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.
ชาวกรีกโบราณมีความคิดที่ยอดเยี่ยมที่ว่า เอกภพนั้นไม่ได้ซับซ้อน ในความคิดของพวกเขา คุณต้องการแค่สี่ธาตุเพื่อที่จะสร้างมัน ดิน ลม ไฟ และน้ำ ทฤษฎีนั้นฟังดูแล้ว มันสวยงามทีเดียว มันมีความเรียบง่ายและงดงาม มันกล่าวว่า โดยการรวมกัน ของธาตุพื้นฐานทั้งสี่ในรูปแบบที่แตกต่างกัน คุณก็สามารถผลิตความตื่นตาหลากลาย ของเอกภพได้ทั้งหมด ยกตัวอย่างเช่น ดินและไฟ ให้สิ่งที่แห้ง ลมและน้ำ ให้สิ่งที่เปียก แต่ทฤษฎีที่ว่านี้มีปัญหา มันไม่สามารถทำนายผลการวัดของสิ่งต่างๆ ได้ และการชั่งตวงวัดนั้น เป็นพื้นฐาน ของวิทยาศาสตร์เชิงทดลอง แย่กว่านั้น ทฤษฎีที่ว่ามันผิด แต่ชาวกรีกนั้นมีจิตวิญญาณของนักวิทยาศาสตร์ชั้นเลิศ และในศตวรรษที่ 5 ลิวซิปปัส (Leucippus) แห่ง เมลิทัส (Miletus) ได้เสนอความคิด ที่เป็นแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่ยื่นยงที่สุดความคิดหนึ่ง ทุกสิ่งที่เรามองเห็นนั้น ประกอบขึ้นจากส่วนเล็กๆที่เรียกว่า อะตอม ทฤษฎีนี้เรียบง่ายแต่ก็เปี่ยมด้วยความงาม และมันก็มีข้อได้เปรียบกว่า ทฤษฎีดินน้ำลมไฟ ในแง่ของความถูกต้อง หลายศตวรรษ แห่งกระบวนการคิดและทดลองทางวิทยาศาสตร์ ได้สร้างรากฐานไว้ว่า ธาตุต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน และเหล็ก สามารถแบ่งแยกลงไปได้ถึงระดับอะตอม ในทฤษฎีของลิวซิปปัส อะตอมนั้นเล็กที่สุด ส่วนที่ไม่สามารถแบ่งลงลึกต่อไปได้อีกแล้วของธาตุ เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน และเหล็ก สิ่งเดียวที่ความคิดของลิวซิปปัสผิดไปก็คือ อะตอมนั้น แท้ที่จริงแล้ว สามารถแบ่งลึกลงไปได้อีก ยิ่งไปกว่านั้น แนวคิดเกี่ยวกับอะตอมของเขา สามารถอธิบายได้แค่ในส่วนเล็กๆ ว่าเอกภพนั้นประกอบด้วยอะไร สิ่งที่ดูเหมือนเป็นของธรรมดาในเอกภพ ที่จริงแล้วค่อนข้างจะหายาก อะตอมตามแนวคิดของลิวซิปปัส และสิ่งที่มันเป็นองค์ประกอบ จริงๆแล้วเป็นเพียงแค่ 5% ของสิ่งที่เราทราบถึงตัวตนของมัน นักฟิสิกส์รู้จักส่วนที่เหลือของเอกภพ 95% ของมัน ในนามว่า เอกภพมืด (dark universe) ที่ประกอบขึ้นจากสสารมืด (dark matter) และพลังงานมืด (dark energy) เราทราบได้อย่างไรกัน เราทราบ เพราะว่าเรามองไปยังสิ่งต่างๆ และเราเห็นพวกมัน ซึ่งมันก็เหมือนจะตรงไปตรงมา แต่ที่จริงแล้วมันค่อนข้างจะลึกซี้ง ทุกสิ่งที่ประกอบขึ้นจากอะตอมนั้นมองเห็นได้ แสงสะท้อนออกจากมันและทำให้เราเห็นมัน เมื่อเรามองไปยังอวกาศ เราเห็นดวงดาวและดาราจักร (galaxy) ที่บางอัน อย่างดาราจักรของเรา ที่มีรูปทรงเป็นเกลียวสวยงาม หมุนอย่างน่ามองในห้วงอวกาศ เมื่อนักวิทยาศาสตร์วัดการเคลื่อนไหวของกลุ่มดาราจักร เป็นครั้งแรกในยุค 1930 และประมาณน้ำหนักของสสารที่เป็นองค์ประกอบของมัน พวกเขาก็ประหลาดใจ พกวเขาพบว่า มันมีสสารที่มองเห็นไม่เพียงพอ ในกลุ่มดาราจักรนั้นที่จะยึดเหนี่ยวมันไว้ด้วยกัน ต่อมาภายหลัง การวัดค่าของแต่ละดาราจักร ก็ได้ยืนยันผลที่น่าฉงนนี้ โดยหลักๆแล้วมันมีสสารไม่เพียงพอในดาราจักรต่างๆ ที่จะก่อให้เกิดแรงดึงดูดมากพอที่จะยึดพวกมันไว้ด้วยกัน จากที่เราสังเกต มันควรที่จะบินออกจากกัน แต่มันก็ไม่เป็นเช่นนั้น ดังนั้น มันจำเป็นที่จะต้องมีอะไรสักอย่าง ที่เราไม่สามารถมองเห็นได้ พวกเราเรียกมันว่าสสารมืด หลักฐานที่ดีที่สุดสำหรับสสารมืดในปัจจุบันนี้ มาจากการวัดค่าของสิ่งๆหนึ่ง ที่เรียกว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (cosmic microwave