and how they interact on the most fundamental level.

私は素粒子物理学者として 素粒子の

For most of my research career, I've been using accelerators,

根本的な動きを研究しています

such as the electron accelerator at Stanford University, just up the road,

これまでの研究にあたりミクロの観察には

to study things on the smallest scale.

スタンフォード大学で電子加速器などを用いて

But more recently, I've been turning my attention

研究をしてきました

to the universe on the largest scale.

ですが最近 私の関心はこうしたミクロの視点から

Because, as I'll explain to you,

宇宙という大きなスケールへと移行しています

the questions on the smallest and the largest scale are actually very connected.

それは 説明していくうちにご理解いただけると思いますが

So I'm going to tell you about our twenty-first-century view of the universe,

ミクロの世界とマクロの世界は非常に密接に関わっています

what it's made of and what the big questions in the physical sciences are --

では 21世紀の視野でみる宇宙とはどのような世界なのか

at least some of the big questions.

一体何で作られ どのような謎が潜んでいるのか

So, recently, we have realized

それらを発表していきたいと思います

that the ordinary matter in the universe --

近年 解明された事なのですが

and by ordinary matter, I mean you, me,

宇宙を形成している通常物質

the planets, the stars, the galaxies --

ここでいう通常物質は 例えば あなた 私

the ordinary matter makes up only a few percent

植物 星 そして銀河などを指し

of the content of the universe.

これらは 宇宙全体のほんの数パーセントにしか

Almost a quarter, or approximately a quarter

満たないという事実が分かりました

of the matter in the universe, is stuff that's invisible.

宇宙全体の約1/4を占めている物質は

By invisible, I mean it doesn't absorb in the electromagnetic spectrum.

私たちの目には見えないものであり

It doesn't emit in the electromagnetic spectrum. It doesn't reflect.

それは電磁スペクトルを吸収もしなければ

It doesn't interact with the electromagnetic spectrum,

放出してもいない つまり電磁スペクトルに映し出されない物質です

which is what we use to detect things.

電磁スペクトルに無反応な物質なため

It doesn't interact at all. So how do we know it's there?

検出することができません

We know it's there by its gravitational effects.

全く反応を起こさない物質の存在を私たちがどのように知ったのかというと

In fact, this dark matter dominates

そこに重力が存在するからです

the gravitational effects in the universe on a large scale,

実際 この無反応な物質（ダークマター）が

and I'll be telling you about the evidence for that.

宇宙全体に存在する重力の大半を占めているのです

What about the rest of the pie?

その根拠も説明していきます

The rest of the pie is a very mysterious substance called dark energy.

では このグラフの残りは何を表しているのでしょう

More about that later, OK.

これはダークエネルギーという謎めいた物質です

So for now, let's turn to the evidence for dark matter.

ダークエネルギーに関しての説明は後ほど...

In these galaxies, especially in a spiral galaxy like this,

ではさっそく ダークマターの存在について目を向けてみましょう

most of the mass of the stars is concentrated in the middle of the galaxy.

銀河全般に言えることで このような渦巻銀河は特に

This huge mass of all these stars keeps stars in circular orbits in the galaxy.

過半数の星が銀河の中心部に集中しています

So we have these stars going around in circles like this.

この巨大な星のかたまりでできた渦によって 銀河内の円形軌道は保たれているのです

As you can imagine, even if you know physics, this should be intuitive, OK --

物理学を学んだ人なら 即座に分かると思いますが

that stars that are closer to the mass in the middle will be rotating at a higher speed

このように軌道を回る星があった場合

than those that are further out here, OK.

中心部に近い星は 外側にある星よりも

So what you would expect is that if you measured the orbital speed of the stars,

速いスピードで回っています

that they should be slower on the edges than on the inside.

ですから星が軌道を回る速さは

In other words, if we measured speed as a function of distance --

内側よりも外側のほうが遅いと予測するはずです

this is the only time I'm going to show a graph, OK --

中心部から星までの距離と星の動く速度を

we would expect that it goes down as the distance increases

図で表すと

from the center of the galaxy.

距離と速度は反比例の関係にあると

When those measurements are made,

予測するでしょう

instead what we find is that the speed is basically constant,

ですが 実際はそうではなく

as a function of distance.

星の速度はどの位置においても

If it's constant, that means that the stars out here

一定を保っていたのです

are feeling the gravitational effects of matter that we do not see.

もし一定ならば そこにある星には

In fact, this galaxy and every other galaxy

私たちには見えない物質からの引力が働いているはずです

appears to be embedded in a cloud of this invisible dark matter.

実際に 宇宙に存在するどんな銀河にも

And this cloud of matter is much more spherical than the galaxy themselves,

このような肉眼で確認する事のできないダークマターの雲で覆われている事が解明されました

and it extends over a much wider range than the galaxy.

