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.
Vechii greci au avut o idee minunată: universul este simplu. În mintea lor, universul avea nevoie doar de patru elemente: pământ, aer, foc și apă. Teoretic vorbind, ideea e frumoasă. Are simplitate și eleganță. Se spune că dacă combini cele patru elemente fundamentale în moduri diferite, ai putea crea toată diversitatea minunată a universului. Pământul și focul, de exemplu, îți dau lucrurile uscate. Aerul și apa, lucrurile umede. Dar teoria are o hibă. Nu a prezis nimic care ar putea fi măsurat, iar măsura e baza științei experimentale. Chiar mai rău, teoria era greșită. Dar grecii erau mari savanți ai minții și-n secolul al V-lea î.C., Leucippus din Miletus a avut cea mai solidă idee științifică vreodată. Tot ceea ce vedem e făcut din particule mici, indivizibile numite atomi. Teoria aceasta e simplă și elegantă, și are avantaj asupra teoriei pământului, aerului, focului și apei. Secole de gândire și experimentare științifică au stabilit că elementele reale, lucruri precum hidrogenul, carbonul, și fierul pot fi descompuse în atomi. În teoria lui Leuccipus, atomul este cea mai mică particulă indivizibilă de materie care poate fi recunoscută ca hidrogen, carbon sau fier. Singurul lucru greșit la ideea lui Leucippus e că, de fapt, atomii sunt divizibili. Mai mult, ideea atomilor se pare că explică doar o mică parte din materia din care e făcut universul. Ce pare a fi materia obișnuită a universului e, de fapt, foarte rară. Atomii lui Leucippus și din ce sunt făcuți aceștia reprezintă cam 5% din ceea ce știm că se află acolo. Fizicienii știu restul universului, 95% din el, drept universul întunecat, făcut din materie întunecată și energie întunecată. Cum știm asta? Ei bine, pentru că ne uităm la lucruri și le vedem. Poate pare simplist, dar, de fapt, e chiar profund. Tot ce e făcut din atomi e vizibil. Lumina se reflectă și astfel le vedem. Când privim în spațiu, vedem stele și galaxii. Unele din ele, cum e cea în care trăim, sunt forme sferice, frumoase, rotindu-se cu grație prin spațiu. Când cercetătorii au măsurat prima oară mișcarea grupărilor de galaxii în anii 1930 și au cântărit materia pe care o conțineau, au avut o mare surpriză. Au aflat că nu e destulă materie vizibilă în ele ca să le țină laolaltă. Ulterior, măsurătorile galaxiilor individuale au confirmat acest rezultat. Nu este destulă materie vizibilă în galaxii ca să dea suficientă gravitație să le țină laolaltă. Din ce vedem, ar trebui să se împrăștie, dar nu o fac. Așadar, trebuie să fie materie pe care nu o vedem. O numim materie întunecată. Astăzi, cea mai bună dovadă pentru ea provine din măsurătorile a ceea ce numim radiație cosmică de fond, strălucirea de după Big Bang, dar asta-i o altă poveste. Dovezile pe care le avem spun că există materie întunecată și cuprinde mare parte a materiei din acele frumoase galaxii spiralate care împânzesc cerul. Ce știm atunci? Știm de mult că cerul nu se rotește în jurul nostru și că suntem locuitorii unei planete obișnuite, ce orbitează o stea obișnuită, în brațul unei galaxii obișnuite. Descoperirea materiei întunecate ne-a împins mai departe de miezul lucrurilor. Ne-a spus că materia din care suntem făcuți e doar o mică parte din ce e făcut universul. Dar asta nu era totul. În acest secol, cercetătorii ce studiază întinderea universului au confirmat faptul că nu doar că totul se îndepărtează de restul, așa cum ne-am aștepta într-un univers cu origine într-o explozie densă, fierbinte, dar și că expansiunea universului pare să se accelereze. Cum adică? Sau există un fel de energie ce stimulează accelerarea, ca energia necesară pentru a accelera o mașină, sau gravitația nu acționează cum credem noi. Majoritatea cercetătorilor cred că e prima variantă, că ar fi o energie ce provoacă accelerarea, și au numit-o „energia întunecată”. Cele mai bune măsurători ne permit azi să ne dăm seama cât din univers e întunecat. Se pare că energia întunecată reprezintă 68% din univers, iar materia întunecată 27%, rămânând 5% pentru noi și tot ce putem vedea. Din ce e făcută materia întunecată? Nu știm asta, dar există o teorie numită „supersimetria”, care ar putea explica o parte din ea. Supersimetria, prescurtat SUSY, prezice o nouă gamă de noi particule, unele putând constitui materia întunecată. Dacă am găsi dovezi pentru SUSY, am putea ajunge de la a înțelege 5% din univers, lucrurile pe care le vedem, la aproximativ o treime. Nu-i rău pentru o zi de lucru. Energia întunecată poate ar fi mai greu de înțeles, dar sunt unele teorii speculative care ar putea arăta calea. Unele sunt teorii ce trimit la ideea măreață a grecilor antici, cu care am început în urmă cu câteva minute, ideea că universul e simplu. Aceste teorii prezic că există doar un element din care rezultă minunata diversitate a universului, o coardă ce vibrează. Ideea e că toate particulele pe care le știm azi sunt doar diferite tonuri pe coardă. Din păcate, teoriile corzilor nu pot fi testate nici în prezent. Dar cu universul așteptând să fie explorat, miza e mare. Toate astea te fac să te simți mic? Nu ar trebui. În schimb, ar trebui să fii uimit că, din câte știm, ești membru al singurei specii din univers capabile chiar și să-nceapă să-și înțeleagă minunile, iar tu trăiești chiar timpul în care vezi boom-ul înțelegerii noastre.