Als eine Partikelphysikern untersuche ich die elementaren Partikel und wie sie auf grundlegendster Ebene miteinander interagieren. Für den größten Teil meiner Forscherlaufbahn habe ich Teilchenbeschleuniger verwendet -- wie zum Beispiel den Elektronenbeschleuniger in der Universität von Standford gleich die Straße hinauf -- um Dinge der niedrigsten Größenordnung zu untersuchen. Aber seit kurzem widme ich meine Aufmerksamkeit dem Universum auf höchster Größenordnung. Denn eigentlich, wie ich Ihnen erklären werde, sind die Fragen der niedrigsten und höchsten Größenordnung sehr miteinander verbunden. Ich werde Ihnen im Folgenden von unserem Modell des Universums im 21. Jahrhundert berichten, woraus es besteht und was die großen Fragen in den Wissenschaften der Naturgesetze sind -- oder zumindest ein paar der großen Fragen.
As a particle physicist, I study the elementary particles and how they interact on the most fundamental level. For most of my research career, I've been using accelerators, such as the electron accelerator at Stanford University, just up the road, to study things on the smallest scale. But more recently, I've been turning my attention to the universe on the largest scale. Because, as I'll explain to you, the questions on the smallest and the largest scale are actually very connected. So I'm going to tell you about our twenty-first-century view of the universe, what it's made of and what the big questions in the physical sciences are -- at least some of the big questions.
Vor kurzem haben wir bemerkt, dass die gewöhnliche Materie im Universum -- und mit "gewöhnliche Materie" meine ich Sie -- mich, die Planeten, die Sterne, die Galaxien -- gewöhnliche Materie macht bloß ein paar Prozent des Inhalts des Universums aus. Fast ein Viertel -- oder schätzungsweise ein Viertel der Materie des Universums ist irgendein unsichtbares Zeug. Mit "unsichtbar" meine ich, dass es im elektromagnetische Spektrum nichts absorbiert. Es strahlt im elektromagnetischen Spektrum nichts aus. Es reflektiert nichts. Es interagiert nicht mit dem elektromagnetischem Spektrum, das wir eigentlich benutzen, um die Dinge zu entdecken. Es interagiert mit nichts und niemandem. Wie wissen wir dann, dass es da ist? Wir wissen es aufgrund seines Einflusses auf die Gravitation. Und zwar dominiert diese dunkle Materie die Wirkung der Gravitation im Universum auf einer hohen Größenordnung, und ich werde Ihnen von den Beweisen dafür berichten.
So, recently, we have realized that the ordinary matter in the universe -- and by ordinary matter, I mean you, me, the planets, the stars, the galaxies -- the ordinary matter makes up only a few percent of the content of the universe. Almost a quarter, or approximately a quarter of the matter in the universe, is stuff that's invisible. By invisible, I mean it doesn't absorb in the electromagnetic spectrum. It doesn't emit in the electromagnetic spectrum. It doesn't reflect. It doesn't interact with the electromagnetic spectrum, which is what we use to detect things. It doesn't interact at all. So how do we know it's there? We know it's there by its gravitational effects. In fact, this dark matter dominates the gravitational effects in the universe on a large scale, and I'll be telling you about the evidence for that.
Und der Rest des Diagramms? Der Rest des Diagramms ist eine sehr mysteriöse Substanz namens "dunkle Energie". Mehr darüber später. Lassen Sie uns für den Moment die Beweise für die dunkle Materie betrachten. In den Galaxien, insbesondere in Spiralgalaxien wie dieser, ist der Großteil der Masse der Sterne in der Mitte der Galaxie konzentriert. Die enorme Masse all dieser Sterne hält Sterne innerhalb der Galaxie in zyklischen Orbits. All die Sterne befinden sich also in zyklischen Orbits -- etwas so. Wie Sie sich vorstellen können -- selbst wenn sie keine Physik können -- das sollte intuitiv sein -- dass Sterne, die näher an der Masse im Mittelpunkt sind, schneller rotieren als die, die weiter hier draußen sind.
