Saul Perlmutter (2015) - What We Learn When We Learn that the Universe is Accelerating

The 1998 discovery that the universe's expansion is accelerating was not only unexpected, but it also led to the postulation of a previously-unknown “dark energy” forming almost three-quarters of the "stuff" of the universe

Good afternoon. I'm now trying to picture what will be the next scale up beyond this talk, the next for the afternoon, afterwards. Today, I want to tell you the work we've been working on, which I think may represent research... Make sure I'm here, yes. May represent research which answers questions which I've always imagined the very first human beings found themselves asking. In fact, it almost may define what it means to be a human being, that you would walk outside at night from, I imagine, your cave and look up at the sky and found yourself seeing the starry night and wondering, does it go on forever in space, and will it last forever in time? I've always thought that this might be the sort of question that anybody would have found themselves asking even before we knew how to answer. In fact, there were no really good ways to answer this kind of question except to ask the philosophers for almost all of human pre-history and history, until just the beginning of the last century, when Einstein set down his theory of general relativity. And, for the first time, we had some of the conceptual tools to address this problem. And, Einstein had a rather interesting moment in the summer of, I think, it was 1917 when he tried to apply his theory of general relativity to the case of the universe that we live in, and he ran into a, I always imagine that he's rather excited by that moment, but this photograph that you see here was taken that year, and that doesn't quite show the degree of excitement. He ran into a problem, which was that when he tried to work out the equations, he could get a universe that would be expanding, or he could get a universe that would be... Let's see, poor reception here, okay. Expanding, or he could get a universe that would be contracting, but he could not get a universe that would just sit still. And, as far as he knew, and as far as the astronomers that he knew would tell him, he thought we lived in a static universe. So he did something, which I think most of us as students have been tempted to do at some point or another in a physics course, which is, if you can't get the problem to work out, you might want to put in an extra little term into the equation to make it balance. When Einstein does it, he uses the Greek variable lambda and he calls it the cosmological constant so it sounds good, but if fact, it really was just a fudge factor in the equation, and it was not a very good solution. It would make a universe that would just barely balance when standing still, and it was only about a dozen years later that the astronomers measured the distances to what we now know are distant galaxies, and realized that we were living in a universe that really was expanding, and Einstein famously kicked himself and he called the introduction of that cosmological constant his greatest blunder. But, as you'll see, even Einstein's greatest blunder ends up being a fertile idea, which we'll explore today. Now, when I say that the universe is expanding, at that point, you should find yourself feeling somewhat disturbed. I was going to try and provide you a tool as you leave the meeting today and when you go home, talking to your friends and family, which is that this particular bit of very fundamental physics is one of the few examples I know of, of fundamental physics where, in principle, you can explain it to almost anybody, and I've tried it on airplanes, you know, when people have asked me what I work on, and so you should try this when you get home, and you'll find that there are only a few basic concepts that you'll really have to take a moment to explain. One of them is this one: the idea that the universe is expanding. And, I think most people find themselves disturbed by the idea, for good reason, because they've heard the term, "the big bang," and they picture an expanding universe as something of an explosion into empty space, and the empty space itself, to most people, would seem like that's part of the universe, too. What do we mean when we say that the universe is expanding? I'll try and give you a somewhat simplified picture of the universe, and, as you can see, it's perhaps oversimplified. Which is, I think, useful to think about in this situation. You're supposed to imagine now that we live in a universe that's just a series of galaxy after galaxy after galaxy, and these blue spots are supposed to represent galaxies. It's supposed to be infinite, which means that if I could draw better, you would see the dots going on forever in that direction and forever in that direction. They'd be going towards you forever, into the floor forever, and we're just positioned in this sea of infinite galaxies, and the only thing characteristic about this universe is that there's a typical distance between the galaxies. If you're traveling across the universe in a spaceship, every now and then, you would stop for lunch at the next galaxy, and that is, when we say that the universe is expanding, all we mean is that the characteristic distance between these galaxies in an infinite universe, just gets a little bit bigger. It's just as infinite as it was before, there's just as many galaxies as there were before, it's just that now, there's a little bit more space between the galaxies. If anything, if you ask where is the expansion happening, we're pumping extra space, extra vacuum between points in space, between the galaxies. So, with that picture in mind, you'll find it's actually, well, it's mind-boggling as well, but, if you just think about what the alternative is, it's the least mind-boggling of your options in expanding universe. Now, with this in mind, though, an idea that the universe is actually changing in this fundamental way, allows you to start asking about that original question of the fate of the universe in a more nuanced way because now you start asking: if the universe is changing and expanding, will it go on expanding, and will it continue at that same rate of expansion? You might imagine that all of these galaxies, all the mass in the universe would attract all the other mass and that would slow that expansion down, and, in fact, right after this discovery that the universe is expanding, the next question was: how much is the universe slowing down because of gravity? People wondered, could we make that measurement, and could we find out if it's slowing enough so that someday it could even come to a halt and then collapse, so that's a way to determine the fate of the universe in a more rigorous way. At the time, we did not have the tools to do that, although there was, already, the suggestion that perhaps we could use a exploding star as a tool, and this is saying that it was already known that there are very distant stars and distant, we now know, galaxies, and you can see them explode in a sudden burst of light, and then they fade away. They brighten in a few weeks, they fade away in a few months, and that one star when it explodes can be brighter than the entire galaxy of 100 billion stars in which it's seen. So, these are dramatically bright events, and therefore, you can see them across vast distances of the universe. In astronomy, the next idea that you might want to point out to the person when you start trying to explain these ideas is a very simple one, which is just the idea that light takes time to travel, and most people you talk to will know this, but they probably will not realize how long it takes for light to travel across the distances that we see in the astronomical world. So, our own sun is relatively near. The sun's light is traveling to us in about eight minutes. If the sun were to go out, we wouldn't know about it for about eight minutes, then we might notice. The nearest star is further away, so we travel around the sun four times, four years go by while the light travels to us from a distant star, so that's interesting. But, it becomes much more interesting when you look at the nearest galaxy of stars because now we're looking at light, when we see these images, these beautiful images of a distant galaxy, we see light that's been traveling to us for 150 thousand years, so the light that we see there from that distant galaxy left when, here on earth there was some of the first evidence for human culture. The nearest cluster of galaxies of stars is even dramatically further than that. There, the light's been traveling for 65 million years to get to us from these distant clusters, so the light we're seeing there left when, here on earth, the dinosaurs were going extinct. Yes, my extinct dinosaur. That's nothing compared to how far you can see these very, very bright exploding stars, so the most distant of these super nova that we've seen now, this light's been traveling to us for some 10 billion years. That's two-thirds of the age of the universe, so now we're really talking about a dramatic time, and that's really what you want if you want to study how the universe has been changing over time, how the expansion has been, we thought, slowing. So, with that in mind, the only other question that you might ask is, can we tell how far away those points are, and it turns out that the new tool that became available when we started doing this research in the late 1980's was a sub-type of supernova called the Type Ia supernova that you can recognize by its spectrum. As those became available, that meant that we found a tool where they are almost always the same brightness, we think that these are a triggered explosion, so it brightens to a certain brightness that's about the same every time and then fades away. Therefore, you can use the brightness of the peak of these supernovae as what we call a standard candle. You know how far away it is by how bright it appears. So, the fainter it is, the further away it is, and hence, the further back in time that particular supernova exploded. So each supernova's brightness tells you the date in which that particular explosion occurred. There's one other piece of information you'd like to know. You'd like to know how much has the universe expanded since that date? And, that's something that we can learn just from this very