Ως μοριακός φυσικός, μελετώ τα στοιχειώδη σωματίδια και πως αλληλεπιδρούν στο πιο θεμελιώδες επίπεδο. Για το μεγαλύτερο μέρος της ερευνητικής μου καριέρας έχω χρησιμοποιήσει επιταχυντές, όπως ο επιταχυντής ηλεκτρονίων στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, εδώ κοντά, για να μελετήσω πράγματα στη μικρότερη κλίμακα. Αλλά τώρα τελευταία, γύρισα την προσοχή μου στο σύμπαν και τη μεγαλύτερη κλίμακα. Γιατί, όπως θα σας εξηγήσω, τα ερωτήματα στις μικρότερες και τις μεγαλύτερες κλίμακες πραγματικά είναι πολύ συνδεδεμένα. Έτσι, θα σας πω για την 21ου αιώνα άποψη μας για το σύμπαν, από τι είναι φτιαγμένο και ποια είναι τα μεγαλύτερα ερωτήματα στις φυσικές επιστήμες, τουλάχιστον μερικά από τα μεγάλα ερωτήματα.
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.
Έτσι πρόσφατα, συνειδητοποιήσαμε ότι η συνηθισμένη ύλη στο σύμπαν -- και λέγοντας συνηθισμένη εννοώ εσάς, εμένα, τους πλανήτες, τα αστέρια, τους γαλαξίες -- η συνηθισμένη ύλη αποτελεί μόνο ένα μικρό ποσοστό των περιεχομένων του σύμπαντος. Σχεδόν ένα τέταρτο, ή περίπου ένα τέταρτο της ύλης στο σύμπαν, είναι πράγματα που είναι αόρατα. Λέγοντας αόρατo εννοώ ότι δεν απορροφά το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Δεν εκπέμπει στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Δεν αντανακλάται. Δεν αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, το οποίο είναι αυτό που χρησιμοποιούμε για να ανιχνεύουμε πράγματα. Δεν αλληλεπιδρά καθόλου. Πως λοιπόν ξέρουμε ότι βρίσκεται εκεί; Ξέρουμε ότι βρίσκεται εκεί από τη βαρυτική του επίδραση. Στην πραγματικότητα, η σκοτεινή ύλη κυριαρχεί στη βαρυτική επίδραση του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα, και θα σας πω για τα αποδεικτικά στοιχεία αυτού.
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.
Τι γίνεται με το υπόλοιπο της πίτας; Το υπόλοιπο της πίτας είναι μια πολύ περίεργη υπόσταση καλούμενη σκοτεινή ενέργεια. Περισσότερα γι' αυτή αργότερα. Έτσι για τώρα, ας γυρίσουμε στα στοιχεία της σκοτεινής ύλης. Σε αυτούς τους γαλαξίες, ειδικά σε ένα σπειροειδή γαλαξία σαν αυτόν, η περισσότερη μάζα των αστεριών είναι συγκεντρωμένη στο κέντρο του γαλαξία. Η τεράστια μάζα όλων αυτών των αστεριών κρατά τα αστέρια σε κυκλικές τροχιές στο γαλαξία. Έτσι έχουμε αυτά τα αστέρια να κινούνται σε κύκλους. Όπως μπορείτε να φανταστείτε, ακόμα και αν γνωρίζετε φυσική -- αυτό πρέπει να είναι διαισθητικό, ότι τα αστέρια που βρίσκονται πιο κοντά στη μάζα στο κέντρο, θα περιστρέφονται με μεγαλύτερη ταχύτητα από εκείνα που είναι πιο μακριά εδώ.
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.