What about the rest of the pie? The rest of the pie is a very mysterious substance called dark energy. More about that later, OK. So for now, let's turn to the evidence for dark matter. In these galaxies, especially in a spiral galaxy like this, most of the mass of the stars is concentrated in the middle of the galaxy. This huge mass of all these stars keeps stars in circular orbits in the galaxy. So we have these stars going around in circles like this. As you can imagine, even if you know physics, this should be intuitive, OK -- that stars that are closer to the mass in the middle will be rotating at a higher speed than those that are further out here, OK.
Sie würden also erwarten, dass wenn sie die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mäßen, sie am Rand langsamer als innen sein sollten. Anders ausgedrückt: Wenn wir Geschwindigkeit als eine Funktion von Distanz messen würden -- das ist das einzige Mal, dass ich einen Graph zeige -- würden wir erwarten, dass sie nachlässt, wenn die Entfernung vom Zentrum der Galaxie zunimmt. Wenn diese Messungen vorgenommen werden, stellen wir stattdessen fest, dass die Geschwindigkeit als eine Funktion der Distanz mehr oder weniger konstant ist. Wenn sie konstant ist, bedeutet dass, dass die Sterne hier draußen Schwerkraft ausgesetzt sind, die von Materie generiert wird, die wir nicht sehen können. Tatsächlich scheint diese sowie jede andere Galaxie in einer Wolke der unsichtbaren dunklen Materie eingeschlossen zu sein. Und diese Wolke der Materie ist sehr viel sphärischer als die Galaxie selbst, und sie erstreckt sich über einen viel größeren Bereich als die Galaxie. Wir sehen nun die Galaxie und fixieren uns darauf, aber eigentlich ist es eine Wolke aus dunkler Materie, die die Struktur und die Dynamik dieser Galaxie dominiert.
So what you would expect is that if you measured the orbital speed of the stars, that they should be slower on the edges than on the inside. In other words, if we measured speed as a function of distance -- this is the only time I'm going to show a graph, OK -- we would expect that it goes down as the distance increases from the center of the galaxy. When those measurements are made, instead what we find is that the speed is basically constant, as a function of distance. If it's constant, that means that the stars out here are feeling the gravitational effects of matter that we do not see. In fact, this galaxy and every other galaxy appears to be embedded in a cloud of this invisible dark matter. And this cloud of matter is much more spherical than the galaxy themselves, and it extends over a much wider range than the galaxy. So we see the galaxy and fixate on that, but it's actually a cloud of dark matter that's dominating the structure and the dynamics of this galaxy.
Galaxien selber sind nicht zufällig im Universum verstreut; sie tendieren dazu, in Clustern aufzutreten. Und das hier ist ein Beispiel eines wirklich sehr bekannten Clusters: der Coma Cluster. Und es gibt tausende von Galaxien in diesem Cluster. Das sind die weißen, verschwommenen, elliptischen Dinger hier. Also, die Galaxien-Cluster -- ob wir jetzt eine Momentaufnahme machen, ob wir in zehn Jahren eine Momentaufnahme machen -- er wird genauso aussehen. Aber Galaxien bewegen sich eigentlich mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Sie bewegen sich innerhalb des Gravitations-Potenzials des Clusters. Alle Galaxien bewegen sich also. Wir können die Geschwindigkeiten der Galaxien messen -- ihre Umlaufgeschwindigkeiten -- und herausfinden, wie viel Masse sich in einem Cluster befindet.
Galaxies themselves are not strewn randomly in space; they tend to cluster. And this is an example of a very, actually, famous cluster, the Coma cluster. And there are thousands of galaxies in this cluster. They're the white, fuzzy, elliptical things here. So these galaxy clusters -- we take a snapshot now, we take a snapshot in a decade, it'll look identical. But these galaxies are actually moving at extremely high speeds. They're moving around in this gravitational potential well of this cluster, OK. So all of these galaxies are moving. We can measure the speeds of these galaxies, their orbital velocities, and figure out how much mass is in this cluster.
