TED2008
Patricia Burchat: Shedding light on dark matter
Patricia Burchat beleuchtet dunkle Materie
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Physikerin Patricia Burchat beleuchtet zwei elementare Bestandteile unseres Universums: dunkle Materie und dunkle Energie. Sie machen 96 % des Universums aus und können nicht direkt gemessen werden, aber ihr Einfluss ist immens.
Patricia Burchat - Particle physicist
Patricia Burchat studies the structure and distribution of dark matter and dark energy. These mysterious ingredients can't be measured in conventional ways, yet form a quarter of the mass of our universe. Full bio
Patricia Burchat studies the structure and distribution of dark matter and dark energy. These mysterious ingredients can't be measured in conventional ways, yet form a quarter of the mass of our universe. Full bio
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As a particle physicist, I study the elementary particles
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Als eine Partikelphysikern untersuche ich die elementaren Partikel
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and how they interact on the most fundamental level.
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4000
3000
und wie sie auf grundlegendster Ebene miteinander interagieren.
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For most of my research career, I've been using accelerators,
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7000
3000
Für den größten Teil meiner Forscherlaufbahn habe ich Teilchenbeschleuniger verwendet --
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such as the electron accelerator at Stanford University, just up the road,
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10000
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wie zum Beispiel den Elektronenbeschleuniger in der Universität von Standford gleich die Straße hinauf --
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to study things on the smallest scale.
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um Dinge der niedrigsten Größenordnung zu untersuchen.
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But more recently, I've been turning my attention
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2000
Aber seit kurzem widme ich meine Aufmerksamkeit
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to the universe on the largest scale.
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3000
dem Universum auf höchster Größenordnung.
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Because, as I'll explain to you,
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Denn eigentlich, wie ich Ihnen erklären werde,
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the questions on the smallest and the largest scale are actually very connected.
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sind die Fragen der niedrigsten und höchsten Größenordnung sehr miteinander verbunden.
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So I'm going to tell you about our twenty-first-century view of the universe,
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5000
Ich werde Ihnen im Folgenden von unserem Modell des Universums im 21. Jahrhundert berichten,
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what it's made of and what the big questions in the physical sciences are --
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woraus es besteht und was die großen Fragen in den Wissenschaften der Naturgesetze sind --
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at least some of the big questions.
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oder zumindest ein paar der großen Fragen.
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So, recently, we have realized
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Vor kurzem haben wir bemerkt,
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that the ordinary matter in the universe --
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2000
dass die gewöhnliche Materie im Universum --
01:00
and by ordinary matter, I mean you, me,
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und mit "gewöhnliche Materie" meine ich Sie -- mich,
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the planets, the stars, the galaxies --
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die Planeten, die Sterne, die Galaxien
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the ordinary matter makes up only a few percent
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47000
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-- gewöhnliche Materie macht bloß ein paar Prozent
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of the content of the universe.
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des Inhalts des Universums aus.
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Almost a quarter, or approximately a quarter
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Fast ein Viertel -- oder schätzungsweise ein Viertel
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of the matter in the universe, is stuff that's invisible.
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der Materie des Universums ist irgendein unsichtbares Zeug.
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By invisible, I mean it doesn't absorb in the electromagnetic spectrum.
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4000
Mit "unsichtbar" meine ich, dass es im elektromagnetische Spektrum nichts absorbiert.
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It doesn't emit in the electromagnetic spectrum. It doesn't reflect.
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3000
Es strahlt im elektromagnetischen Spektrum nichts aus. Es reflektiert nichts.
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It doesn't interact with the electromagnetic spectrum,
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Es interagiert nicht mit dem elektromagnetischem Spektrum,
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which is what we use to detect things.
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das wir eigentlich benutzen, um die Dinge zu entdecken.
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It doesn't interact at all. So how do we know it's there?
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69000
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Es interagiert mit nichts und niemandem. Wie wissen wir dann, dass es da ist?
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We know it's there by its gravitational effects.
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72000
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Wir wissen es aufgrund seines Einflusses auf die Gravitation.
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In fact, this dark matter dominates
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Und zwar dominiert diese dunkle Materie
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the gravitational effects in the universe on a large scale,
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77000
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die Wirkung der Gravitation im Universum auf einer hohen Größenordnung,
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and I'll be telling you about the evidence for that.
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und ich werde Ihnen von den Beweisen dafür berichten.
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What about the rest of the pie?
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82000
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Und der Rest des Diagramms?
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The rest of the pie is a very mysterious substance called dark energy.
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84000
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Der Rest des Diagramms ist eine sehr mysteriöse Substanz namens "dunkle Energie".
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More about that later, OK.
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88000
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Mehr darüber später.
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So for now, let's turn to the evidence for dark matter.
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90000
3000
Lassen Sie uns für den Moment die Beweise für die dunkle Materie betrachten.
01:51
In these galaxies, especially in a spiral galaxy like this,
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93000
3000
In den Galaxien, insbesondere in Spiralgalaxien wie dieser,
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most of the mass of the stars is concentrated in the middle of the galaxy.
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5000
ist der Großteil der Masse der Sterne in der Mitte der Galaxie konzentriert.
01:59
This huge mass of all these stars keeps stars in circular orbits in the galaxy.
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101000
7000
Die enorme Masse all dieser Sterne hält Sterne innerhalb der Galaxie in zyklischen Orbits.
02:06
So we have these stars going around in circles like this.
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108000
3000
All die Sterne befinden sich also in zyklischen Orbits -- etwas so.
