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.
من به عنوان یک فیزیکدان ذرات، روی ذرات بنیادی و تعامل آن ها در بنیادی ترین سطح پژوهش می کنم. بیشتر عمر علمی من صرف کار با شتابدهنده ها شده است، مثلا شتابدهنده الکترون ها در دانشگاه استنفورد که بالای همین جاده است، پژوهش های من روی کوچکترین اجزای این دنیا متمرکز بوده است. اما اخیرا من توجه کارهای پژوهشی ام را به سمت بزرگترین چیزهایی که در این دنیا وجود دارد تغییر داده ام. چرا که، همینطور که برای شما توضیح خواهم داد، سوالهایی که در مورد کوچکترین سطح و بزرگترین سطح مطرح است خیلی به هم مرتبط هستند. من می خواهم برای شما از تصوری که ما در قرن بیست و یکم از جهان داریم صحبت بکنم. اینکه جهان از چه چیز ساخته شده است و اینکه سوالات اساسی فیزیک کدام هستند. لااقل به بعضی از سوالهای مهم اشاره خواهم کرد.
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.
اخیرا ما متوجه شده ایم که ماده معمولی در جهان، منظورم از ماده معمولی شما و من است، و سیاره ها، ستاره ها و کهکشانها، این ماده معمولی درصد کمی از کل محتوای جهان را تشکیل می دهد. ولی نزدیک به یک چهارم از کل محتوی دنیا را ماده ای که غیر قابل مشاهده است، تشکیل می دهد. منظورم از غیر قابل مشاهده این است که امواج الکترومغناطیسی را جذب نمی کند، امواج الکترومغناطیسی ساتع نمی کند. امواج الکترومغناطیسی را منعکس نمی کند. هیچ تعاملی با گستره امواج الکترومغناطیسی ندارند، گستره امواج الکترمغتاطیسی ابزارهای ما برای تشخیص اشیاء هستند. مطلقا هیچ تعاملی بین ماده تاریک و این امواج وجود ندارد. پس ما اصلا چطور از وجود این ماده تاریک خبر داریم؟ ما از طریق تاثیرات جاذبه ای ماده تاریک است که می دانیم ماده تاریک وجود دارد. در واقع ماده تاریک بر نیروهای جاذبه ای حاکم بر ابعاد بزرگ دنیا موثر است. من شواهد این ادعا را به شما نشان خواهم داد.
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.
خوب ۷۵ درصد باقیمانده این نمودار از چه تشکیل شده است؟ بقیه این نمودار یک چیز خیلی رمز آلود است که ما به آن انرژی تاریک می گوییم. بعدا بیشتر در این مورد صحبت خواهیم کرد. خوب الان بیایید در مورد شواهد مربوط به ماده تاریک صحبت بکنیم. در این کهکشانها مخصوصا در کهکشانهای مارپیچی شبیه به این، بیشتر جرم ستاره ها در مرکز کهکشان متمرکز شده است. جرم بسیار زیاد این ستاره ها باعث می شود که سایر ستاره های کهکشان هم در مدارهای دایره ای به دور مرکز کهکشان در چرخش باشند. خوب، پس ما ستاره هایی داریم که در مدارهای دایره ای به این شکل در حال چرخش هستند. همینطور که می توانید تصور بکنید - حتی اگر فیزیک هم ندانید - می توانید این را تصور بکنید که ستاره هایی که نزدیک تر به این جرم بزرگ مرکزی هستند باید سریع تر از ستاره هایی که از مرکز دورتر هستند بچرخند.
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.