Und abermals stellen wir fest, dass es da draußen sehr viel mehr Masse gibt, als durch die Galaxien, die wir sehen können, erklärt werden kann. Oder wenn wir in andere Bereichen des elektromagnetischen Spektrums schauen, dann sehen wir, dass es außerdem sehr viel Gas in diesem Cluster gibt. Aber das erklärt das Vorhandensein der ganzen Masse auch nicht. In der Tat scheint es hier ungefähr zehn mal so viel Masse zu geben, in Form der unsichtbaren oder dunklen Materie, als es gewöhnliche Materie gibt. Es wäre schön, wenn wir die dunkle Materie etwas direkter beobachten könnten. Ich setze mal diesen dicken, blauen Fleck dahin, um zu versuchen, Sie daran zu erinnern, dass sie da ist. Können wir sie auf visuellere Weise beobachten? Ja, können wir.
And again, what we find is that there is much more mass there than can be accounted for by the galaxies that we see. Or if we look in other parts of the electromagnetic spectrum, we see that there's a lot of gas in this cluster, as well. But that cannot account for the mass either. In fact, there appears to be about ten times as much mass here in the form of this invisible or dark matter as there is in the ordinary matter, OK. It would be nice if we could see this dark matter a little bit more directly. I'm just putting this big, blue blob on there, OK, to try to remind you that it's there. Can we see it more visually? Yes, we can.
Lassen sie mich Ihnen erklären, wie wir das tun können. Also, das hier ist ein Beobachter: Es könnte ein Auge sein; es könnte ein Teleskop sein. Und stellen Sie sich vor, es gibt eine Galaxie hier draußen im Universum. Auf welche Weise sehen wir diese Galaxie? Ein Lichtstrahl verlässt die Galaxie und durchreist das Universum, eventuell für Milliarden von Jahren, bevor er an das Teleskop oder Ihr Auge gelangt. Wie leiten wir nun ab, wo sich die Galaxie befindet? Wir leiten es aufgrund der Richtung ab, aus der der Lichtstrahl kommt, wenn er an unsere Auge gelangt, nicht wahr? Wir sagen: "Der Lichtstrahl ist aus der und der Richtung gekommen; die Galaxie muss da drüben sein." Jetzt stellen Sie sich vor, ich würde einen Galaxien-Cluster in die Mitte setzen -- und vergessen Sie die dunkle Materie nicht. Wenn wir uns nun einen anderen Lichtstrahl vorstellen -- einer, der so wie der hier verläuft -- dann müssen wir jetzt beachten, was Einstein prognostiziert hat, als er die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hat. Und zwar, dass das Gravitationsfeld -- aufgrund der Masse -- nicht nur die Flugbahn von Partikeln, sondern das Licht an sich umleiten wird.
And so let me lead you through how we can do this. So here's an observer: it could be an eye; it could be a telescope. And suppose there's a galaxy out here in the universe. How do we see that galaxy? A ray of light leaves the galaxy and travels through the universe for perhaps billions of years before it enters the telescope or your eye. Now, how do we deduce where the galaxy is? Well, we deduce it by the direction that the ray is traveling as it enters our eye, right? We say, the ray of light came this way; the galaxy must be there, OK. Now, suppose I put in the middle a cluster of galaxies -- and don't forget the dark matter, OK. Now, if we consider a different ray of light, one going off like this, we now need to take into account what Einstein predicted when he developed general relativity. And that was that the gravitational field, due to mass, will deflect not only the trajectory of particles, but will deflect light itself.
Daher verläuft dieser Lichtstrahl nicht in einer geraden Linie, sondern würde sich eher krümmen und könnte letztlich zu unserem Auge gelangen. Wo sieht der Beobachter die Galaxie? Sie können antworten. Oben, genau. Wir leiten rückwirkend ab und sagen: "Die Galaxie ist hier oben." Gibt es irgendeinen anderen Lichtstrahl, der das Auge des Beobachters von der Galaxie aus erreichen könnte? Ja, sehr gut. Ich kann Leute so nach unten zeigen sehen. Ein Lichtstrahl könnte also nach unten verlaufen, nach oben zum Auge des Beobachters verbogen werden -- und der Beobachter sieht den Lichtstrahl hier.
So this light ray will not continue in a straight line, but would rather bend and could end up going into our eye. Where will this observer see the galaxy? You can respond. Up, right? We extrapolate backwards and say the galaxy is up here. Is there any other ray of light that could make into the observer's eye from that galaxy? Yes, great. I see people going down like this. So a ray of light could go down, be bent up into the observer's eye, and the observer sees a ray of light here.