Λοιπόν, αυτό που θα περιμένατε είναι ότι εάν μετρηθεί η τροχιακή ταχύτητα των αστεριών, ότι θα πρέπει να είναι βραδύτερα στις άκρες παρά στο εσωτερικό. Με άλλα λόγια, εάν μετρήσουμε την ταχύτητα ως συνάρτηση της απόστασης - αυτή είναι η μοναδική φορά που θα σας δείξω ένα γράφημα, θα περιμέναμε ότι μειώνεται όταν η απόσταση αυξάνεται από το κέντρο του γαλαξία. Όταν αυτές οι μετρήσεις γίνουν, αντί για αυτό, βρίσκουμε ότι η ταχύτητα είναι βασικά σταθερή, ως συνάρτηση της απόστασης. Εάν είναι σταθερή, αυτό σημαίνει ότι τα αστέρια εδώ έξω αισθάνονται τις βαρυτικές επιδράσεις της ύλης που δεν βλέπουμε. Στην πραγματικότητα, αυτός ο γαλαξίας και κάθε άλλος γαλαξίας φαίνεται να εντάσσεται σε ένα σύννεφο της αόρατης σκοτεινής ύλης. Και αυτό το σύννεφο της ύλης είναι πολύ πιο σφαιρικό από τον ίδιο τον γαλαξία, και εκτείνεται σε μία πολύ ευρύτερη ακτίνα από το γαλαξία. Έτσι βλέπουμε τον γαλαξία και προσηλωνόμαστε σε αυτό, αλλά πραγματικά είναι ένα σύννεφο σκοτεινής ύλης που κυριαρχεί στη δομή και στη δυναμική αυτού του γαλαξία.
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.
Οι ίδιοι οι γαλαξίες δεν είναι σκορπισμένα τυχαία στο χώρο. Τείνουν να ομαδοποιούνται. Και αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός πολύ διάσημου συμπλέγματος: το σύμπλεγμα Coma. Και υπάρχουν χιλιάδες γαλαξίες σε αυτό το σύμπλεγμα. Είναι τα λευκά, ασαφή, ελλειπτικά πράγματα εδώ. Έτσι, αυτά τα σμήνη των γαλαξιών - είτε πάρουμε μία φωτογραφία τώρα, είτε σε μια δεκαετία - θα φαίνονται παρόμοια. Αλλά αυτοί οι γαλαξίες στην πραγματικότητα κινούνται σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες. Κινούνται μέσα σε αυτό το βαρυτικό δυναμικό αυτού του συμπλέγματος. Έτσι όλοι αυτοί οι γαλαξίες βρίσκονται σε κίνηση. Μπορούμε να μετρήσουμε τις ταχύτητες αυτών των γαλαξιών, τις τροχιακές ταχύτητές τους, και να υπολογίσουμε πόση μάζα υπάρχει σε αυτό το σύμπλεγμα.
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.
Και πάλι, αυτό που διαπιστώνουμε είναι ότι υπάρχει πολύ περισσότερη μάζα εκεί απ' ό,τι μπορεί να εξηγηθεί με τους ορατούς γαλαξίες. Ή αν δούμε και σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, βλέπουμε ότι υπάρχει πολύ αέριο στην ομάδα αυτή, επίσης. Αλλά αυτό δεν μπορεί να εξηγήσει τη μάζα. Στην πραγματικότητα, φαίνεται να υπάρχει περίπου δεκαπλάσια μάζα εδώ με τη μορφή αυτής της αόρατης ή σκοτεινής ύλης απ'ό,τι υπάρχει με τη μορφή συνηθισμένης ύλης. Θα ήταν ωραίο αν μπορούσαμε να δούμε αυτή τη σκοτεινή ύλη λίγο πιο άμεσα. Βάζω αυτή τη μεγάλη, μπλε σταγόνα εκεί, για να προσπαθήσω να σας υπενθυμίσω ότι είναι εκεί. Μπορούμε να το δούμε πιο οπτικά; Ναι, μπορούμε.
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.