پس انتظار داریم که اگر ما سرعت چرخش این ستاره ها را اندازه بگیریم باید در حاشیه کهکشان سرعتشان کمتر از داخل خود کهکشان باشد. به بیان دیگر اگر ما سرعت ستاره ها را بر اساس فاصله آنها از مرکز کهکشهان اندازه گیری و رسم بکنیم -- این آخرین باری است که من یک نمودار نشان می دهم -- ما انتظار داریم که با افزایش فاصله از مرکز کهکشان سرعت چرخش ستاره ها کاهش پیدا کند. اما وقتی این اندازه گیری ها انجام شد بر خلاف انتظار ما متوجه شدیم که سرعت چرخش اینها ثابت است. یعنی وابسته به فاصله از مرکز نیست. اگر سرعت ثابت باشد، یعنی به ستاره هایی که در بیرون قرار دارند از طرف جرمی که ما آن را نمی بینیم و از وجودش خبر نداریم، نیروی جاذبه وارد می شود. در واقع به نظر می رسد که این کهکشان و همه کهکشانهای دیگر در ابری از ماده تاریک (که ما آن را نمی بینیم و قبلا از وجودش خبر نداشتیم) قرار گرفته اند. و این ابر ماده تاریک، خیلی کروی تر از خود کهکشان ها است. و این ابر قطری بزرگتر از خود کهکشان دارد. پس ما چون کهکشان را می بینیم به آن توجه می کنیم ولی آن ابر ماده تاریک که نقش مهمتری در دینامیک کهکشان دارد را نادیده می گیریم.
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.
کهکشان ها به طور اتفاقی در فضا پخش نشده اند. بلکه به صورت خوشه خوشه در کنار هم جمع می شوند. و این تصویر یک خوشه خیلی معروف به نام خوشه کوما است. در این خوشه هزاران کهکشان قرار دارد. در این تصویر کهکشان ها، این چیزهای سفیدِ بیضی شکلِ محو هستند. خوب ما اگر از این خوشه های کهکشانی، امروز یک عکس بگیریم، و ده سال بعد هم یک عکس بگیریم، ظاهرا تغییری نکرده اند. اما واقعیت این است که اینها با سرعتهای بسیار بسیار بالایی در حرکت هستند. اینها به دور حفره ی ناشی از انرژی پتانسیل گرانشی این خوشه در حال چرخش هستند. پس همه این کهکشهان ها در حال حرکت هستند. ما می توانیم سرعت چرخش این کهکشانها در مدار را اندازه گیری بکنیم. و از روی این سرعت می توانیم جرم خوشه را محاسبه بکنیم.
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.
این محاسبه هم نشان می دهد که خیلی بیش از مجموع جرم کهکشان هایی که درون یک خوشه دیده می شوند، در یک خوشه باید جرم وجود داشته باشد. اگر ما به قسمتهای دیگر گستره الکترمغناطیسی غیر از نور مرئی نگاه کنیم، می بینیم که مقدار زیادی گاز نیز در این خوشه وجود دارد. ولی وجود این گاز نیز برای توجیه این جرم بزرگ کافی نیست. در واقع به نظر می رسد که ده برابر بیشتر از ماده ای که مشاهده می شود، ماده تاریک غیر قابل مشاهده در این خوشه وجود دارد. خیلی خوب بود اگر ما می توانستیم این ماده تاریک را به نحوی مستقیم تر مشاهده کنیم. من این دایره بزرگ آبی رنگ را اینجا گذاشته ام که به شما یاد آوری کنم که این جرم آنجا وجود دارد. آیا ما می توانیم بهتر این ماده تاریک را ببینیم؟ بله می توانیم.
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.
بگذارید من برایتان توضیح بدهم که چطور می توانیم این کار را انجام بدهیم. فرض کنید که یک ناظر اینجا ایستاده باشد. این ناظر می تواند یک چشم یا یک تلسکوپ باشد. فرض کنیم یک کهکشان هم این طرف در این قسمت از جهان وجود داشته باشد. این ناظر چطور این کهکشان را می بینید؟ یک شعاع نور از آن کهکشان جدا می شود و از این مسیر طولانی در عرض جهان می گذرد، و شاید میلیاردها سال طول می کشد تا به چشم ناظر یا تلسکوپ برسد. خوب ناظر چطور می فهمد که این کهکشان کجا قرار دارد؟ از امتداد مسیر حرکت شعاع نور می تواند جهت آن کهکشان را بفهمد. درست است؟ می گوییم شعاع نور از آن طرف می آید، بنابراین کهکشان مورد نظر باید آن طرف باشد. حالا فرض کنید یک خوشه از کهکشان ها در این مسیر قرار گرفته باشد. ماده تاریک را فراموش نکنید. حالا، اگر ما یک شعاع دیگر نور را هم در نظر بگیریم که به این طرف در حال حرکت است. البته باید به این مساله هم توجه کنیم که همانطور که انیشتین در نظریه نسبیت عام پیش بینی کرده بود، هر جا به خاطر وجود یک جرم، میدان جاذبه ای وجود داشته باشد، نه فقط مسیر حرکت ذراتی که از میدان عبور می کنند، بلکه مسیر حرکت نور نیز تحت تاثیر میدان جاذبه، خمیده می شود.
