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.
Os gregos da Antiguidade tinham uma ideia ótima: O universo era simples. No seu entendimento, tudo o que era necessário eram quatro elementos: a terra, o ar, o fogo e a água. Enquanto teoria, era uma teoria muito bonita. Tinha simplicidade e elegância. Diz que, combinando estes quatro elementos de maneiras diferentes, podíamos produzir toda a maravilhosa diversidade do universo. A terra e o fogo, por exemplo, davam-nos as coisas secas. O ar e a água, as coisas húmidas. Mas, tal como todas as teorias, tinha um problema. Não previa nada que pudesse ser medido, e a medição é a base da ciência experimental. Mas o pior era que a teoria estava errada. Os gregos eram ótimos cientistas do espírito e, no século V a.C., Leucipo de Mileto apareceu com uma das ideias científicas mais duradouras de sempre. Tudo o que vemos é feito de pedacinhos de matéria, indivisíveis, chamados átomos. Esta teoria é simples e elegante e tem a vantagem sobre a teoria da terra, do ar, do fogo e da água, de estar correta. Séculos de pensamento científico e de experiências instituíram que os verdadeiros elementos, coisas como o hidrogénio, o carbono e o ferro, podem decompor-se em átomos. Na teoria de Leucipo, o átomo é o pedaço mais pequeno, indivisível, de matéria, ainda reconhecível como hidrogénio, carbono ou ferro A única coisa errada na ideia de Leucipo é que o átomo é divisível. Mais ainda, a sua ideia de átomo explica apenas uma pequena parte do que constitui o universo. O que parece ser a matéria comum do universo é, na verdade, muito rara. Os átomos de Leucipo e as coisas de que são feitos, constituem apenas 5% do que sabemos existir no universo. Os físicos conhecem o resto do universo — os restantes 95% — como o universo escuro, feito de matéria escura e energia escura. Como é que sabemos isto? Sabemos, porque olhamos para as coisas e vemo-las. Isto pode parecer bastante simplista mas, na verdade, é muito profundo. Toda a matéria que é formada por átomos é visível. A luz reflete-se nela e podemos vê-la. Quando olhamos para o espaço, vemos estrelas e galáxias. Algumas delas, tal como aquela em que vivemos, são belas formas em espiral girando graciosamente pelo espaço. Quando os cientistas, nos anos 30, mediram o movimento de grupos de galáxias e pesaram a quantidade de matéria que elas continham, ficaram surpreendidos. Não havia matéria visível suficiente naqueles grupos, para os manter unidos. Medições posteriores de galáxias individuais confirmaram esse resultado misterioso. Não há matéria visível suficiente nas galáxias para uma gravidade suficiente as manter unidas. Por aquilo que vemos, deviam estar a separar-se, mas não estão. Portanto, tem de haver ali matéria que não podemos ver. Chamamos-lhe matéria escura. A melhor prova para a matéria escura provém das medições da chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o fóssil do Big Bang. Mas isso é outra história. Todos os indícios que temos dizem que a matéria escura existe e é responsável por grande parte da matéria naquelas belas galáxias em espiral que enchem os céus. Onde é que isto nos leva? Há muito que sabemos que os céus não giram à nossa volta e que residimos num planeta bastante vulgar, que orbita uma estrela bastante vulgar no braço em espiral de uma galáxia bastante vulgar. A descoberta da matéria escura fez-nos afastar mais um passo do centro das coisas. Disse-nos que a matéria de que somos feitos é apenas uma pequena fração do que constitui o universo. Mas mais havia de chegar. No início deste século, os cientistas que estudam os confins do universo confirmaram que não só está tudo a separar-se de tudo o resto, como seria de esperar num universo que começou com um Big Bang quente e denso, mas também que a expansão do universo também parece estar a acelerar. Como é que é? Ou há um certo tipo de energia a pressionar essa aceleração, tal como fornecemos energia para acelerar um automóvel, ou a gravidade não se comporta exatamente como julgamos. Muitos cientistas pensam que é a primeira hipótese que há um certo tipo de energia que fomenta a aceleração, e chamaram-lhe "energia escura". As melhores medições atuais permitem-nos calcular quanto do universo é escuro. Parece que a energia escura constitui cerca de 68% do universo e a matéria escura cerca de 27%, restando só 5% para nós e para tudo o mais que conseguimos ver. Então, de que é feita a matéria escura? Não sabemos, mas há uma teoria, chamada "supersimetria" que talvez explique, pelo menos em parte. A supersimetria, ou SUSY, em abreviado, prevê uma gama de novas partículas, algumas das quais podem constituir a matéria escura. Se encontrarmos provas para a SUSY, podemos passar da compreensão de 5% do nosso universo — as coisas que podemos ver — para cerca de um terço. Nada mau. A energia escura talvez seja mais difícil de compreender mas há algumas teorias especulativas que podem apontar o caminho. Entre elas há teorias que voltam à primeira ideia dos gregos da Antiguidade, a ideia com que começámos há bocado. a ideia de que o universo deve ser simples. Estas teorias preveem que há um só elemento do qual deriva toda a maravilhosa diversidade do universo, uma corda em vibração. A ideia é que todas as partículas que conhecemos hoje são apenas diferentes harmonias na corda, Infelizmente, as teorias da corda, continuam sem ser testadas, até hoje. Mas com tanto do universo à espera de ser explorado, a parada é alta. Tudo isto faz-vos sentir pequenos? Não deviam sentir-se. Deviam sentir-se maravilhados pelo facto de que, tanto quanto sabemos, somos membros da única espécie no universo capazes de começar a perceber as suas maravilhas. Vivemos no tempo certo para ver explodir os nossos conhecimentos.