Im Jahr 1919 entwickelte ein nahezu unbekannter deutscher Mathematiker, namens Theodor Kaluza eine sehr mutige und, in gewisser Weise, auch ziemlich bizarre Idee. Er schlug vor, dass unser Universum mehr als die drei Dimensionen haben könnte, die wir alle kennen. Zusätzlich zu links, rechts, vor, zurück und hoch, runter, schlug Kaluza vor, dass es zusätzliche Raumdimensionen geben könnte, die wir aus irgendwelchen Gründen noch nicht sehen können. Wenn nun jemand eine mutige und bizarre Idee äußert, ist sie manchmal nur das, mutig und bizarr, aber sie hat nichts mit den Dingen um uns herum zu tun. Diese besondere Idee jedoch, obwohl wir noch nicht wissen, ob sie richtig oder falsch ist, und ich werde am Ende Experimente vorstellen, die, in den nächsten Jahren, zeigen können, ob sie richtig oder falsch ist, diese Idee hatte einen bedeutenden Einfluss auf die Physik des letzten Jahrhunderts und ist auch weiterhin eine Quelle für aktuellste Forschungen.
In the year 1919, a virtually unknown German mathematician, named Theodor Kaluza suggested a very bold and, in some ways, a very bizarre idea. He proposed that our universe might actually have more than the three dimensions that we are all aware of. That is in addition to left, right, back, forth and up, down, Kaluza proposed that there might be additional dimensions of space that for some reason we don't yet see. Now, when someone makes a bold and bizarre idea, sometimes that's all it is -- bold and bizarre, but it has nothing to do with the world around us. This particular idea, however -- although we don't yet know whether it's right or wrong, and at the end I'll discuss experiments which, in the next few years, may tell us whether it's right or wrong -- this idea has had a major impact on physics in the last century and continues to inform a lot of cutting-edge research.
Ich möchte Ihnen also etwas über die Geschichte dieser Extra-Dimensionen erzählen. Wo fangen wir an? Für den Anfang brauchen wir etwas Hintergrundwissen aus dem Jahr 1907. Dies ist das Jahr, als sich Einstein im Ruhm der Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie sonnt und sich für ein neues Projekt entscheidet, um zu versuchen, die bedeutende, allgegenwärtige Kraft der Gravitation vollständig zu verstehen. In jener Zeit gab es viele Leute, die dachten, dass dieses Projekt bereits erledigt wäre. Newton hatte im späten 16. Jahrhundert der Welt eine Theorie der Gravitation gegeben, die gut funktioniert, die Bewegung der Planeten erklärt, die Bewegung des Mondes und so weiter, und die Bewegung zweifelhafter Äpfel, die von Bäumen fallen und auf den Köpfen der Leute landen. All dies kann mit Newtons Arbeit erklärt werden.
So, I'd like to tell you something about the story of these extra dimensions. So where do we go? To begin we need a little bit of back story. Go to 1907. This is a year when Einstein is basking in the glow of having discovered the special theory of relativity and decides to take on a new project, to try to understand fully the grand, pervasive force of gravity. And in that moment, there are many people around who thought that that project had already been resolved. Newton had given the world a theory of gravity in the late 1600s that works well, describes the motion of planets, the motion of the moon and so forth, the motion of apocryphal of apples falling from trees, hitting people on the head. All of that could be described using Newton's work.
Aber Einstein bemerkte, dass Newton etwas offen gelassen hatte, denn selbst Newton hatte geschrieben, dass er zwar verstanden hat, wie man die Effekte der Gravitation berechnet, er aber nicht in der Lage sei, zu verstehen, wie sie wirklich funktioniert. Wie kann es sein, dass die Sonne, 149 Millionen Kilometer entfernt, irgendwie die Bewegung der Erde beeinflusst? Wie kann die Sonne leeren, toten Raum überwinden und Einfluss ausüben? Und dies ist die Aufgabe, die sich Einstein gestellt hat: Herauszufinden, wie die Gravitation funktioniert. Lassen Sie mich Ihnen zeigen, was es ist, das er fand. Einstein fand heraus, dass das Medium, das die Gravitation überträgt, der Raum selbst ist. Die Idee geht in etwa so: Stellen Sie sich vor, der Raum ist der Träger für alles was da ist.
