ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Patricia Burchat | Speaker | TED.com
TED2008

Patricia Burchat: Shedding light on dark matter

派翠西亞柏莎一窺暗物質清晰面貌

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物理學家派翠西亞柏莎帶我們領略-構成宇宙的兩大基本成分：暗物質和暗能量。兩者相加合，佔宇宙的96%，無法直接測量的到，但是卻有無與倫比的影響！
- 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

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As a particle粒子 physicist物理學家, I study研究 the elementary初級 particles粒子
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身為粒子物理學家的我,研究最基本的粒子
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and how they interact相互作用 on the most最 fundamental基本的 level水平.
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我研究,粒子和粒子之間,如何在最基礎層次上交互作用
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For most最 of my research研究 career事業, I've been using運用 accelerators加速器,
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7000
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多數研究生涯中,我一向都在使用加速器
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such這樣 as the electron電子 accelerator加速器 at Stanford斯坦福 University大學, just up the road路,
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就像離此不遠的史丹福大學,也有一台一樣的,那種電子加速器。
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to study研究 things on the smallest最少 scale規模.
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粒子物理學家,向來是從最細微,最小尺度來研究物質
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But more recently最近, I've been turning車削 my attention注意
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但是最近，我的注意力轉向了
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to the universe宇宙 on the largest最大 scale規模.
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宇宙間最大尺度的物質。那是什麼?
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Because, as I'll explain說明 to you,
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稍後我將立刻向各位解釋-但是,我為什麼轉移注意力呢？
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the questions問題 on the smallest最少 and the largest最大 scale規模 are actually其實 very connected連接的.
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因為,最小和最大尺度兩者間,其實有微妙的高度關聯
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So I'm going to tell you about our twenty-first-century二十一世紀 view視圖 of the universe宇宙,
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5000
所以,我即將要談,21世紀對宇宙的最新看法
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what it's made製作 of and what the big大 questions問題 in the physical物理 sciences科學 are --
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宇宙的構成成分是什麼，目前物理學最熱門的議題為何?
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at least最小 some of the big大 questions問題.
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即便不能完整含括全部最重要議題,至少也含有其中好幾個。
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So, recently最近, we have realized實現
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最近，我們意識到
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that the ordinary普通 matter物 in the universe宇宙 --
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宇宙中的普通物質
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and by ordinary普通 matter物, I mean you, me,
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我說的「普通」物質,也就是你,我自己
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the planets行星, the stars明星, the galaxies星系 --
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行星，恆星，銀河系
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the ordinary普通 matter物 makes品牌 up only a few少數 percent百分
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這些都是算為普通物質,且只不過佔宇宙的
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of the content內容 of the universe宇宙.
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幾個百分比而已
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Almost幾乎 a quarter25美分硬幣, or approximately約 a quarter25美分硬幣
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近乎四分之一，或者大約四分之一
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of the matter物 in the universe宇宙, is stuff東東 that's invisible無形.
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宇宙中的物質,全是些看不見的東西
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By invisible無形, I mean it doesn't absorb吸收 in the electromagnetic電磁 spectrum光譜.
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所謂不可見，我指的是它不吸收電磁波
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It doesn't emit發射 in the electromagnetic電磁 spectrum光譜. It doesn't reflect反映.
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在電磁波頻譜中,它既不放射,也不反射。
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It doesn't interact相互作用 with the electromagnetic電磁 spectrum光譜,
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它和電磁波譜,沒有互動可言
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which哪一個 is what we use to detect檢測 things.
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而電磁波,正是我們平常用來檢測物質的方法
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It doesn't interact相互作用 at all. So how do we know it's there?
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當它根本對電磁波不作反應,你如何知道它存在呢？
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We know it's there by its gravitational引力 effects效果.
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透過重力效應,是可以知道的。
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In fact事實, this dark黑暗 matter物 dominates佔主導地位
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事實上,在宇宙中,大尺度物質
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the gravitational引力 effects效果 in the universe宇宙 on a large大 scale規模,
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的重力效應,全是由「暗物質」在操縱
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and I'll be telling告訴 you about the evidence證據 for that.
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80000
2000
相關證據,稍後我會再和各位分享
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What about the rest休息 of the pie餡餅?
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82000
2000
現在先講,這大餅圖中,還有一大塊無名,那是什麼？
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The rest休息 of the pie餡餅 is a very mysterious神秘 substance物質 called叫 dark黑暗 energy能源.
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84000
4000
剩下的一大塊,是一種稱為「暗能量」,極神秘物質
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More about that later後來, OK.
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細節,稍後再說
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So for now, let's turn轉 to the evidence證據 for dark黑暗 matter物.
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3000
現在，我們來談談「暗物質存在」的證據
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In these galaxies星系, especially特別 in a spiral螺旋 galaxy星系 like this,
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3000
在這些星系中，尤其是在一個像這樣的螺旋星系中
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most最 of the mass塊 of the stars明星 is concentrated集中 in the middle中間 of the galaxy星系.
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96000
5000
大部分恆星的「質量」(mass)都集中在星系的中央附近
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This huge巨大 mass塊 of all these stars明星 keeps保持 stars明星 in circular圓 orbits軌道 in the galaxy星系.
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7000
這是很巨大的質量。也因為它,恆星在星系中,沿著圓形軌道在運動
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So we have these stars明星 going around in circles界 like this.
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3000
所以我們看到這些恒星沿圓圈這樣運動
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As you can imagine想像, even if you know physics物理, this should be intuitive直觀的, OK --
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4000
不難想像-這和懂不懂物理沒差別-直覺上就應該知道
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that stars明星 that are closer接近 to the mass塊 in the middle中間 will be rotating旋轉 at a higher更高 speed速度
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6000
比較靠近星系質量中央的恆星,繞行運轉時,速度較高
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than those that are further進一步 out here, OK.