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As you can imagine, even if you know physics, this should be intuitive, OK --
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111000
4000
Wie Sie sich vorstellen können -- selbst wenn sie keine Physik können -- das sollte intuitiv sein
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that stars that are closer to the mass in the middle will be rotating at a higher speed
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115000
6000
-- dass Sterne, die näher an der Masse im Mittelpunkt sind, schneller rotieren
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than those that are further out here, OK.
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121000
3000
als die, die weiter hier draußen sind.
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So what you would expect is that if you measured the orbital speed of the stars,
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124000
5000
Sie würden also erwarten, dass wenn sie die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mäßen,
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that they should be slower on the edges than on the inside.
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129000
4000
sie am Rand langsamer als innen sein sollten.
02:31
In other words, if we measured speed as a function of distance --
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Anders ausgedrückt: Wenn wir Geschwindigkeit als eine Funktion von Distanz messen würden --
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this is the only time I'm going to show a graph, OK --
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135000
2000
das ist das einzige Mal, dass ich einen Graph zeige --
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we would expect that it goes down as the distance increases
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137000
4000
würden wir erwarten, dass sie nachlässt, wenn die Entfernung
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from the center of the galaxy.
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2000
vom Zentrum der Galaxie zunimmt.
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When those measurements are made,
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143000
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Wenn diese Messungen vorgenommen werden,
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instead what we find is that the speed is basically constant,
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144000
3000
stellen wir stattdessen fest, dass die Geschwindigkeit als eine Funktion der Distanz
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as a function of distance.
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147000
2000
mehr oder weniger konstant ist.
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If it's constant, that means that the stars out here
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149000
3000
Wenn sie konstant ist, bedeutet dass, dass die Sterne hier draußen
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are feeling the gravitational effects of matter that we do not see.
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152000
4000
Schwerkraft ausgesetzt sind, die von Materie generiert wird, die wir nicht sehen können.
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In fact, this galaxy and every other galaxy
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156000
3000
Tatsächlich scheint diese sowie jede andere Galaxie
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appears to be embedded in a cloud of this invisible dark matter.
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159000
5000
in einer Wolke der unsichtbaren dunklen Materie eingeschlossen zu sein.
03:02
And this cloud of matter is much more spherical than the galaxy themselves,
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164000
4000
Und diese Wolke der Materie ist sehr viel sphärischer als die Galaxie selbst,
03:06
and it extends over a much wider range than the galaxy.
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168000
4000
und sie erstreckt sich über einen viel größeren Bereich als die Galaxie.
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So we see the galaxy and fixate on that, but it's actually a cloud of dark matter
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172000
4000
Wir sehen nun die Galaxie und fixieren uns darauf, aber eigentlich ist es eine Wolke aus dunkler Materie,
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that's dominating the structure and the dynamics of this galaxy.
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176000
5000
die die Struktur und die Dynamik dieser Galaxie dominiert.
03:19
Galaxies themselves are not strewn randomly in space;
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181000
3000
Galaxien selber sind nicht zufällig im Universum verstreut;
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they tend to cluster.
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184000
2000
sie tendieren dazu, in Clustern aufzutreten.
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And this is an example of a very, actually, famous cluster, the Coma cluster.
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186000
3000
Und das hier ist ein Beispiel eines wirklich sehr bekannten Clusters: der Coma Cluster.
03:27
And there are thousands of galaxies in this cluster.
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189000
3000
Und es gibt tausende von Galaxien in diesem Cluster.
03:30
They're the white, fuzzy, elliptical things here.
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192000
3000
Das sind die weißen, verschwommenen, elliptischen Dinger hier.
03:33
So these galaxy clusters -- we take a snapshot now,
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195000
3000
Also, die Galaxien-Cluster -- ob wir jetzt eine Momentaufnahme machen,
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we take a snapshot in a decade, it'll look identical.
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198000
3000
ob wir in zehn Jahren eine Momentaufnahme machen -- er wird genauso aussehen.
03:39
But these galaxies are actually moving at extremely high speeds.
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201000
4000
Aber Galaxien bewegen sich eigentlich mit sehr hohen Geschwindigkeiten.
03:43
They're moving around in this gravitational potential well of this cluster, OK.
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205000
5000
Sie bewegen sich innerhalb des Gravitations-Potenzials des Clusters.
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So all of these galaxies are moving.
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210000
2000
Alle Galaxien bewegen sich also.
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We can measure the speeds of these galaxies, their orbital velocities,
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212000
4000
Wir können die Geschwindigkeiten der Galaxien messen -- ihre Umlaufgeschwindigkeiten --
03:54
and figure out how much mass is in this cluster.
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216000
2000
und herausfinden, wie viel Masse sich in einem Cluster befindet.
03:56
And again, what we find is that there is much more mass there
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218000
4000
Und abermals stellen wir fest, dass es da draußen sehr viel mehr Masse gibt,
04:00
than can be accounted for by the galaxies that we see.
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222000
4000
als durch die Galaxien, die wir sehen können, erklärt werden kann.
04:04
Or if we look in other parts of the electromagnetic spectrum,
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226000
2000
Oder wenn wir in andere Bereichen des elektromagnetischen Spektrums schauen,
04:06
we see that there's a lot of gas in this cluster, as well.
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228000
3000
dann sehen wir, dass es außerdem sehr viel Gas in diesem Cluster gibt.
04:09
But that cannot account for the mass either.
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231000
2000
Aber das erklärt das Vorhandensein der ganzen Masse auch nicht.