But Einstein realized that Newton had left something out of the story, because even Newton had written that although he understood how to calculate the effect of gravity, he'd been unable to figure out how it really works. How is it that the Sun, 93 million miles away, [that] somehow it affects the motion of the Earth? How does the Sun reach out across empty inert space and exert influence? And that is a task to which Einstein set himself -- to figure out how gravity works. And let me show you what it is that he found. So Einstein found that the medium that transmits gravity is space itself. The idea goes like this: imagine space is a substrate of all there is.
Einstein sagte: Der Raum ist ruhig und flach, solange keine Materie vorhanden ist. Wenn es aber Materie in der Umgebung gibt, wie etwa die Sonne, so wird von ihr die Struktur des Raums verzerrt und gekrümmt. Und dies überträgt die Kraft der Gravitation. Sogar die Erde verzerrt den Raum um sich herum. Schauen Sie sich jetzt den Mond an. Der Mond wird gemäß diesen Ideen auf seiner Bahn gehalten, weil er entlang eines Tales einer gekrümmten Umgebung entlang rollt, das die Sonne, der Mond und die Erde durch ihre bloße Anwesenheit hervorrufen kann. Schauen wir uns das im Überblick an. Die Erde wird auf ihrer Bahn gehalten, weil sie entlang eines Tales in einer Umgebung rollt, die gekrümmt ist wegen der Anwesenheit der Sonne. Das ist die neue Idee, wie die Gravitation tatsächlich funktioniert.
Einstein said space is nice and flat, if there's no matter present. But if there is matter in the environment, such as the Sun, it causes the fabric of space to warp, to curve. And that communicates the force of gravity. Even the Earth warps space around it. Now look at the Moon. The Moon is kept in orbit, according to these ideas, because it rolls along a valley in the curved environment that the Sun and the Moon and the Earth can all create by virtue of their presence. We go to a full-frame view of this. The Earth itself is kept in orbit because it rolls along a valley in the environment that's curved because of the Sun's presence. That is this new idea about how gravity actually works.
Nun, diese Idee wurde 1919 durch astronomische Beobachtungen getestet. Sie funktioniert tatsächlich. Sie erklärt die Messwerte. Und dies machte Einstein weltweit bekannt. Und das ist, was Kaluza zum Nachdenken anregte. Er war, wie Einstein, auf der Suche nach dem, was wir eine "Vereinheitlichte Theorie" nennen. Das ist eine einzelne Theorie, die alle Kräfte der Natur aus einem einzigen Satz von Annahmen beschreiben könnte, einem Satz von Prinzipien, eine Hauptgleichung, wenn Sie so wollen. Kaluza sagte sich also: Einstein konnte die Gravitation in Gestalt von Verzerrungen und Krümmungen des Raumes erklären, eigentlich von Raum und Zeit, um genau zu sein. Vielleicht kann ich das gleiche Spiel mit der anderen damals bekannten Kraft machen, die, zu jener Zeit, als elektromagnetische Kraft bekannt war Wir wissen heute von weiteren, doch damals war sie die einzig andere, über die man nachdachte. Sie wissen schon. Die Kraft, die für die Elektrizität und magnetische Anziehung verantwortlich ist.
Now, this idea was tested in 1919 through astronomical observations. It really works. It describes the data. And this gained Einstein prominence around the world. And that is what got Kaluza thinking. He, like Einstein, was in search of what we call a unified theory. That's one theory that might be able to describe all of nature's forces from one set of ideas, one set of principles, one master equation, if you will. So Kaluza said to himself, Einstein has been able to describe gravity in terms of warps and curves in space -- in fact, space and time, to be more precise. Maybe I can play the same game with the other known force, which was, at that time, known as the electromagnetic force -- we know of others today, but at that time that was the only other one people were thinking about. You know, the force responsible for electricity and magnetic attraction and so forth.
