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.
Là một nhà vật lý về hạt, tôi nghiên cứu các hạt cơ bản và cách chúng tương tác ở mức cơ bản nhất. Trong suốt hầu hết sự nghiệp của mình, tôi sử dụng máy gia tốc như máy gia tốc electron tại Trường đại học Stanford, gần đây, để nghiên cứu vật chất ở mức độ vi mô. Nhưng gần đây, tôi đang chuyển hướng sang vũ trụ ở mức độ vĩ mô. Bởi vì, tôi sẽ giải thích cho các bạn, những câu hỏi về những thứ vi mô và vĩ mô thật sự liên quan chặt chẽ đến nhau. Tôi sẽ nói cho các bạn biết quang cảnh vũ trụ trong thế kỷ 21 của chúng ta, nó cấu tạo thế nào và các nghi vấn lớn trong khoa học vật lý -- chí ít là một vài nghi vấn lớn.
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.
Gần đây, chúng ta nhận ra rằng vật chất thường trong vũ trụ -- và khi nói là vật chất thường, ý tôi đó là bạn, tôi, các hành tinh, ngôi sao, thiên hà -- vật chất thường chỉ chiếm vài phần trăm 'thành phần' của vũ trụ. Gần một phần tư, hay xấp xỉ một phần tư vật chất trong vũ trụ là thứ vô hình. Gọi là vô hình, nghĩa là nó không hấp thụ quang phổ điện từ. Nó không phát xạ trong quang phổ điện từ. Nó không phản xạ. Nó không tương tác với quang phổ điện từ, thứ chúng ta dùng để phát hiện các sự vật. Nó hoàn toàn không tương tác. Vậy làm sao ta biết nó tồn tại? Biết nó tồn tại nhờ nó có hiệu ứng hấp dẫn. Trên thực tế, vật chất tối thống trị hiệu ứng hấp dẫn trong vũ trụ ở phạm vi vĩ mô và tôi sẽ đưa ra dẫn chứng về điều đó.
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.
Vậy phần còn lại của cái bánh là gì? Phần còn lại của cái bánh là một loại vật chất bí ẩn có tên là năng lượng tối. Nói về nó sau nhé, OK. Bây giờ thì, chuyển sang bằng chứng về vật chất tối. Trong những ngân hà, đặc biệt là ngân hà xoắn ốc như thế này, hầu hết lượng lớn các ngôi sao tập trung ở trung tâm của ngân hà. Số lượng khổng lồ các ngôi sao giữ chúng chuyển động theo quỹ đạo trong ngân hà. Và chúng ta có những ngôi sao chạy theo vòng tròn như thế này. Như bạn có thể tưởng tượng, kể cả khi bạn biết vật lý, điều này rất trực quan, OK -- rằng các ngôi sao nằm càng gần khu vực trung tâm thì xoay càng nhanh hơn so với những ngôi sao ở xa, OK.
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.
Vậy nên bạn sẽ cho rằng nếu bạn đo tốc độ quỹ đạo của các ngôi sao, tốc độ ở khu vực rìa sẽ chậm hơn so với ở trong. Hoặc, nếu đo tốc độ dựa vào khoảng cách -- tôi chỉ đưa ra đồ thị lần này thôi, OK -- chúng ta sẽ cho rằng tốc độ giảm khi khoảng cách tăng từ tâm của thiên hà. Khi thực hiện đo đạc, thay vào đó, cái chúng ta có được là tốc độ gần như không đổi, theo tương quan với khoảng cách. Nếu nó bất biến, có nghĩa là các ngôi sao bên ngoài cảm nhận được hiệu ứng hấp dẫn của những vật chất mà chúng ta ko nhìn thấy. Trên thực tế, thiên hà này và tất cả những thiên hà khác như được nhúng trong một đám mây vật chất tối vô hình. Và đám mây vật chất này có dạng cầu hơn hẳn bản thân các thiên hà, và nó dàn rộng ra hơn rất nhiều so với các thiên hà. Ta nhìn thấy thiên hà và xoáy vào nó, mà thật ra đó là cả một đám mây vật chất tối, chi phối cấu trúc và động lực học của thiên hà này.
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.