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3000
和外圈的恆星相比,同意嗎
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So what you would expect期望 is that if you measured測量 the orbital軌道的 speed速度 of the stars明星,
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5000
如果你測量這些恒星運動的軌道速度
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that they should be slower比較慢 on the edges邊緣 than on the inside內.
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應該是邊緣的會比裏面的慢
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In other words話, if we measured測量 speed速度 as a function功能 of distance距離 --
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2000
換句話說，如果我們以速度作為距離的函數
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this is the only time I'm going to show顯示 a graph圖形, OK --
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135000
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這篇短講不會有很多圖表,這是唯一一張
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we would expect期望 that it goes去 down as the distance距離 increases增加
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4000
我們認為,速度會隨它和星系中央的距離增加
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from the center中央 of the galaxy星系.
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141000
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而減慢
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When those measurements測量 are made製作,
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143000
1000
當我們實際進行測量的時候
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instead代替 what we find is that the speed速度 is basically基本上 constant不變,
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3000
出乎意料，我們卻發現這些速度都是幾乎不變動的「恆量」
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as a function功能 of distance距離.
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147000
2000
當你以距離為函數
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If it's constant不變, that means手段 that the stars明星 out here
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149000
3000
若它為恆量時,這意味著,這些恆星
02:50
are feeling感覺 the gravitational引力 effects效果 of matter物 that we do not see.
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152000
4000
正感受得到,一些我們看不見的物質所產生的重力效應
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In fact事實, this galaxy星系 and every一切 other galaxy星系
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3000
這個星系以及其他每一個星系
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appears出現 to be embedded嵌入式 in a cloud雲 of this invisible無形 dark黑暗 matter物.
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159000
5000
似乎都是內嵌在這樣一個不可見的暗物質雲層中
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And this cloud雲 of matter物 is much more spherical球形 than the galaxy星系 themselves他們自己,
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164000
4000
而這片物質雲,比星系本身,更加的接近於球形
03:06
and it extends擴展 over a much wider更寬的 range範圍 than the galaxy星系.
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168000
4000
而且這片物質雲的範圍,比星系本身更廣得多
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So we see the galaxy星系 and fixate固定 on that, but it's actually其實 a cloud雲 of dark黑暗 matter物
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4000
所以,當我們看見的是星系,注視著的,是星系,但實際上那背後有一團暗物質雲
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that's dominating主導 the structure結構體 and the dynamics動力學 of this galaxy星系.
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176000
5000
主導著這星系的結構和運動
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Galaxies星系 themselves他們自己 are not strewn撒滿 randomly隨機 in space空間;
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3000
這些星系,在太空中,並非任意的散佈
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they tend趨向 to cluster簇.
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184000
2000
它們有成群聚合的傾向
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And this is an example例 of a very, actually其實, famous著名 cluster簇, the Coma昏迷 cluster簇.
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3000
舉一個例,非常有名的后髮座（Coma）星系團
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And there are thousands數千 of galaxies星系 in this cluster簇.
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189000
3000
這個星系團中有數以千計的星系
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They're the white白色, fuzzy模糊, elliptical橢圓的 things here.
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192000
3000
這些白色的，模糊的，橢圓的東西就是星系
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So these galaxy星系 clusters集群 -- we take a snapshot快照 now,
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195000
3000
這些星系團-我們幫它拍一張照片
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we take a snapshot快照 in a decade十, it'll它會 look identical相同.
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3000
十年後再拍一張,它還是一點都不會改變
03:39
But these galaxies星系 are actually其實 moving移動 at extremely非常 high高 speeds速度.
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201000
4000
但是,星系團,其實是在極高速的運動狀態中
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They're moving移動 around in this gravitational引力 potential潛在 well of this cluster簇, OK.
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205000
5000
它們其實是在這個星系團的一個「重力勢阱」中運動著
03:48
So all of these galaxies星系 are moving移動.
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210000
2000
所以,所有這些星系都在運動
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We can measure測量 the speeds速度 of these galaxies星系, their其 orbital軌道的 velocities速度,
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212000
4000
我們可以藉由測量這些運動，它們的軌道速率
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and figure數字 out how much mass塊 is in this cluster簇.
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216000
2000
計算得出星系團中有多少「質量」
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And again, what we find is that there is much more mass塊 there
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218000
4000
再一次，我們發現實際上那裏的質量
04:00
than can be accounted佔 for by the galaxies星系 that we see.
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222000
4000
要比按照「看得見的」星系,計算得出的結果還多
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Or if we look in other parts部分 of the electromagnetic電磁 spectrum光譜,
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226000
2000
當我們看其他部分的電磁波譜
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we see that there's a lot of gas加油站 in this cluster簇, as well.
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228000
3000
也看得到星系團裏有很多氣體
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But that cannot不能 account帳戶 for the mass塊 either或.
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231000
2000
但那些氣體並不能解釋這些質量的存在
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In fact事實, there appears出現 to be about ten十 times時 as much mass塊 here
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233000
3000
事實上，這裏多出來的質量大約有10倍
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in the form形成 of this invisible無形 or dark黑暗 matter物
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236000
3000
是以暗物質型態,存在著
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as there is in the ordinary普通 matter物, OK.
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239000
4000
暗物質是普通物質的10倍。
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It would be nice不錯 if we could see this dark黑暗 matter物 a little bit位 more directly直.