simple trick that the light from the supernova comes to us primarily blue. If you were able to stand next to a supernova and one exploded, it would look mostly blue. And then, the light travels to us in the expanding universe and anything that's not nailed down in an expanding universe stretches just with the universe, and that includes the very wavelength of light of that supernova that exploded, so by the time that it reaches us, it's been stretched to red, we call that the "redshift," and how much it's been stretched tells us how much the universe stretched. So, putting this together in a distant galaxy far away, some supernova explodes, and then its light, which is blue, starts to travel to us in an expanding universe, which is stretching, and the light's becoming redder and redder, and then we read off, when it reaches us, just exactly how much the universe has stretched since the time of that explosion that we know from its brightness. That's the entire measurement that you have to try when you get home, you can email me afterwards, tell me if it works. As you can see, this is a relatively simple concept. In principle, this is an easy measurement to make. In practice, however, it was very difficult at the time to see how to do this, and that was partly because we needed to be able to find these very, very distant exploding stars, and at that point, nobody had found a supernova far enough away to make any of these measurements. When we began working on this project, the first job was to figure out how to find these in a systematic, guaranteed way. It involved developing new technologies, new cameras that would allow you to look at thousands of galaxies, all at one time. This image here is a ten minute elapsed exposure from a 4 meter class telescope, this particular one in Chili. All of these little faint blue specks here in the background are what I want you to focus on. These are the distant galaxies in which we wanted to look for supernovae. The bright foreground things are nearby and were not interesting for this purpose. In those distant blue specks, we had to find a new spot of light that wasn't there before, and that, obviously, was a very challenging job, even your most patient graduate students couldn't do it by eye. But, it meant that we could take advantage of what was then becoming possible with the growth of computing power. What we were eventually able to do is, have the computer home in on a spot like this and show us that in a difference of three weeks, this spot is brighter than it was three weeks before, and if you subtract this image from this one, you're left with just the supernova light as the difference. So, this technique took a while to develop, and eventually we got to the point that you could guarantee these discoveries, and you could even eventually observe these from space so the Hubble Space Telescope came online around that time, and there you can see this little white speck is the supernova light that's shown against this galaxy, where from the ground they're all blurred together. Now, after we had developed this technique, we were ready to start using it and going out to the big telescopes around the world, we were observing once every semester, and every semester, we would get a half-dozen to a dozen of these galaxies, and we built up a sample of some 42 supernovae over about three years, and for those of you who've read The Hitchhiker's Guide to the Galaxy, 42 seems an auspicious number. Those who haven't will have to ask that later. The question then was, if we plotted those 42 supernovae on a plot of the expansion history of the universe, what would we see? Would we be on one of these curves here that would be decelerating and slowing forever, but expanding forever, shown here; or, was there enough mass in the universe to slow the universe to a halt and bring it to turn over and collapse into a big crunch at the end? Those were the options, and we were quite excited to actually start plotting data on a plot like this. So, nearby supernova, at the time, were not showing you the difference between these different lines at all, but they already were showing you that the brighter supernovae were closer, the further supernovae were further. That tells you how far back in time you were from today, shown in the bottom axis. The supernovae's color, the special features as they redshifted, told you how much the universe had stretched since that time, so this is the average distance of the galaxies, relative to today's average, and then we were ready to plot the 42 supernovae and see which of these curves we found ourselves on, and the answer turned out to be none of the above. It missed all the curves, so that was the surprise at the time, and apparently, this data is telling us that we live in a universe that's very different. Apparently, it was decelerating for the first half of its life down here, but then, in the recent half of the lifetime of the universe it's been accelerating, and as far as we know, it could go on accelerating forever. So, that's a dramatically different universe, and it was a big surprise that we were seeing. Actually, two different research groups were now racing to get this result in these last few years of the project, and they both were actually doing this analysis at Berkeley, one at the bottom of the hill in the astronomy department, the other at the top of the hill at Lawrence Berkeley laboratory, where my group was. I was leading one team, and Brian Schmitt, in Australia, was leading the other team, and these teams by this time were international, each of them had members from seven different countries around the world, and we were all struggling with the question of, "Is this possible, are we actually seeing a universe "that's expanding faster?" There was no reason to expect this. You assume gravity would be slowing. This has become one of the key questions, now, for our day in cosmology: What is going on? Why do we live in this universe? One possible explanation is that there is some new form of energy that we haven't earlier explored that is pervading all of space. We are calling it "Dark Energy," just to represent our ignorance of it, it's nothing to do with the color of the energy. The possibility is that most of the universe is in this form, it could be that as much as almost three quarters of the universe comes in the form of dark energy, and we've never seen it before. So, that would be fascinating if true. Now, it's also possible that we've just misunderstood something about how gravity works, and perhaps it will turn out to be that we need to modify Einstein's theory of general relativity, which, of course, would be, if possible even more dramatic since Einstein's theory of general relativity has been an amazingly successful tool in understanding gravity, and we can predict things to many digits of precision. It's remarkably mathematically symmetric, and it's very difficult to modify and preserve all these wonderful features that we know about general relativity. It's become a very exciting moment while we try and explore what's going on and how this is happening. Since that time when we saw this result, there has been paper after paper after paper from the theory community. In fact, at one point, I was estimating that there has been a paper published every 24 hours since the time of that discovery. If you ask any of these theorists, do they have the answer to what's going on, they will cheerfully tell you, At one point, we were thinking that one of the best things about them was they were coming up with wonderful names for these theories. I love things like "Big Rip Cosmology," and, "Ekpyrotic Universe," which you can barely pronounce. It's actually a nice theory, too. The theorists then say to us that, "No, the ball is back in your court "as the observers, you have to tell us some more And, this is not true; we have not just been sitting around as the observers, the experimentalists. We have been making progress trying to understand what's going on. The original plot of the expansion history of the universe that I showed with the two teams' data on it had some just 50 or so supernovae. If I flip this around and turn this upside down, the way the astronomers usually plot it, you can see that those original 50 supernovae has now morphed into over 700 supernovae in a recent dot plotation here. One that we're finishing up right now has well over 1,000 supernovae. Every single one of these supernovae is much better measured than the original 50 supernovae, so we're learning a lot about this expansion history of the universe, but when you ask, One of the properties we'd love to know is, how springy is this dark energy? How much does it make the universe want to expand faster? And, that's what's captured by this equation, the state variable, "W," which is a ratio of the pressure to density in Einstein's theory of general relativity. You find that you've very tight measurements only in relatively recent times, very low redshift, and as you get further and further away, the range of possibilities expands until almost any theory can fit in there, and we know very little about the properties of dark energy as you go back in time. Why is this so difficult? Well, it turns out that the measurements, although they've really sharpened this picture significantly, as you can see, as we go from the original 50 supernovae to today, we have a much better tracing of the history of the expansion of the universe. The problem is that all the theories that we have to compare predict very, very slightly different versions of this history and so slight are the differences, that they all fit within the thickness of that green line on the plot. So that means that we need some 20 times more precision in the measurements. The supernova community has gone back through every step in the story as we go from the original explosion of the supernova down through the astronomical route that it takes to us and through the properties of the detectors that we use, and each of them is getting improved in terms of our understanding and our ability to control the errors in the measurement. I'll describe just one of these today, just to give you a feel for the kind of thing that we're working on, and some work that I've personally been involved with lately. This is, in the very first step, when you ask, "Is it possible the supernova is changing its brightness What's useful is