Bản thân các thiên hà không nằm ngẫu nhiên trong không gian, chúng có xu hướng co cụm lại. Đây là ví dụ về một cụm thiên hà rất nổi tiếng, Coma. Có đến hàng ngàn thiên hà trong cụm này. Chúng là những đốm trắng, mờ mờ, hình ovan ở đây. Những cụm thiên hà này -- chúng ta chụp hình nó bây giờ, và chụp hình nó trong một thập kỷ, chúng vẫn giống hệt nhau. Thế nhưng thực tế là những thiên hà này đang di chuyển với tốc độ chóng mặt. Chúng đang di chuyển xung quanh trường hấp dẫn tiềm năng của cụm thiên hà, OK. Và tất cả các thiên hà đang chuyển động. Chúng ta có thể đo vận tốc của những thiên hà này, vận tốc quỹ đạo, và tính được mật độ của cụm thiên hà này.
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.
Và lần nữa, cái chúng ta tìm thấy là số lượng thiên hà [thực tế] lớn hơn nhiều so với số lượng thiên hà chúng ta có thể nhìn thấy và đếm được. Xem các phần khác của quang phổ điện từ, chúng ta sẽ thấy có rất nhiều gas trong cụm thiên hà này nữa. Mà cũng không chiếm khối lượng thiên hà. Trên thực tế, lượng vật chất tối cấu thành nên khối thiên hà nhiều gấp khoảng 10 lần lượng vật chất thường, OK. Sẽ tốt hơn nếu chúng ta có thể nhìn thấy vật chất tối rõ ràng hơn một chút. Tôi vừa đặt một vòng màu xanh ở đây, OK, để nhắc bạn rằng vật chất tối ở đó. Chúng ta có thể nhìn thấy nó trực quan hơn không? Có, có thể.
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.
Để tôi chỉ các bạn chúng ta nhìn cách nào. Đây là một người quan sát: có thể là mắt người, hoặc kính viễn vọng. Giả sử đây là một thiên hà trong vũ trụ. Làm thế nào chúng ta thấy thiên hà đó? Một tia sáng từ rời khỏi thiên hà và du hành xuyên qua vũ trụ có thể trong hàng tỉ năm trước khi tia sáng chạm kính viễn vọng hay mắt của bạn. Giờ thì, làm thế nào chúng ta tính được vị trí của thiên hà ấy? Chúng ta suy luận bằng hướng di chuyển của tia sáng khi nó chiếu đến mắt chúng ta, phải không? Chúng ta nói, tia sáng đến từ hướng này; [nên] thiên hà phải ở đó, OK. Giờ, giả sử tôi đặt ở giữa một cụm thiên hà -- và đừng quên vật chất tối, OK. Giờ, nếu chúng ta xem xét một tia sáng khác, phát đi theo hướng này, chúng ta giờ cần phải tính đến điều Einstein dự đoán khi ông phát triển thuyết tương đối rộng. Và đó chính là trường hấp dẫn, do khối thiên hà sinh ra, sẽ làm lệch hướng không chỉ qũy đạo của các hạt, mà còn làm lệch cả bản thân ánh sáng nữa.
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.
Vì thế tia sáng này sẽ không tiếp tục đi theo một đường thẳng, nhưng sẽ bị bẻ cong và chiếu đến mắt chúng ta. Người quan sát sẽ nhìn thấy thiên hà ở đâu? Bạn có thể trả lời. Bên trên, đúng không? Chúng ta suy luận ngược và cho rằng thiên hà nằm ở phía trên. Có tia sáng nào khác có thể đến mắt người quan sát từ thiên hà đó không? Có, tốt. Tôi thấy có người chỉ xuống thế này. Tia sáng có thể đi xuống dưới, bị bẻ cong và chiếu lên mắt người quan sát, và người quan sát thấy tia sáng ở đây.
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.
Giờ, tính đến thực tế là chúng ta sống trong một vũ trụ ba chiều, OK, một không gian ba chiều. Có những tia sáng nào có thể đi đến mắt chúng ta nữa không? Có! Những tia sáng có thể nằm trên một -- tôi muốn thấy - yeah, trên một hình nón. Vậy toàn bộ tia sáng trên một hình nón -- tất cả sẽ bị bẻ cong bởi cụm thiên hà và hướng đến mắt người quan sát. Nếu có một cụm nón tia sáng chiếu đến mắt tôi, tôi sẽ thấy gì? Một vòng tròn. Gọi là Vòng tròn Einstein. Einstein đã tiên đoán điều đó, OK. Đó sẽ chỉ có thể là một vòng tròn hoàn hảo nếu nguồn sáng, vật làm lệch và nhãn cầu, trong trường hợp này, tất cả đều nằm trên một đường thẳng hoàn hảo. Nếu chúng xiên một chút, chúng ta sẽ thấy một hình ảnh khác.
