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.
De oude Grieken hadden een geweldig idee: het heelal is eenvoudig. Volgens hen had je maar vier elementen nodig om alles te maken: aarde, lucht, vuur en water. Het is een mooie theorie, eenvoudig en elegant. Ze stelt dat combinaties van de basiselementen Ze stelt dat combinaties van de basiselementen de wonderschone verscheidenheid van het heelal opleveren. Aarde en vuur bijvoorbeeld leveren droge dingen op. Lucht en water, natte dingen. Toch had deze theorie een probleem: ze voorspelde niets dat gemeten kon worden, en meten is de basis van experimentele wetenschap. Erger nog, de theorie was fout. De Grieken waren geweldige wetenschappelijke denkers en in de 5e eeuw voor Christus bedacht Leucippus van Milete één van de meest bestendige wetenschappelijke ideeën ooit. Alles wat we zien, bestaat uit piepkleine, ondeelbare stukjes spul, zogenaamde atomen. Deze theorie is eenvoudig en elegant, en heeft een voordeel op de aarde, lucht, vuur en water theorie: en heeft een voordeel op de aarde, lucht, vuur en water theorie: ze klopt. Eeuwenlang wetenschappelijk denken en experimenteren heeft vastgesteld dat de echte elementen zoals waterstof, koolstof en ijzer in atomen kunnen worden opgebroken. In Leucippus' theorie is de atoom het kleinste ondeelbare stukje spul dat nog herkenbaar is als waterstof, koolstof of ijzer. Wat alleen niet klopt aan Leucippus' idee is dat atomen wel deelbaar zijn. Daarnaast blijkt zijn atoomidee maar een klein stukje te verklaren van de opbouw van het heelal. Wat het gewone heelal-spul lijkt te zijn, is eigenlijk nogal zeldzaam. Leucippus' atomen en de dingen waar ze van zijn gemaakt beslaan maar zo'n 5% van wat we kennen. Natuurkundigen kennen de andere 95% van het heelal Natuurkundigen kennen de andere 95% van het heelal als het donkere universum, wat gemaakt is van donkere materie en donkere energie. Hoe we dat weten? Nou, dat weten we omdat we kijken naar dingen en ze zien. Dat lijkt misschien nogal simplistisch, maar het is eigenlijk nogal diepzinnig. Alles wat uit atomen bestaat, is zichtbaar. Het weerkaatst licht en we kunnen het zien. Als we de ruimte inkijken, zien we sterren en sterrenstelsels. Sommige daarvan, zoals degene waar wij in leven, zijn prachtige spiraalvormen die sierlijk door de ruimte tollen. Toen wetenschappers voor het eerst de beweging van sterrenstelselgroepen maten in de jaren 30 en de hoeveelheid materie die ze bevatten wogen, wachtte hen een verrassing. Ze vonden dat er niet genoeg zichtbaar spul in die groepen zat om ze bijeen te houden. Latere metingen van individuele sterrenstelsels bevestigden dit raadselachtige resultaat. Er is gewoon niet genoeg zichtbaar spul in sterrenstelsels om genoeg zwaartekracht te bieden om ze bijeen te houden. Volgens wat we kunnen zien, zouden ze uiteen moeten vliegen, maar dat doen ze niet. Dus moet er spul zijn dat we niet kunnen zien. Dat spul noemen we donkere materie. Momenteel het beste bewijs voor donkere materie komt uit metingen van iets dat we de kosmische achtergrondstraling noemen, de nagloed van de oerknal, maar dat is een ander verhaal. Alle huidige bewijzen wijzen op het bestaan van donkere materie en dat het een groot deel uitmaakt van die prachtige spiraalstelsels en dat het een groot deel uitmaakt van die prachtige spiraalstelsels die de hemel vullen. Wat betekent dat? We weten al lang dat de hemel niet om ons draait en dat we op een best gewone planeet wonen, in een baan om een best gewone ster, in de spiraalarm van een best gewoon sterrenstelsel. De ontdekking van donkere materie brengt ons nog een stap verder uit het middelpunt van alles. Die vertelt ons dat het spul waar wij uit bestaan maar een fractie is van waar het heelal uit bestaat. En dat was niet alles. Wetenschappers die de buitenste regionen van het heelal bestuderen Wetenschappers die de buitenste regionen van het heelal bestuderen bevestigden eerder deze eeuw dat alles niet alleen uit elkaar beweegt, bevestigden eerder deze eeuw dat alles niet alleen uit elkaar beweegt, zoals je zou verwachten in een heelal dat in een hete, dichte oerknal begon, maar dat de expansie van het heelal ook nog eens lijkt te versnellen. Hoe zit dat? Ofwel is er een soort energie die die versnelling aandrijft, net zoals je energie levert om een auto te versnellen, ofwel gedraagt zwaartekracht zich niet precies zoals we denken. De meeste wetenschappers denken dat het het eerste is: dat een soort energie de versnelling aandrijft. Dat noemen ze <i>donkere energie.</i> Met de beste huidige metingen kunnen we uitrekenen hoeveel van het heelal donker is. Het lijkt alsof donkere energie ongeveer 68% van het heelal uitmaakt en donkere materie ongeveer 27%. Dat laat maar 5% over voor ons en al het andere dat we kunnen zien. Dus waar is dat donkere spul van gemaakt? Dat weten we niet. Er is een theorie die <i>supersymmetrie</i> heet, die het deels zou kunnen uitleggen. Supersymmetrie, of kortweg SUSY, voorspelt een heel scala nieuwe deeltjes. Uit sommige daarvan zou donkere materie kunnen bestaan. Als we bewijzen zouden vinden voor SUSY, zou ons begrip kunnen groeien van 5% van het heelal begrijpen, die dingen die we kunnen zien, naar ongeveer een derde begrijpen. Niet slecht. Donkere energie zou waarschijnlijk moeilijker te begrijpen zijn, maar er zijn wat speculatieve theorieën die een aanknopingspunt zouden kunnen bieden. Daaronder zijn theorieën die teruggrijpen op dat eerste geweldige idee van de oude Grieken, waar we enkele minuten geleden mee begonnen, het idee dat het heelal eenvoudig moet zijn. Deze theorieën voorspellen dat er maar één element is waar de wonderschone verscheidenheid van het heelal uit voortkomt, een trillende snaar. Het idee is dat alle deeltjes die we vandaag de dag kennen gewoon verschillende harmonieën op de snaar zijn. Helaas zijn snaartheorieën vandaag de dag nog niet te testen. Helaas zijn snaartheorieën vandaag de dag nog niet te testen. Maar met zoveel van het heelal nog ononderzocht is de inzet hoog. Voel je je door dit alles klein? Dat zou niet hoeven. Integendeel, verwonder je over het feit dat, voor zover we weten, jij lid bent van de enige soort in het heelal die ook maar enigszins in staat is de wonderen ervan te beginnen te begrijpen. En je leeft op het juiste moment om te zien dat ons begrip ervan explosief toeneemt.