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In fact, there appears to be about ten times as much mass here
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233000
3000
In der Tat scheint es hier ungefähr zehn mal so viel Masse zu geben,
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in the form of this invisible or dark matter
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236000
3000
in Form der unsichtbaren oder dunklen Materie,
04:17
as there is in the ordinary matter, OK.
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239000
4000
als es gewöhnliche Materie gibt.
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It would be nice if we could see this dark matter a little bit more directly.
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243000
4000
Es wäre schön, wenn wir die dunkle Materie etwas direkter beobachten könnten.
04:25
I'm just putting this big, blue blob on there, OK,
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247000
2000
Ich setze mal diesen dicken, blauen Fleck dahin,
04:27
to try to remind you that it's there.
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249000
2000
um zu versuchen, Sie daran zu erinnern, dass sie da ist.
04:29
Can we see it more visually? Yes, we can.
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251000
3000
Können wir sie auf visuellere Weise beobachten? Ja, können wir.
04:32
And so let me lead you through how we can do this.
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254000
2000
Lassen sie mich Ihnen erklären, wie wir das tun können.
04:34
So here's an observer:
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256000
2000
Also, das hier ist ein Beobachter:
04:36
it could be an eye; it could be a telescope.
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258000
2000
Es könnte ein Auge sein; es könnte ein Teleskop sein.
04:38
And suppose there's a galaxy out here in the universe.
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260000
2000
Und stellen Sie sich vor, es gibt eine Galaxie hier draußen im Universum.
04:40
How do we see that galaxy?
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262000
2000
Auf welche Weise sehen wir diese Galaxie?
04:42
A ray of light leaves the galaxy and travels through the universe
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264000
3000
Ein Lichtstrahl verlässt die Galaxie und durchreist das Universum,
04:45
for perhaps billions of years
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267000
2000
eventuell für Milliarden von Jahren,
04:47
before it enters the telescope or your eye.
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269000
3000
bevor er an das Teleskop oder Ihr Auge gelangt.
04:50
Now, how do we deduce where the galaxy is?
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272000
3000
Wie leiten wir nun ab, wo sich die Galaxie befindet?
04:53
Well, we deduce it by the direction that the ray is traveling
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275000
3000
Wir leiten es aufgrund der Richtung ab, aus der der Lichtstrahl kommt,
04:56
as it enters our eye, right?
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278000
2000
wenn er an unsere Auge gelangt, nicht wahr?
04:58
We say, the ray of light came this way;
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280000
2000
Wir sagen: "Der Lichtstrahl ist aus der und der Richtung gekommen;
05:00
the galaxy must be there, OK.
93
282000
2000
die Galaxie muss da drüben sein."
05:02
Now, suppose I put in the middle a cluster of galaxies --
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284000
4000
Jetzt stellen Sie sich vor, ich würde einen Galaxien-Cluster in die Mitte setzen --
05:06
and don't forget the dark matter, OK.
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288000
2000
und vergessen Sie die dunkle Materie nicht.
05:08
Now, if we consider a different ray of light, one going off like this,
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290000
4000
Wenn wir uns nun einen anderen Lichtstrahl vorstellen -- einer, der so wie der hier verläuft --
05:12
we now need to take into account
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294000
2000
dann müssen wir jetzt beachten,
05:14
what Einstein predicted when he developed general relativity.
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296000
3000
was Einstein prognostiziert hat, als er die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hat.
05:17
And that was that the gravitational field, due to mass,
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299000
4000
Und zwar, dass das Gravitationsfeld -- aufgrund der Masse --
05:21
will deflect not only the trajectory of particles,
100
303000
3000
nicht nur die Flugbahn von Partikeln,
05:24
but will deflect light itself.
101
306000
3000
sondern das Licht an sich umleiten wird.
05:27
So this light ray will not continue in a straight line,
102
309000
3000
Daher verläuft dieser Lichtstrahl nicht in einer geraden Linie,
05:30
but would rather bend and could end up going into our eye.
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312000
4000
sondern würde sich eher krümmen und könnte letztlich zu unserem Auge gelangen.
05:34
Where will this observer see the galaxy?
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316000
3000
Wo sieht der Beobachter die Galaxie?
05:37
You can respond. Up, right?
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319000
4000
Sie können antworten. Oben, genau.
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We extrapolate backwards and say the galaxy is up here.
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323000
3000
Wir leiten rückwirkend ab und sagen: "Die Galaxie ist hier oben."
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Is there any other ray of light
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326000
1000
Gibt es irgendeinen anderen Lichtstrahl,
05:45
that could make into the observer's eye from that galaxy?
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327000
3000
der das Auge des Beobachters von der Galaxie aus erreichen könnte?
05:48
Yes, great. I see people going down like this.
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330000
3000
Ja, sehr gut. Ich kann Leute so nach unten zeigen sehen.
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So a ray of light could go down, be bent
110
333000
2000
Ein Lichtstrahl könnte also nach unten verlaufen,
05:53
up into the observer's eye,
111
335000
2000
nach oben zum Auge des Beobachters verbogen werden --
05:55
and the observer sees a ray of light here.
112
337000
2000
und der Beobachter sieht den Lichtstrahl hier.
05:57
Now, take into account the fact that we live in
113
339000
2000
Und schenken Sie jetzt der Tatsache Beachtung, dass wir
05:59
a three-dimensional universe, OK,
114
341000
2000
in einem dreidimensionalen Universum leben
06:01
a three-dimensional space.
115
343000
2000
-- einem dreidimensionalen Raum.
06:03
Are there any other rays of light that could make it into the eye?
116
345000
3000
Gibt es irgendwelche anderen Lichtstrahlen, die an das Auge gelangen könnten?
