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.
Древние греки пришли к гениальному выводу: Вселенная устроена по простым законам. По их мнению, всё сущее состояло из четырёх элементов: земли, воздуха, огня и воды. Это хорошая теория. Простая и элегантная. Согласно этой теории, различные сочетания четырёх элементов лежат в основе удивительного многообразия окружающего мира. Из земли и огня, например, состоят сухие вещества. Из воздуха и воды — жидкости. Однако, в этом и заключалась загвоздка. Эта теория не позволяла измерить окружающий мир, а, как известно, измерения — основа экспериментальной науки. Теория провалилась. Греки были великими учёными. В V веке до нашей эры Левкипп из Милеты вывел один из наиболее долговечных научных принципов. Левкипп утверждал, что видимый мир состоит из крошечных неделимых частиц — атомов. Эта теория тоже простая и элегантная и, в отличие от теории элементов, — земли, воздуха, огня и воды — истинная. Спустя века развития научной мысли и проведения экспериментов было доказано, что вещества, такие как водород, углерод и железо, состоят из атомов. Согласно Левкиппу, атом являлся наименьшей неделимой частицей вещества — будь то водород, углерод или железо. Однако позднее выяснилось, что Левкипп был отчасти неправ, поскольку атом можно расщепить. Более того, оказалось, что с помощью теории об атомах можно объяснить лишь малую часть Вселенной. То, что мы привыкли считать основой Вселенной, на самом деле встречается довольно редко. Атомы Левкиппа и то, из чего они состоят, составляют всего 5% известной нам Вселенной. Теперь физики знают, что оставшиеся 95% — это тёмная Вселенная, состоящая из тёмной материи и тёмной энергии. Откуда нам это известно? Мы познаём мир вокруг нас, когда наблюдаем, смотрим на него. Это может показаться очевидным, но на самом деле это довольно глубинный принцип. Всё, что состоит из атомов, можно увидеть. Свет отражается от такой материи, и мы видим её. Когда мы смотрим в космос, мы видим звёзды и галактики. Некоторые из них похожи на нашу — красивые спиральные галактики, величественно вращающиеся в пространстве. Когда в 30-ые годы XX века учёным впервые удалось измерить движение групп галактик и совокупную массу вещества в них, они пришли к неожиданным выводам. Оказалось, что видимого вещества было недостаточно, чтобы удерживать группу галактик вместе. Последующие измерения массы отдельных галактик лишь подтвердили это таинственное несоответствие. Галактики содержали недостаточно видимого вещества, чтобы силы притяжения удерживали их вместе. Казалось бы, согласно данным измерений, галактики должны были давно разлететься в разные стороны... Наверное, они содержат вещество, нам невидимое. Учёные называют такое вещество тёмной материей. Лучшим доказательством существования тёмной материи на сегодняшний день являются результаты измерений микроволнового фона космического излучения, эха Большого Взрыва — но это уже совсем другая история. Результаты исследований свидетельствуют о том, что тёмная материя существует и составляет большую часть того, из чего состоят эти красивые спиральные галактики в звёздном небе. Что всё это значит? Мы уже давно знаем, что небесные тела не вращаются вокруг нас, и что мы живём на довольно обыкновенной планете, которая вращается вокруг обычной звезды, находящейся в спиральной ветви типичной галактики. Открытие тёмной материи позволило нам сделать ещё один шаг в сторону от центристского взгляда на вещи. Мы поняли, что то, из чего мы сделаны, является лишь малой долей того, из чего состоит Вселенная. Впереди нас ждали новые открытия. В начале этого столетия исследования дальних уголков Вселенной подтвердили не только то, что космические объекты отдаляются друг друга — чего и следовало ожидать во Вселенной, созданной большим взрывом — но и то, что расширение Вселенной ускоряется. Как же так? Это значит, что либо существует энергия, питающая это ускорение, наподобие энергии, необходимой для ускорения автомобиля, либо силы притяжения ведут себя не так, как мы привыкли думать. Большинство учёных склоняются к первому варианту: существует некая энергия, питающая ускорение, а именно <i>тёмная энергия</i>. Благодаря современному измерительному оборудованию мы можем вычислить, какая доля Вселенной тёмная. Тёмная энергия составляет около 68% Вселенной, а тёмная материя — около 27%. То есть 5% — это всё, что остаётся нам и всему тому, что мы видим. Из чего же состоит тёмная часть Вселенной? Науке это пока неизвестно, но есть одна гипотеза, а именно гипотеза суперсимметрии, которая может помочь нам в этом разобраться. Согласно гипотезе суперсимметрии, или SUSY [от англ. Supersymmetry], существует целый набор неизвестных частиц, из которых в том числе состоит и тёмная материя. Если нам удастся доказать истинность этой гипотезы, мы сможем понять, как устроены не 5% Вселенной — видимая нам часть — а целая треть. Неплохо для начала. Природу тёмной энергии разгадать сложнее, но существует несколько любопытных гипотез, которые могут подсказать нам, в каком направлении двигаться. Среди этих гипотез есть те, что восходят к идее древних греков, о которой мы говорили пару минут назад, а именно идее о том, что законы Вселенной просты. Эти гипотезы утверждают, что существует единый простейший элемент, который создаёт всё великолепное многообразие Вселенной, и этот элемент — колеблющаяся струна. Идея заключается в том, что все известные нам частицы — лишь различные вибрации струн. К сожалению, на данный момент теорию струн невозможно подтвердить экспериментально. Перед нами великое множество неизученных тайн Вселенной, и нужно поспешить. Все эти разговоры заставляют вас чувствовать себя лишь песчинкой? Бросьте. Гордитесь тем, что вы — представитель единственного, насколько нам известно, вида разумных существ во Вселенной, дерзнувших разгадывать тайны мироздания, и вы живёте в век, когда человечество стоит на пороге величайших открытий.