Und schenken Sie jetzt der Tatsache Beachtung, dass wir in einem dreidimensionalen Universum leben -- einem dreidimensionalen Raum. Gibt es irgendwelche anderen Lichtstrahlen, die an das Auge gelangen könnten? Ja! Die Lichtstrahlen würden sich auf einem -- ja, nur zu -- genau, einem Kegel befinden. Es befindet sich also ein ganzer Lichtstrahl -- Lichtstrahlen -- auf einem Kegel, die alle von dem Cluster verbogen werden und an das Auge des Beobachters gelangen. Wenn ein Licht-Kegel an mein Auge gelangt, was sehe ich dann? Einen Kreis, einen Ring. Das nennt sich "Einstein Ring" -- Einstein hat das prognostiziert. Dabei liegt nur dann ein perfekter Ring vor, wenn die Quelle, der Deflektor, -- und in diesem Fall das Auge -- sich alle in einer vollkommen geraden Linie befinden. Wenn sie auch nur ein bisschen verzogen sind, dann sehen wir ein anderes Bild.
Now, take into account the fact that we live in a three-dimensional universe, OK, a three-dimensional space. Are there any other rays of light that could make it into the eye? Yes! The rays would lie on a -- I'd like to see -- yeah, on a cone. So there's a whole ray of light -- rays of light on a cone -- that will all be bent by that cluster and make it into the observer's eye. If there is a cone of light coming into my eye, what do I see? A circle, a ring. It's called an Einstein ring. Einstein predicted that, OK. Now, it will only be a perfect ring if the source, the deflector and the eyeball, in this case, are all in a perfectly straight line. If they're slightly skewed, we'll see a different image.
Heute abend können sie über die Rezeption ein Experiment durchführen, um herauszufinden, wie das Bild aussieht. Es ist nämlich so, dass wir eine Art Linse entwerfen können, die die rechte Form hat, um diesen Effekt hervorzubringen. Wir nennen das "Gravitationslinseneffekt". Also, das hier ist Ihr Instrument. (Gelächter) Aber ignorieren Sie den oberen Teil. Ich möchte mich auf den unteren Teil konzentrieren. Immer wenn wir zu Hause ein Weinglas kaputt machen, hebe ich das Unterteil auf, bringe es rüber zur Werkstatt. Wir schleifen es, und ich habe eine kleine Gravitationslinse. Es hat also die rechte Form, um den Linseneffekt hervorzubringen. Und das nächste, was Sie für Ihr Experiment tun müssen, ist eine Serviette zu besorgen. Ich habe ein Stück Millimeterpapier genommen; ich bin Physikerin. (Gelächter) Also, eine Serviette. Zeichnen Sie in der Mitte eine kleine Modell-Galaxie. Und legen Sie nun die Linse über die Galaxie, und Sie werden feststellen, dass Sie einen Ring sehen können -- einen Einstein Ring. Ziehen Sie das Unterteil jetzt zur Seite, und der Ring teilt sich in Bögen. Und Sie können es auf jedes erdenkliche Bild legen. Auf dem Millimeterpapier können Sie erkennen, dass all die Linien auf dem Millimeterpapier verzerrt sind. Nochmals: Dies ist eine Art wahrheitsgetreues Modell von dem, was während des Gravitationslinseneffekts vor sich geht.
Now, you can do an experiment tonight over the reception, OK, to figure out what that image will look like. Because it turns out that there is a kind of lens that we can devise, that has the right shape to produce this kind of effect. We call this gravitational lensing. And so, this is your instrument, OK. (Laughter). But ignore the top part. It's the base that I want you to concentrate, OK. So, actually, at home, whenever we break a wineglass, I save the bottom, take it over to the machine shop. We shave it off, and I have a little gravitational lens, OK. So it's got the right shape to produce the lensing. And so the next thing you need to do in your experiment is grab a napkin. I grabbed a piece of graph paper -- I'm a physicist. (Laughter) So, a napkin. Draw a little model galaxy in the middle. And now put the lens over the galaxy, and what you'll find is that you'll see a ring, an Einstein ring. Now, move the base off to the side, and the ring will split up into arcs, OK. And you can put it on top of any image. On the graph paper, you can see how all the lines on the graph paper have been distorted. And again, this is a kind of an accurate model of what happens with the gravitational lensing.