06:06
Yes! The rays would lie on a -- I'd like to see -- yeah, on a cone.
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348000
6000
Ja! Die Lichtstrahlen würden sich auf einem -- ja, nur zu -- genau, einem Kegel befinden.
06:12
So there's a whole ray of light -- rays of light on a cone --
118
354000
2000
Es befindet sich also ein ganzer Lichtstrahl -- Lichtstrahlen -- auf einem Kegel,
06:14
that will all be bent by that cluster
119
356000
2000
die alle von dem Cluster verbogen werden
06:16
and make it into the observer's eye.
120
358000
3000
und an das Auge des Beobachters gelangen.
06:19
If there is a cone of light coming into my eye, what do I see?
121
361000
5000
Wenn ein Licht-Kegel an mein Auge gelangt, was sehe ich dann?
06:24
A circle, a ring. It's called an Einstein ring. Einstein predicted that, OK.
122
366000
4000
Einen Kreis, einen Ring. Das nennt sich "Einstein Ring" -- Einstein hat das prognostiziert.
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Now, it will only be a perfect ring if the source, the deflector
123
370000
5000
Dabei liegt nur dann ein perfekter Ring vor, wenn die Quelle, der Deflektor,
06:33
and the eyeball, in this case, are all in a perfectly straight line.
124
375000
5000
-- und in diesem Fall das Auge -- sich alle in einer vollkommen geraden Linie befinden.
06:38
If they're slightly skewed, we'll see a different image.
125
380000
3000
Wenn sie auch nur ein bisschen verzogen sind, dann sehen wir ein anderes Bild.
06:41
Now, you can do an experiment tonight over the reception, OK,
126
383000
3000
Heute abend können sie über die Rezeption ein Experiment durchführen,
06:44
to figure out what that image will look like.
127
386000
3000
um herauszufinden, wie das Bild aussieht.
06:47
Because it turns out that there is a kind of lens that we can devise,
128
389000
4000
Es ist nämlich so, dass wir eine Art Linse entwerfen können,
06:51
that has the right shape to produce this kind of effect.
129
393000
3000
die die rechte Form hat, um diesen Effekt hervorzubringen.
06:54
We call this gravitational lensing.
130
396000
2000
Wir nennen das "Gravitationslinseneffekt".
06:56
And so, this is your instrument, OK.
131
398000
3000
Also, das hier ist Ihr Instrument.
06:59
(Laughter).
132
401000
1000
(Gelächter)
07:00
But ignore the top part.
133
402000
3000
Aber ignorieren Sie den oberen Teil.
07:03
It's the base that I want you to concentrate, OK.
134
405000
3000
Ich möchte mich auf den unteren Teil konzentrieren.
07:06
So, actually, at home, whenever we break a wineglass,
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408000
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Immer wenn wir zu Hause ein Weinglas kaputt machen,
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I save the bottom, take it over to the machine shop.
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410000
2000
hebe ich das Unterteil auf, bringe es rüber zur Werkstatt.
07:10
We shave it off, and I have a little gravitational lens, OK.
137
412000
4000
Wir schleifen es, und ich habe eine kleine Gravitationslinse.
07:14
So it's got the right shape to produce the lensing.
138
416000
2000
Es hat also die rechte Form, um den Linseneffekt hervorzubringen.
07:16
And so the next thing you need to do in your experiment
139
418000
2000
Und das nächste, was Sie für Ihr Experiment tun müssen,
07:18
is grab a napkin. I grabbed a piece of graph paper -- I'm a physicist. (Laughter)
140
420000
4000
ist eine Serviette zu besorgen. Ich habe ein Stück Millimeterpapier genommen; ich bin Physikerin. (Gelächter)
07:22
So, a napkin. Draw a little model galaxy in the middle.
141
424000
4000
Also, eine Serviette. Zeichnen Sie in der Mitte eine kleine Modell-Galaxie.
07:26
And now put the lens over the galaxy,
142
428000
3000
Und legen Sie nun die Linse über die Galaxie,
07:29
and what you'll find is that you'll see a ring, an Einstein ring.
143
431000
3000
und Sie werden feststellen, dass Sie einen Ring sehen können -- einen Einstein Ring.
07:32
Now, move the base off to the side,
144
434000
3000
Ziehen Sie das Unterteil jetzt zur Seite,
07:35
and the ring will split up into arcs, OK.
145
437000
3000
und der Ring teilt sich in Bögen.
07:38
And you can put it on top of any image.
146
440000
2000
Und Sie können es auf jedes erdenkliche Bild legen.
07:40
On the graph paper, you can see
147
442000
1000
Auf dem Millimeterpapier können Sie erkennen,
07:41
how all the lines on the graph paper have been distorted.
148
443000
2000
dass all die Linien auf dem Millimeterpapier verzerrt sind.
07:43
And again, this is a kind of an accurate model
149
445000
3000
Nochmals: Dies ist eine Art wahrheitsgetreues Modell
07:46
of what happens with the gravitational lensing.
150
448000
2000
von dem, was während des Gravitationslinseneffekts vor sich geht.
07:48
OK, so the question is: do we see this in the sky?
151
450000
4000
Die Frage lautet nun: Können wir das am Himmel sehen?
07:52
Do we see arcs in the sky when we look at, say, a cluster of galaxies?
152
454000
4000
Sehen wir die Bögen am Himmel, wenn wir -- zum Beispiel -- einen Galaxien-Cluster betrachten?
07:56
And the answer is yes.
