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.
Người Hy Lạp cổ đại có một ý tưởng tuyệt vời: Vũ trụ rất đơn giản. Trong đầu họ, tất cả những gì bạn cần là bốn nguyên tố: đất, khí, lửa và nước. Khi áp dụng lý thuyết, nó là một cái đẹp. Nó có sự đơn giản và tao nhã. Nó nói rằng bằng cách kết hợp 4 nguyên tố cơ bản bằng các cách khác nhau bạn có thể tạo ra tất cả sự đa dạng tuyệt vời trong vũ trụ. Ví dụ đất và lửa, cho bạn những thứ khô ráo. Khí và nước, cho ra thứ ẩm ướt. Nhưng khi áp dụng lý thuyết, nó gặp phải vấn đề. Nó không dự đoán bất cứ điều gì có thể đo lường được, và đo lường là nền tảng của khoa học thực nghiệm. Tệ hơn, lý thuyết đã sai. Nhưng người Hy Lạp là các nhà khoa học tuyệt vời và trong thế kỷ thứ 5 TCN, Leucippus của Miletus đi đến với một trong những ý tưởng khoa học bền vững nhất. Mọi thứ ta thấy đều được tạo ra từ các thứ tí hon, không phân chia được, gọi là nguyên tử. Lý thuyết này đơn giản và tao nhã, và nó có lợi thế so với lý thuyết đất, khí, lửa và nước để chứng tỏ sự đúng đắn. Những suy nghĩ và thí nghiệm khoa học hàng thế kỷ đã công bố rằng nguyên tố thực sự, những thứ như hydro, carbon và sắt có thể bị phá vỡ thành nguyên tử. Trong lý thuyết của Leucippus, nguyên tử là thứ nhỏ nhất, không phân chia được mà có thể nhận dạng được như hydro, carbon và sắt. Điều duy nhất sai trong ý tưởng của Leucippus là nguyên tử, thực ra, có thể phân chia. Hơn thế, ý tưởng nguyên tử của ông chỉ giải thích một phần nhỏ của thứ đã tạo nên vũ trụ. Những gì hiện ra như các vật thông thường trong vũ trụ thực ra khá là hiếm. Nguyên tử của Leucippus, và những thứ tạo ra từ chúng, thực sự chỉ cấu thành nên 5% vật chất chúng ta biết nằm ở đấy. Các nhà vật lý biết phần còn lại của vũ trụ, 95% của nó, là vũ trụ tối, tạo thành từ vật chất tối và năng lượng tối. Làm sao ta biết được? Ta biết vì ta quan sát vật và chúng ta thấy chúng. Nghe thì có vẻ khá đơn giản, nhưng thực ra nó khá là sâu xa. Tất cả thứ tạo ra từ nguyên tử là nhìn thấy được. Ánh sáng nảy ra khỏi nó, và chúng ta có thể thấy nó. Khi ta nhìn lên trời, ta thấy ngôi sao và thiên hà. Một số chúng, ví dụ như nơi ta đang sống, hình xoáy ốc rất đẹp, xoay tròn duyên dáng trong không gian. Khi nhà khoa học lần đầu đo chuyển động của nhóm các thiên hà vào thập niên 1930 và cân khối lượng vật chất chúng chứa, họ đã rất ngạc nhiên. Họ nhận ra không có đủ vật chất nhìn thấy trong nhóm để giữ chúng lại với nhau. Những lần đo đạc sau của các thiên hà đơn lẻ xác nhận kết quả đánh đố này. Đơn giản là không có đủ thứ nhìn thấy trong thiên hà để cung cấp đủ trọng lực giữ chúng lại với nhau. Từ những gì ta thấy, chúng lẽ ra phải bay khỏi nhau, nhưng lại không. Vậy chắc hẳn phải có thứ gì đó mà ta không thấy được. Ta gọi thứ đó là vật chất tối. Bằng chứng tốt nhất về vật chất