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.
پس این شعاع نوری روی یک خط راست حرکت نخواهد کرد. بلکه خمیده خواهد شد و به این شکل به چشم شما وارد می شود. از دید این ناظر کهکشهان مورد نظر کجا قرار گرفته است؟ جواب بدهید. بالا؟ موافقید؟ اگر ما این خط را ادامه بدهیم خواهیم گفت که کهکشان ما در این بالا واقع شده است. آیا اشعه نوری دیگری هم از آن کهکشان به چشم ناظر ما خواهد رسید؟ بله. درست است. همانطور که بعضی از شما اشاره می کنید، یک شعاع نور می تواند به سمت پایین حرکت کند و بعد به این شکل خم شود و به چشم ناظر ما وارد شود. و ناظر ما یک شعاع نور در این جهت خواهد دید.
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.
خوب حالا توجه داشته باشید که ما در یک دنیای سه بعدی زندگی می کنیم. در یک فضای سه بعدی. خوب، آیا اشعه دیگری همه وجود دارند که از آن کهکشان به چشم ما برسد؟ بله! این اشعه ها روی یک - بله درست است - روی یک مخروط قرار می گیرند. بله. پس اشعه نور روی یک مخروط قرار می گیرند. و همه توسط آن خوشه خمیده می شوند. و نهایتا به چشم ناظر ما می رسند. اگر مخروطی از نور به چشم من برسد من چه شکلی را می بینم؟ یک دایره، یک حلقه. به این دایره، حلقه انیشتین می گوییم. انیشتین این را پیش بینی کرده بود. خوب این حلقه فقط وقتی یک دایره کامل خواهد بود که منبع و منحرف کننده و چشم ناظر، یعنی کهکشان مورد نظر و خوشه سر راه و چشم ما در یک امتداد و بر یک خط راست باشند. اگر اینها اندکی جابجا بشوند تصویر دیگری به چشم خواهد رسید.
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.
امشب شما موقع شام می توانید یک آزمایش انجام بدهید. برای اینکه بفهمید آن تصویر چه شکلی خواهد بود. ما می توانیم یک نوع لنز تهیه کنیم که به ما نشان بدهد که که آن تصویر به چه شکلی باید دیده بشود. ما به این پدیده لنز جاذبه ای می گوییم. خوب این ابزار شما است. (خنده) قسمت بالایی را نادیده بگیرید. به پایه این لیوان توجه کنید. هر وقت توی خانه ی ما یک لیوان شراب می شکند، من پایه لیوان را به یک کارگاه می برم، و آن را تراش می دهم تا یک لنز جاذبه ای کوچک تهیه کنم. شکل این پایه لیوان، برای ایجاد پدیده لنز جاذبه ای مناسب است. قدم بعدی برای انجام این آزمایش این است که یک دستمال بردارید، البته من چون فیزیکدان هستم یک کاغذ شطرنجی برداشته ام (خنده) پس یک دستمال بر می دارید و یک کهکشان وسط آن نقاشی می کنید. حالا لنز را روی آن کهکشان می گذارید. شما کهکشان را به شکل یک حلقه می بینید. حلقه انیشتین. حالا پایه لیوان را کمی به یک سمت حرکت دهید. می بینید که حلقه تبدیل به دو هلال می شود. شما می توانید این لنز را روی هر عکسی بگذارید. روی این کاغذ شطرنجی شما می بینید که چطور این خطوط خمیده شده اند. این یک مدل نسبتا دقیق از آنچه در اثر لنز جاذبه ای رخ می دهد است.