that the supernova, as it explodes, it sends you a spectrum that tells you a lot about all the elements and their physical states at any given moment. So, first the outer layers of this explosion of gas send you a spectrum, but then, over time, you see deeper and deeper and deeper in to this exploding ball of gas as the outer layers expand and become transparent. Then, different chemical and molecular, well, in this case, elemental features appear at different excitation states, different temperatures, and this allows you to, essentially, do a CAT Scan through the entire ball of gas, and you can now compare distant ones to nearby ones in great detail. We've been working on a project to then study relatively nearby supernovae in that degree of detail, and so these are time series of different supernovae, and what's interesting in these plots is that each of these plots shows, not one supernova, but two supernovae overlaid on top of each other at the same dates in their CAT Scan, the same dates in this explosion history. For the upper right one, for example, you can see the blue with the black time series, and a green time series, and you can see that those look almost identical, those two supernovae. If you look over at the top left, you see a red time series and a black time series, and they look identical, but those, if you overlaid them on top of each other are not the same as the ones on the far right. So now, we can treat these supernovae as cases where individual supernovae can be matched against individual other supernovae in great detail, and those become our new standard candles for this kind of work. This is one of the kind of improvements that we can make to get that extra factor of 20 that we need in the precision to learn more about dark energy. We cannot yet make these same precision measurements for very, very distant supernovae, and this is why we're now in the process of developing the next generation of, for example, space telescopes. There's a new project called WFIRST that can do these kinds of measurements, and it looks very likely that this will be approved by NASA within the next year. We think we're going to have a chance to do this measurement now, very soon from supernovae. And, I should also mention that there's other techniques, now, finally coming on the horizon. Just in the last few years, we finally have another method for making the measurement of the expansion history that's actually been published with the result that this technique called baryon acoustic oscillation, it's abbreviated BAO, and it measures distances away from the early times, around the time of the glow left over from the big bang, the cosmic microwave background, and moves its way in using the fact that there's over-dense and under-dense regions that we see back then, which eventually turn out to be where the over-dense and under-dense regions are today that we call galaxies and clusters of galaxies. You can actually follow those distances forward in time, just like the supernova allows you to work backwards in time from relatively nearby supernovae. So, those techniques are coming in, there's also another technique called weak lensing, and we are hoping that we'll be able to start taking advantage of all three together to pin down this question, and that we have a fighting chance to really get to the bottom of this fascinating question of, what is actually causing the acceleration? What kinds of dark energy or changes in Einstein's equation of relativity? This is an unusual period, I think, in our history, in this area because we're about to move a number of these projects to the next level of precision, and I think we're still at the stage in this field of cosmology where, every time we learn how to make a much more detailed measurement of this history of this universe that we live in, we've found surprises, and I think the bets are, probably, that we will continue to find surprises. So, we're very much looking forward to this next series. Coming back to my title, what can I say that we've learned about the process of learning while we were doing this study? I want to just point out a couple of aspects of this work. First, there's the fact that if you take a really good challenging problem, not every challenging problem is doable in a few month period, and this was a very good example of one. We thought this problem was going to be very hard, we thought that it would take us three years, in our original proposals, to get it done. In fact, after three years, we had not found our first distant supernova; it took five years to do that, six years to demonstrate the technique, nine years to collect the data, and in the tenth year is when we actually saw this result. I don't think any of us were disappointed in that time frame because we were learning things all along the way. I think a really good problem is well worth that kind of stick-to-it-ness. It takes many iterations, you get things wrong, you figure out better ways to do it right, and this is something which you will find over the years: that it's not just a matter of your having that confidence and that ability to follow through on a problem that you see progress in, but it's a matter of also being able to convince the funding agencies and the larger world around that they should know how to have patience and be willing to stick to problems that are really worth sticking to over a longer period of time. So I think this was an important point, here. Another that I think is worth pointing out is that you, in this kind of work, the really important element for a lot of it, understanding that you are looking for how you're making mistakes, you're looking for how is your big theory potentially wrong? In this case, it turned out something very deep about the universe that we had not quite gotten right was in play. And then, on the small, how every measurement you're making could be wrong, and that you're spending, I would say, or your measurements are fooling you, or your measurements have some mistake in them. So, when people sometimes ask, "What did you set out to prove "when you worked on this project?" I always feel like, no, that's really not the way that my experience with science has been. It's really been setting out to be open to finding what is wrong about your current understanding, and being able to tell whether you trust the current measurements and the current results you're making. So, I think that was an important element of the story. And then, I want to point out that there's this aspect of all this work that is highly social, in my experience. Some of this is the groups that you're working with, and these projects depended on these amazing teams of scientists who were capable of working together over time. This is also not an easy aspect of doing science, but it's also the fun aspect of doing science. It's an activity that really can bring people together in ways that you would never expect, and doing that, figuring out how to get groups of people to work well together, and how to make sure that people can all have great careers coming out of it, almost requires the same ingenuity as the science itself does. I think it's an important part of the story to remember, as well. With that in mind, I find myself thinking that, just to finish this talk, I should mention that I think that transmitting the culture of looking for our error, not trying to prove yourself right, looking for how you work with groups of people in ways that's productive, all these things, I think, are worth teaching, not just to the next generation of scientists, but actually, to almost everybody. As part of almost what it means to be a critical thinker, and I've been wondering, can we develop ways to teach this? And, I want to finish with a couple of examples of ways to think about that. I want to ask this group about, over the week, if we have time: what would be the list of things that you would want to teach such that our society is better able to make decisions and solve problems where it often feels like they don't know how to talk to each other and to address questions together? Where does our authority come from in science, and why should anybody believe it? I think it's coming from the fact that we've developed these collections of heuristics and tricks that allow us to side-step our various mental weaknesses and play to our strengths, and often, looking for where we're wrong and where one's fooling ourselves, and I've been trying out a set of ideas that I've categorized under some of these things have to do with the fact that we think probabilistically, that we're, not that we're 100% sure of things, but we figured out how to quantify how sure we are and how not sure we are. We have a lot of elements of our thinking that are very skeptical that come along with that statistical thinking, and yet, we also have to balance that skepticism with that "can-do" spirit that allows us to stick with a problem for many years. And, of course, this whole aspect of how the groups work together, I think, becomes an important part of that story. I'll just mention that, if we have time this week, I would love to talk about these, trying out these different ideas of what could we teach that might be useful for people to learn when they do science, but also when they ask other questions as a society, and I have no idea whether this is the comprehensive question, the set of topics, but it will be the kind of thing that will be interesting to talk to people and find out, in different fields, what they would consider to be what they would want to teach that's not content, but how do we think as scientists. Let me leave you, then, just with that thought that I think we live in a very exciting time, both for the sciences where we can actually, I think, get at some very deep fundamental questions as we develop these next generations of tools. We have a fighting chance, I think, to understand why it is that we live in a universe that's accelerating and maybe even in our own generation, we'll get a chance to learn the answer to that. Maybe it will tell us something very deep about how the four forces of the universe, gravity and the other three forces fit together. And while we're doing it, I hope we also learn more about how we do critical thinking as scientists so that we can make a difference in the world in many ways beyond the science that we're doing at that moment. Let me stop there.