153
458000
2000
Und die Antwort lautet: ja.
07:58
And so, here's an image from the Hubble Space Telescope.
154
460000
2000
Und hier haben Sie ein Bild vom Hubble-Weltraumteleskop.
08:00
Many of the images you are seeing
155
462000
2000
Viele der Bilder, die Sie hier sehen,
08:02
are earlier from the Hubble Space Telescope.
156
464000
2000
stammen ursprünglich vom Hubble-Weltraumteleskop.
08:04
Well, first of all, for the golden shape galaxies --
157
466000
2000
Zuerst die goldenen Galaxien --
08:06
those are the galaxies in the cluster.
158
468000
3000
das sind die Galaxien innerhalb des Clusters.
08:09
They're the ones that are embedded in that sea of dark matter
159
471000
4000
Das sind die, die in dem Meer aus dunkler Materie eingeschlossen sind,
08:13
that are causing the bending of the light
160
475000
2000
was die Krümmung des Lichts
08:15
to cause these optical illusions, or mirages, practically,
161
477000
3000
und dadurch die optischen Illusionen -- oder eigentlich Trugbilder --
08:18
of the background galaxies.
162
480000
2000
der Galaxien im Hintergrund hervorruft.
08:20
So the streaks that you see, all these streaks,
163
482000
3000
Die Streifen, die Sie sehen können -- all diese Streifen
08:23
are actually distorted images of galaxies that are much further away.
164
485000
4000
sind im Grunde verzerrte Bilder von Galaxien, die sehr viel weiter weg sind.
08:27
So what we can do, then, is based on how much distortion
165
489000
3000
Wir können nun, ausgehend vom Grad der Verzerrung,
08:30
we see in those images, we can calculate how much mass
166
492000
4000
den wir in den Bildern ausmachen können, berechnen, wie viel Masse
08:34
there must be in this cluster.
167
496000
2000
in dem Cluster vorhanden sein muss.
08:36
And it's an enormous amount of mass.
168
498000
2000
Und es handelt sich um eine enorme Menge an Masse.
08:38
And also, you can tell by eye, by looking at this,
169
500000
2000
Desweiteren können Sie mit bloßem Auge erkennen -- wenn sie sich das hier anschauen --
08:40
that these arcs are not centered on individual galaxies.
170
502000
4000
dass die Bögen sich nicht auf individuelle Galaxien zentrieren;
08:44
They are centered on some more spread out structure,
171
506000
4000
sie zentrieren sich auf eine ausgedehntere Struktur.
08:48
and that is the dark matter
172
510000
4000
Und das ist die dunkle Materie,
08:52
in which the cluster is embedded, OK.
173
514000
3000
in der der Cluster eingeschlossen ist.
08:55
So this is the closest you can get to kind of seeing
174
517000
2000
Das hier ist der beste optische Eindruck -- zumindest des
08:57
at least the effects of the dark matter with your naked eye.
175
519000
3000
Einflusses der dunklen Materie, die sie mit bloßem Auge sehen können.
09:00
OK, so, a quick review then, to see that you're following.
176
522000
3000
Also, eine schnelle Zusammenfassung, um zu schauen, dass sie mir folgen:
09:03
So the evidence that we have
177
525000
2000
Die Beweise, die wir dafür haben,
09:05
that a quarter of the universe is dark matter --
178
527000
2000
dass ein Viertel des Universums aus dunkler Materie besteht --
09:07
this gravitationally attracting stuff --
179
529000
2000
dieses schwerkraft-erzeugende Zeug --
09:09
is that galaxies, the speed with which stars orbiting galaxies
180
531000
4000
bestehen darin, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen, die Galaxien umkreisen,
09:13
is much too large; it must be embedded in dark matter.
181
535000
3000
viel zu hoch ist; sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein.
09:16
The speed with which galaxies within clusters are orbiting is much too large;
182
538000
4000
Die Umlaufgeschwindigkeiten von Galaxien innerhalb von Clustern ist viel zu hoch;
09:20
it must be embedded in dark matter.
183
542000
2000
sie müssen in dunkler Materie eingeschlossen sein.
09:22
And we see these gravitational lensing effects, these distortions
184
544000
4000
Und wir können den Gravitationslinseneffekt beobachten -- die Verzerrungen,
09:26
that say that, again, clusters are embedded in dark matter.
185
548000
3000
die abermals darauf deuten, dass die Cluster in dunkler Materie eingeschlossen sind.
09:29
OK. So now, let's turn to dark energy.
186
551000
4000
Okay. Schauen wir uns jetzt dunkle Energie an.
09:33
So to understand the evidence for dark energy, we need to discuss something
187
555000
3000
Um die Beweislage für die dunkle Energie zu verstehen, müssen wir etwas erörtern,
09:36
that Stephen Hawking referred to in the previous session.
188
558000
4000
auf das Stephen Hawking in der vorausgegangenen Sitzung hingewiesen hat.
09:40
And that is the fact that space itself is expanding.
189
562000
4000
Nämlich die Tatsache, dass der Raum selbst sich ausdehnt.
09:44
So if we imagine a section of our infinite universe --
190
566000
5000
Wenn wir uns nun einen Abschnitt unseres unendlichen Universums vorstellen
09:49
and so I've put down four spiral galaxies, OK --
191
571000
3000
-- und dafür ich habe hier vier Spiralgalaxien hingesetzt.
09:52
and imagine that you put down a set of tape measures,
192
574000
4000
Und stellen Sie sich vor, dass Sie einige Maßbänder darüber legen,
09:56
so every line on here corresponds to a tape measure,
193
578000
2000
so dass jede Linie einem Maßband entspricht --
09:58
horizontal or vertical, for measuring where things are.