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.
حتما می پرسید: در آسمان چه چیزی می بینیم؟ آیا ما وقتی به کهکشان ها یا خوشه های کهکشانی نگاه می کنیم هلال می بینیم؟ جواب این است: بله این تصویر را تلسکوپ هابل تهیه کرده است. خیلی از این تصویر هایی که شما می بینید قبل از تلسکوپ هابل تهیه شده اند. این کهکشانهای طلایی را می بینید؟ اینها کهکشانهایی هستند که خوشه مورد نظر را می سازند، اینها کهکشانهایی هستند که در دریای ماده تاریک قرار گرفته اند، و باعث خمیده شدن اشعه نور می شوند. و خطای دیدی که در مورد آن صحبت کردیم را در مشاهده کهکشانهایی که پشت آنها قرار گرفته اند به وجود می آورند. این رگه هایی که اینجا می بینید، همه این رگه ها در واقع تصاویر تغییر شکل پیدا کرده کهکشانهای دور دست تر هستند.
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.
حالا ما می توانیم با توجه به میزان تغییر شکل این کهکشانها جرم خوشه را محاسبه کنیم. و این جرم ها خیلی خیلی زیاد هستند. همینطور با نگاه کردن به این شکل هم می بینید که این هلال ها روی یک کهکشان خاص متمرکز نشده اند. این هلال ها گرد ساختاری بزرگتر از یک کهکشان متمرکز شده اند. و این ساختار همان ماده تاریک است. که خوشه درون آن قرار گرفته است. این بهترین تصویری است که شما می توانید با چشم غیر مسلح از ماده تاریک یا لااقل آثار آن بدست بیاورید.
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.
خوب، برای اینکه مطمئن بشویم شما مطالب را تا اینجا متوجه شده اید، سریع مرور بکنیم. شواهدی که ما برای اثبات وجود ماده تاریک داریم، برای اینکه نشان بدهیم یک چهارم جهان از ماده تاریک تشکیل شده است، همین میدان های جاذبه ای است، همان مطلب که در کهکشان ها سرعت گردش ستاره ها به دور مرکز کهکشان خیلی بیش از حد پیش بینی است و این نشان دهنده وجود ماده تاریک در کهکشان ها است. سرعت چرخش کهکشان ها درون خوشه ها نیز خیلی زیاد تر از حد انتظار است. این هم نشان دهنده وجود ماده تاریک در خوشه ها است. و پدیده لنزهای جاذبه ای را نیز دیدیم. که باز نشان می دهد خوشه ها درون ماده تاریک قرار گرفته اند.
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.
خوب، حالا بیایید سراغ انرژی تاریک برویم. برای اینکه شواهد مربوط به انرژی تاریک را درک کنیم باید به مساله ای که استفان هاوکینگ در جلسه قبل مطرح کرد برگردیم. این مساله که خودِ «مکان» در حال اتساع است. خوب ما اگر یک قسمت از جهان بی پایانمان را در نظر بگیریم، مثلا من اینجا قسمتی از جهان را با چهار کهکشان مارپیچ نشان داده ام. فرض کنید که چهار تا خط کش داریم. هر یک از این خط ها یکی از این خطکش ها را نشان می دهد. با استفاده از این خطکش ها می خواهیم بدانیم که هر یک از این کهکشانها نسبت به هم کجا قرار دارند. اگر چنین کاری ممکن بود شما متوجه می شدید که با گذشت زمان با گذشت هر روز و هر سال، و با گذشت هر یک میلیارد سال، فاصله بین این کهکشان ها در حال افزایش است. و این افزایش فاصله به خاطر این نیست که خود این کهکشان ها در حال حرکت هستند و در فضا از هم دور می شوند. اینها لزوما درون فضا در حال حرکت نیستند. بلکه اینها به این خاطر از هم دور می شوند که «مکان» در حال گسترش است. این معنی اتساع جهان یا بزرگ شدن مکان است. به هر حال اینها در حال دور شدن از هم هستند.
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?
