想像できますが 高温 高密度のビッグバンから 生まれた宇宙では想像できますが その宇宙の膨張の速度が 加速されていることが証明されたのです その宇宙の膨張の速度が 加速されていることが証明されたのです 何を意味しているのでしょう? 何か特別のエネルギーが この加速を 増大させているのかもしれません 何か特別のエネルギーが この加速を 増大させているのかもしれません 車の加速に必要な エネルギーのようなものです さもなければ重力の理解が 間違っていた事になります 科学者は大体前者であると考えます 何か未知のエネルギーが 加速の原因になっている そしてこれをダークエネルギーと名づけました 今日可能な限りの測定から 宇宙の見えないものの割合が計算できます 今日可能な限りの測定から 宇宙の見えないものの割合が計算できます ダークエネルギーが 宇宙全体の68% ダークエネルギーが 宇宙全体の68% ダークマターは27%だと予想されます 残りは5% これには私達と 見えるもの全てが含まれます 残りは5% これには私達と 見えるもの全てが含まれます ではこの見えない物とは何でしょう? まだわかっていません でもこの手がかりになる 超対称性理論(Supersymmetry)というものがあります でもこの手がかりになる 超対称性理論(Supersymmetry)というものがあります 略してSUSY(スージー)とも呼ばれる超対称性理論は ダークマターを構成する 新しい粒子の可能性を示唆します ダークマターを構成する 新しい粒子の可能性を示唆します もしSUSYが正しいと証明できたら 我々の理解は 宇宙の5% つまり目に見えるものだけから 3分の1くらいに広がります つまり目に見えるものだけから 3分の1くらいに広がります すごいですね ダークエネルギーは さらに複雑ですが これにも いくつか有望な理論が存在します これにも いくつか有望な理論が存在します 中には古代ギリシャのような 理論もあります 中には古代ギリシャのような 理論もあります 数分前に冒頭でお話しした 宇宙はシンプルであるはずだ というものです この種の理論は たった一つのものが 宇宙の素晴らしい多様性を生み出していると 説明しているのです 「振動するひも」に例えられるものです この理論によると 今日我々の知る全ての粒子は 単にひもの音色の違いです 残念な事に このひも理論は まだ検証が不可能な段階です 残念な事に このひも理論は まだ検証が不可能な段階です でも宇宙の理解を深めるために 期待が高まっています でも宇宙の理解を深めるために 期待が高まっています こんな話を聞くと 自分の小ささを感じます その必要はありません 反対にすごいと感じるべきです 我々の知る限り 宇宙の謎を理解し始めている 唯一の生き物なのです 宇宙の謎を理解し始めている 唯一の生き物なのです そしてちょうど 理解が爆発的に 進む時代に生きているのです そしてちょうど 理解が爆発的に 進む時代に生きているのです