Και έτσι επιτρέψτε μου να σας οδηγήσω μέσα από το πώς μπορούμε να το κάνουμε αυτό. Eπομένως εδώ είναι ένας παρατηρητής: θα μπορούσε να είναι ένα μάτι, θα μπορούσε να είναι ένα τηλεσκόπιο. Και ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένας γαλαξίας έξω στο σύμπαν. Πώς μπορούμε να δούμε αυτόν το γαλαξία; Μια αχτίδα φωτός αφήνει το γαλαξία και ταξιδεύει μέσα στο σύμπαν ίσως για δισεκατομμύρια χρόνια πριν μπει στο τηλεσκόπιο ή το μάτι σας. Τώρα, πώς μπορούμε να συμπεράνουμε που βρίσκεται αυτός ο γαλαξίας; Λοιπόν, το συμπεραίνουμε από την κατεύθυνση που η ακτίνα ταξιδεύει καθώς εισέρχεται στο μάτι μας, έτσι; Εμείς λέμε, η αχτίδα φωτός ήρθε από αυτή την κατεύθυνση άρα ο γαλαξίας πρέπει να είναι εκεί. Τώρα, ας υποθέσουμε ότι έβαλα στη μέση ένα σμήνος γαλαξιών - και μην ξεχνάτε τη σκοτεινή ύλη, εντάξει. Τώρα, αν θεωρήσουμε μια διαφορετική ακτίνα φωτός, να κατευθύνεται έτσι, πρέπει τώρα να λάβουμε υπόψη τι ο Αϊνστάιν προέβλεψε όταν ανέπτυξε τη γενική σχετικότητα. Και αυτό ήταν ότι το βαρυτικό πεδίο, λόγω της μάζας, θα εκτρέψει όχι μόνο την πορεία των σωματιδίων, αλλά θα εκτρέψει το ίδιο το φως.
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.
Έτσι αυτή η ακτίνα φωτός δεν θα συνεχιστεί σε μια ευθεία γραμμή, αλλά θα λύγιζε και θα μπορούσε να καταλήξει στο μάτι μας. Πού θα δει ο παρατηρητής το γαλαξία; Μπορείτε να απαντήσετε. Πάνω, σωστά; Προεκτείνουμε προς τα πίσω και λέμε ότι ο γαλαξίας είναι εδώ πάνω. Υπάρχει οποιαδήποτε άλλη αχτίδα φωτός εκεί που θα μπορούσε να καταλήξει στο μάτι του παρατηρητή από το γαλαξία; Ναι, ωραία. Βλέπω ανθρώπους να πηγαίνουν κάτω όπως αυτή. Έτσι, μια ακτίνα φωτός μπορεί να πάει κάτω, να λυγίσει και να καταλήξει επάνω και στο μάτι του παρατηρητή, και ο παρατηρητής να βλέπει μια αχτίδα φωτός εδώ.
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.
Τώρα, λάβετε υπόψη το γεγονός ότι ζούμε σε ένα τρισδιάστατο σύμπαν, ένα τρισδιάστατο χώρο. Υπάρχουν άλλες ακτίνες φωτός που θα μπορούσε να φτάσουν στο μάτι; Ναι! Οι ακτίνες θα βρίσκονται σε ένα - θα ήθελα να δω... - ναι, σε έναν κώνο. Έτσι, υπάρχει μια ολόκληρη ακτίνα φωτός - ακτίνες του φωτός σε ένα κώνο - που θα καμφθούν από τον εν λόγω σύμπλεγμα και θα φτάσουν στο μάτι του παρατηρητή. Αν υπάρχει ένας φωτεινός κώνος που έρχεται στο μάτι μου, τι βλέπω; Έναν κύκλο, ένα δαχτυλίδι. Αυτός λέγεται ο δακτύλιος του Αϊνστάιν - Ο Αϊνστάιν το προέβλεψε αυτό. Τώρα, θα υπάρχει ένα τέλειο δαχτυλίδι μόνο αν η πηγή, ο εκτροπέας, και ο βολβός του ματιού στην περίπτωση αυτή, είναι όλα σε μια τέλεια ευθεία γραμμή. Αν είναι ελαφρώς στρεβλωμένα, θα δούμε μια διαφορετική εικόνα.
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.