Guten Tag. Ich versuche mir jetzt vorzustellen, was die nächste Herausforderung über diese Rede hinaus sein wird, also für den Nachmittag. Heute möchte ich über die Arbeit sprechen, an der ich gearbeitet habe, die, wie ich denke, Forschung darstellt ... Ist das die richtige Folie...ja. dass auch die allerersten Menschen auf dieser Erde sie sich gefragt haben müssen. In der Tat, vielleicht kann es auch definieren, was es bedeutet, ein Mensch zu sein, dass man nachts aus seiner Höhle kommt und in den Himmel hinauf schaut und während man in die sternenklare Nacht hinaus schaut sich fragt, geht dieser Himmel im Weltall unendlich weiter, und wird er für alle Zeit anhalten? Ich habe mir immer gedacht, dass dies die Art von Frage ist, die sich jeder einmal fragt, selbst bevor wir wussten, wie sie zu beantworten ist. In der Tat gab es keine wirklich guten Möglichkeiten, diese Art von Frage zu beantworten, außer die Philosophen für alle Fragen der menschlichen Vorgeschichte und Geschichte zu Rate zu ziehen und dies war der Fall bis zu Beginn des letzten Jahrhunderts, als Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie niederschrieb. Zum ersten Mal, hatten wir einige der konzeptionellen Werkzeuge zur Lösung dieses Problems zur Hand. Einstein hatte einen interessanten Moment, eines Sommers, ich glaube es war im Jahre 1917, als er versuchte, seine Allgemeine Relativitätstheorie auf den Fall des Universums, in dem wir leben, anzuwenden und er stieß auf ein - ich stelle mir immer vor, dass er diesen Moment ziemlich aufregend gefunden haben muss. Dieses Foto, das Sie hier sehen, wurde in jenem Jahr gemacht, und es zeigt nicht wirklich den vollen Grad der Aufregung. Er stoß auf ein Problem, und zwar, als er versuchte die Gleichungen auszuarbeiten, er ein Universum erhielt, das sich erweitern würde, oder er erhielt ein Universum, das ... schlechter Empfang hier heute, okay - Und soweit er wusste, und soweit die Astronomen, die er kannte, ihm erklären würden, dachte er, dass wir in einem statischen Universum lebten. Also tat er etwas, wozu die meisten von uns als Studenten zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Physikkurs versucht waren, und zwar, wenn Sie das Problem nicht lösen können, dann fügt man vielleicht eine extra Bedingung in die Gleichung, um es auszugleichen. Als Einstein es tat, nutzte er die griechische Variable Lambda und er nannte sie die kosmologische Konstante, damit es gut klingt, aber tatsächlich war es nur ein Schummelfaktor in der Gleichung, und es war keine sehr gute Lösung. Es entstand ein Universum, das sich nur knapp ausglich, wenn es still stand. Und erst etwa ein Dutzend Jahre später maßen die Astronomen die Abstände zu dem, was wir jetzt als ferne Galaxien kennen, und realisierte, dass wir in einem Universum lebten, das sich wirklich erweiterte. Und Einstein hat sich bekanntermaßen über sich geärgert und nannte die Einführung dieser kosmologischen Konstante seinen gröbsten Fehler. Aber, wie Sie sehen werden, auch Einsteins gröbster Fehler wandelte sich in eine fruchtbare Idee um, mit der wir uns heute beschäftigen. Wenn ich sage, dass das Universum expandiert, dann sollten Sie an dieser Stelle eine gewisse Beunruhigung fühlen. Ich werde versuchen, Ihnen ein Werkzeug zu liefern, damit Sie, nachdem Sie dieses Treffen heute verlassen, nach Hause gehen und mit Ihren Freunden und Familie darüber sprechen. Dieser besondere Teil der fundamentalen Physik ist eines der wenigen Beispiele der Grundlagenphysik, die ich kenne, wo Sie es prinzipiell fast jeden erklären können. Ich habe es in Flugzeugen versucht, wenn die Leute mich fragten, woran ich arbeite, und daher sollten Sie dies versuchen, wenn Sie nach Hause kommen. Und Sie werden feststellen, dass es nur ein paar grundlegende Konzepte gibt, für die Sie sich wirklich einen Moment Zeit nehmen müssen, um ihn zu erklären. Eins von ihnen ist dieses: die Idee, dass das Universum expandiert. Und ich denke, die meisten Menschen finden diese Idee beunruhigend, und das aus einem guten Grund, denn Sie kennen den Begriff, "The Big Bang", der große Knall, und assoziieren ein Bild eines expandierenden Universums mit einer Explosion in den leeren Raum. Und der leere Raum selbst, ist für die meisten Menschen ein Teil des Universums selbst. Was meinen wir, wenn wir sagen, dass das Universum expandiert? Ich werde versuchen Ihnen ein etwas vereinfachtes Bild des Universums zu geben, und, wie man sehen kann, ist es vielleicht zu sehr vereinfacht, was in dieser Situation, glaube ich, nützlich ist. Sie sollen sich jetzt vorstellen, dass wir in einem Universum leben, das nur aus einer Folge von Galaxien besteht, eine Galaxie nach der anderen; und diese blauen Flecken sollen Galaxien repräsentieren. Es soll unendlich sein, was bedeutet, dass, wenn ich besser zeichnen könnte, die Punkte unendlich in diese Richtung erscheinen würden. Sie würden unendlich in Ihre Richtung gehen, unendlich in den Boden gehen, und wir sind nur in diesem Meer der unendlichen Galaxien positioniert. Und das einzige, was charakteristisch an diesem Universum ist, ist, dass es einen typischen Abstand zwischen den Galaxien gibt. Wenn Sie durch das Universum in einem Raumschiff reisen, dann machen Sie hin und wieder fürs Mittagessen an der nächsten Galaxie Pause. Und darum geht es, wenn wir sagen, dass das Universum expandiert: wir meinen, dass der charakteristische Abstand zwischen diesen Galaxien in einem unendlichen Universum ein wenig größer wird. Es ist so unendlich wie es vorher war, es gibt genauso viele Galaxien, wie es sie vorher gab, nur jetzt gibt es ein wenig mehr Raum zwischen den Galaxien. Wenn Sie fragen, wo die Expansion stattfindet, dann pumpen wir zusätzlichen Platz, extra Vakuum zwischen zwei Punkte im Weltall, zwischen den Galaxien. Mit diesem Bild im Kopf, werden Sie feststellen, dass es in Wirklichkeit - gut, es ist immer noch irgendwie unfassbar, aber wenn Sie jetzt darüber nachdenken, was die Alternative ist, dann ist es dies die am ehesten fassbare Option eines expandierenden Universums. Die Idee, dass sich das Universum tatsächlich in dieser grundlegenden Art und Weise verändert, erlaubt es Ihnen, wieder zu jener ursprünglichen Frage nach dem Schicksal des Universums auf eine differenziertere Art zurückzukehren. Weil jetzt fragen Sie sich: Wenn sich das Universum verändert und erweitert, expandiert es weiterhin, und setzt es sich mit der gleichen Geschwindigkeit fort? Man könnte sich vorstellen, dass all diese Galaxien, die ganze Masse im Universum alle anderen Massen anziehen würde und das würde die Expansion verlangsamen. Und in der Tat, direkt nach dieser Entdeckung der Expansion des Universums, war die nächste Frage: Wie sehr verlangsamt sich das Universum aufgrund der Schwerkraft? Die Leute fragten sich, ob wir dies messen konnten, und ob wir herausfinden konnten, ob es langsam genug war, sodass es eines Tages sogar zu einem Stillstand kommen und dann zusammenbrechen könnte. Das ist also ein Weg, um das Schicksal des Universums auf drastischere Weise zu bestimmen. Zu dieser Zeit hatten wir nicht die Werkzeuge, um dies zu tun, obwohl es schon den