194
580000
4000
horizontal oder vertikal -- um zu ermitteln, wo sich was befindet.
10:02
If you could do this, what you would find
195
584000
2000
Wenn sie das tun könnten, würden sie feststellen,
10:04
that with each passing day, each passing year,
196
586000
3000
das mit jedem vergangenen Tag, jedem vergangenen Jahr,
10:07
each passing billions of years, OK,
197
589000
3000
jeden vergangenen Milliarden von Jahren
10:10
the distance between galaxies is getting greater.
198
592000
3000
die Entfernung zwischen den Galaxien größer wird.
10:13
And it's not because galaxies are moving
199
595000
1000
Und das ist nicht so, weil die Galaxien sich
10:14
away from each other through space.
200
596000
3000
durch den Weltraum voneinander weg bewegen;
10:17
They're not necessarily moving through space.
201
599000
2000
sie bewegen sich nicht zwangsläufig durch den Weltraum.
10:19
They're moving away from each other
202
601000
2000
Sie bewegen sich voneinander weg,
10:21
because space itself is getting bigger, OK.
203
603000
3000
weil der Raum an sich größer wird.
10:24
That's what the expansion of the universe or space means.
204
606000
4000
Das ist die wahre Bedeutung der Expansion des Universums.
10:28
So they're moving further apart.
205
610000
2000
Also, Sie bewegen sich auseinander.
10:30
Now, what Stephen Hawking mentioned, as well,
206
612000
4000
Stephen Hawking hat nun außerdem noch erwähnt,
10:34
is that after the Big Bang, space expanded at a very rapid rate.
207
616000
6000
dass sich der Weltraum nach dem Urknall sehr schnell ausgedehnt hat.
10:40
But because gravitationally attracting matter
208
622000
4000
Da aber schwerkraft-erzeugende Materie
10:44
is embedded in this space,
209
626000
2000
im Weltraum eingeschlossen ist,
10:46
it tends to slow down the expansion of the space, OK.
210
628000
3000
tendiert sie dazu, die Expansion des Raums abzuschwächen.
10:49
So the expansion slows down with time.
211
631000
3000
Die Expansion wird mit der Zeit abgeschwächt.
10:52
So, in the last century, OK, people debated
212
634000
4000
Nun haben die Leute während des letzten Jahrhunderts
10:56
about whether this expansion of space would continue forever;
213
638000
5000
darüber gestritten, ob die Expansion des Raums für immer weiter gehen würde,
11:01
whether it would slow down, you know,
214
643000
2000
ob sie nachlassen würde -- das heißt,
11:03
will be slowing down, but continue forever;
215
645000
2000
ob sie nachlässt, aber für immer weiter geht.
11:05
slow down and stop, asymptotically stop;
216
647000
5000
Ob sie nachlässt und aufhört -- mehr oder weniger aufhört
11:10
or slow down, stop, and then reverse, so it starts to contract again.
217
652000
5000
-- oder nachlässt, aufhört und dann zurückgeht, er sich also wieder zusammenzieht.
11:15
So a little over a decade ago,
218
657000
2000
Vor ein wenig über zehn Jahren
11:17
two groups of physicists and astronomers
219
659000
5000
haben zwei Gruppen von Physikern und Astronomen
11:22
set out to measure the rate at which
220
664000
2000
sich daran gemacht, die Geschwindigkeit zu messen,
11:24
the expansion of space was slowing down, OK.
221
666000
4000
mit der die Expansion des Raums nachlässt.
11:28
By how much less is it expanding today,
222
670000
2000
Wie viel weniger schnell er sich heute ausdehnt,
11:30
compared to, say, a couple of billion years ago?
223
672000
3000
verglichen mit -- zum Beispiel -- vor einigen Milliarden Jahren.
11:33
The startling answer to this question, OK, from these experiments,
224
675000
5000
Die erstaunliche Antwort auf diese Frage -- infolge der Experimente --
11:38
was that space is expanding at a faster rate today
225
680000
4000
war, dass der Raum sich heute schneller ausdehnt
11:42
than it was a few billion years ago, OK.
226
684000
3000
als vor ein paar Milliarden Jahren.
11:45
So the expansion of space is actually speeding up.
227
687000
3000
Die Expansion des Raums beschleunigt sich also.
11:48
This was a completely surprising result.
228
690000
3000
Das war ein total überraschendes Ergebnis.
11:51
There is no persuasive theoretical argument for why this should happen, OK.
229
693000
6000
Es gibt kein überzeugendes theoretisches Argument, warum das passieren sollte.
11:57
No one was predicting ahead of time this is what's going to be found.
230
699000
3000
Keiner hat je prognostiziert, dass das herausgefunden würde.
12:00
It was the opposite of what was expected.
231
702000
2000
Es war das Gegenteil von dem, was erwartet wurde.
12:02
So we need something to be able to explain that.
232
704000
3000
Wir brauchen daher etwas, um das erklären zu können.
12:05
Now it turns out, in the mathematics,
233
707000
2000
Und es hat sich nun herausgestellt, dass man den Sachverhalt in der Mathematik
12:07
you can put it in as a term that's an energy,
234
709000
4000
als einen Term beschreiben kann, der einer Energie-Variable entspricht.
12:11
but it's a completely different type of energy
235
713000
1000
Aber es ist eine ganz andere Art von Energie
12:12
from anything we've ever seen before.
236
714000
2000
als alles, was wir jemals gesehen haben.