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.
Các bạn có thể làm thí nghiệm tối nay tại buổi chiêu đãi, OK, để biết xem hình ảnh đó sẽ trông như thế nào. Bởi vì hóa ra là có một loại thấu kính mà chúng ta có thể tạo ra, có hình dáng phù hợp để tạo ra hiệu ứng như thế. Chúng tôi gọi nó là thấu kính hấp dẫn. Và, đây là thiết bị của các bạn, OK. (Cười) Hãy bỏ qua phần bên trên. Phần đáy là cái tôi muốn các bạn tập trung vào, OK. Thật ra, ở nhà, mỗi khi làm vỡ ly rượu. Tôi để lại phần đáy, đem nó đến xưởng máy. Chúng tôi mài nó, và tôi đã có một thấu kính hấp dẫn, OK. Nó có hình dạng chuẩn để tạo ra thấu kính. Và thứ tiếp theo cần làm trong thí nghiệm là cầm cái khăn ăn. Tôi cầm một mảnh giấy đồ thị --Tôi là nhà vật lý học mà. (Cười) Một cái khăn ăn. Vẽ một mô hình thiên hà nhỏ ở giữa. Và giờ thì đặt thấu kính lên trên thiên hà. Và cái bạn sẽ thấy là một vòng tròn, đó là vòng tròn Einstein. Giờ thì di chuyển cái đáy qua một bên, và vòng tròn bị chia thành các cung, OK. Và bạn thử đặt nó lên bất kỳ bức hình nào. Ở mảnh giấy, bạn thấy những đường thẳng trên giấy bị biến dạng. Và một lần nữa, đây là một mô hình khá chính xác về điều xảy ra với thấu kính hấp dẫn.
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.
OK, vậy câu hỏi ở đây là: chúng ta thấy điều này trên bầu trời phải không? Chúng ta thấy những đường cung khi chúng ta quan sát một cụm thiên hà? Và câu trả lời là đúng. Đây là hình ảnh từ Kính thiên văn Hubble. Rất nhiều hình ảnh chúng ta đang nhìn thấy chụp từ Kính thiên văn không gian Hubble. Đầu tiên, các thiên hà dạng vàng -- chúng là những thiên hà trong cụm. Chúng là những thiên hà được nhúng trong biển vật chất tối thứ gây ra hiện tượng bẻ cong ánh sáng và tạo ra những ảo giác quang học, hay thực tế hơn là ảo ảnh của phần nền phía sau các thiên hà. Thế nên những vệt mà các bạn thấy, tất cả những vệt này, thật ra là hình ảnh bị biến dạng của các thiên hà cách đây rất xa.
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.
Điều chúng ta có thể làm, là dựa vào độ biến dạng chúng ta quan sát ở những tấm hình trên, để có thể tính toán mật độ của các cụm thiên hà. Và đó là một số lượng khổng lồ. Và, bạn cũng thấy bằng mắt, nhìn vào đây, rằng những đường cung không tập trung vào những thiên hà riêng lẻ. Chúng tập trung vào một số cấu trúc trải dài ra bên ngoài, và đó là vật chất tối mà cụm thiên hà bị nhúng vào, OK. Đây là thứ rõ nhất mà bạn có thể nhìn được chí ít là tác động của vật chất tối bằng mắt thường.
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.
Ok, một tóm tắt nhanh, để thấy rằng các bạn đang theo dõi. Vậy bằng chứng mà chúng ta có là một phần tư vũ trụ là vật chất tối -- thứ thu hút trường hấp dẫn này -- là các thiên hà, tốc độ các ngôi sao di chuyển theo quỹ đạo trong các thiên hà là rất lớn; nó phải được nhúng trong vật chất tối. Tốc độ các thiên hà trong cụm di chuyển theo quỹ đạo là rất lớn; chúng phải được nhúng trong vật chất tối. Và chúng ta nhìn thấy những tác động thấu kính hấp dẫn, những biến dạng, nhắc lại rằng các cụm thiên hà được nhúng trong vật chất tối.