Vorschlag gab, dass wir vielleicht einen explodierenden Stern als Werkzeug nutzen könnten. Und dies wurde gesagt, nachdem man schon wusste, dass es sehr weit entfernte Sterne und ferne (wie wir jetzt wissen) Galaxien gibt. Und Sie können sie in einem plötzlichen Ausbruch von Licht explodieren und dann verblassen sehen. Sie brauchen ein paar Wochen, um zu leuchten, und ein paar Monate, um zu verschwinden. Und der eine Stern, wenn er explodiert, kann heller sein als die gesamte Galaxie von 100 Milliarden Sternen, in der es gerade gesehen wird. Das sind also dramatisch helle Ereignissen, und deshalb können Sie sie über weite Strecken des Universums sehen. In der Astronomie, ist die nächste Idee, auf die Sie hinweisen möchten, wenn Sie versuchen, diese Ideen jemanden zu erklären, eine sehr einfache: die Idee, dass das Licht Zeit braucht, um zu reisen. Und die meisten Menschen, mit denen Sie sprechen, wissen dies. Aber sie realisieren wahrscheinlich nicht, wie lange das Licht braucht, um zwischen Entfernungen zu reisen, denen wir in der astronomischen Welt begegnen. Also, das ist unsere Sonne, die uns relativ nahe ist. Das Licht der Sonne erreicht uns in etwa acht Minuten. Wenn die Sonne erlöschen würde, dann wüssten wir für etwa acht Minuten nicht darüber, und erst dann würden wir es bemerken. Der nächste Stern ist weiter entfernt, wir müssten viermal um die Sonne herum reisen, vier Jahre vergehen, während das Licht zu uns von einem fernen Stern reist, das ist also interessant. Aber es wird viel interessanter, wenn man sich die nächstgelegene Galaxie von Sternen anschaut, denn jetzt schauen wir auf Licht, wenn wir diese Bilder sehen, diese schönen Bilder einer fernen Galaxie, sehen wir Licht, das 150 Tausend Jahre zu uns unterwegs ist, das Licht, das wir in dieser fernen Galaxie sehen, verließ seinen Ausgangspunkt, als es hier auf der Erde einige der ersten Beweise für die menschliche Kultur gab. Der nächste Galaxienhaufen von Sternen ist noch dramatisch weiter weg als das. Dort ist das Licht für 65 Millionen Jahre unterwegs gewesen, um zu uns zu von diesen fernen Galaxienhaufen zu uns zu gelangen. Das Licht, dass wir dort sehen, ging also auf die Reise, als hier auf der Erde die Dinosaurier ausstarben. Ja, mein ausgestorbener Dinosaurier. Das ist nichts im Vergleich zu dem, wie weit Sie diese sehr, sehr hellen explodierenden Sterne sehen können. Das Licht der entferntesten dieser Supernovas die wir momentan sehen, ist für rund 10 Milliarden Jahre zu uns gereist, das entspricht zwei Drittel des Alters des Universums. Jetzt sprechen wir wirklich über eine dramatische Zeitspanne, und das ist wirklich, was Sie wollen, wenn Sie studieren wollen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit verändert hat, wie die Expansion, wie wir dachten, sich verlangsamt hat. Die einzige andere Frage, die Sie sich vielleicht noch stellen, ist, ob wir feststellen können, wie weit diese Punkte entfernt sind? Und es stellt sich heraus, dass das neue Tool, das zur Verfügung stand, als wir mit diesem Forschungsprojekt in den späten 1980er-Jahren begannen, ein Subtyp der Supernova namens Type 1a Supernova war, die Sie durch sein Spektrum erkennen können. Wie diese zur Verfügung standen, bedeutete dies, dass wir ein Werkzeug gefunden hatten, wo sie fast immer die gleiche Helligkeit haben. Wir glauben, dass es sich um ausgelöste Explosion handelt, es erhellt sich also immer mit einer bestimmten Helligkeit, die etwa jedes Mal dieselbe ist, und dann verschwindet. Daher können Sie die Helligkeit der Spitze dieser Supernovae als das, was wir eine Standard-Kerze nennen, nutzen. Sie wissen, wie weit es weg ist, je nachdem wie hell es erscheint. Je weiter es also entfernt ist, desto schwächer sieht man sie und desto länger ist es her, dass diese bestimmte Supernova explodierte. Jeder Supernova-Helligkeit vermittelt also, wann sich diese bestimmte Explosion ereignete. Es gibt noch einen weiteren Teil an Information, den Sie gerne wissen würden. Sie möchten wissen, wie weit das Universum seit diesem Zeitpunkt expandiert ist? Das ist etwas, was wir gerade von diesem sehr einfachen Trick lernen können, dass das Licht von der Supernova zu uns in erster Linie in blau kommt. Wenn Sie in der Lage wären, neben einer Supernova zu stehen und eine davon explodiert, würde es überwiegend blau aussehen. Und dann reist das Licht zu uns im expandierenden Universum und alles, was in einem expandierenden nicht niet- und nagelfest ist erstreckt sich mit dem Universum. Und das schließt die Wellenlänge des Lichts dieser Supernova, die explodierte, mit ein. Wenn uns dieses Licht dann erreicht ist es rot gestreckt worden - wir nennen das die "Rotverschiebung". Und je nachdem wie sehr es gestreckt wurde, wissen wir wie sehr das Universum gestreckt wurde. Wenn wir das also zusammenfassen: In einer fernen Galaxie explodiert eine Supernova, und dann beginnt ihr Licht, das blau ist, in einem expandierenden Universum zu reisen, was sich streckt, und das Licht wird röter und röter. Und wenn es uns erreicht hat, dann können wir ablesen, wieviel sich das Universum seit dieser Explosion gestreckt hat; und wir wissen dies ist abhängig von der Helligkeit. Das ist die gesamte Messung, die Sie versuchen müssen, zu vermitteln, wenn Sie nach Hause kommen, Sie können mir danach eine E-Mail schreiben, und berichten, ob es funktioniert hat. Wie Sie sehen können, ist dies ein relativ einfaches Konzept. Prinzipiell ist es einfach, eine solche Messung durchzuführen. In der Praxis war es jedoch zu der Zeit sehr schwierig, zu sehen, wie es funktionieren könnte. Das war teilweise, weil wir in der Lage sein mussten, diese sehr, sehr weit entfernt explodierenden Sterne zu finden. Und zur damaligen Zeit, hatte niemand eine Supernova gefunden, die weit genug entfernt war, um jegliche dieser Messungen zu machen. Als wir begannen an diesem Projekt zu arbeiten, mussten wir als erstes herausfinden, wie man diese systematisch und zuverlässig finden konnten. Dies machte die Entwicklung neuer Technologien, neuer Kameras erforderlich, die einem erlaubten, in Tausende von Galaxien gleichzeitig zu suchen. Das Bild hier ist eine zehn Minuten verstrichene Belichtung mit einem Teleskop der 4 Meter Klasse, dieses hier steht in Chile. All diese kleinen schwachen blauen Flecken hier im Hintergrund sind das, auf das ich Sie bitten würde, sich zu konzentrieren. Dies sind die entfernten Galaxien, in denen wir nach Supernovae suchen wollten. Die hellen Dinge im Vordergrund sind in der Nähe und waren für diesen Zweck nicht interessant. In jenen fernen blauen Flecken, mussten wir einen neuen Lichtpunkt finden, der vorher nicht da war. Und das war natürlich eine sehr herausfordernde Aufgabe, selbst die geduldigsten Doktoranden konnte es mit dem bloßen Auge nicht sehen. Aber es bedeutete, dass wir einen Vorteil aus dem ziehen konnten, was dann mit dem Wachstum der Rechenleistung möglich wurde. Wozu wir schließlich in der Lage waren, dass der Computer sich auf einen Punkt wie diesen konzentrieren würde, und uns innerhalb von drei Wochen zeigen konnte, dass dieser Punkt heller war, als drei Wochen zuvor. Und wenn