12:14
We call it dark energy,
237
716000
2000
Wir nennen sie "dunkle Energie",
12:16
and it has this effect of causing space to expand.
238
718000
3000
und sie hat die Wirkung, den Raum expandieren zu lassen.
12:19
But we don't have a good motivation
239
721000
2000
Wir haben im Moment allerdings keine gute Begründung,
12:21
for putting it in there at this point, OK.
240
723000
2000
das mathematisch zu beschreiben.
12:23
So it's really unexplained as to why we need to put it in.
241
725000
3000
Uns fehlt jegliche Erklärung, warum wir das mathematisch erfassen sollen.
12:26
Now, so at this point, then, what I want to really emphasize to you,
242
728000
4000
Und an dieser Stelle möchte ich Ihnen gegenüber besonders betonen,
12:30
is that, first of all, dark matter and dark energy
243
732000
2000
dass -- ganz grundsätzlich -- dunkle Materie und dunkle Energie
12:32
are completely different things, OK.
244
734000
2000
zwei gänzlich verschiedene Dinge sind.
12:34
There are really two mysteries out there as to what makes up most of the universe,
245
736000
4000
Es gibt da draußen zwei große Rätsel darüber, woraus der größte Teil des Universums besteht,
12:38
and they have very different effects.
246
740000
3000
und sie haben sehr unterschiedliche Auswirkungen.
12:41
Dark matter, because it gravitationally attracts,
247
743000
3000
Dunkle Materie, da schwerkraft-erzeugend,
12:44
it tends to encourage the growth of structure, OK.
248
746000
4000
tendiert dazu, die Entwicklung von Strukturen zu begünstigen.
12:48
So clusters of galaxies will tend to form,
249
750000
3000
Galaxien-Cluster tendieren daher dazu,
12:51
because of all this gravitational attraction.
250
753000
2000
sich infolge der ganzen Anziehungskraft zu bilden.
12:53
Dark energy, on the other hand,
251
755000
2000
Dunkle Energie erhöht demgegenüber
12:55
is putting more and more space between the galaxies,
252
757000
4000
den räumlichen Abstand zwischen den Galaxien,
12:59
makes it, the gravitational attraction between them decrease,
253
761000
3000
lässt sie -- die Anziehungskraft zwischen ihnen -- geringer werden
13:02
and so it impedes the growth of structure.
254
764000
3000
und erschwert infolge dessen die Entwicklung von Strukturen.
13:05
So by looking at things like clusters of galaxies,
255
767000
3000
Indem wir uns Dinge wie Galaxien-Cluster anschauen
13:08
and how they -- their number density,
256
770000
4000
-- ihre Teilchendichte,
13:12
how many there are as a function of time --
257
774000
2000
wie viele von ihnen es als Funktion der Zeit gibt --
13:14
we can learn about how dark matter and dark energy
258
776000
4000
können wir in Erfahrung bringen, auf welche Weise dunkle Materie
13:18
compete against each other in structure forming.
259
780000
3000
und dunkle Energie miteinander im Wettstreit stehen, um Strukturen zu bilden.
13:21
In terms of dark matter, I said that we don't have any,
260
783000
3000
Was dunkle Materie angeht, habe ich dargelegt, dass wir keine,
13:24
you know, really persuasive argument for dark energy.
261
786000
4000
naja -- wirklich überzeugenden Argumente für dunkle Energie haben.
13:28
Do we have anything for dark matter? And the answer is yes.
262
790000
3000
Haben wir welche für dunkle Materie? Die Antwort lautet: ja.
13:31
We have well-motivated candidates for the dark matter.
263
793000
3000
Wir haben gut geeignete Anwärter auf die dunkle Materie.
13:34
Now, what do I mean by well motivated?
264
796000
3000
Und was meine ich mit "gut geeignet"?
13:37
I mean that we have mathematically consistent theories
265
799000
5000
Ich meine damit, dass wir mathematisch widerspruchsfreie Theorien haben,
13:42
that were actually introduced
266
804000
2000
die eigentlich eingeführt wurden,
13:44
to explain a completely different phenomenon, OK,
267
806000
3000
um ein ganz anderes Phänomen zu erklären
13:47
things that I haven't even talked about,
268
809000
2000
-- Dinge, über die ich gar nicht gesprochen habe,
13:49
that each predict the existence
269
811000
3000
die allesamt die Existenz eines neuen,
13:52
of a very weakly interacting, new particle.
270
814000
3000
nur wenig interagierenden Partikels prognostiziert haben.
13:55
So, this is exactly what you want in physics:
271
817000
2000
Und das ist genau das, auf was Sie in der Physik warten:
13:57
where a prediction comes out of a mathematically consistent theory
272
819000
4000
Eine Prognose, die auf eine mathematisch widerspruchsfreie Theorie zurückgeht,
14:01
that was actually developed for something else.
273
823000
2000
die eigentlich für etwas ganz anderes erdacht wurde.
14:03
But we don't know if either of those
274
825000
3000
Wir wissen aber nicht, ob einer von den beiden
14:06
are actually the dark matter candidate, OK.
275
828000
3000
wirklich ein Anwärter auf die dunkle Energie ist.
14:09
One or both, who knows? Or it could be something completely different.
276
831000
3000
Einer oder beide, wer weiß das schon? Es könnte auch etwas ganz anderes sein.
14:12
Now, we look for these dark matter particles
277
834000
2000
Dabei fahnden wir nach den Partikeln der dunklen Materie,
14:14
because, after all, they are here in the room, OK,
278
836000
3000
denn sie befinden sich schlussendlich ja in diesem Zimmer,
14:17
and they didn't come in the door.