Τώρα, μπορείτε να κάνετε ένα πείραμα απόψε κατά τη διάρκεια της δεξίωσης, για να καταλάβετε με τι θα μοιάζει αυτή η εικόνα. Επειδή αποδεικνύεται ότι υπάρχει ένα είδος φακού που μπορούμε να επινοήσουμε, που έχει το σωστό σχήμα για να παράγει αυτό το αποτέλεσμα. Το ονομάζουμε βαρυτικό φακό. Και έτσι, αυτό είναι το εργαλείο σας. (Γέλια) Όμως, αγνοήστε το άνω μέρος. Θέλω να επικεντρωθείτε στη βάση. Έτσι, στην πραγματικότητα, στο σπίτι, κάθε φορά που σπάμε ένα κρασοπότηρο, κρατάω το κάτω μέρος, και το παίρνω στο μηχανουργείο. Θα το ξυρίσω και θα έχω ένα μικρό βαρυτικό φακό. Έτσι έχει το σωστό σχήμα για την παραγωγή του αποτελέσματος. Και έτσι το επόμενο πράγμα που πρέπει να κάνετε στο πείραμά σας, είναι να πιάσετε μια χαρτοπετσέτα. Άρπαξα ένα κομμάτι από χαρτί γραφήματος. Είμαι φυσικός. (Γέλια) Μια χαρτοπετσέτα λοιπόν. Σχεδιάστε ένα μικρό γαλαξία στη μέση. Και τώρα βάλτε το φακό πάνω από το γαλαξία, και αυτό που θα βρείτε είναι ότι θα δείτε ένα δαχτυλίδι, το δακτύλιο του Αϊνστάιν. Τώρα, μετακινήστε τη βάση προς μία πλευρά της, και ο δακτύλιος θα χωριστεί σε τόξα. Και μπορείτε να το βάλετε πάνω σε κάθε εικόνα. Στο χαρτί γραφήματος μπορείτε να δείτε πως όλες οι γραμμές έχουν αλλοιωθεί. Και πάλι, αυτό είναι ένα, ένα είδος ακριβούς μοντέλου για το τι συμβαίνει με το βαρυτικό φακό.
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.
Οκ, έτσι το ερώτημα είναι: το βλέπουμε αυτό στον ουρανό; Βλέπουμε τόξα στον ουρανό όταν εξετάζουμε, ας πούμε, ένα σμήνος γαλαξιών; Και η απάντηση είναι: ναι. Και έτσι, εδώ είναι μια εικόνα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ. Πολλές από τις εικόνες που είδατε νωρίτερα είναι από το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ. Λοιπόν, πρώτα απ' όλα, για τους χρυσού σχήματος γαλαξίες - αυτοί είναι οι γαλαξίες στο συγκρότημα. Είναι αυτοί που ενσωματώνονται στη θάλασσα της σκοτεινής ύλης που προκαλούν την κάμψη του φωτός και προκαλούν αυτές τις οπτικές ψευδαισθήσεις, ή αντικατοπτρισμούς, πρακτικά, των γαλαξιών στο φόντο. Έτσι, οι ραβδώσεις που βλέπετε, όλες αυτές οι ραβδώσεις, είναι στην πραγματικότητα παραμορφωμένες εικόνες των γαλαξιών που βρίσκονται πολύ πιο μακριά.
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.
Έτσι αυτό που μπορούμε να κάνουμε, λοιπόν, είναι με βάση πόση στρέβλωση βλέπουμε σε αυτές τις εικόνες, μπορούμε να υπολογίσουμε πόση μάζα πρέπει να υπάρχει σε αυτό το σύμπλεγμα. Και είναι ένα τεράστιο ποσό μάζας. Και επίσης, μπορείτε να δείτε με το μάτι, βλέποντας το, ότι αυτά τα τόξα δεν είναι επικεντρωμένα σε μεμονωμένους γαλαξίες. Επικεντρώνονται σε μια πιο διαχυμένη δομή. Και αυτή είναι η σκοτεινή ύλη στην οποία είναι ενσωματωμένο το σύμπλεγμα. Έτσι, αυτό είναι όσο πιο κοντά μπορείτε να φτάσετε στο να δείτε τουλάχιστον τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης με γυμνό μάτι.