Sie dieses Bild von diesem subtrahieren, dann verbleibt nur das Supernova-Licht als Differenz. Es dauerte eine Weile, bis diese Technik entwickelt war, aber schließlich kamen wir an den Punkt, dass man die Entdeckungen garantieren konnte, und man konnte diese sogar schließlich vom Weltraum beobachteten. Das Weltraumteleskop Hubble wurde um die Zeit herum in Betrieb genommen und hier können Sie diesen kleinen weißen Fleck sehen. Das ist ein Supernova-Licht, das gegen diese Galaxie gezeigt wird, wogegen sie vom Boden aus alles ineinander zu verschwimmen scheint. Nachdem wir diese Technik entwickelt hatten, waren wir bereit, sie zu verwenden und hinaus zu den großen Teleskopen weltweit zu gehen. Wir beobachteten einmal pro Semester, und in jedem Semester konnten wir ein halbes Dutzend bis zu einem Dutzend dieser Galaxien erfassen. Und wir erstellten eine Auswahl von rund 42 Supernovae im Laufe von drei Jahren. Und für diejenigen unter Ihnen, die "The Hitchhiker's Guide to the Galaxy" gelesen haben, erscheint die Zahl 42 eine günstige Nummer. Diejenigen, die es nicht gelesen haben, müssen dann später fragen. Die Frage war dann, wenn wir diese 42 Supernovae in einem Teil der Expansionsgeschichte des Universums grafisch darstellen, was würden wir dann sehen? Würden wir uns auf einer dieser Kurven hier befinden, die sich für immer verzögern und verlangsamen würden, aber für immer expandieren würden, wie hier dargestellt? Oder gab es genug Masse im Universum, um das Universum zu einem Stillstand zu bringen, es umzuklappen und am Ende zu kollabieren? Das waren die Möglichkeiten, und wir waren sehr aufgeregt, tatsächlich Daten zu einem Plot wie diesem aufzuzeichnen. Die in der Nähe befindlichen Supernovae, zeigte zum damaligen Zeitpunkt nicht den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Linien an, aber sie zeigten schon, dass die helleren Supernovae näher und die weiteren Supernovae weiter entfernt waren. Das sagt Ihnen, wie weit zurück sie sich in der Zeit befanden, hier in der unteren Achse dargestellt. Die Farbe der Supernovae, die Besonderheiten bei der Rotverschiebung, zeigt Ihnen, wie sehr sich das Universum seit dieser Zeit ausgestreckt hatte. Das ist also die durchschnittliche Entfernung der Galaxien, relativ zum heutigen Durchschnitt. Und dann waren wir bereit, die 42 Supernovae grafisch darzustellen, um zu sehen, auf welche dieser Kurven wir uns befanden und als Antwort erwies sich: keine der oben genannten. Es verpasste alle Kurven. Das war also die Überraschung zu der Zeit, und es scheint, dass die diese Daten uns sagten dass wir in einem sehr andersartigen Universum leben. Offenbar verlangsamte es sich für die erste Hälfte seines Lebens hier unten, aber dann in der letzten Hälfte der Lebensdauer des Universums, beschleunigt es sich und, soweit wir wissen, die Beschleunigung könnte ewig so weitergehen. Also, das ist ein völlig anderes Universum. Und es war ein große Überraschung, als wir sahen, dass jetzt zwei verschiedene Forschungsgruppen sich abhetzten, um diese Ergebnisse in den letzten Jahren des Projekts zu erhalten. Und beide setzten diese Analyse in Berkeley um, eine am Fuß des Hügels in der Astronomie-Abteilung, die andere oben am Hügel, am Lawrence Berkeley Labor, wo meine Gruppe war. Ich führte ein Team, und Brian Schmitt, in Australien, führte das andere Team. Diese Teams waren zu jenem Zeitpunkt international, jedes Team hatte Mitglieder aus sieben verschiedenen Ländern aus der ganzen Welt. Und wir alle rangen mit der Frage: "Ist dies möglich, sehen wir tatsächlich eine Universum, das schneller expandiert?" Es gab keinen Grund, dies zu erwarten. Man würde annehmen, dass die Schwerkraft die Expansion verlangsamen würde. Dies hat sich zu einer der wichtigsten Fragen heutzutage in der Kosmologie entwickelt: Was passiert hier? Warum leben wir in diesem Universum? Eine mögliche Erklärung ist, dass es eine neue Form der Energie gibt, die wir zuvor nicht erforscht hatten, und die den ganzen Raum durchdringt. Wir nennen sie "Dunkle Energie", nur um unsere Unwissenheit darüber auszudrücken, es hat nichts mit der Farbe der Energie zu tun. Es besteht die Möglichkeit, dass ein Großteil des Universums in dieser Form existiert. Es könnte bis zu fast drei Viertel des Universums in Form der dunklen Energie haben, und wir haben es zuvor noch nie gesehen. Das wäre faszinierend, wenn es sich als wahr erwiese. Jetzt ist es auch möglich, dass wir falsch verstanden haben, wie die Schwerkraft arbeitet. Und vielleicht stellt sich heraus, dass wir Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie modifizieren müssen - was natürlich, wenn überhaupt noch möglich, sogar noch dramatischer wäre, da Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ein erstaunlich erfolgreiches Instrument für das Verständnis der Schwerkraft gewesen ist, und wir in der Lage waren, Dinge auf viele Stellen genau vorherzusagen. Es ist bemerkenswert mathematisch symmetrisch. Und es ist sehr schwer es anzupassen und alle diese wunderbaren Eigenschaften, die wir über die allgemeine Relativitätstheorie kennen, beizubehalten. Es hat sich zu einem sehr spannender Moment entwickelt, während wir versuchen und untersuchen, was geschieht und wie dies geschieht. Seit der Zeit, als wir dieses Ergebnis sahen, wurden mehrere Arbeiten von der Theorie-Gemeinschaft veröffentlicht. An einem Punkt schätzte ich, dass seit der dieser Entdeckung alle 24 Stunden eine Arbeit veröffentlicht wurde. Wenn Sie einen dieser Theoretiker fragen, ob sie die Antwort auf das haben, was tatsächlich geschieht, dann antwortet er fröhlich, An einer Stelle, dachten wir, dass eines der besten Dinge dabei war, dass sie diesen Theorien wunderbaren Namen gaben. Mir gefallen Namen wie "Große Rippen-Kosmologie" und "Ekpyrotisches Universum", was man kaum aussprechen kann - es ist eigentlich eine nette Theorie. Die Theoretiker sagten uns dann, "Nein, wir haben den Ball wieder an euch zurück gespielt, als die Beobachter, ihr müsst uns etwas mehr über die Eigenschaften dieser dunklen Energie erzählen. Wir müssen ein bisschen mehr über das lernen, was vor sich geht." Und ist dies nicht der Fall; wir haben nicht nur herumgesessen als die Beobachter, die Forscher. Wir haben Fortschritt gemacht in dem Versuch, zu verstehen, was vor sich geht. Die ursprüngliche Zeichnung der Expansionsgeschichte des Universums, die ich Ihnen zuvor mit den Daten der zwei Teams gezeigt habe, hatten nur ca. 50 Supernovae. Wenn ich dies umdrehe und es auf den Kopf stelle, wie es die Astronomen in der Regel darstellen, dann kann man sehen, dass diese ursprünglichen 50 Supernovae sich jetzt in mehr als 700 Supernovae in einer aktuellen Punktplotation hier entwickelt haben. Eine, die wir gerade vollenden, hat über 1.000 Supernovae. Jeder einzelne dieser Supernovae ist viel besser gemessen als die original gemessenen 50 Supernovae. Wir lernen also eine Menge über diese Expansionsgeschichte des Universums. Aber wenn Sie fragen: Wenn wir in der Zeit zurückgehen, ist eine der Eigenschaften, von der wir gerne mehr wissen würden: wie elastisch ist diese dunkle Energie? Wie sehr trägt es zur schnelleren