また ダークマターは銀河の形体は異なり 球面的な形であり

So we see the galaxy and fixate on that, but it's actually a cloud of dark matter

その球体は銀河よりも広い範囲で存在しているのです

that's dominating the structure and the dynamics of this galaxy.

通常 私たちは銀河だけにとらわれがちですが　実際には

Galaxies themselves are not strewn randomly in space;

銀河の構造や原動力を支配するダークマターが存在しています

they tend to cluster.

銀河は宇宙にバラバラとちりばめられて出来上がってたのではなく

And this is an example of a very, actually, famous cluster, the Coma cluster.

集合体を作る性質を持っています

And there are thousands of galaxies in this cluster.

これは有名な集合体の例で かみのけ座銀河団と言います

They're the white, fuzzy, elliptical things here.

この銀河団には何千もの銀河が存在していて

So these galaxy clusters -- we take a snapshot now,

どれも白くぼやけて楕円のような形をしています

we take a snapshot in a decade, it'll look identical.

今の瞬間の銀河のスナップ写真をとってみるとして

But these galaxies are actually moving at extremely high speeds.

10年後に撮影するスナップ写真と比較してみても なんら変化はありません

They're moving around in this gravitational potential well of this cluster, OK.

しかし実際には これらの銀河は驚くほどに速いスピードで移動していて

So all of these galaxies are moving.

この重力の渦に沿うように動いているのです

We can measure the speeds of these galaxies, their orbital velocities,

全ての銀河は このように動いているわけで

and figure out how much mass is in this cluster.

私たちは銀河の動く速度と軌道速度を測定し

And again, what we find is that there is much more mass there

この銀河団の重力質量を調べる事ができます

than can be accounted for by the galaxies that we see.

やはり 実際に目で見て確認できる分以上の

Or if we look in other parts of the electromagnetic spectrum,

重力質量がそこから検出されます

we see that there's a lot of gas in this cluster, as well.

仮に電磁スペクトルを別の角度から分析して

But that cannot account for the mass either.

この銀河団に含まれている大量のガスを測定してみても

In fact, there appears to be about ten times as much mass here

巨大な重力質量の謎は解けません

in the form of this invisible or dark matter

実際に ここでは通常物質よりも

as there is in the ordinary matter, OK.

約10倍にあたる質量が肉眼で測定できない形

It would be nice if we could see this dark matter a little bit more directly.

つまりダークマターとして存在しています

I'm just putting this big, blue blob on there, OK,

このダークマターも見る事が出来れば いいですよね

to try to remind you that it's there.

大きな青いまるで囲んであるのは

Can we see it more visually? Yes, we can.

ダークマターの代わりです

And so let me lead you through how we can do this.

もっと分かりやすく見る方法はないのでしょうか？それがあるんです

So here's an observer:

では その説明をしましょう

it could be an eye; it could be a telescope.

これが観察者の視点です

And suppose there's a galaxy out here in the universe.

観察者の眼でも天体望遠鏡でも構いません

How do we see that galaxy?

ここに銀河があるとしましょう

A ray of light leaves the galaxy and travels through the universe

観察者の眼からはどのように見えますか？

for perhaps billions of years

銀河から放たれた光が宇宙を

before it enters the telescope or your eye.

何十億年も旅して

Now, how do we deduce where the galaxy is?

観測者の眼にたどり着きます

Well, we deduce it by the direction that the ray is traveling

銀河の位置をどのように推測できるのかというと

as it enters our eye, right?

光の飛んで来た方向から

We say, the ray of light came this way;

直線で結んだ位置に銀河があると憶測します

the galaxy must be there, OK.

光がこのような角度から眼に入ると考えると

Now, suppose I put in the middle a cluster of galaxies --

銀河はこの直線の延長線上にあるはずです

and don't forget the dark matter, OK.

では この二つの間にもう一つの銀河団を置いてみましょう

Now, if we consider a different ray of light, one going off like this,

もちろんこの銀河団にはダークマターが存在しています

we now need to take into account

では もう一つの光がこのように射していた場合どうなるのでしょう

what Einstein predicted when he developed general relativity.

ここではアインシュタインの

And that was that the gravitational field, due to mass,

相対性理論が重要となります

will deflect not only the trajectory of particles,

ダークマターの巨大な質量によって発生した重力は

but will deflect light itself.

粒子の軌道だけではなく

So this light ray will not continue in a straight line,

そこに存在する光さえも曲げてしまいます

but would rather bend and could end up going into our eye.

ですから この光も重力によって屈折し

Where will this observer see the galaxy?