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.
Έτσι, μια γρήγορη επισκόπηση, για να δω ότι παρακολουθείτε. Τα αποδεικτικά στοιχεία που έχουμε ότι το ένα τέταρτο του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη - αυτή τη βαρυτικά ελκτική ουσία - είναι ότι οι γαλαξίες, οι ταχύτητες με τις οποίες τα αστέρια είναι σε τροχιά γύρω από τους γαλαξίες είναι πολύ μεγάλες. Πρέπει να είναι ενταγμένα σε σκοτεινή ύλη. Η ταχύτητα με την οποία οι γαλαξίες εντός των ομάδων είναι σε τροχιά είναι πολύ μεγάλη. Πρέπει να είναι ενταγμένη σε σκοτεινή ύλη. Και βλέπουμε αυτές τις βαρυτικές επιδράσεις εστιασμού, αυτές τις στρεβλώσεις που λένε ότι, και πάλι, οι συστάδες είναι ενσωματωμένες στη σκοτεινή ύλη.
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.
Ας γυρίσουμε τώρα στη σκοτεινή ενέργεια. Για να καταλάβουμε τα αποδεικτικά στοιχεία για τη σκοτεινή ενέργεια, πρέπει να συζητήσουμε κάτι που ο Στήβεν Χώκινγκ ανέφερε στην προηγούμενη συνεδρίαση. Και αυτό είναι το γεγονός ότι ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται. Έτσι, αν φανταστούμε ένα τμήμα του άπειρου σύμπαντός μας, εντάξει, και γι' αυτό έχω βάλει κάτω τέσσερις σπειροειδείς γαλαξίες, εντάξει. Και φανταστούμε ότι έχετε μια σειρά μέτρων ταινίας, έτσι ώστε κάθε γραμμή εδώ αντιστοιχεί σε ένα μέτρο ταινιών - οριζόντια ή κάθετη - για να μετρήσουμε που είναι τα πράγματα. Αν μπορούσατε να το κάνετε αυτό, αυτό που θα βρίσκατε είναι ότι με κάθε μέρα που περνά, κάθε χρόνο που περνάει, κάθε δισεκατομμύρια χρόνια που περνάνε, η απόσταση μεταξύ των γαλαξιών γίνεται όλο και μεγαλύτερη. Και δεν είναι επειδή οι γαλαξίες κινούνται μακριά ο ένας από τον άλλο μέσα στο χώρο. Δεν κινούνται αναγκαστικά μέσα στο χώρο. Απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο γιατί το ίδιο το διάστημα μεγαλώνει. Αυτό ακριβώς σημαίνει η διαστολή του σύμπαντος ή του διαστήματος. Έτσι, απομακρύνονται περισσότερο.
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.
Τώρα, ο Στήβεν Χώκινγκ αναφέρθηκε επίσης στο ότι μετά τη Μεγάλη Έκρηξη το διάστημα επεκτάθηκε με πολύ γρήγορο ρυθμό. Αλλά επειδή η βαρυτικά προσελκυόμενη ύλη είναι ενσωματωμένη στο διάστημα, τείνει να επιβραδύνει την επέκταση του χώρου. Έτσι, η επέκταση επιβραδύνεται με το χρόνο. Τον τελευταίο αιώνα, οι άνθρωποι αντιπαρατίθενται για το κατά πόσον αυτή η επέκταση του χώρου θα συνεχιστεί για πάντα, κατά πόσο θα επιβραδύνει, ξέρετε, θα επιβραδύνεται, αλλά θα συνεχίσει για πάντα. Θα επιβραδύνει και θα σταματήσει, ασυμπτωτικά θα σταματήσει, ή θα επιβραδύνει, θα σταματήσει, και εν συνεχεία θα αντιστραφεί, ούτως ώστε να αρχίσει να συμπτύσσεται και πάλι. Έτσι πριν από περίπου δέκα χρόνια, δύο ομάδες φυσικών και αστρονόμων έθεσαν ως στόχο να μετρήσουν την ταχύτητα με την οποία η επέκταση του χώρου επιβραδυνόταν. Με το πόσο λιγότερο επεκτείνεται σήμερα, σε σύγκριση, ας πούμε, ένα-δυο δισεκατομμύρια χρόνια πριν;
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?