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243000
4000
我想,如果大家都能更直接地看到暗物質,豈不更妙
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I'm just putting把 this big大, blue藍色 blobBLOB on there, OK,
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247000
2000
所以,我在這裏放一個大藍色泡泡
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to try to remind提醒 you that it's there.
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249000
2000
提醒你們:「暗物質就在那兒!」
04:29
Can we see it more visually視覺? Yes, we can.
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251000
3000
但,是否可以在視覺上「看」見它呢？可以。
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And so let me lead鉛 you through通過 how we can do this.
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254000
2000
現在我帶大家實際瞭解,怎樣看見暗物質：
04:34
So here's這裡的 an observer觀察者:
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256000
2000
這裏是一個觀察者
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it could be an eye眼; it could be a telescope望遠鏡.
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258000
2000
無論是一隻眼睛；或者也可以是一個望遠鏡
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And suppose假設 there's a galaxy星系 out here in the universe宇宙.
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260000
2000
假設在宇宙中有一個星系
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How do we see that galaxy星系?
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262000
2000
我們怎樣看得到那個星系的呢？
04:42
A ray射線 of light光 leaves樹葉 the galaxy星系 and travels旅行 through通過 the universe宇宙
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3000
一束光從那星系離開、穿過宇宙
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for perhaps也許 billions數十億 of years年份
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267000
2000
經過了也許幾十億年
04:47
before it enters進入 the telescope望遠鏡 or your eye眼.
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269000
3000
然後進入望遠鏡,或映入你的眼簾中
04:50
Now, how do we deduce推斷 where the galaxy星系 is?
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272000
3000
現在,你如何猜測星系的位置在哪裡？
04:53
Well, we deduce推斷 it by the direction方向 that the ray射線 is traveling旅行
90
275000
3000
嗯,我們按光線來的方向,去猜,它的位置
04:56
as it enters進入 our eye眼, right?
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278000
2000
當光線抵達我們的眼睛時,我們就是這樣猜的
04:58
We say, the ray射線 of light光 came來了 this way;
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280000
2000
例如，這束光這樣出來
05:00
the galaxy星系 must必須 be there, OK.
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282000
2000
我猜星系一定在那。
05:02
Now, suppose假設 I put in the middle中間 a cluster簇 of galaxies星系 --
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284000
4000
現在,假設我在螢幕中央放一個星系團--
05:06
and don't forget忘記 the dark黑暗 matter物, OK.
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288000
2000
別忘了,連暗物質也在那兒
05:08
Now, if we consider考慮 a different不同 ray射線 of light光, one going off like this,
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290000
4000
現在，如果我們考慮,另外一束這樣走的光線
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we now need to take into account帳戶
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294000
2000
我們現在需要考慮
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what Einstein愛因斯坦 predicted預料到的 when he developed發達 general一般 relativity相對論.
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296000
3000
當愛因斯坦他發展出廣義相對論時,曾經預言過的
05:17
And that was that the gravitational引力 field領域, due應有 to mass塊,
99
299000
4000
也就是,由於有「質量」的關係而發生的「重力場」
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will deflect打歪 not only the trajectory彈道 of particles粒子,
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303000
3000
不僅會使粒子的運動軌跡偏轉
05:24
but will deflect打歪 light光 itself本身.
101
306000
3000
而且也會使光本身偏轉
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So this light光 ray射線 will not continue繼續 in a straight直行 line線,
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309000
3000
所以這束光不會沿直線行進
05:30
but would rather寧 bend彎曲 and could end結束 up going into our eye眼.
103
312000
4000
而是，會彎曲，並最終仍抵達、進入我們的眼睛
05:34
Where will this observer觀察者 see the galaxy星系?
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316000
3000
這個觀察者,會看到的星系,是在哪裡呢？
05:37
You can respond響應. Up, right?
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319000
4000
你們會回答。上面。對嗎？
05:41
We extrapolate推斷 backwards向後 and say the galaxy星系 is up here.
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323000
3000
我們向後倒推，然後斷定星系在這裏
05:44
Is there any other ray射線 of light光
107
326000
1000
這裏還有其他,也從這個星系而來,
05:45
that could make into the observer's觀察者 eye眼 from that galaxy星系?
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327000
3000
並且也進入觀察者眼睛的光線嗎？
05:48
Yes, great. I see people going down like this.
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330000
3000
是的,非常好。我看到你們有人比向下的手勢。
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So a ray射線 of light光 could go down, be bent彎曲
110
333000
2000
一束光,它也可以往下走,然後彎曲
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up into the observer's觀察者 eye眼,
111
335000
2000
並進入觀察者的眼睛,
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and the observer觀察者 sees看到 a ray射線 of light光 here.
112
337000
2000
這觀察著便會在這裏,看到一束光。
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Now, take into account帳戶 the fact事實 that we live生活 in
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339000
2000
現在,考慮到,我們生活在一個
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a three-dimensional三維 universe宇宙, OK,
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341000
2000
有三度空間的宇宙中
06:01
a three-dimensional三維 space空間.
115
343000
2000
太空是三度空間的
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Are there any other rays陽光 of light光 that could make it into the eye眼?
116
345000
3000
那麼,還有其他光線,可以進入我們的眼睛嗎？
06:06
Yes! The rays陽光 would lie謊言 on a -- I'd like to see -- yeah, on a cone錐體.
117
348000
6000
是的，光線可以排列呈現-按你們比出來的手勢-它是個,圓錐形
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So there's a whole整個 ray射線 of light光 -- rays陽光 of light光 on a cone錐體 --
118
354000
2000
所以,許多束光,匯聚成一個圓錐形
06:14
that will all be bent彎曲 by that cluster簇
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356000
2000
意思是,這些光都經過了星系團的彎曲
06:16
and make it into the observer's觀察者 eye眼.