279
839000
1000
und sie sind nicht durch die Tür hereingekommen.
14:18
They just pass through anything.
280
840000
2000
Sie bewegen sich durch alles mögliche.
14:20
They can come through the building, through the Earth --
281
842000
2000
Sie können durch das Gebäude kommen, durch die Erde
14:22
they're so non-interacting.
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-- so wenig interagieren sie.
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So one way to look for them is to build detectors
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Eine Methode, nach ihnen zu fahnden, besteht darin, Detektoren zu bauen,
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that are extremely sensitive to a dark matter particle coming through and bumping it.
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die gegenüber Partikeln von dunkler Materie, die sich durch sie hindurch bewegen und gegen sie stoßen, extrem empfindlich sind.
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So a crystal that will ring if that happens.
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Etwa einen Kristall, der klingelt, wenn das passiert.
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So one of my colleagues up the road and his collaborators
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Und einer meiner Kollegen gleich die Straße hinauf hat mit seinen
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have built such a detector.
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Mitarbeiten einen solchen Detektor gebaut.
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And they've put it deep down in an iron mine in Minnesota,
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Und sie haben ihn tief in einer Eisenmine in Minnesota platziert,
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OK, deep under the ground, and in fact, in the last couple of days
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tief unter der Erde. Und während der letzten paar Tage haben sie in der Tat
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announced the most sensitive results so far.
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die bisher auffälligsten Ergebnisse vermeldet.
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They haven't seen anything, OK, but it puts limits on what the mass
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Sie haben direkt nichts beobachten können, aber die Masse und
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and the interaction strength of these dark matter particles are.
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die Interaktions-Freudigkeit der Partikel in etwa bestimmen können.
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There's going to be a satellite telescope launched later this year
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Später dieses Jahr findet ein Teleskop-Start statt.
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and it will look towards the middle of the galaxy,
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Und es wird auf die Mitte der Galaxie zentriert sein,
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to see if we can see dark matter particles annihilating
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um herauszufinden, ob wir beobachten können, wie die Partikel der dunklen Materie
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and producing gamma rays that could be detected with this.
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sich auflösen und Gamma Strahlen produzieren, die damit entdeckt werden könnten.
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The Large Hadron Collider, a particle physics accelerator,
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Der Große Hadronen-Speicherring, ein Teilchenbeschleuniger,
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that we'll be turning on later this year.
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den wir später dieses Jahr einschalten werden.
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It is possible that dark matter particles might be produced
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Es ist möglich, dass im Großen Hadronen-Speicherring Dunkle-Materie-Partikel
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at the Large Hadron Collider.
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entstehen könnten.
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Now, because they are so non-interactive,
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Weil sie nun so wenig interagieren,
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they will actually escape the detector,
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werden sie dem Detektor entgehen,
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so their signature will be missing energy, OK.
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und daher wird ihre Signatur fehlende Energie sein.
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Now, unfortunately, there is a lot of new physics
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Unglücklicherweise gibt es eine Menge neuer Entdeckungen in der Physik,
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whose signature could be missing energy,
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deren Signatur fehlende Energie sein könnte,
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so it will be hard to tell the difference.
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weshalb es schwer sein wird, sie voneinander zu unterscheiden.
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And finally, for future endeavors, there are telescopes being designed
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Und schließlich werden -- für zukünftige Vorhaben -- Teleskope entwickelt,
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specifically to address the questions of dark matter and dark energy --
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um sich mit den spezifischen Fragen der dunklen Materie und dunklen Energie zu befassen:
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ground-based telescopes, and there are three space-based telescopes
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bodennahe Teleskope. Und es gibt drei Weltraum-Teleskope, die gerade
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that are in competition right now
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miteinander im Wettstreit stehen,
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to be launched to investigate dark matter and dark energy.
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um gestartet zu werden und dunkle Materie und dunkle Energie zu untersuchen.
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So in terms of the big questions:
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Was also die großen Fragen angeht:
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what is dark matter? What is dark energy?
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"Was ist dunkle Materie?" "Was ist dunkle Energie?"
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The big questions facing physics.
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Die großen Fragen in der Physik.
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And I'm sure you have lots of questions,
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Und ich bin sicher, dass sie viele Fragen haben.
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which I very much look forward to addressing
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Ich freue mich darauf, sie über die nächsten 72 Stunden,
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over the next 72 hours, while I'm here. Thank you.
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während der ich hier bin, zu beantworten. Vielen Dank.
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(Applause)
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(Applaus)
ABOUT THE SPEAKER
Patricia Burchat - Particle physicistPatricia Burchat studies the structure and distribution of dark matter and dark energy. These mysterious ingredients can't be measured in conventional ways, yet form a quarter of the mass of our universe.
Why you should listen
Patricia Burchat studies the universe's most basic ingredients -- the mysterious dark energy and dark matter that are massively more abundant than the visible stars and galaxies. She is one of the founders of the BaBar Collaboration at the Stanford Linear Accelerator Center, a project that's hoping to answer the question, "If there are as many anti-particles as there are particles, why can't we see all these anti-particles?"
She's a member of the Large Synoptic Survey Telescope project, which will allow scientists to monitor exploding supernovae and determine how fast the universe is expanding -- and map how mass is distributed throughout the universe. She's also part of Fermilab Experiment E791, studying the production and decay of charmed particles. Burchat received a Guggenheim Fellowship in 2005.
Patricia Burchat | Speaker | TED.com