Die Frage lautet nun: Können wir das am Himmel sehen? Sehen wir die Bögen am Himmel, wenn wir -- zum Beispiel -- einen Galaxien-Cluster betrachten? Und die Antwort lautet: ja. Und hier haben Sie ein Bild vom Hubble-Weltraumteleskop. Viele der Bilder, die Sie hier sehen, stammen ursprünglich vom Hubble-Weltraumteleskop. Zuerst die goldenen Galaxien -- das sind die Galaxien innerhalb des Clusters. Das sind die, die in dem Meer aus dunkler Materie eingeschlossen sind, was die Krümmung des Lichts und dadurch die optischen Illusionen -- oder eigentlich Trugbilder -- der Galaxien im Hintergrund hervorruft. Die Streifen, die Sie sehen können -- all diese Streifen sind im Grunde verzerrte Bilder von Galaxien, die sehr viel weiter weg sind.
OK, so the question is: do we see this in the sky? Do we see arcs in the sky when we look at, say, a cluster of galaxies? And the answer is yes. And so, here's an image from the Hubble Space Telescope. Many of the images you are seeing are earlier from the Hubble Space Telescope. Well, first of all, for the golden shape galaxies -- those are the galaxies in the cluster. They're the ones that are embedded in that sea of dark matter that are causing the bending of the light to cause these optical illusions, or mirages, practically, of the background galaxies. So the streaks that you see, all these streaks, are actually distorted images of galaxies that are much further away.
Wir können nun, ausgehend vom Grad der Verzerrung, den wir in den Bildern ausmachen können, berechnen, wie viel Masse in dem Cluster vorhanden sein muss. Und es handelt sich um eine enorme Menge an Masse. Desweiteren können Sie mit bloßem Auge erkennen -- wenn sie sich das hier anschauen -- dass die Bögen sich nicht auf individuelle Galaxien zentrieren; sie zentrieren sich auf eine ausgedehntere Struktur. Und das ist die dunkle Materie, in der der Cluster eingeschlossen ist. Das hier ist der beste optische Eindruck -- zumindest des Einflusses der dunklen Materie, die sie mit bloßem Auge sehen können.
So what we can do, then, is based on how much distortion we see in those images, we can calculate how much mass there must be in this cluster. And it's an enormous amount of mass. And also, you can tell by eye, by looking at this, that these arcs are not centered on individual galaxies. They are centered on some more spread out structure, and that is the dark matter in which the cluster is embedded, OK. So this is the closest you can get to kind of seeing at least the effects of the dark matter with your naked eye.
Also, eine schnelle Zusammenfassung, um zu schauen, dass sie mir folgen: Die Beweise, die wir dafür haben, dass ein Viertel des Universums aus dunkler Materie besteht -- dieses schwerkraft-erzeugende Zeug -- bestehen darin, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen, die Galaxien umkreisen, viel zu hoch ist; sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein. Die Umlaufgeschwindigkeiten von Galaxien innerhalb von Clustern ist viel zu hoch; sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein. Und wir können den Gravitationslinseneffekt beobachten -- die Verzerrungen, die abermals darauf deuten, dass die Cluster in dunkler Materie eingeschlossen sind.
OK, so, a quick review then, to see that you're following. So the evidence that we have that a quarter of the universe is dark matter -- this gravitationally attracting stuff -- is that galaxies, the speed with which stars orbiting galaxies is much too large; it must be embedded in dark matter. The speed with which galaxies within clusters are orbiting is much too large; it must be embedded in dark matter. And we see these gravitational lensing effects, these distortions that say that, again, clusters are embedded in dark matter.