120
358000
3000
然後進入觀察者的眼睛裡
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If there is a cone錐體 of light光 coming未來 into my eye眼, what do I see?
121
361000
5000
因為有呈圓錐形的光,這樣進入我的眼睛,所以,我會看到什麼？
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A circle圈, a ring環. It's called叫 an Einstein愛因斯坦 ring環. Einstein愛因斯坦 predicted預料到的 that, OK.
122
366000
4000
一個圓圈,或環形。這被稱為「愛因斯坦環」--因為愛因斯坦首先預測到這個現象
06:28
Now, it will only be a perfect完善 ring環 if the source資源, the deflector導流板
123
370000
5000
當然,弧形原本應該是相當完美的弧,前提是,如果光源,偏導體和眼球
06:33
and the eyeball眼球, in this case案件, are all in a perfectly完美 straight直行 line線.
124
375000
5000
正好全都在一條筆直的線上
06:38
If they're slightly略 skewed偏斜, we'll好 see a different不同 image圖片.
125
380000
3000
如果它們被略微偏轉，我們將會看到一個不同的圖像
06:41
Now, you can do an experiment實驗 tonight今晚 over the reception招待會, OK,
126
383000
3000
你們今晚就可以在接待櫃檯,做一個試驗
06:44
to figure數字 out what that image圖片 will look like.
127
386000
3000
你就看到這個圖像會是什麼樣子
06:47
Because it turns圈 out that there is a kind類 of lens鏡片 that we can devise設計,
128
389000
4000
因為我們可以設計一種透鏡
06:51
that has the right shape形狀 to produce生產 this kind類 of effect影響.
129
393000
3000
它的形狀,很合適用來產生這種現象
06:54
We call this gravitational引力 lensing透鏡.
130
396000
2000
我們稱它為重力透鏡
06:56
And so, this is your instrument儀器, OK.
131
398000
3000
所以,這就是你們的儀器
06:59
(Laughter笑聲).
132
401000
1000
（笑聲）
07:00
But ignore忽視 the top最佳 part部分.
133
402000
3000
但是請忽略上半部
07:03
It's the base基礎 that I want you to concentrate集中, OK.
134
405000
3000
只看它底座的部分就好了
07:06
So, actually其實, at home, whenever每當 we break打破 a wineglass紅酒杯,
135
408000
2000
所以,我家無論誰打破一隻高腳酒杯
07:08
I save保存 the bottom底部, take it over to the machine機 shop店.
136
410000
2000
我都把底部留著用,先拿到玻璃店去
07:10
We shave刮鬍子 it off, and I have a little gravitational引力 lens鏡片, OK.
137
412000
4000
把頭切掉,然後重力透鏡就出現了,妙吧
07:14
So it's got the right shape形狀 to produce生產 the lensing透鏡.
138
416000
2000
它的形狀很合適產生透鏡效果
07:16
And so the next下一個 thing you need to do in your experiment實驗
139
418000
2000
這個實驗的下一步驟就是
07:18
is grab抓 a napkin餐巾. I grabbed抓起 a piece片 of graph圖形 paper紙 -- I'm a physicist物理學家. (Laughter笑聲)
140
420000
4000
找一張餐巾紙-本人是物理學者,所以我會拿一張有學問一點的方格紙.(笑聲)
07:22
So, a napkin餐巾. Draw畫 a little model模型 galaxy星系 in the middle中間.
141
424000
4000
ok,拿一張餐巾紙。在正中央畫一個小小的星系模型。
07:26
And now put the lens鏡片 over the galaxy星系,
142
428000
3000
然後把透鏡挪到星系正上方
07:29
and what you'll你會 find is that you'll你會 see a ring環, an Einstein愛因斯坦 ring環.
143
431000
3000
然後你將看到一個,愛因斯坦環
07:32
Now, move移動 the base基礎 off to the side側,
144
434000
3000
把杯底透鏡往旁邊挪一點
07:35
and the ring環 will split分裂 up into arcs圓弧, OK.
145
437000
3000
環會分裂成好幾個弧
07:38
And you can put it on top最佳 of any image圖片.
146
440000
2000
把它移到任何圖像上都可以
07:40
On the graph圖形 paper紙, you can see
147
442000
1000
在方格紙上你可以看到
07:41
how all the lines線 on the graph圖形 paper紙 have been distorted扭曲.
148
443000
2000
方格的線條產生怎樣的扭曲
07:43
And again, this is a kind類 of an accurate準確 model模型
149
445000
3000
所以，你可以說,這是一種非常精確的模型
07:46
of what happens發生 with the gravitational引力 lensing透鏡.
150
448000
2000
用來解釋「重力透鏡」產生的現象為何
07:48
OK, so the question題 is: do we see this in the sky天空?
151
450000
4000
下一個問題：在天空中,我們看的到這現象嗎?
07:52
Do we see arcs圓弧 in the sky天空 when we look at, say, a cluster簇 of galaxies星系?
152
454000
4000
當我們觀察一個星系團的時候,看的到弧形嗎?
07:56
And the answer回答 is yes.
153
458000
2000
答案是:可以。
07:58
And so, here's這裡的 an image圖片 from the Hubble哈勃 Space空間 Telescope望遠鏡.
154
460000
2000
這是來自哈柏望遠鏡的圖像。
08:00
Many許多 of the images圖片 you are seeing眼看
155
462000
2000
現在看到的許多圖像
08:02
are earlier前 from the Hubble哈勃 Space空間 Telescope望遠鏡.