چیزی که استفان هاوکینز مطرح کرد این بود که بعد از بیگ بنگ «مکان» با سرعت بسیار زیادی شروع به اتساع کرد. اما به خاطر اینکه ماده ی دارای خاصیتِ جاذبه در این فضای رو به گسترش قرار گرفته است، انتظار می رود که این گسترش کند تر و کند تر بشود. پس سرعت این اتساع باید با گذر زمان رو به کاهش باشد. در قرن گذشته مردم در این باره بحث هایی کردند. که مثلا آیا این اتساع فضا تا ابد ادامه خواهد یافت؟ یا این اتساع کند خواهد شد؟ یا این اتساع کند تر خواهد شد ولی به هر حال تا ابد ادامه خواهد یافت؟ یا کند تر می شود و متوقف می شود و متوقف باقی می ماند؟ یا اینکه کند می شود و متوقف می شود و سپس شروع به انقباض می کند؟ حدود ده سال قبل، دو گروه از فیزیک دان ها و اختر شناسها تصمیم به اندازه گیری سرعت کند شدن اتساع فضا گرفتند. یعنی این سوال که: امروز اتساع مکان چقدر کند تر از مثلا یک میلیارد سال پیش رخ می دهد؟
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.
نتیجه شگفت آور این آزمایشات این بود که سرعت اتساع مکان امروز بیش تر از سرعت اتساع مکان در چند میلیارد سال قبل است. یعنی سرعت اتساع مکان رو به افزایش است. این نتیجه کاملا غیر منتظره بود. هیچ توجیه قابل قبولی برای اینکه چطور چنین چیزی ممکن است وجود ندارد. هیچ کس پیش بینی نمی کرد که چنین نتیجه ای از این آزمایش ها بدست بیاید. اینها دقیقا خلاف آنچه انتظار می رفت هستند. پس ما نیاز به چیزی داریم که این نتایج را به کمک آن توضیح بدهیم. معلوم شد که به لحاظ ریاضی شما می توانید یک مولفه «انرژی» به معادلات اضافه کنید. البته این انرژی متفاوت با همه انرژی هایی است که قبلا دیده ایم. برای همین ما به این انرژی، انرژی تاریک می گوییم. و تاثیر آن این است که باعث اتساع فضا می شود. ولی خوب هنوز ما انگیزش کافی برای اینکه این مساله را بپذیریم نداریم. یعنی هنوز برای ما روشن نیست چرا باید این فاکتور را وارد معادلات کنیم.
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.
در اینجا چیزی که من باید واقعا برای شما تاکید کنم، این است که اولا ماده تاریک و انرژی تاریک، دو چیز کاملا متفاوت هستند. این دو، دو راز متفاوت در مورد ماده تشکیل دهنده قسمت عمده جهان هستند. و تاثیرات خیلی متفاوتی نیز در دنیا دارند. ماده تاریک، به خاطر کشش جاذبه ای اش، به تشکیل ساختارها و رشد آنها کمک می کند. برای همین خوشه های کهکشانی تشکیل می شوند، به خاطر همین کشش جاذبه ای است که خوشه های کهکشانی شکل می گیرند. در مقابل، انرژی تاریک، فاصله کهکشان ها را مدام افزایش می دهد. و باعث کاهش کشش جاذبه ای بین آنها می شود. و به همین خاطر رشد این ساختارها را کند می کند. بنابراین با مشاهده چیزهایی مثل خوشه های کهکشانی، و اینکه چطور تشکیل شده اند و تعداد آنها و چگالی آنها، و تعداد آنها بر حسب زمان، ما می توانیم اطلاعات بیشتری در مورد ماده تاریک و انرژی تاریک بدست آوریم. و اینکه چگونه رقابت اینها باعث تشکیل این ساختارها می شود.
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.