Expansion des Universums bei? Das ist das, was durch diese Gleichung erfasst wurde, die Zustandsvariable "W", das einem Verhältnis des Drucks zur Dichte in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie entspricht. Sie stellen fest, dass wir sehr enge Messungen nur in den letzten Jahren, sehr geringe Rotverschiebung haben. Je weiter man weggeht, desto mehr erweitert sich die Palette der Möglichkeiten, bis fast jede Theorie dort hinein passt. Und wir wissen sehr wenig über die Eigenschaften der dunklen Energie, je weiter wir in der Zeit zurückgehen. Warum ist dies so schwierig? Nun es ist so, dass die Messungen - obwohl sie dieses Bild, wie Sie sehen können, wirklich seit den ursprünglichen 50 Supernovae bis heute deutlich geschärft haben -, dass wir die Geschichte der Expansion des Universums viel besser rückverfolgen können. Das Problem ist, dass alle Theorien, die wir haben, um zu vergleichen, sehr, sehr leicht unterschiedliche Versionen dieser Geschichte voraussagen. Und die Unterschiede sind so gering, dass sie alle in die Dicke dieser grünen Linie auf der Darstellung passen. Das heißt also, dass wir rund 20-mal mehr Präzision bei den Messungen brauchen. Die Supernova-Community ist jeden Schritt in der Geschichte zurückgegangen, während wir von der ursprünglichen Explosion der Supernova nach unten durch den astronomischen Weg gehen, die es zu uns bringt und durch die Eigenschaften der Detektoren, die wir verwenden. Und jeder von ihnen wird immer in Bezug auf unser Verständnis und unsere Fähigkeit verbessert, um die Fehler bei der Messung zu steuern. Ich werde nur eine dieser Schritte heute beschreiben, nur um Ihnen ein Gefühl für unsere Arbeit zu geben, und einige Arbeiten, an denen ich persönlich in letzter Zeit beteiligt war. Dies ist der erste Schritt, wenn Sie fragen: "Ist es möglich, dass die Supernova ihre Helligkeit verändert, je mehr man in der Zeit zurück geht? Sind wir sicher, dass wir auf der Suche der exakt gleichen Arten von explodierenden Sternen damals sind, nach denen wir heute suchen?" Was sinnvoll ist, ist dass die Supernova während ihrer Explosion ein Spektrum aussendet, das viel über all die Elemente und deren physikalischen Zustände zu einem bestimmten Zeitpunkt aussagt. Zuerst senden die äußeren Gas-Schichten dieser Explosion ein Spektrum, aber dann im Laufe der Zeit, schaut man tiefer und tiefer und tiefer in diesen explodierenden Gasball, während die äußeren Schichten expandieren und transparent werden. Dann unterschiedlichen chemische und molekulare, in diesem Fall, elementare Funktionen in unterschiedlichen Anregungszustände und Temperaturen erscheinen. Und dies ermöglicht es Ihnen im Wesentlichen einen CAT-Scan durch den gesamten Gasball zu machen, und Sie können jetzt entferntere mit nah gelegenen ganz genau vergleichen. Wir haben an einem Projekt gearbeitet, um eine relativ nahe Supernova zu diesem Genauigkeitsgrad zu untersuchen. Dies sind Zeitreihen von verschiedenen Supernovae. Was in diesen Darstellungen interessant ist, ist dass jedes dieser Parzellen nicht nur eine Supernova zeigt, sondern zwei Supernovae, bei der die eine die andere überlagert innerhalb der gleichen Daten ihres CAT-Scan, die gleichen Daten in der Geschichte ihrer Explosion. Für die obere rechte, zum Beispiel, können Sie eine schwarze Zeitreihe, und eine grüne Zeitreihe sehen, und Sie können sehen, dass diese beiden Supernovae fast identisch aussehen. Wenn Sie nach links oben schauen, sieht man eine rote Zeitreihe und eine schwarze Zeitreihe, und sie sehen identisch aus, aber diese, wenn man sie überlagern würde, sind nicht die gleiche wie die ganz rechts. Jetzt können wir diese Supernovae als Fälle behandeln, in denen einzelne Supernovae anderen individuellen Supernovae sehr detailliert zugeordnet werden können, und diese wurden unseren neuen Standardkerzen für diese Art von Arbeit. Dies ist einer der Verbesserungen, die wir machen können, um diesen zusätzlichen Faktor von 20 zu bekommen, den wir in dieser Präzision brauchen, um mehr über die dunkle Energie zu erfahren. Wir können noch nicht diese gleichen Präzisionsmessungen für sehr, sehr weit entfernte Supernovae machen, und aus diesem Grund sind wir jetzt im Begriff die nächste Generation von beispielsweise Raumteleskopen zu entwickeln. Es gibt ein neues Projekt namens WFIRST, das diese Art von Messungen durchführen kann, und es sieht sehr danach aus, dass dieses Projekt von der NASA innerhalb des nächsten Jahres genehmigt werden wird. Wir denken, wir haben eine Chance, diese Messung der Supernovae sehr bald machen zu können. Und ich sollte auch erwähnen, dass jetzt andere Techniken sich endlich abzeichnen. Gerade in den letzten Jahren haben wir endlich ein weiteres Verfahren zur Durchführung der Messung des Expansionsverlaufs entdeckt. Dies wurde veröffentlicht mit dem Ergebnis, dass diese Technik, die Baryon akustische Schwingung, abgekürzt BAO, die Entfernungen weg von den frühen Zeiten, um die Zeit des Überrests seit dem Urknall, den kosmischen Mikrowellenhintergrund misst, und es seinen Weg bahnt, indem es sich die Tatsache zunutze macht, dass es überdichte und unterdichte Regionen gibt, die wir damals gesehen haben, wo sich schließlich die überdichten und unterdichten Bereiche heute befinden, die wir Galaxien und Galaxienhaufen nennen. Sie können tatsächlich diesen Strecken vorwärts in der Zeit folgen, so wie die Supernova es Ihnen ermöglicht, in der Zeit rückwärts von relativ nahen Supernovae zu arbeiten. Diese Techniken stehen also an, es gibt auch eine andere Technik namens schwacher Linseneffekt. Wir hoffen, dass wir bald in der Lage sein werden, die Vorteile aller drei nutzen zu können, um eine Antwort auf diese Frage zu erhalten, und um eine reelle Chance zu erhalten, dieser faszinierenden Frage auf den Grund zu gehen und herauszufinden, was tatsächlich die Beschleunigung verursacht: Welche Arten dunkler Energie oder welche Änderungen in Einsteins Relativitätsgleichung? Dies ist eine ungewöhnliche Zeit, glaube ich, in unserer Geschichte, in diesem Bereich, weil wir dabei sind, einige dieser Projekte auf die nächste Stufe der Präzision zu bringen. Und ich denke, wir sind immer noch in der Phase in diesem Bereich der Kosmologie, wo wir jedes Mal lernen, wie man eine viel detailliertere Messung dieser Geschichte des Universums in dem wir leben, machen können, und wir haben Überraschungen erlebt. Und ich denke, die Wetten stehen gut, dass wir noch weitere Überraschungen finden werden. Wir sind sehr auf diese nächste Serie gespannt. Kommen wir zurück zu meinem Titel. Was haben wir über den Prozess des Lernens gelernt, während wir diese Studie durchführen? Ich möchte nur auf ein paar Aspekte dieser Arbeit hinweisen. Zunächst einmal gibt es die Tatsache, dass, wenn man vor einem richtig schwierigen Problem steht, dieses nicht unbedingt in ein paar Monaten gelöst werden kann, und dieser Fall war ein sehr gutes Beispiel dafür. Wir dachten, dass es sich um ein sehr schwieriges Problem handelte und dass es drei Jahre, in unserem ursprünglichen Plänen, dauern würde, um es zu lösen. Tatsächlich hatten wir nach drei Jahren noch nicht einmal