Okay. Schauen wir uns jetzt dunkle Energie an. Um die Beweislage für die dunkle Energie zu verstehen, müssen wir etwas erörtern, auf das Stephen Hawking in der vorausgegangenen Sitzung hingewiesen hat. Nämlich die Tatsache, dass der Raum selbst sich ausdehnt. Wenn wir uns nun einen Abschnitt unseres unendlichen Universums vorstellen -- und dafür ich habe hier vier Spiralgalaxien hingesetzt. Und stellen Sie sich vor, dass Sie einige Maßbänder darüber legen, so dass jede Linie einem Maßband entspricht -- horizontal oder vertikal -- um zu ermitteln, wo sich was befindet. Wenn sie das tun könnten, würden sie feststellen, das mit jedem vergangenen Tag, jedem vergangenen Jahr, jeden vergangenen Milliarden von Jahren die Entfernung zwischen den Galaxien größer wird. Und das ist nicht so, weil die Galaxien sich durch den Weltraum voneinander weg bewegen; sie bewegen sich nicht zwangsläufig durch den Weltraum. Sie bewegen sich voneinander weg, weil der Raum an sich größer wird. Das ist die wahre Bedeutung der Expansion des Universums. Also, Sie bewegen sich auseinander.
OK. So now, let's turn to dark energy. So to understand the evidence for dark energy, we need to discuss something that Stephen Hawking referred to in the previous session. And that is the fact that space itself is expanding. So if we imagine a section of our infinite universe -- and so I've put down four spiral galaxies, OK -- and imagine that you put down a set of tape measures, so every line on here corresponds to a tape measure, horizontal or vertical, for measuring where things are. If you could do this, what you would find that with each passing day, each passing year, each passing billions of years, OK, the distance between galaxies is getting greater. And it's not because galaxies are moving away from each other through space. They're not necessarily moving through space. They're moving away from each other because space itself is getting bigger, OK. That's what the expansion of the universe or space means. So they're moving further apart.
Stephen Hawking hat nun außerdem noch erwähnt, dass sich der Weltraum nach dem Urknall sehr schnell ausgedehnt hat. Da aber schwerkraft-erzeugende Materie im Weltraum eingeschlossen ist, tendiert sie dazu, die Expansion des Raums abzuschwächen. Die Expansion wird mit der Zeit abgeschwächt. Nun haben die Leute während des letzten Jahrhunderts darüber gestritten, ob die Expansion des Raums für immer weiter gehen würde, ob sie nachlassen würde -- das heißt, ob sie nachlässt, aber für immer weiter geht. Ob sie nachlässt und aufhört -- mehr oder weniger aufhört -- oder nachlässt, aufhört und dann zurückgeht, er sich also wieder zusammenzieht. Vor ein wenig über zehn Jahren haben zwei Gruppen von Physikern und Astronomen sich daran gemacht, die Geschwindigkeit zu messen, mit der die Expansion des Raums nachlässt. Wie viel weniger schnell er sich heute ausdehnt, verglichen mit -- zum Beispiel -- vor einigen Milliarden Jahren.
Now, what Stephen Hawking mentioned, as well, is that after the Big Bang, space expanded at a very rapid rate. But because gravitationally attracting matter is embedded in this space, it tends to slow down the expansion of the space, OK. So the expansion slows down with time. So, in the last century, OK, people debated about whether this expansion of space would continue forever; whether it would slow down, you know, will be slowing down, but continue forever; slow down and stop, asymptotically stop; or slow down, stop, and then reverse, so it starts to contract again. So a little over a decade ago, two groups of physicists and astronomers set out to measure the rate at which the expansion of space was slowing down, OK. By how much less is it expanding today, compared to, say, a couple of billion years ago?
Die erstaunliche Antwort auf diese Frage -- infolge der Experimente -- war, dass der Raum sich heute schneller ausdehnt als vor ein paar Milliarden Jahren. Die Expansion des Raums beschleunigt sich also. Das war ein total überraschendes Ergebnis. Es gibt kein überzeugendes theoretisches Argument, warum das passieren sollte. Keiner hat je prognostiziert, dass das herausgefunden würde. Es war das Gegenteil von dem, was erwartet wurde. Wir brauchen daher etwas, um das erklären zu können. Und es hat sich nun herausgestellt, dass man den Sachverhalt in der Mathematik als einen Term beschreiben kann, der einer Energie-Variable entspricht. Aber es ist eine ganz andere Art von Energie als alles, was wir jemals gesehen haben. Wir nennen sie "dunkle Energie", und sie hat die Wirkung, den Raum expandieren zu lassen. Wir haben im Moment allerdings keine gute Begründung, das mathematisch zu beschreiben. Uns fehlt jegliche Erklärung, warum wir das mathematisch erfassen sollen.