Η εντυπωσιακή απάντηση στο ερώτημα αυτό από τα πειράματα, ήταν ότι ο χώρος διαστέλλεται με γρηγορότερο ρυθμό σήμερα, απ' ό,τι πριν μερικά δισεκατομμύρια χρόνια. Έτσι η επέκταση του χώρου στην πραγματικότητα επιταχύνεται. Αυτό ήταν ένα εντελώς εκπληκτικό αποτέλεσμα. Δεν υπάρχει κανένα πειστικό θεωρητικό επιχείρημα γιατί αυτό πρέπει να συμβεί. Κανείς δεν είχε προβλέψει ότι αυτό πρόκειται να βρεθεί. Ήταν το αντίθετο από αυτό που αναμενόταν. Επομένως, χρειαζόμαστε κάτι για να το εξηγήσουμε. Τώρα αποδεικνύεται, με τα μαθηματικά, μπορείτε να το βάλετε ως όρο ότι είναι μια ενέργεια. Αλλά είναι εντελώς διαφορετικός τύπος ενέργειας από οτιδήποτε έχουμε δει ποτέ πριν. Το ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια, και έχει ως αποτέλεσμα το διάστημα να επεκτείνεται. Αλλά δεν έχουμε ένα καλό κίνητρο για να το θέσουμε εκεί σε αυτό το σημείο. Έτσι, είναι πραγματικά ανεξήγητο γιατί χρειαζόμαστε για να το εντάξουμε εκεί.
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.
Τώρα, σε αυτό το σημείο, αυτό που θέλω πραγματικά να σας τονίσω, είναι ότι πρώτα απ' όλα, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια είναι εντελώς διαφορετικά πράγματα. Υπάρχουν πραγματικά δύο μυστήρια εκεί έξω ως προς αυτό που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, και έχουν πολύ διαφορετικά αποτελέσματα. Η σκοτεινή ύλη, επειδή προσελκύει βαρυτικά, τείνει να ενθαρρύνει την ανάπτυξη της δομής. Έτσι, τα σμήνη των γαλαξιών, θα τείνουν να σχηματίζονται, εξαιτίας όλης αυτής της βαρυτικής έλξης. Η σκοτεινή ενέργεια, από την άλλη πλευρά, βάζει όλο και περισσότερη απόσταση μεταξύ των γαλαξιών. Κάνοντας τη - τη βαρυτική έλξη μεταξύ τους - να μειώνεται, και έτσι παρεμποδίζει την ανάπτυξη της δομής. Έτσι, εξετάζοντας πράγματα όπως τα σμήνη των γαλαξιών, και πώς - η πυκνότητα του αριθμού τους, πόσα υπάρχουν ως συνάρτηση του χρόνου - μπορούμε να μάθουμε για το πώς η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια ανταγωνίζονται μεταξύ τους στο σχηματισμό δομής.
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.
Από την άποψη της σκοτεινής ύλης, είπα ότι δεν έχουμε κανένα, ξέρετε, πραγματικά πειστικό επιχείρημα για τη σκοτεινή ενέργεια. Έχουμε κάτι για τη σκοτεινή ύλη; Και η απάντηση είναι: ναι. Έχουμε καλά υποψήφια κίνητρα για τη σκοτεινή ύλη. Τώρα, τι εννοώ με καλά κίνητρα; Θέλω να πω ότι έχουμε μαθηματικά συνεπείς θεωρίες που εισήχθησαν για να εξηγήσουν ένα εντελώς διαφορετικό φαινόμενο, για πράγματα που δεν έχω καν μιλήσει, που καθεμία προβλέπει την ύπαρξη ενός πολύ ασθενώς αλληλεπιδρούντος νέου σωματιδίου.