156
464000
2000
來自稍早的哈柏望遠鏡拍攝所得
08:04
Well, first of all, for the golden金色 shape形狀 galaxies星系 --
157
466000
2000
首先,先說這些金色的星系
08:06
those are the galaxies星系 in the cluster簇.
158
468000
3000
它們是星系團中的星系
08:09
They're the ones那些 that are embedded嵌入式 in that sea海 of dark黑暗 matter物
159
471000
4000
也被內嵌在一團暗物質中
08:13
that are causing造成 the bending彎曲 of the light光
160
475000
2000
那團暗物質,就是使光發生彎曲的物質
08:15
to cause原因 these optical光纖 illusions幻想, or mirages海市蜃樓, practically幾乎,
161
477000
3000
就是它們,引起了我們對「後景星系」
08:18
of the background背景 galaxies星系.
162
480000
2000
的視錯覺,或者說,幻影
08:20
So the streaks條紋 that you see, all these streaks條紋,
163
482000
3000
你所看到的這些條紋,所有這些條紋
08:23
are actually其實 distorted扭曲 images圖片 of galaxies星系 that are much further進一步 away.
164
485000
4000
其實都是來自更遠處的星系,扭曲的圖像
08:27
So what we can do, then, is based基於 on how much distortion失真
165
489000
3000
我們能做的,就是根據所見的這些圖像
08:30
we see in those images圖片, we can calculate計算 how much mass塊
166
492000
4000
扭曲程度的大小,計算出在這團星系中
08:34
there must必須 be in this cluster簇.
167
496000
2000
可能有多少的「質量」
08:36
And it's an enormous巨大 amount量 of mass塊.
168
498000
2000
這個質量的總量是非常龐大的
08:38
And also也, you can tell by eye眼, by looking at this,
169
500000
2000
你也可以藉由觀察它（圖像）而得知一個現象
08:40
that these arcs圓弧 are not centered中心 on individual個人 galaxies星系.
170
502000
4000
這些弧線的中心並不是些單一的星系
08:44
They are centered中心 on some more spread傳播 out structure結構體,
171
506000
4000
這些弧線的中心,是一些更廣,更大的結構
08:48
and that is the dark黑暗 matter物
172
510000
4000
那個結構,就是暗物質
08:52
in which哪一個 the cluster簇 is embedded嵌入式, OK.
173
514000
3000
星系團,是被嵌入在暗物質中的
08:55
So this is the closest最近的 you can get to kind類 of seeing眼看
174
517000
2000
這是最接近於看到
08:57
at least最小 the effects效果 of the dark黑暗 matter物 with your naked裸 eye眼.
175
519000
3000
以肉眼看得到的暗物質效果
09:00
OK, so, a quick快 review評論 then, to see that you're following以下.
176
522000
3000
非常快的回顧一下剛才所說的，希望你們都還跟的上。
09:03
So the evidence證據 that we have
177
525000
2000
我們有證據顯示
09:05
that a quarter25美分硬幣 of the universe宇宙 is dark黑暗 matter物 --
178
527000
2000
證明宇宙有1/4是,暗物質
09:07
this gravitationally引力 attracting吸引 stuff東東 --
179
529000
2000
這是些,受重力作用,被吸引住的東西
09:09
is that galaxies星系, the speed速度 with which哪一個 stars明星 orbiting軌道 galaxies星系
180
531000
4000
這些恆星,圍繞星系運動的速率太大
09:13
is much too large大; it must必須 be embedded嵌入式 in dark黑暗 matter物.
181
535000
3000
必須被嵌在暗物質中
09:16
The speed速度 with which哪一個 galaxies星系 within中 clusters集群 are orbiting軌道 is much too large大;
182
538000
4000
是星系在星系團中,運動速度太大
09:20
it must必須 be embedded嵌入式 in dark黑暗 matter物.
183
542000
2000
以至於星系也必須,被嵌在暗物質裡
09:22
And we see these gravitational引力 lensing透鏡 effects效果, these distortions扭曲
184
544000
4000
從我們所看到的這些重力透鏡的效應,這些扭曲
09:26
that say that, again, clusters集群 are embedded嵌入式 in dark黑暗 matter物.
185
548000
3000
我們說,這證明,星系團是嵌在,暗物質中
09:29
OK. So now, let's turn轉 to dark黑暗 energy能源.
186
551000
4000
好。現在我們轉向「暗能量」
09:33
So to understand理解 the evidence證據 for dark黑暗 energy能源, we need to discuss討論 something
187
555000
3000
所以為了瞭解暗能量的證據，我們需要討論一些
09:36
that Stephen斯蒂芬 Hawking霍金 referred簡稱 to in the previous以前 session會議.
188
558000
4000
史蒂芬霍金在上一段節目中談到的那個現象,
09:40
And that is the fact事實 that space空間 itself本身 is expanding擴大.
189
562000
4000
也就是宇宙正在擴張的事實。
09:44
So if we imagine想像 a section部分 of our infinite無窮 universe宇宙 --
190
566000
5000
所以如果我們想像無限宇宙中一小部分，
09:49
and so I've put down four四 spiral螺旋 galaxies星系, OK --
191
571000
3000
我放4個漩渦星系，
09:52
and imagine想像 that you put down a set組 of tape膠帶 measures措施,
192
574000
4000
假設你放一支卷尺
09:56
so every一切 line線 on here corresponds對應 to a tape膠帶 measure測量,
193
578000
2000
也就是,這裏的每一條線都對應一個卷尺
09:58
horizontal橫 or vertical垂直, for measuring測量 where things are.