Kaluza sagte also: Vielleicht kann ich dasselbe Spiel spielen und die elektromagnetische Kraft mittels Verzerrungen und Krümmungen beschreiben. Dies brachte die Frage auf: Verzerrungen und Krümmungen in was? Einstein hatte bereits Raum und Zeit, Verzerrungen und Krümmungen besetzt um die Gravitation zu beschreiben. Es gab scheinbar nichts anderes zu verzerren oder zu krümmen. Also sagte Kaluza: Gut, vielleicht gibt es ja zusätzliche Raumdimensionen. Er sagte: Wenn ich eine weitere Kraft beschreiben will, brauche ich vielleicht eine weitere Dimension. Also stellte er sich vor, dass die Welt vier Raumdimensionen hat, statt drei, und stellte sich vor, dass der Elektromagnetismus Verzerrungen und Krümmungen in dieser vierten Dimension wäre. Und jetzt kommt's: Als er die Gleichungen für die Verzerrungen und Krümmungen aufschrieb, für ein Universum mit vier Dimensionen im Raum, anstelle von drei, fand er die alten Gleichungen, die Einstein schon für drei Dimensionen entwickelte - diese waren für die Gravitation - aber er fand noch eine weitere Gleichung, wegen der zusätzlichen Dimension, und als er sich diese Gleichung ansah, war es nichts anderes als die Gleichung, welche die Wissenschaftler schon lange benutzten, um die elektromagnetische Kraft zu beschreiben. Erstaunlich - Es kam einfach heraus. Er war aufgrund dieser Erkenntnis so aufgeregt, dass er um sein Haus rannte und "Sieg!" schrie, weil er die vereinheitlichte Theorie gefunden hatte.
So Kaluza says, maybe I can play the same game and describe electromagnetic force in terms of warps and curves. That raised a question: warps and curves in what? Einstein had already used up space and time, warps and curves, to describe gravity. There didn't seem to be anything else to warp or curve. So Kaluza said, well, maybe there are more dimensions of space. He said, if I want to describe one more force, maybe I need one more dimension. So he imagined that the world had four dimensions of space, not three, and imagined that electromagnetism was warps and curves in that fourth dimension. Now here's the thing: when he wrote down the equations describing warps and curves in a universe with four space dimensions, not three, he found the old equations that Einstein had already derived in three dimensions -- those were for gravity -- but he found one more equation because of the one more dimension. And when he looked at that equation, it was none other than the equation that scientists had long known to describe the electromagnetic force. Amazing -- it just popped out. He was so excited by this realization that he ran around his house screaming, "Victory!" -- that he had found the unified theory.
Offensichtlich war Kaluza ein Mann, der Theorien sehr ernst nahm. Er hat tatsächlich … Es gibt eine Geschichte, dass, als er schwimmen lernen wollte, ein Buch las - eine Abhandlung über Schwimmen - (Lachen) und anschließend ins Meer sprang. Er war ein Mann, der sein Leben einer Theorie anvertraut hätte. Für diejenigen aber von uns, die eher praktisch denken, ergeben sich aus seinen Betrachtungen sofort zwei Fragen. Nummer Eins: Wenn es zusätzliche Raumdimensionen gibt, wo sind sie? Scheinbar sehen wir ja keine. Und Nummer Zwei: Funktioniert diese Theorie auch wirklich bis ins Detail, wenn man versucht, sie auf die Dinge um uns herum anzuwenden. Nun, die erste Frage wurde 1926 durch einen Kollegen, namens Oskar Klein, beantwortet. Dieser schlug vor, dass Dimensionen in zwei Arten vorkommen könnten. Es könnte große, direkt sichtbare Dimensionen geben. Es könnte aber auch winzige, aufgerollte Dimensionen geben. So klein aufgerollt, dass, obwohl sie sich überall um uns herum befinden, wir sie nicht sehen können
Now clearly, Kaluza was a man who took theory very seriously. He, in fact -- there is a story that when he wanted to learn how to swim, he read a book, a treatise on swimming -- (Laughter) -- then dove into the ocean. This is a man who would risk his life on theory. Now, but for those of us who are a little bit more practically minded, two questions immediately arise from his observation. Number one: if there are more dimensions in space, where are they? We don't seem to see them. And number two: does this theory really work in detail, when you try to apply it to the world around us? Now, the first question was answered in 1926 by a fellow named Oskar Klein. He suggested that dimensions might come in two varieties -- there might be big, easy-to-see dimensions, but there might also be tiny, curled-up dimensions, curled up so small, even though they're all around us, that we don't see them.