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.
Έτσι, αυτό είναι ακριβώς αυτό που θέλετε στη φυσική: όταν μια πρόβλεψη βγαίνει από μια συνεπή μαθηματική θεωρία που στη πραγματικότητα αναπτύχθηκε για κάτι άλλο. Αλλά δεν γνωρίζουμε εάν κανένα από αυτά είναι στην πραγματικότητα οι υποψήφιοι της σκοτεινής ύλης. Μία ή και οι δύο, ποιος ξέρει; Ή θα μπορούσε να είναι κάτι τελείως διαφορετικό. Τώρα, ψάχνουμε για αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης διότι στο κάτω κάτω της γραφής, είναι εδώ στην αίθουσα, και δεν μπήκαν από την πόρτα. Απλώς περνούν μέσα από τα πάντα. Μπορούν να περάσουν μέσα από το κτίριο, μέσα από τη γη. Είναι τόσο μη-αλληλεπιδρώντα.
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.
Έτσι, ένας τρόπος να ψάξουμε για αυτά είναι να φτιάξουμε ανιχνευτές που είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι σε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης που έρχεται και προσκρούει. Ένα κρύσταλλο που θα χτυπήσει αν συμβεί κάτι τέτοιο. Έτσι, ένας από τους συναδέλφους μου και οι συνεργάτες του έχουν δημιουργήσει ένα τέτοιο ανιχνευτή. Και τον έχουν βάλει βαθιά κάτω σε ένα ορυχείο σιδήρου στην Μινεσότα, Εντάξει; - Βαθιά κάτω από το έδαφος - και στην πραγματικότητα, τις τελευταίες δύο μέρες ανακοίνωσαν τα πιο ευαίσθητα, μέχρι τώρα, αποτελέσματα. Δεν έχουν δει τίποτα, αλλά θέτει όρια σε αυτό που είναι η μάζα και η δύναμη αλληλεπίδρασης αυτών των σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Εντός του έτους θα εκτοξευτεί ένα τηλεσκόπιο δορυφόρος. Και θα στραφεί προς το κέντρο του γαλαξία, για να δούμε αν μπορούμε να δούμε τα σωματίδια σκοτεινής ύλης να εκμηδενίζονται και να παράγουν ακτίνες γάμα που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν με αυτό. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, ένας επιταχυντής φυσικών σωματιδίων, θα ενεργοποιηθεί αργότερα εντός του τρέχοντος έτους. Είναι πιθανό ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να παραχθούν στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων.
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.
Τώρα, επειδή είναι τόσο μη αλληλεπιδρώντα, θα ξεφύγουν από τον ανιχνευτή, έτσι η υπογραφή τους θα είναι ελλιπής ενέργεια, οκ. Τώρα δυστυχώς, υπάρχουν πολλά νέα αντικείμενα της φυσικής που η υπογραφή τους θα μπορούσε να είναι ελλιπής ενέργεια, οπότε θα είναι δύσκολο να πούμε τη διαφορά. Και τέλος, για τις μελλοντικές προσπάθειες, υπάρχουν και τηλεσκόπια που σχεδιάζονται ειδικά για να αντιμετωπίσουν τις ερωτήσεις της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας: επίγεια τηλεσκόπια. Και υπάρχουν τρία διαστημικά τηλεσκόπια που βρίσκονται σε ανταγωνισμό αυτή τη στιγμή που θα εκτοξευτούν για τη διερεύνηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Έτσι, όσον αφορά τα μεγάλα ερωτήματα: Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια; Τα μεγάλα ερωτήματα που αντιμετωπίζει η φυσική. Και είμαι βέβαιη ότι έχετε πολλές ερωτήσεις. Τις οποίες πολύ ευχαρίστως προσμένω τις επόμενες 72 ώρες που θα είμαι εδώ. Σας ευχαριστώ. (Χειροκροτήματα)
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)