194
580000
4000
水平或垂直,好測量東西的位置。
10:02
If you could do this, what you would find
195
584000
2000
這樣一來，你將發現
10:04
that with each每 passing通過 day, each每 passing通過 year年,
196
586000
3000
時間每過去一天，或一年，
10:07
each每 passing通過 billions數十億 of years年份, OK,
197
589000
3000
或經過的是幾十億年
10:10
the distance距離 between之間 galaxies星系 is getting得到 greater更大.
198
592000
3000
星系間的距離正在變得更大。
10:13
And it's not because galaxies星系 are moving移動
199
595000
1000
然而這並不是因為星系正在彼此因移動而
10:14
away from each每 other through通過 space空間.
200
596000
3000
在空間中,漸行漸遠
10:17
They're not necessarily一定 moving移動 through通過 space空間.
201
599000
2000
以空間來講,它們不一定是「在動」。
10:19
They're moving移動 away from each每 other
202
601000
2000
有此漸行漸遠的現象,是因
10:21
because space空間 itself本身 is getting得到 bigger大, OK.
203
603000
3000
空間本身正在擴張。
10:24
That's what the expansion擴張 of the universe宇宙 or space空間 means手段.
204
606000
4000
這是宇宙或者空間擴張的意思。
10:28
So they're moving移動 further進一步 apart距離.
205
610000
2000
它們相隔越來越遠。
10:30
Now, what Stephen斯蒂芬 Hawking霍金 mentioned提到, as well,
206
612000
4000
正如史蒂芬霍金也提到的，
10:34
is that after the Big大 Bang砰, space空間 expanded擴大 at a very rapid快速 rate率.
207
616000
6000
在大爆炸之後，宇宙空間以非常快的速率擴張。
10:40
But because gravitationally引力 attracting吸引 matter物
208
622000
4000
但是因為重力而發出吸引效應的物質
10:44
is embedded嵌入式 in this space空間,
209
626000
2000
嵌在這個空間中,
10:46
it tends趨向 to slow慢 down the expansion擴張 of the space空間, OK.
210
628000
3000
而它是傾向於減慢空間擴張速率的。
10:49
So the expansion擴張 slows減緩 down with time.
211
631000
3000
所以擴張的速率就隨著時間經過,而減慢。
10:52
So, in the last century世紀, OK, people debated辯論
212
634000
4000
上個世紀，大家都在辯論著
10:56
about whether是否 this expansion擴張 of space空間 would continue繼續 forever永遠;
213
638000
5000
宇宙擴張，是否會永遠持續下去
11:01
whether是否 it would slow慢 down, you know,
214
643000
2000
或者是否會減慢
11:03
will be slowing減緩 down, but continue繼續 forever永遠;
215
645000
2000
逐漸減速,但永遠持續的擴張
11:05
slow慢 down and stop, asymptotically漸近 stop;
216
647000
5000
或者漸漸減速,趨近於停止
11:10
or slow慢 down, stop, and then reverse相反, so it starts啟動 to contract合同 again.
217
652000
5000
還是減速,停止,然後開始反轉,再次從收縮開始另一個循環
11:15
So a little over a decade十 ago前,
218
657000
2000
這辯論持續了近十多年,
11:17
two groups組 of physicists物理學家 and astronomers天文學家
219
659000
5000
兩組物理學家和天文學家
11:22
set組 out to measure測量 the rate率 at which哪一個
220
664000
2000
開始著手測量 宇宙擴張
11:24
the expansion擴張 of space空間 was slowing減緩 down, OK.
221
666000
4000
正在減速的速率是多少
11:28
By how much less減 is it expanding擴大 today今天,
222
670000
2000
這是藉由比較
11:30
compared相比 to, say, a couple一對 of billion十億 years年份 ago前?
223
672000
3000
它今天和幾十億年前相比,減少了多少擴張。
11:33
The startling觸目驚心 answer回答 to this question題, OK, from these experiments實驗,
224
675000
5000
根據實驗結果，答案是令人吃驚的，
11:38
was that space空間 is expanding擴大 at a faster更快 rate率 today今天
225
680000
4000
宇宙今天正在以更快的速率擴張，
11:42
than it was a few少數 billion十億 years年份 ago前, OK.
226
684000
3000
這是和幾十億年前相比
11:45
So the expansion擴張 of space空間 is actually其實 speeding超速 up.
227
687000
3000
所以,事實上,宇宙空間的擴張正在加速。
11:48
This was a completely全然 surprising奇怪 result結果.
228
690000
3000
這是令人非常驚訝的結果。
11:51
There is no persuasive說服力 theoretical理論 argument論據 for why this should happen發生, OK.
229
693000
6000
沒有令人信服的理論依據能解釋這種情形的發生原因。
11:57
No one was predicting預測 ahead先 of time this is what's going to be found發現.
230
699000
3000
先前，從來都沒有人預言過會有這樣的發現。
12:00
It was the opposite對面 of what was expected預期.
231
702000
2000
它和預期的是完全相反的。
12:02
So we need something to be able能夠 to explain說明 that.
232
704000
3000
所以我們需要某些東西可以解釋這現象。
12:05
Now it turns圈 out, in the mathematics數學,
233
707000
2000
現在我們的發現是,在數學中，
12:07
you can put it in as a term術語 that's an energy能源,
234
709000
4000
你可以把「能量」這個名詞放在這個解釋裡。
12:11
but it's a completely全然 different不同 type類型 of energy能源
235
713000
1000
但它是一種和我們所見過的任何一種能量，
12:12
from anything we've我們已經 ever seen看到 before.
236
714000
2000
都完全不同的能量
12:14
We call it dark黑暗 energy能源,
237
716000
2000
我們叫它暗能量，
12:16
and it has this effect影響 of causing造成 space空間 to expand擴大.