Ich zeige Ihnen das in einem Film. Stellen Sie sich vor, sie schauen auf so etwas, wie z.B. ein Kabel, an dem eine Ampel hängt. Sie steht in Manhattan, Sie sind im Central Park -- was irgendwie unwichtig ist und das Kabel sieht aus der Ferne eindimensional aus. Sie und ich wissen jedoch, dass es eine gewisse Dicke hat, Es ist aber sehr schwer zu erkennen, aus der Ferne Aber wenn wir hineinzoomen und die Perspektive z.B. einer kleinen krabbelnden Ameise einnehmen … Diese Ameisen sind so klein, dass sie Zugang zu allen Dimensionen haben, der Dimension der Länge, aber auch in Richtung mit und gegen den Uhrzeigersinn. und ich hoffe, Sie wissen das zu schätzen, denn es hat so lange gedauert, den Ameisen das beizubringen.
Let me show you that one visually. So, imagine you're looking at something like a cable supporting a traffic light. It's in Manhattan. You're in Central Park -- it's kind of irrelevant -- but the cable looks one-dimensional from a distant viewpoint, but you and I all know that it does have some thickness. It's very hard to see it, though, from far away. But if we zoom in and take the perspective of, say, a little ant walking around -- little ants are so small that they can access all of the dimensions -- the long dimension, but also this clockwise, counter-clockwise direction. And I hope you appreciate this. It took so long to get these ants to do this.
(Gelächter)
(Laughter)
Aber es zeigt, dass Dimensionen in zwei Arten auftreten können: groß und klein. Und gemäß dieser Idee sind es die großen Dimensionen um uns herum, die wir unmittelbar sehen können. Aber es könnte noch zusätzliche, aufgerollte Dimensionen geben, ähnlich dem runden Teil des Kabels, und so klein, dass sie bislang unsichtbar geblieben sind. Ich zeige Ihnen, wie das aussehen würde. Werfen wir einen Blick auf den Raum selbst. Ich kann Ihnen natürlich nur zwei Dimensionen auf dem Bildschirm zeigen. Jemand von Ihnen wird das mal ändern aber alles nicht flache auf dem Schirm ist eine neue Dimension Es wird kleiner, kleiner, kleiner bis zu den mikroskopischen Tiefen des Raumes selbst. Die Idee ist: man könnte weitere aufgerollte Dimensionen haben
But this illustrates the fact that dimensions can be of two sorts: big and small. And the idea that maybe the big dimensions around us are the ones that we can easily see, but there might be additional dimensions curled up, sort of like the circular part of that cable, so small that they have so far remained invisible. Let me show you what that would look like. So, if we take a look, say, at space itself -- I can only show, of course, two dimensions on a screen. Some of you guys will fix that one day, but anything that's not flat on a screen is a new dimension, goes smaller, smaller, smaller, and way down in the microscopic depths of space itself, this is the idea, you could have additional curled up dimensions --
Hier ist ein kleiner Umriss eines Kreises - so klein, dass wir sie nicht sehen. Aber wenn Sie eine kleine, ultramikroskopische krabbelnde Ameise wären, könnten Sie in den großen uns bekannten Dimensionen herumlaufen, wie in diesem Netz hier - aber Sie könnten auch die winzigen, aufgerollten Dimensionen betreten, die so klein sind, dass wir sie weder mit bloßem Auge, noch mit unserer besten Ausrüstung sehen können. Aber tief in der Struktur des Raumes versteckt, so die Idee, könnte es mehr Dimensionen geben, als wir dort sehen. Das ist also eine Erklärung, wie das Universum mehr Dimensionen haben könnte, als diejenigen, die wir sehen. Aber was ist mit der zweiten Frage, die ich gestellt habe? Funktioniert diese Theorie wirklich, wenn man sie in der realen Welt anwendet?
here is a little shape of a circle -- so small that we don't see them. But if you were a little ultra microscopic ant walking around, you could walk in the big dimensions that we all know about -- that's like the grid part -- but you could also access the tiny curled-up dimension that's so small that we can't see it with the naked eye or even with any of our most refined equipment. But deeply tucked into the fabric of space itself, the idea is there could be more dimensions, as we see there. Now that's an explanation about how the universe could have more dimensions than the ones that we see. But what about the second question that I asked: does the theory actually work when you try to apply it to the real world?