The startling answer to this question, OK, from these experiments, was that space is expanding at a faster rate today than it was a few billion years ago, OK. So the expansion of space is actually speeding up. This was a completely surprising result. There is no persuasive theoretical argument for why this should happen, OK. No one was predicting ahead of time this is what's going to be found. It was the opposite of what was expected. So we need something to be able to explain that. Now it turns out, in the mathematics, you can put it in as a term that's an energy, but it's a completely different type of energy from anything we've ever seen before. We call it dark energy, and it has this effect of causing space to expand. But we don't have a good motivation for putting it in there at this point, OK. So it's really unexplained as to why we need to put it in.
Und an dieser Stelle möchte ich Ihnen gegenüber besonders betonen, dass -- ganz grundsätzlich -- dunkle Materie und dunkle Energie zwei gänzlich verschiedene Dinge sind. Es gibt da draußen zwei große Rätsel darüber, woraus der größte Teil des Universums besteht, und sie haben sehr unterschiedliche Auswirkungen. Dunkle Materie, da schwerkraft-erzeugend, tendiert dazu, die Entwicklung von Strukturen zu begünstigen. Galaxien-Cluster tendieren daher dazu, sich infolge der ganzen Anziehungskraft zu bilden. Dunkle Energie erhöht demgegenüber den räumlichen Abstand zwischen den Galaxien, lässt sie -- die Anziehungskraft zwischen ihnen -- geringer werden und erschwert infolge dessen die Entwicklung von Strukturen. Indem wir uns Dinge wie Galaxien-Cluster anschauen -- ihre Teilchendichte, wie viele von ihnen es als Funktion der Zeit gibt -- können wir in Erfahrung bringen, auf welche Weise dunkle Materie und dunkle Energie miteinander im Wettstreit stehen, um Strukturen zu bilden.
Now, so at this point, then, what I want to really emphasize to you, is that, first of all, dark matter and dark energy are completely different things, OK. There are really two mysteries out there as to what makes up most of the universe, and they have very different effects. Dark matter, because it gravitationally attracts, it tends to encourage the growth of structure, OK. So clusters of galaxies will tend to form, because of all this gravitational attraction. Dark energy, on the other hand, is putting more and more space between the galaxies, makes it, the gravitational attraction between them decrease, and so it impedes the growth of structure. So by looking at things like clusters of galaxies, and how they -- their number density, how many there are as a function of time -- we can learn about how dark matter and dark energy compete against each other in structure forming.
Was dunkle Materie angeht, habe ich dargelegt, dass wir keine, naja -- wirklich überzeugenden Argumente für dunkle Energie haben. Haben wir welche für dunkle Materie? Die Antwort lautet: ja. Wir haben gut geeignete Anwärter auf die dunkle Materie. Und was meine ich mit "gut geeignet"? Ich meine damit, dass wir mathematisch widerspruchsfreie Theorien haben, die eigentlich eingeführt wurden, um ein ganz anderes Phänomen zu erklären -- Dinge, über die ich gar nicht gesprochen habe, die allesamt die Existenz eines neuen, nur wenig interagierenden Partikels prognostiziert haben.
In terms of dark matter, I said that we don't have any, you know, really persuasive argument for dark energy. Do we have anything for dark matter? And the answer is yes. We have well-motivated candidates for the dark matter. Now, what do I mean by well motivated? I mean that we have mathematically consistent theories that were actually introduced to explain a completely different phenomenon, OK, things that I haven't even talked about, that each predict the existence of a very weakly interacting, new particle.
Und das ist genau das, auf was Sie in der Physik warten: Eine Prognose, die auf eine mathematisch widerspruchsfreie Theorie zurückgeht, die eigentlich für etwas ganz anderes erdacht wurde. Wir wissen aber nicht, ob einer von den beiden wirklich ein Anwärter auf die dunkle Energie ist. Einer oder beide, wer weiß das schon? Es könnte auch etwas ganz anderes sein. Dabei fahnden wir nach den Partikeln der dunklen Materie, denn sie befinden sich schlussendlich ja in diesem Zimmer, und sie sind nicht durch die Tür hereingekommen. Sie bewegen sich durch alles mögliche. Sie können durch das Gebäude kommen, durch die Erde -- so wenig interagieren sie.