background) สิ่งที่เป็นดั่งแสงสายัณห์ของบิ๊กแบง (Big Bang) แต่นั่นเราคงไว้เล่าในโอกาสอื่น หลักฐานทั้งหมดที่เรามี บอกว่าสสารมืดมันอยู่ที่นั่น และมันเป็นส่วนประกอบของสิ่งต่างๆมากมาย ในดาราจักรทรงเกลียวที่สวยงาม ที่เติมเต็มท้องฟ้า แล้วนี่มันนำเราไปสู่สิ่งใด พวกเรารู้มานานแล้วว่าท้องฟ้า ไม่ได้หมุนวนไปรอบเรา และเรานั้นก็เป็นผู้อาศัยบนดาวเคราะห์ที่ออกจะดูธรรมดา โคจรไปรอบๆดาวที่ค่อนข้างจะธรรมดา ในแขนของจักรวาลทรงเกลียวที่ออกจะแสนธรรมดา การค้นพบสสารมืด นำเราก้าวไปอีกขั้น จากศูนย์กลางเหล่านี้ มันบอกเราว่า สิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นเรา เป็นเพียงส่วนน้อยที่ประกอบกันขึ้นเป็นเอกภพ แต่ ยังมีอะไรมากกว่านั้น เมื่อต้นศตวรรษนี้ นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาเอกภพชั้นนอก และได้ยืนยันว่า ไม่ใช่เพียงแค่ทุกสิ่งทุกอย่าง กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากกัน อย่างที่คุณคาดว่า เอกภพนั้น มีจุดเริ่มต้นจากบิ๊กแบงที่หนาแน่นและร้อน แต่การขยายตัวออกของเอกภพนั้น เหมือนจะเกิดขึ้นด้วยอัตราเร่ง นี่มันอะไรกัน นี่มันเป็นเพราะมีพลังงานอะไรสักอย่าง ผลักดันให้เกิดความเร่งนี้ เหมือนกับที่คุณให้พลังงานในการเร่งเครื่องรถยนต์ หรือแรงโน้มถ่วงไม่ได้มีพฤติกรรมอย่างที่เราคิดงั้นหรือ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เห็นด้วยกับความคิดแรก ว่ามีพลังงานอะไรสักอย่างที่ขับเคลือนความเร่ง และพวกเขาเรียกมันว่า "พลังงานมืด" การวัดที่ดีที่สุดที่เรามีในปัจจุบัน ทำให้เราคำนวณได้ว่า จักรวาลนั้นมีส่วนที่มืดมากแค่ไหน เหมือนกับว่า พลังงานมืดนั้น คิดเป็น 68% ของเอกภพ และสสารมืดนั้นคิดเป็น 27% ส่วนที่เหลือเพียง 5% นั้น เป็นเราและสิ่งอื่นๆที่เราสามารถมองเห็นได้ แล้วสสารมืดมันประกอบด้วยอะไรกัน เราไม่รู้ แต่มีทฤษฎีหนึ่งที่เรียกว่า สมมาตรยิ่งยวด (supersymmetry) ที่สามารถใช้มันอธิบายได้บางส่วน สมมาตรยิ่งยวด หรือเรียกสั้นๆว่า ซูซี่ (SUSY) ทำนายถึงอนุภาคชนิดใหม่มากมาย บางอนุภาคนั้นอาจเป็นองค์ประกอบของสสารมืด ถ้าเราพบหลักฐานสำหรับ ซูซี่ เราอาจก้าวไปไกลกว่าการเข้าใจ 5% ในเอกภพ ซึ่งเป็นสิ่งที่เราสามารถเห็นได้ เป็นการเข้าใจถึง 1 ใน 3 ก็ไม่เลวเลยนะ พลังงานมืดอาจยากแก่การเข้าใจ แต่มันก็ยังมีทฤษฎีที่ให้แนวคิดอีกมาก ที่จะช่วยชี้นำเราได้ ในบรรดาทฤษฎีพวกนี้ มีทฤษฎีที่พาเรากลับไปยังความคิดเริ่มแรกของชาวกรีก ความคิดที่เพิ่งกล่าวไปเมื่อไม่กี่นาทีก่อน ควาามคิดที่ว่า เอกภพต้องเป็นอะไรที่เรียบง่าย ทฤษฎีเหล่านี้คาดคะเนไว้ว่า มันมีเพียงแค่ธาตุพื้นฐานเดียว ที่เป็นสิ่งตั้งต้นแห่งความหลากหลายในเอกภพอันน่าอัศจรรย์ทั้งหลาย นั่นก็คือ เส้นเชือก (สตริง; string) ที่สั่นไหว ความคิดนี้กล่าวว่า อนุภาคที่เราเห็นทุกวันนี้ เป็นเพียง ความถี่ (harmonic) ต่างๆกันของเส้นเชือก น่าเสียดายว่า ในปัจจุบัน ทฤษฎีสตริง ยังไม่สามารถถูกทดสอบได้ แต่ เพราะมันยังมีอะไรอีกมากมายในเอกภพที่รอการค้นพบ เดิมพันนั้นสูงเหลือเกิน ทั้งหมดนี้ทำใหัคุณรู้สึกไร้ความสำคัญหรือเปล่า ไม่ควรจะเป็นเช่นนั้นนะ ที่จริง คุณควรจะรู้สึกทึ่ง ในความจริงที่ว่า เท่าที่เราทราบ คุณเป็นสมาชิกของสายพันธุ์เดียวในเอกภพนี้ ที่สามารถจะเริ่มเข้าใจถ่องแท้ถึงความอัศจรรย์แห่งเอกภพ และคุณมีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาที่เหมาะสมแล้ว ที่จะได้เห็นความเข้าใจของเราประทุออกอย่างไร้ที่สิ้นสุด