Nun, es zeigt sich, dass Einstein und Kaluza und viele andere zwar versucht haben dieses Konzept zu verfeinern und an der Physik des Universums, wie sie damals verstanden wurde, zu testen, aber im Detail funktionierte es nicht. Ein Detail war z.B.: Sie konnten die Masse des Elektrons nicht korrekt aus dieser Theorie ableiten. Nun haben viele Leute an ihr gearbeitet, aber mit den 40ern, spätestens den 50ern verschwand diese eigenartige, aber faszinierende Idee, wie man die Gesetze der Physik vereinheitlichen kann. Bis in unserer Zeit etwas Wunderbares passierte. In unserer Zeit gibt es einen neuen Ansatz zur Vereinigung der Gesetze der Physik, der von Physikern wie mir und vielen anderen weltweit verfolgt wird: Er nennt sich Superstring-Theorie, wie Sie bereits vermuten. und das Wunderbare dabei ist, dass die Superstring-Theorie auf den ersten Blick nichts mit der Idee der Extra-Dimensionen zu tun hat. Aber wenn wir die Superstring-Theorie genauer ansehen, bemerken wir, dass sie diese Idee auf glänzende Weise wiederbelebt.
Well, it turns out that Einstein and Kaluza and many others worked on trying to refine this framework and apply it to the physics of the universe as was understood at the time, and, in detail, it didn't work. In detail, for instance, they couldn't get the mass of the electron to work out correctly in this theory. So many people worked on it, but by the '40s, certainly by the '50s, this strange but very compelling idea of how to unify the laws of physics had gone away. Until something wonderful happened in our age. In our era, a new approach to unify the laws of physics is being pursued by physicists such as myself, many others around the world, it's called superstring theory, as you were indicating. And the wonderful thing is that superstring theory has nothing to do at first sight with this idea of extra dimensions, but when we study superstring theory, we find that it resurrects the idea in a sparkling, new form.
Ich will Ihnen zeigen, wie das funktioniert. Superstring-Theorie - Was ist das? Nun, es ist eine Theorie, die zu beantworten versucht: Was sind die grundlegenden, fundamentalen, untrennbaren, unteilbaren Bestandteile, aus denen alles in dieser Welt um uns herum aufgebaut ist? Die Idee geht wie folgt. Stellen wir uns vor, wir betrachten ein vertrautes Objekt, einfach eine Kerze in einem Halter, und stellen uns vor, wir wollten herausfinden woraus sie gemacht ist. Wir gehen also auf eine Reise tief in das Objekt hinein und untersuchen die Bestandteile. Nun, tief im Innern - wir alle wissen, wenn wir tief genug gehen, haben wir Atome. Wir alle wissen auch, dass Atome nicht das Ende der Geschichte sind. Sie haben kleine Elektronen, die um den zentralen Kern aus Neutronen und Protonen herumschwirren. Sogar Neutronen und Protonen bestehen aus kleineren Partikeln, den Quarks. Dort hören dann die herkömmlichen Vorstellungen auf.
So, let me just tell you how that goes. Superstring theory -- what is it? Well, it's a theory that tries to answer the question: what are the basic, fundamental, indivisible, uncuttable constituents making up everything in the world around us? The idea is like this. So, imagine we look at a familiar object, just a candle in a holder, and imagine that we want to figure out what it is made of. So we go on a journey deep inside the object and examine the constituents. So deep inside -- we all know, you go sufficiently far down, you have atoms. We also all know that atoms are not the end of the story. They have little electrons that swarm around a central nucleus with neutrons and protons. Even the neutrons and protons have smaller particles inside of them known as quarks. That is where conventional ideas stop.