unsere erste ferne Supernova gefunden; das dauerte fünf Jahre, sechs Jahre, um die Technik zu zeigen, 9 Jahre, um die Daten zu sammeln, und im zehnten Jahr sahen wir endlich das Ergebnis. Ich glaube nicht, dass jemand von uns über diesen Zeitrahmen enttäuscht war, weil wir währenddessen viel lernten. Ich denke, ein wirklich gutes Problem verdient es, das man dran bleibt. Man muss viel wiederholen, man macht etwas falsch, man findet bessere Wege, um es richtig zu machen. Und dabei handelt es sich um etwas, was Sie im Laufe der Zeit lernen werden, es geht nicht nur darum, dass man das Selbstbewusstsein und die Ausdauer hat, etwas durchzuziehen, wovon man glaubt, dass es ein Fortschritt sein wird. Es geht auch darum, die Förderorganisationen davon zu überzeugen und der Welt um sich herum, zu zeigen, dass man Geduld braucht und man an den Problemen festhalten muss und es sich langfristig lohnt. Ich glaube, das war ein wichtiger Punkt hier. Eine anderer erwähnungswerter Punkt ist, dass man selbst bei dieser Art von Arbeit, ein wirklich wichtiges Element für vieles davon ist, dass man ein Verständnis darüber erlangt, wie man Fehler macht, dass man danach sucht, wie deine große Theorie möglicherweise falsch sein könnte? In diesem Fall stellte sich heraus, dass etwas im Universum im Gange war, das wir noch nicht ganz richtig greifen konnten. Und dann wie jede Messung, die Sie machen, falsch sein könnte. Und dass man dass einen die Maße zum Narren halten oder die Messungen einige Fehler beinhalten. Wenn die Leute manchmal fragen: "Was wollten Sie beweisen, als Sie anfingen an diesem Projekt zu arbeiten?" Ich habe immer das Gefühl, nein, das ist wirklich nicht die Art meiner Erfahrungen mit der Wissenschaft. Es ging wirklich darum, offen für das zu sein, was falsch über Ihr aktuelles Verständnis sein könnte, und um in der Lage zu sein, zu sagen, dass man den aktuellen Messwerte und aktuellen Ergebnissen vertraut. Ich glaube, das war ein wichtiger Bestandteil der Geschichte. Und dann möchte ich darauf hinweisen, dass es diesen Aspekt all dieser Arbeit gibt, der in meiner Erfahrung sehr gesellschaftlich ist. Einiges davon bezieht sich auf die Gruppen, mit denen man arbeitet. Diese Projekte hingen von diesen erstaunlichen Wissenschaftlerteams ab, die über einen langen Zeitraum in der Lage waren, miteinander zu arbeiten. Dies ist auch kein leichter Aspekt, wenn man in der Wissenschaft arbeitet, aber es geht auch um den Spaß an der Wissenschaft. Es ist eine Tätigkeit, die wirklich die Menschen in einer Weise zusammenbringen kann, wie man es nie erwarten würde. Und herauszufinden, wie man sicherstellt, dass Gruppen von Menschen gut zusammenarbeiten, und wie man sicherstellt, dass alle Karrieren machen können, das erfordert fast den gleichen Einfallsreichtum wie die Wissenschaft selbst. Ich denke es ist auch ein wichtiger Teil der Geschichte, auch das mit einzubeziehen. Zum Ende meiner Rede, sollte ich noch erwähnen, dass ich denke, dass die Übertragung dieser Kultur: der Suche nach unseren Fehlern, nicht zu versuchen, sich selbst Recht zu geben - diese Suche, wie Sie mit Gruppen von Menschen in einer Weise arbeiten, die produktiv ist, und all diese Dinge - ich glaube, dass sie es wert sind, sie anderen beizubringen, und zwar nicht nur der nächsten Generation von Wissenschaftlern, sondern fast allen. Als Teil davon, was es bedeutet, ein kritischer Denker zu sein, und ich habe mich gefragt, können wir entwickeln, wie wir dies lehren können? Ich möchte mit ein paar Beispielen enden, wie man darüber nachdenken kann. Ich möchte diese Gruppe im Laufe einer Woche fragen, wenn wir Zeit haben: Welche Dinge möchten sie lehren, damit unsere Gesellschaft besser in der Lage ist, Entscheidungen zu treffen und Probleme zu lösen, wogegen man oft das Gefühl hat, dass sie nicht wissen, wie sie miteinander reden sollen und Fragen gemeinsam angehen können? Woher stammt unsere Autorität in der Wissenschaft, und warum sollte jemand daran glauben? Ich denke, es stammt aus der Tatsache, dass wir diese Sammlungen von Heuristiken und Tricks entwickelt haben, die es uns ermöglichen, unsere verschiedenen mentalen Schwächen zu umgehen und unsere Stärken auszuspielen - wir schauen auch oft, wo wir uns irren und wo wir uns selbst in die Tasche lügen. Und ich habe eine Reihe von Ideen ausprobiert, von denen einige damit zu tun haben, dass wir in Wahrscheinlichkeiten denken, dass wir uns nicht 100% sicher sind, aber wir haben einen Weg gefunden, wie wir quantifizieren können, wie sicher wir uns sein können. Eine Menge der Elemente unseres Denkens sind sehr skeptisch, die zusammen mit diesem statistischen Denken auftreten, und dennoch müssen wir die Skepsis ausgleichen, mit dieser "Can-do"-Einstellung, die es uns erlaubt an einem Problem für viele Jahre festhalten zu können. Und, natürlich, der ganze Aspekt, wie die Gruppen zusammen arbeiten wird ein wichtiger Teil dieser Geschichte. Ich werde nur noch erwähnen, dass, wenn wir diese Woche Zeit haben, dass ich sehr gerne diese unterschiedlichen Ideen sprechen würde, was wir lehren könnten, was nützlich für die Menschen sein könnte, wenn sie in der Wissenschaft arbeiten. Aber auch, wenn sie andere Fragen an die Gesellschaft haben. Und ich habe keine Ahnung, ob das hier alle Fragen abdeckt, oder ob die Themensammlung alles umfasst. Aber es wird interessant sein, mit Menschen zu sprechen und herauszufinden, was sie in den verschiedenen Bereichen lehren wollen würden, bei dem es nicht um Inhalte geht, sondern vielmehr um die Art, wie wir Wissenschaftler denken. Lassen Sie mich mit den Gedanken beenden, dass ich denke, dass wir in einer sehr aufregenden Zeit leben, sowohl für die Wissenschaften, wo wir auf einige sehr tiefgreifende Fragen eingehen können, während wir die nächste Generation von Werkzeugen entwickeln. Wir haben eine reelle Chance, zu verstehen, warum wir in einem Universum leben, das sich beschleunigt, und vielleicht sogar in unserer eigenen Generation, erhalten wir eine Chance, um die Antwort dazu zu erfahren. Vielleicht wird es uns etwas sehr Tiefgreifendes offenbaren, wie die vier Kräfte des Universums - Schwerkraft und die anderen drei Kräfte - zusammen arbeiten. Und während wir dies tun, hoffe ich, wir lernen auch mehr darüber, wie wir kritisches Denken als Wissenschaftler anwenden können, sodass wir einen Unterschied in der Welt in vielerlei Hinsicht machen können und zwar über die Wissenschaft hinaus, die wir gegenwärtig machen. Und damit komme ich zum Ende.

Saul Perlmutter (2015)

What We Learn When We Learn that the Universe is Accelerating

Saul Perlmutter (2015)

What We Learn When We Learn that the Universe is Accelerating

Abstract

The 1998 discovery that the universe's expansion is accelerating was not only unexpected, but it also led to the postulation of a previously-unknown “dark energy” forming almost three-quarters of the "stuff" of the universe. How was this discovery made? What has been the progress since in understanding this dark energy and the accelerating universe? And what does this tell us about how science works.

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