So, this is exactly what you want in physics: where a prediction comes out of a mathematically consistent theory that was actually developed for something else. But we don't know if either of those are actually the dark matter candidate, OK. One or both, who knows? Or it could be something completely different. Now, we look for these dark matter particles because, after all, they are here in the room, OK, and they didn't come in the door. They just pass through anything. They can come through the building, through the Earth -- they're so non-interacting.
Eine Methode, nach ihnen zu fahnden, besteht darin, Detektoren zu bauen, die gegenüber Partikeln von dunkler Materie, die sich durch sie hindurch bewegen und gegen sie stoßen, extrem empfindlich sind. Etwa einen Kristall, der klingelt, wenn das passiert. Und einer meiner Kollegen gleich die Straße hinauf hat mit seinen Mitarbeiten einen solchen Detektor gebaut. Und sie haben ihn tief in einer Eisenmine in Minnesota platziert, tief unter der Erde. Und während der letzten paar Tage haben sie in der Tat die bisher auffälligsten Ergebnisse vermeldet. Sie haben direkt nichts beobachten können, aber die Masse und die Interaktions-Freudigkeit der Partikel in etwa bestimmen können. Später dieses Jahr findet ein Teleskop-Start statt. Und es wird auf die Mitte der Galaxie zentriert sein, um herauszufinden, ob wir beobachten können, wie die Partikel der dunklen Materie sich auflösen und Gamma Strahlen produzieren, die damit entdeckt werden könnten. Der Große Hadronen-Speicherring, ein Teilchenbeschleuniger, den wir später dieses Jahr einschalten werden. Es ist möglich, dass im Großen Hadronen-Speicherring Dunkle-Materie-Partikel entstehen könnten.
So one way to look for them is to build detectors that are extremely sensitive to a dark matter particle coming through and bumping it. So a crystal that will ring if that happens. So one of my colleagues up the road and his collaborators have built such a detector. And they've put it deep down in an iron mine in Minnesota, OK, deep under the ground, and in fact, in the last couple of days announced the most sensitive results so far. They haven't seen anything, OK, but it puts limits on what the mass and the interaction strength of these dark matter particles are. There's going to be a satellite telescope launched later this year and it will look towards the middle of the galaxy, to see if we can see dark matter particles annihilating and producing gamma rays that could be detected with this. The Large Hadron Collider, a particle physics accelerator, that we'll be turning on later this year. It is possible that dark matter particles might be produced at the Large Hadron Collider.
Weil sie nun so wenig interagieren, werden sie dem Detektor entgehen, und daher wird ihre Signatur fehlende Energie sein. Unglücklicherweise gibt es eine Menge neuer Entdeckungen in der Physik, deren Signatur fehlende Energie sein könnte, weshalb es schwer sein wird, sie voneinander zu unterscheiden. Und schließlich werden -- für zukünftige Vorhaben -- Teleskope entwickelt, um sich mit den spezifischen Fragen der dunklen Materie und dunklen Energie zu befassen: bodennahe Teleskope. Und es gibt drei Weltraum-Teleskope, die gerade miteinander im Wettstreit stehen, um gestartet zu werden und dunkle Materie und dunkle Energie zu untersuchen. Was also die großen Fragen angeht: "Was ist dunkle Materie?" "Was ist dunkle Energie?" Die großen Fragen in der Physik. Und ich bin sicher, dass sie viele Fragen haben. Ich freue mich darauf, sie über die nächsten 72 Stunden, während der ich hier bin, zu beantworten. Vielen Dank. (Applaus)
Now, because they are so non-interactive, they will actually escape the detector, so their signature will be missing energy, OK. Now, unfortunately, there is a lot of new physics whose signature could be missing energy, so it will be hard to tell the difference. And finally, for future endeavors, there are telescopes being designed specifically to address the questions of dark matter and dark energy -- ground-based telescopes, and there are three space-based telescopes that are in competition right now to be launched to investigate dark matter and dark energy. So in terms of the big questions: what is dark matter? What is dark energy? The big questions facing physics. And I'm sure you have lots of questions, which I very much look forward to addressing over the next 72 hours, while I'm here. Thank you. (Applause)