من گفتم که ما هنوز استدلال قانع کننده ای برای وجود انرژی تاریک نداریم. آیا برای وجود ماده تاریک استدلال قانع کننده ای وجود دارد؟ جواب مثبت است. ما نامزدهایی با پشتوانه قوی برای ماده تاریک داریم. خوب منظور من از پشتوانه قوی چیست؟ منظور من تئوری هایی است که به لحاظ ریاضی همخوان هستند، و در واقع از اول برای توضیح پدیده های دیگری وضع شده اند. چیزهایی که ما در موردشان صحبت نکردیم. ولی این تئوری ها وجود ذرات جدیدی که به طور ضعیف با سایر ذرات تعامل دارند را پیش بینی کرده اند.
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.
این دقیقا چیزی است که در فیزیک ما دنبال آن می گردیم. وقتی یک پیش بینی از نظریه ای که به لحاظ ریاضی هم خوان است بیرون می آید، که آن نظریه از اول برای حل مساله دیگری ارائه شده است، ولی ما نمی دانیم که آیا هیچ یک از این ها همان نامزد مورد نظر ما برای ماده تاریک هستند. یکی یا دو تا از این نامزدها می توانند جواب سوال ما باشند. شاید هم جواب چیز دیگری باشد. فعلا ما به دنبال این ذرات ماده تاریک هستیم، چونکه به هر حال اینها اینجا در این اتاق هم هستند، و البته اینها از درِ اتاق وارد نشده اند. اینها از درونِ همه چیز رد می شوند، اینها از لابلای ساختمان، از درون زمین رد شده اند، اینها با هیچ چیز تعامل نمی کنند و در نتیجه می توانند از همه چیز رد بشوند.
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.
خوب یک راه برای تشخیص اینها ساختن آشکارگر هایی است که خیلی خیلی به ذرات ماده تاریک که وارد آن می شوند و به آن بر خورد می کنند حساس هستند. مثل یک بلوری که با برخورد اینها می لرزد. یکی از همکاران من که آخر همین خیابان کار می کند با کمک همکارانش یک آشکارگر ساخته اند. و این آشکار گر را در اعماق یک معدن آهن در مینسوتا قرار داده اند. در اعماق زمین. و همین دو سه روز پیش دقیق ترین نتایج شان را منتشر کردند. نتیجه کارشان این است که هنوز هیچ چیزی پیدا نکرده اند! این یافته منفی خودش می تواند محدوده ی جستجو را مشخص تر کند. و قدرت تعامل ذرات ماده تاریک را مشخص تر کند. قرار است اواخر امسال یک تلسکوپ فضایی به فضا فرستاده شود، که به سمت مرکز کهکشان نگاه خواهد کرد، تا شاید بتواند از بین رفتن ذرات ماده تاریک را که باعث انتشار امواج گاما می شود ثبت کند. LHC که یک شتابگر ذرات بنیادی است، قرار است امسال راه اندازی شود. ممکن است که ذرات ماده تاریک در LHC تولید بشوند.
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)
از آنجا که این ذرات خیلی غیر تعاملی هستند، در واقع از دست آشکارگرها فرار خواهند کرد. در نتیجه رد پای این ذرات به شکل انرژی گم شده خواهد بود. البته متاسفانه در فیزیکِ ذراتِ جدید، ذراتِ ناشناخته ی زیادی وجود دارد که آنها هم امضایی به شکل انرژی گم شده دارند. و این قضیه را کمی سخت خواهد کرد. در آخر باید بگویم که برای اکتشافات آینده تلسکوپ های جدیدی در حال طراحی است، اختصاصا برای پاسخ به سوالهایی که ما درباره ماده تاریک و انرژی تاریک داریم. چند تلسکوپ زمینی و ۳ تلسکوپ فضایی در حال ساخت هستند. این ۳ تلسکوپ فضایی فعلا در حال رقابت با هم هستند. که کدام زودتر به فضا فرستاده شوند و پژوهش بر ماده تاریک و انرژی تاریک را شروع کنند. خوب سوالهای مهم اینها هستند: ماده تاریک چیست؟ انرژی تاریک چیست؟ اینها سوالات مهم فیزیک هستند. مطمئن هستم که شما هم خیلی سوال دارید. من امیدوارم که در این ۷۲ ساعتی که اینجا هستم بتوانم به آنها جواب بدهم. متشکرم. (تشویق)