238
718000
3000
而且,它具有使宇宙發生「擴張」效果的影響力
12:19
But we don't have a good motivation動機
239
721000
2000
只是,在動機的部份
12:21
for putting把 it in there at this point點, OK.
240
723000
2000
目前我們還缺乏一個比較好的說明。
12:23
So it's really unexplained原因不明 as to why we need to put it in.
241
725000
3000
這動機要從何解釋起,有點難。
12:26
Now, so at this point點, then, what I want to really emphasize注重 to you,
242
728000
4000
現在,我想強調的是
12:30
is that, first of all, dark黑暗 matter物 and dark黑暗 energy能源
243
732000
2000
首先,暗物質和暗能量
12:32
are completely全然 different不同 things, OK.
244
734000
2000
是完全不同的東西。
12:34
There are really two mysteries奧秘 out there as to what makes品牌 up most最 of the universe宇宙,
245
736000
4000
談到宇宙的組合成分,這兩樣東西恰似兩大謎題
12:38
and they have very different不同 effects效果.
246
740000
3000
它們的影響,也是天差地別
12:41
Dark黑暗 matter物, because it gravitationally引力 attracts吸引,
247
743000
3000
暗物質,因為它的重力發生引力,
12:44
it tends趨向 to encourage鼓勵 the growth發展 of structure結構體, OK.
248
746000
4000
它傾向於促成固定結構的形成。
12:48
So clusters集群 of galaxies星系 will tend趨向 to form形成,
249
750000
3000
所以星系傾向於集結構成星系團，
12:51
because of all this gravitational引力 attraction引力.
250
753000
2000
原因是重力帶來的吸引作用。
12:53
Dark黑暗 energy能源, on the other hand手,
251
755000
2000
另一方面，暗能量，
12:55
is putting把 more and more space空間 between之間 the galaxies星系,
252
757000
4000
卻在星系之間產生越來越多的空間。
12:59
makes品牌 it, the gravitational引力 attraction引力 between之間 them decrease減少,
253
761000
3000
它會使星系之間的重力吸引作用-漸漸減小,
13:02
and so it impedes阻礙 the growth發展 of structure結構體.
254
764000
3000
因此暗能量也就阻礙了結構的成形。
13:05
So by looking at things like clusters集群 of galaxies星系,
255
767000
3000
藉由觀察星系團，
13:08
and how they -- their其 number數 density密度,
256
770000
4000
它們數量上的密度如何
13:12
how many許多 there are as a function功能 of time --
257
774000
2000
以時間為函數，它們的數量是多少
13:14
we can learn學習 about how dark黑暗 matter物 and dark黑暗 energy能源
258
776000
4000
我們可以比較瞭解暗物質、暗能量
13:18
compete競爭 against反對 each每 other in structure結構體 forming成型.
259
780000
3000
彼此如何在結構的形成上互相競爭。
13:21
In terms條款 of dark黑暗 matter物, I said that we don't have any,
260
783000
3000
先前我說過,我們沒有
13:24
you know, really persuasive說服力 argument論據 for dark黑暗 energy能源.
261
786000
4000
任何真正有說服力的論述能解釋暗能量。
13:28
Do we have anything for dark黑暗 matter物? And the answer回答 is yes.
262
790000
3000
我們有解釋暗物質的證據嗎？是的，我們有。
13:31
We have well-motivated良好的動機 candidates候選人 for the dark黑暗 matter物.
263
793000
3000
好幾種學說論述都有相當有力的假設動機。
13:34
Now, what do I mean by well motivated動機?
264
796000
3000
所謂“相當有力”指的是什麼？
13:37
I mean that we have mathematically數學 consistent一貫 theories理論
265
799000
5000
我的意思是說我們有數學上前後一致性的理論
13:42
that were actually其實 introduced介紹
266
804000
2000
可以導入導出並解釋
13:44
to explain說明 a completely全然 different不同 phenomenon現象, OK,
267
806000
3000
一種很不一樣的現象
13:47
things that I haven't沒有 even talked談 about,
268
809000
2000
一些我還沒有討論到的現象，
13:49
that each每 predict預測 the existence存在
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811000
3000
它們預言到
13:52
of a very weakly弱 interacting互動, new新 particle粒子.
270
814000
3000
弱作用力的新粒子。
13:55
So, this is exactly究竟 what you want in physics物理:
271
817000
2000
這才是你在物理中所想要的：
13:57
where a prediction預測 comes來 out of a mathematically數學 consistent一貫 theory理論
272
819000
4000
從數學上合理一致的理論建立起來的某個假設
14:01
that was actually其實 developed發達 for something else其他.
273
823000
2000
經過實際發展後變成可以解釋其他事物的一個假設。
14:03
But we don't know if either或 of those
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825000
3000
但我們無從得知兩者是否都是
14:06
are actually其實 the dark黑暗 matter物 candidate候選人, OK.
275
828000
3000
可用來解釋暗物質的最佳答案
14:09
One or both都, who knows知道? Or it could be something completely全然 different不同.
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831000
3000
二者之一為是,或,以上皆是?以上皆非?沒人說的準
14:12
Now, we look for these dark黑暗 matter物 particles粒子
277
834000
2000
雖然說我們是在尋找這些暗物質粒子
14:14
because, after all, they are here in the room房間, OK,
278
836000
3000
不過,說到底,其實它們根本就在這裏,就在這個房間裏，
14:17
and they didn't come in the door門.
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839000
1000
它們也沒從門口進來
14:18
They just pass通過 through通過 anything.