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.
OK. Giờ thì, quay sang năng lượng tối. Để hiểu được cơ sở về năng lượng tối, ta cần thảo luận về thứ mà Stephen Hawking đề cập đến trong phần trước. Đó là thực tế rằng không gian đang giãn nở. Nếu chúng ta tưởng tượng một phần vũ trụ vô tận của chúng ta -- và tôi đặt vào đây 4 thiên hà xoắn ốc, OK -- và tưởng tượng rằng tôi đặt vào đây một tập thước dây, mỗi đường thẳng ở đây là một cái thước dây, theo chiều dọc hay ngang, để đo đạc vị trí các vật. Nếu bạn có thể làm thế, thứ bạn tìm thấy là mỗi ngày trôi qua, mỗi năm trôi qua, mỗi hàng tỉ năm trôi qua, OK, khoảng cách giữa các thiên hà lại càng rộng ra. Và đó không phải do các thiên hà đang di chuyển xa nhau trong không gian. Chúng -- không cần phải di chuyển trong không gian. Chúng đang di chuyển xa nhau là vì bản thân không gian đang trở nên rộng hơn, OK. Sự giãn nở của vũ trụ hay không gian có nghĩa là vậy. Và chúng đang di chuyển ngày càng xa nhau.
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?
Điều Stephen Hawking cũng đề cập đến, là sau vụ nổ Big Bang, không gian giãn nở với tốc độ rất nhanh. Thế nhưng vì vật chất có tính thu hút trường hấp dẫn được nhúng trong không gian này, nó có xu hướng kéo chậm lại sự giãn nở của không gian, OK. Vì vậy sự giản nở chậm dần theo thời gian. Vào thế ký trước, người ta tranh luận về việc liệu sự giãn nở này có kéo dài mãi mãi không; liệu nó sẽ chậm lại, bạn biết đấy, sẽ chậm lại, nhưng tiếp diễn mãi mãi; chậm lại và dừng, dừng theo tiệm cận; hay chậm lại, dừng, và đảo chiều, bắt đầu co lại một lần nữa. Cách đây hơn một thập kỷ, hai nhóm các nhà vật lý và thiên văn học đã bắt tay vào việc đo đạc tốc độ kéo chậm của sự giãn nở không gian, OK. Độ giãn nở hiện nay ít hơn bao nhiêu so với một vài tỉ năm trước?
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.
Câu trả lời sửng sốt cho câu hỏi này, từ các thí nghiệm, là không gian hiện nay đang giãn nở với tốc độ nhanh hơn so với cách đây vài tỉ năm, OK. Vậy sự giãn nở của không gian đang tăng tốc. Và đây là một kết quả hoàn toàn đáng kinh ngạc. Không có một lý luận thuyết phục nào giải thích cho điều này. Không ai đoán trước được đây là kết quả sẽ tìm thấy. Nó đối lập với dự đoán. Vì thế chúng ta cần thứ gì đó để có thể giải thích điều này. Hiện nay, hóa ra, trong toán học, bạn có thể đặt nó theo thuật ngữ đó là một năng lượng, nhưng là một năng lượng -- hoàn toàn khác so với mọi dạng chúng ta từng thấy trước đây. Chúng ta gọi nó là năng lượng tối, và nó là tác nhân gây nên sự giãn nở của vũ trụ. Có điều, chúng ta chưa có lập luận phù hợp để giải thích sự tồn tại của nó, OK. Vì vậy, thật không thể hiểu nổi tại sao năng lượng tối tồn tại.
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.
Lúc này, điều tôi rất muốn nhấn mạnh với các bạn là: đầu tiên, vật chất tối và năng lượng tối là những thứ hoàn toàn khác, OK. Chúng thật sự là hai điều bí ấn ngoài kia cấu thành nên hầu hết vũ trụ, và chúng có những ảnh hưởng rất khác nhau. Vật chất tối, bởi vì nó thu hút hấp dẫn lực, nó có xu hướng làm tăng sự phát triển của cấu trúc, OK. Thế nên các cụm thiên hà sẽ có xu hướng hình thành, bởi vì sự thu hút trường hấp dẫn này. Năng lượng tối, ngược lại, ngày càng kéo dãn không gian giữa các thiên hà hơn, khiến cho trường hấp dẫn giữa chúng giảm xuống, và ngăn trở sự phát triển của cấu trúc. Bằng cách quan sát những thứ như cụm thiên hà, và -- chỉ số dày đặc của chúng, số lượng của chúng theo thời gian -- chúng ta có thể học biết được làm thế nào vật chất tối và năng lượng tối cạnh tranh nhau trong việc hình thành cấu trúc vũ trụ.