私たち 観測者の眼に入ってくるのです

You can respond. Up, right?

観測者の立場から見てみると 銀河は

We extrapolate backwards and say the galaxy is up here.

実際よりも上に存在しているように映るはずです

Is there any other ray of light

銀河が光の直線上にあると推測するので 実際よりも上に位置づけてしまうわけです

that could make into the observer's eye from that galaxy?

他にはどのように光が

Yes, great. I see people going down like this.

観測者の眼に届いているのでしょう？

So a ray of light could go down, be bent

はい そうです　あちらの方のいう通り 下に曲がります

up into the observer's eye,

下に曲がった光は重力によって 屈折し

and the observer sees a ray of light here.

上昇しながら 観測者の眼に入り

Now, take into account the fact that we live in

実際より下に位置して見えます

a three-dimensional universe, OK,

それでは ここから応用編です

a three-dimensional space.

私たちの住む三次元の世界は

Are there any other rays of light that could make it into the eye?

縦 横 奥行きの空間なのですが

Yes! The rays would lie on a -- I'd like to see -- yeah, on a cone.

そう考えると 他にはどのように光が進むと考えられますか？

So there's a whole ray of light -- rays of light on a cone --

その通りです！光は円すいに変形します

that will all be bent by that cluster

光が銀河団の引力で屈折し

and make it into the observer's eye.

円すいの形で進んで

If there is a cone of light coming into my eye, what do I see?

観測者の眼に入ります

A circle, a ring. It's called an Einstein ring. Einstein predicted that, OK.

では 円すい形の光は実際の眼球にどのように映るのでしょう？

Now, it will only be a perfect ring if the source, the deflector

丸い輪です　アインシュタインはこの現象を予言していた為 アインシュタインリングと呼ばれています

and the eyeball, in this case, are all in a perfectly straight line.

このアインシュタインリングが完璧なリングの形として現れるのは

If they're slightly skewed, we'll see a different image.

３つ全てが一直線上にある時のみです

Now, you can do an experiment tonight over the reception, OK,

もし 少しでも傾いている場合 それは違うイメージとして映るでしょう

to figure out what that image will look like.

今夜のパーティーでもできる実験を教えましょう

Because it turns out that there is a kind of lens that we can devise,

どのようなイメージが浮かぶのか調べる事ができます

that has the right shape to produce this kind of effect.

この効果を再現するのに最適な形をしたレンズを

We call this gravitational lensing.

作り出すことが出来るのです

And so, this is your instrument, OK.

この道具を重力レンズと呼んでいます

(Laughter).

これが 必要な材料です

But ignore the top part.

（笑）

It's the base that I want you to concentrate, OK.

上の部分は省きます

So, actually, at home, whenever we break a wineglass,

この下の部分が大事なのです

I save the bottom, take it over to the machine shop.

私の家では割れたワイングラスは

We shave it off, and I have a little gravitational lens, OK.

底をとっておき 機械工場へ持って行きます

So it's got the right shape to produce the lensing.

研磨をかけた後には重力レンズができるというわけです

And so the next thing you need to do in your experiment

このようにしてレンズを用意したら

is grab a napkin. I grabbed a piece of graph paper -- I'm a physicist. (Laughter)

次に必要なものは紙ナプキンです

So, a napkin. Draw a little model galaxy in the middle.

私は物理学者なのでグラフ用紙を使いますが（笑）

And now put the lens over the galaxy,

この紙ナプキンの中心部に銀河を描きます

and what you'll find is that you'll see a ring, an Einstein ring.

そして その上に重力レンズをのせると

Now, move the base off to the side,

アインシュタインリングが出来ているのが分かります

and the ring will split up into arcs, OK.

では レンズを少し中心部からずらしてみましょう

And you can put it on top of any image.

するとリングは割れて弓の形になります

On the graph paper, you can see

このようにしてレンズを活用します

how all the lines on the graph paper have been distorted.

グラフ用紙を見て分かるように

And again, this is a kind of an accurate model

直線はゆがんで曲線のように見えます

of what happens with the gravitational lensing.

この直線を曲げる力が重力レンズによって

OK, so the question is: do we see this in the sky?

正確に表現されているのです

Do we see arcs in the sky when we look at, say, a cluster of galaxies?

こういった現象を実際の天体望遠鏡はとらえているのでしょうか？

And the answer is yes.

このような歪んだ弓の形の光は銀河団の中に存在しているのでしょうか？

And so, here's an image from the Hubble Space Telescope.

その答えは YESです

Many of the images you are seeing

これはハッブル宇宙望遠鏡からの画像です

are earlier from the Hubble Space Telescope.

画像の多くはこの宇宙望遠鏡が

Well, first of all, for the golden shape galaxies --

最近のものではありませんが

those are the galaxies in the cluster.

