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 antigos tiveram uma grande ideia: o universo era simples. Eles achavam que tudo que era necessário para criá-lo eram os quatro elementos: terra, ar, fogo e água. Em se tratando de teorias, essa é bem bonita. Tem simplicidade e elegância. Ela afirma que ao combinar os quatro elementos básicos de formas diferentes, seria possível criar todas as diversas maravilhas que existem no universo. Terra e fogo, por exemplo, gerariam coisas secas. Ar e água, coisas que são úmidas. Mas em se tratando de teorias, havia um problema. Ela não afirmava nada que pudesse ser avaliado, e avaliações são a base da ciência experimental. Ainda pior, essa teoria estava errada. Mas os gregos eram grandes cientistas da mente e no século V a.C., Leucipo de Mileto surgiu com uma das mais duradouras teorias científicas de todos os tempos. Tudo o que vemos é composto de partículas minúsculas e indivisíveis, chamadas de átomos. Essa é uma teoria simples e elegante, e tem a vantagem, sobre a teoria da terra, ar, fogo e água, de estar correta. Séculos de pensamento e experiências científicas determinaram que os verdadeiros elementos, coisas como o hidrogênio, o carbono, o ferro, podem ser reduzidas a átomos. Segundo a teoria de Leucipo, o átomo é a menor partícula indivisível e identificável como o hidrogênio, o carbono ou o ferro. O único equívoco da teoria de Leucipo é que os átomos, na verdade, são divisíveis. Além disso, sua teoria dos átomos acabou explicando apenas uma pequena parte daquilo que compõe o universo. Na verdade, o que parece ser mais comum no universo é bem raro. Os átomos de Leucipo, e as coisas que os compõem, somam apenas cerca de 5% do que sabemos que existe. Os físicos conhecem o restante do universo, 95% dele, como universo escuro, feito de matéria escura e energia escura. Como sabemos isso? Bem, sabemos porque analisamos as coisas e as vemos. Talvez pareça um tanto simplista, mas na verdade é bastante complexo. Tudo o que é feito de átomos é visível. Se algo reflete a luz, conseguimos vê-lo. Quando olhamos para o espaço, vemos estrelas e galáxias. Algumas delas, como aquela em que vivemos, são belas, em formato espiral, girando graciosamente pelo espaço. A primeira vez que o cientistas estudaram o movimento de grupos de galáxias na década de 1930, e pesaram a quantidade de matéria que continham, eles tiveram uma surpresa. Descobriram que não existe muita coisa visível em meio a esses grupos, mantendo-os juntos. Estudos posteriores de galáxias individuais confirmaram esse resultado enigmático. Simplesmente não existe muita coisa visível nas galáxias para gerar gravidade suficiente para manter sua forma. Pelo que podemos ver, elas deveriam se dispersar, mas não é o que acontece. Então deve existir algo que não conseguimos ver. Chamamos isso de matéria escura. A melhor prova da existência da matéria escura hoje vem de medições de algo chamado radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o brilho inicial do "Big Bang", mas isso é uma outra história. Todas as evidências que temos apontam para a existência de matéria escura e ela é responsável pela maior parte do que há nessas belas galáxias espirais que enchem o firmamento. Aonde chegamos com isso? Sabemos há bastante tempo que o céu não gira em torno de nós e que somos habitantes de um planeta bem comum, orbitando uma estrela bem comum, num dos braços espirais de uma galáxia bem comum. A descoberta da matéria escura nos levou ainda mais distante do centro das coisas. Mostrou-nos que aquilo de que somos formados é apenas uma pequena fração do que compõe o universo. Mas havia mais por vir. No início do século XXI, enquanto cientistas estudavam os limites do universo, confirmou-se não apenas que as coisas estão se distanciando umas das outras, como é de se esperar em um universo que surgiu em uma grande explosão de material denso e quente, mas também que a expansão do universo parece estar em aceleração. O que isso significa? Ou existe algum tipo de energia gerando essa aceleração, da mesma forma que aplicamos energia para acelerar um carro, ou a gravidade não se comporta exatamente como imaginamos. A maioria dos cientistas acredita na primeira hipótese, que existe algum tipo de energia provocando essa aceleração, e chamaram isso de <i>energia escura<i>. As melhores medições de hoje nos permitem estimar quanto do universo é escuro. Parece que a energia escura chega a cerca de 68% do universo e a matéria escura, a cerca de 27%, sobrando apenas 5% para nós e tudo que podemos enxergar. Mas do que é feita a matéria escura? Não sabemos, mas há uma teoria, chamada <i>supersimetria<i>, que pode explicar em parte. A supersimetria, ou SUSI para abreviar, traz uma vasta gama de novas partículas, algumas das quais podem compor a matéria escura. Se encontrássemos evidências da SUSI, passaríamos a compreender não apenas 5% do universo, as coisas que de fato podemos ver, mas um terço dele. Nada mau para um dia de trabalho. A energia escura provavelmente seria mais complicada de entender, mas existem algumas especulações por aí que podem mostrar o caminho. Entre elas, existem teorias que remontam àquela primeira grande teoria dos gregos antigos, a teoria de que surgimos alguns minutos atrás, de que o universo deve ser simples. Essas teorias afirmam que existe apenas um único elemento a partir do qual todas as diversas maravilhas do universo se originam, uma corda que vibra. A ideia é a de que todas as partículas que conhecemos hoje não passam de diferentes harmonias nesta corda. Infelizmente, as teorias das cordas hoje ainda são impossíveis de testar. Mas, com tantas coisas no universo esperando para serem exploradas, as apostas são altas. Isso tudo faz você se sentir pequeno? Não deveria. Em vez disso, você deveria se maravilhar com o fato de que, até onde sabemos, você faz parte da única espécie no universo capaz até mesmo de começar a entender essas maravilhas, e está vivendo no momento certo para ver nossa compreensão explodir.