280
840000
2000
因為,暗物質粒子是能穿透一切的。
14:20
They can come through通過 the building建造, through通過 the Earth地球 --
281
842000
2000
它們穿得過建築,穿得過地球;
14:22
they're so non-interacting非相互作用.
282
844000
2000
它們非常懶得打交道
14:24
So one way to look for them is to build建立 detectors探測器
283
846000
3000
所以要找到它們的一種方式,是建造探測器
14:27
that are extremely非常 sensitive敏感 to a dark黑暗 matter物 particle粒子 coming未來 through通過 and bumping碰撞 it.
284
849000
4000
一台對暗物質粒子穿過,會極度敏感的探測器,甚至還會碰撞暗物質粒子。
14:31
So a crystal水晶 that will ring環 if that happens發生.
285
853000
3000
是一種在發生暗物質粒子穿越時,會振動的水晶。
14:34
So one of my colleagues同事 up the road路 and his collaborators合作者
286
856000
2000
我的一個同事和他的合作者
14:36
have built內置 such這樣 a detector探測器.
287
858000
2000
已經建造了這樣一個探測器。
14:38
And they've他們已經 put it deep深 down in an iron鐵 mine礦 in Minnesota明尼蘇達,
288
860000
3000
他們把探測器放在明尼蘇達州某處很深的地底鐵礦坑中，
14:41
OK, deep深 under下 the ground地面, and in fact事實, in the last couple一對 of days天
289
863000
3000
非常深的地底。前幾天
14:44
announced公佈 the most最 sensitive敏感 results結果 so far遠.
290
866000
3000
他們剛公佈過目前最敏銳的結果,顯示：
14:47
They haven't沒有 seen看到 anything, OK, but it puts看跌期權 limits範圍 on what the mass塊
291
869000
3000
他們還沒看到任何東西，但他們為暗物質的質
14:50
and the interaction相互作用 strength強度 of these dark黑暗 matter物 particles粒子 are.
292
872000
3000
以及相互作用強度作出了參考限制質。
14:53
There's going to be a satellite衛星 telescope望遠鏡 launched推出 later後來 this year年
293
875000
4000
現在已發射衛星望遠鏡
14:57
and it will look towards向 the middle中間 of the galaxy星系,
294
879000
3000
將會探訪星系中心，
15:00
to see if we can see dark黑暗 matter物 particles粒子 annihilating殲敵
295
882000
2000
看看我們是否可以觀測到暗物質粒子湮滅
15:02
and producing生產 gamma伽馬 rays陽光 that could be detected檢測 with this.
296
884000
4000
能製造出它偵測的到的伽瑪射線
15:06
The Large大 Hadron強子 Collider對撞機, a particle粒子 physics物理 accelerator加速器,
297
888000
3000
大型強子碰撞器 - 一個粒子物理加速器，
15:09
that we'll好 be turning車削 on later後來 this year年.
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891000
3000
於2008年年底啟用
15:12
It is possible可能 that dark黑暗 matter物 particles粒子 might威力 be produced生成
299
894000
3000
或許,這台機器能製造出
15:15
at the Large大 Hadron強子 Collider對撞機.
300
897000
2000
暗物質粒子。
15:17
Now, because they are so non-interactive非交互式,
301
899000
1000
因為暗物質粒子是如此不活潑，
15:18
they will actually其實 escape逃逸 the detector探測器,
302
900000
3000
他們其實會逃離探測器，
15:21
so their其 signature簽名 will be missing失踪 energy能源, OK.
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903000
3000
留下來的證據是些消失的能量。
15:24
Now, unfortunately不幸, there is a lot of new新 physics物理
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906000
3000
不幸的是，很多新的物理學
15:27
whose誰的 signature簽名 could be missing失踪 energy能源,
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909000
2000
也一直不停的製造出「丟失的能量」
15:29
so it will be hard硬 to tell the difference區別.
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911000
2000
所以，兩者之間，很難辨別
15:31
And finally最後, for future未來 endeavors努力, there are telescopes望遠鏡 being存在 designed設計
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913000
5000
最後,放眼未來,我們正努力設計新的望遠鏡
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specifically特別 to address地址 the questions問題 of dark黑暗 matter物 and dark黑暗 energy能源 --
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918000
4000
專門研究暗物質和暗能量：
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ground-based陸基 telescopes望遠鏡, and there are three三 space-based空基 telescopes望遠鏡
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922000
3000
有一些是地面的望遠鏡。而現在又有3架漫遊太空中的太空望遠鏡
15:43
that are in competition競爭 right now
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925000
2000
它們彼此熱烈競爭
15:45
to be launched推出 to investigate調查 dark黑暗 matter物 and dark黑暗 energy能源.
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927000
3000
都以研究暗物質和暗能量主要目標。
15:48
So in terms條款 of the big大 questions問題:
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930000
2000
所以，回答這些大問題：
15:50
what is dark黑暗 matter物? What is dark黑暗 energy能源?
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932000
2000
什麼是暗物質？什麼是暗能量?
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The big大 questions問題 facing面對 physics物理.
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934000
2000
是物理學的大哉問
15:54
And I'm sure you have lots of questions問題,
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936000
3000
我想你們一定有很多問題。
15:57
which哪一個 I very much look forward前鋒 to addressing解決
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939000
2000
我期待著在接下來的
15:59
over the next下一個 72 hours小時, while I'm here. Thank you.
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941000
2000
72小時當中和你們面對面的討論。謝謝。
16:01
(Applause掌聲)
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943000
3000
（掌聲）
Translated by Lauren Huang
Reviewed by Zhu Jie

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ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Patricia Burchat | Speaker | TED.com
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