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.
Đối với vật chất tối, tôi đã nói rằng chúng ta chẳng hề có, bạn biết đấy, một lập luận thuyết phục cho năng lượng tối tồn tại. Có lập luận nào cho vật chất tối không? Câu trả lời là có. Chúng ta có những ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối. 'Sáng giá', ý tôi là gì nhỉ? Ý tôi là chúng ta có những lý thuyết toán học phù hợp đã được đưa ra để giải thích cho một hiện tượng hoàn toàn khác biệt, OK, những thứ mà tôi chưa hề nói đến, rằng mỗi [lý thuyết] dự đoán sự tồn tại của một hạt mới tương tác rất yếu.
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.
Đây chính là thứ các bạn muốn trong vật lý nơi mà một dự đoán khởi đi từ một lý thuyết toán học phù hợp thật sự được khai thác cho một thứ khác. Thế nhưng chúng ta không biết liệu có cái nào trong số chúng thật sự là ứng cử viên của vật chất tối không. Một hoặc cả hai, ai biết? Hoặc là một thứ gì đó hoàn toàn khác. Chúng ta đang tìm thứ hạt vật chất tối này, bởi vì, rốt cuộc, chúng đang ở trong căn phòng này, OK, và chúng không đi qua bằng cửa. Chúng đơn giản chỉ đi xuyên qua mọi thứ. Chúng đi xuyên tòa nhà, xuyên Trái đất -- chúng phi tương tác.
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.
Một cách để tìm ra chúng là tạo ra những thiết bị dò tìm cực kỳ nhạy với hạt vật chất tối khi chúng đi xuyên qua và va phải nó. Một tinh thể sẽ rung lên nếu điều đó xảy ra. Một đồng nghiệp của tôi và cộng sự của anh đã tạo ra một máy dò tìm như thế. Và họ đặt nó sâu dưới một mỏ sắt ở Minnesota, OK, sâu dưới lòng đất, thực tế, vài ngày trước đã thông báo những kết quả tinh nhạy nhất cho đến giờ. Họ chưa nhìn thấy gì, OK, nhưng nó đặt giới hạn cho khối lượng và cường độ tương tác của những hạt vật chất tối. Sẽ có một kính thiên văn vệ tinh được phóng vào năm nay và nó sẽ hướng đến khu vực giữa thiên hà, để xem có thấy khi các hạt vật chất tối tiêu hủy và tạo ra sóng gamma thì vệ tinh có thể phát hiện được không. The Large Hadron Collier, một máy gia tốc hạt, chúng tôi sẽ khởi động vào năm nay. Có khả năng phân tử vật chất tối sẽ được tạo ra tại The Large Hadron Collider.
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)
Hiện nay, vì chúng -- phi tương tác, chúng có thể thoát khỏi thiết bị dò tìm, thế nên dấu hiệu của chúng sẽ là năng lượng bị mất, OK. Hiện nay, không may là có rất nhiều vật chất mới -- mà dấu hiệu của chúng có thể là năng lượng bị mất, thế nên rất khó để phân biệt chúng. Cuối cùng, vì những nỗ lực cho tương lai, có những kính thiên văn đang được thiết kế đặc biệt để trả lời câu hỏi về vật chất tối và năng lượng tối -- các kính viễn vọng mặt đất, và 3 kính viễn vọng không gian hiện nay đang trong cuộc đua để được phóng nhằm nghiên cứu về vật chất tối và năng lượng tối. Vậy đối với câu hỏi lớn: Vật chất tối là gì? Năng lượng tối là gì? Các câu hỏi lớn đặt ra cho ngành vật lý. Và tôi chắc rằng các bạn có rất nhiều câu hỏi, mà tôi rất vui lòng để giải đáp trong 72h tới, khi tôi ở đây. Cảm ơn. (Vỗ tay)