tối hiện nay đến từ đo đạc của một thứ gọi là bức xạ nền vũ trụ, hoàng hôn của Big Bang, nhưng đó là câu chuyện khác. Tất cả bằng chứng ta có nói rằng vật chất tối ở đó và nó bao trùm phần nhiều vật chất trong thiên hà xoắn ốc tuyệt đẹp đó phủ đầy thiên đường. Vậy nó để lại cho ta từ đâu? Ta từ lâu đã biết thiên đường không xoay quanh chúng ta và rằng ta là cư dân của một hành tinh khá bình thường, quanh một ngôi sao khá bình thường, trong cánh xoắn ốc của một thiên hà khá là bình thường. Sự khám phá ra vật chất tối đưa chúng ta một bước xa hơn tới trung tâm của vạn vật. Nó nói rằng thứ mà ta tạo thành chỉ là một phần nhỏ của những gì tạo nên vũ trụ. Nhưng vài điều nữa đã đến. Đầu thế kỷ này, các nhà khoa học nghiên cứu giới hạn rìa của vũ trụ đã xác nhận rằng không chỉ mọi thứ bay ra xa mọi thứ khác, như bạn mong muốn trong một vũ trụ bắt đầu từ vụ nổ nóng, đặc, nhưng sự giãn nở của vũ trụ cũng đồng thời tăng tốc. Điều đó là sao? Hoặc là có loại năng lượng nào đó đẩy mạnh gia tốc này, cũng như bạn cung cấp năng lượng để tăng tốc xe hơi, hoặc là trọng lực không hành xử như ta nghĩ. Hầu hết các nhà khoa học nghĩ rằng đó là tiền tố, rằng có loại năng lượng điều khiển gia tốc, và họ gọi nó là "năng lượng tối". Lần đo đạc tốt nhất hiện nay cho phép ta tìm ra bao nhiêu vũ trụ là tối. Nó có vẻ như năng lượng tối bao gồm khoảng 68% vũ trụ và vật chất tối khoảng 27%, chỉ để lại 5% cho chúng ta và mọi thứ khác ta có thể nhìn thấy. Vậy những thứ tối tạo thành từ gì? Ta không biết, nhưng có một lý thuyết, gọi là "siêu đối xứng", có thể giải thích một chút. Siêu đối xứng, hay gọi ngắn gọn là SUSY, dự đoán toàn bộ phạm vi của hạt mới, một số chúng có thể tạo ra vật chất tối. Nếu ra tìm ra bằng chứng về SUSY, ta có thể đi từ hiểu biết 5% vũ trụ chúng ta, những thứ ta có thể thực sự nhìn thấy, tới khoảng 1/3. Không tệ cho một ngày làm việc. Năng lượng tối có lẽ khó hiểu hơn, nhưng có một số lý thuyết đầu cơ ngoài đó có thể chỉ ra được cách. Giữa chúng là lý thuyết mà trở lại với ý tưởng tuyệt vời của người Hy Lạp cổ đại, ý tưởng chúng ta bắt đầu vài phút trước, ý tưởng rằng vũ trụ phải đơn giản. Những lý thuyết này dự đoán có một yếu tố đơn từ tất cả các nhánh đa dạng đáng kinh ngạc của vũ trụ, một sợi dây rung động. Ý tưởng rằng tất cả các hạt ta biết hiện nay chỉ là những giao hưởng khác nhau của dây. Đáng tiếc rằng, lý thuyết dây ngày nay chưa thể kiểm tra được. Nhưng, với rất nhiều thứ trong vũ trụ đang chờ được khám phá, Cơ hội là rất cao. Tất cả điều này có làm bạn cảm thấy nhỏ bé? Không nên như thế. Thay vào đó, bạn nên ngạc nhiên với sự thật, như ta đã biết, rằng bạn là thành viên trong những sinh vật duy nhất của vũ trụ có thể bắt đầu nắm bắt điều kỳ diệu của nó, và bạn đang sống đúng lúc để thấy sự hiểu biết của chúng ta bùng nổ.