この金色に輝く銀河の数々を見てみると

They're the ones that are embedded in that sea of dark matter

これが銀河団だと分かります

that are causing the bending of the light

銀河団はダークマターによって引き寄せられて出来た集合体で

to cause these optical illusions, or mirages, practically,

光を屈折させる原因です

of the background galaxies.

そして それにより

So the streaks that you see, all these streaks,

銀河の光は歪んでみえるのです

are actually distorted images of galaxies that are much further away.

ですから これらの縦や横に流れる光の帯は

So what we can do, then, is based on how much distortion

実際にはずっと離れた位置にある銀河がひずんでしまった姿なのです

we see in those images, we can calculate how much mass

次に この画像の光の歪み具合を測って

there must be in this cluster.

そこにどれだけの質量が存在しているのかを

And it's an enormous amount of mass.

計算で導きだします

And also, you can tell by eye, by looking at this,

結果 そこには極めて大きな質量が存在しました

that these arcs are not centered on individual galaxies.

実際に眼で確認できる通り

They are centered on some more spread out structure,

これらの弓形は個々の銀河に集中しているのではなく

and that is the dark matter

無数に広がった状態で存在している事が分かります

in which the cluster is embedded, OK.

そしてこのダークマターの中に

So this is the closest you can get to kind of seeing

銀河団が含まれているのです

at least the effects of the dark matter with your naked eye.

この画像がダークマターの影響を

OK, so, a quick review then, to see that you're following.

肉眼でかろうじて捉えられる画像です

So the evidence that we have

では 簡単におさらいです

that a quarter of the universe is dark matter --

宇宙の 1/4はダークマターという

this gravitationally attracting stuff --

重力をもつ質量で

is that galaxies, the speed with which stars orbiting galaxies

占められている証拠は

is much too large; it must be embedded in dark matter.

銀河の周りを回る星のスピードが非常に速いので

The speed with which galaxies within clusters are orbiting is much too large;

ダークマターが影響しているはずで

it must be embedded in dark matter.

銀河団の中の銀河の回転速度からも

And we see these gravitational lensing effects, these distortions

ダークマターの影響が考えられます

that say that, again, clusters are embedded in dark matter.

そして光を屈折させる重力レンズ効果からも

OK. So now, let's turn to dark energy.

ダークマターが影響しているはずだと言えるのです

So to understand the evidence for dark energy, we need to discuss something

では ここからはダークエネルギーについて話します

that Stephen Hawking referred to in the previous session.

ダークエネルギーの存在を理解する為には 先ほどの

And that is the fact that space itself is expanding.

スティーヴンホーキング氏の話に戻る必要があります

So if we imagine a section of our infinite universe --

宇宙そのものが膨張し拡大しているという事実です

and so I've put down four spiral galaxies, OK --

この果てなく続く宇宙の一部に

and imagine that you put down a set of tape measures,

４つの銀河を並べるとしましょう

so every line on here corresponds to a tape measure,

その間に巻き尺を配置すると仮定します

horizontal or vertical, for measuring where things are.

その縦と横に広がる線は

If you could do this, what you would find

それぞれの位置を計測することができます

that with each passing day, each passing year,

もし 実際にそのような事が出来た場合

each passing billions of years, OK,

この４つの銀河は日々 年々

the distance between galaxies is getting greater.

やがては何十億年という時を経て

And it's not because galaxies are moving

少しずつお互いの距離を増し 離れていっている事が結果的に現れるのです

away from each other through space.

これは これら４つの銀河が

They're not necessarily moving through space.

お互いから離れるようにして動いているからではありません

They're moving away from each other

これらの銀河は宇宙を駆け巡っているのではないのです

because space itself is getting bigger, OK.

銀河の距離が離れていったのは

That's what the expansion of the universe or space means.

宇宙そのものが膨張しているからなのです

So they're moving further apart.

それが ユニバース つまり宇宙全体の姿なのです

Now, what Stephen Hawking mentioned, as well,

宇宙はぐんぐんと拡大し続けています

is that after the Big Bang, space expanded at a very rapid rate.

ホーキング氏も触れていたのは

But because gravitationally attracting matter

ビッグバンが起きた後 宇宙が極度の速さで拡大したという点です

is embedded in this space,

しかし 引力をもつ物質が宇宙に

it tends to slow down the expansion of the space, OK.

存在するために

So the expansion slows down with time.

宇宙の拡大を減速させる性質があります

So, in the last century, OK, people debated

よって拡大速度は時間とともに低下するのです

about whether this expansion of space would continue forever;

20世紀の科学者達は この宇宙の拡大は

whether it would slow down, you know,