Hier beginnt die neue Welt der Stringtheorie. Tief im Inneren all dieser Teilchen gibt es noch etwas anderes. Dieses "Andere" ist dieses tanzende Energie-Filament. Es sieht wie ein vibrierender Faden aus, daher stammt auch die Idee "String"-Theorie Und genauso wie die Saiten eines Cello unterschiedlich schwingen, können die eben gesehenen Fäden auch in verschiedenen Mustern schwingen. Nur produzieren sie nicht verschiedene Musiknoten, sondern die verschiedenen Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Wenn diese Ideen korrekt sind, sieht die ultramikroskopische Welt des Universums genau so aus. Sie ist aus einer immensen Anzahl dieser winzig kleinen Filamente aus pulsierender Energie aufgebaut, die in verschiedenen Frequenzen schwingen. Die verschiedenen Frequenzen ergeben die verschiedenen Teilchen. Die verschiedenen Teilchen sind verantwortlich für die große Vielfalt der Dinge um uns herum,
Here is the new idea of string theory. Deep inside any of these particles, there is something else. This something else is this dancing filament of energy. It looks like a vibrating string -- that's where the idea, string theory comes from. And just like the vibrating strings that you just saw in a cello can vibrate in different patterns, these can also vibrate in different patterns. They don't produce different musical notes. Rather, they produce the different particles making up the world around us. So if these ideas are correct, this is what the ultra-microscopic landscape of the universe looks like. It's built up of a huge number of these little tiny filaments of vibrating energy, vibrating in different frequencies. The different frequencies produce the different particles. The different particles are responsible for all the richness in the world around us.
und hier sehen Sie die Vereinheitlichung, weil Materieteilchen: Elektronen und Quarks, Strahlungsteilchen: Photonen, Gravitonen, alle aus einem einzigen Baustein aufgebaut sind. Materie und die Kräfte der Natur werden somit alle zusammengefasst unter der Überschrift der schwingenden Strings, und das ist es, was wir unter einer vereinheitlichten Theorie verstehen. Doch die Sache hat einen Haken. Wenn man sich die Mathematik der Stringtheorie ansieht, sieht man, dass sie in einem Universum mit nur drei Raumdimensionen nicht funktioniert. Sie funktioniert weder in einem Universum mit 4 Raumdimensionen, noch mit 5, noch mit 6. Zuletzt kann man die Gleichungen untersuchen und zeigen, dass sie nur in einem Universum mit zehn Raumdimensionen und einer Zeitdimension funktionieren. Das bringt uns direkt zurück zu der Idee von Kaluza und Klein, dass unsere Welt, bei richtiger Beschreibung, mehr Dimensionen hat als die, die wir sehen.
And there you see unification, because matter particles, electrons and quarks, radiation particles, photons, gravitons, are all built up from one entity. So matter and the forces of nature all are put together under the rubric of vibrating strings. And that's what we mean by a unified theory. Now here is the catch. When you study the mathematics of string theory, you find that it doesn't work in a universe that just has three dimensions of space. It doesn't work in a universe with four dimensions of space, nor five, nor six. Finally, you can study the equations, and show that it works only in a universe that has 10 dimensions of space and one dimension of time. It leads us right back to this idea of Kaluza and Klein -- that our world, when appropriately described, has more dimensions than the ones that we see.
Sie könnten nun darüber nachdenken und sagen: Gut, ich weiß, dass es OK, weißt Du, wenn Du Extra-Dimensionen hast und sie wirklich eng aufgerollt sind, genau, vielleicht werden wir sie dann gar nicht sehen, wenn sie klein genug sind. Aber wenn da drunten ein winziges Volk von grünen Männchen rumläuft und Du sie klein genug machst, dann würden wir sie auch nicht sehen, nicht wahr? Eine der weiteren Vorhersagen der Stringtheorie … Nein, das ist keine weitere Vorhersage der Stringtheorie,
Now you might think about that and say, well, OK, you know, if you have extra dimensions, and they're really tightly curled up, yeah, perhaps we won't see them, if they're small enough. But if there's a little tiny civilization of green people walking around down there, and you make them small enough, and we won't see them either. That is true. One of the other predictions of string theory -- no, that's not one of the other predictions of string theory.
(Gelächter)
(Laughter)
aber es stellt sich die Frage: Versuchen wir diese Extra-Dimensionen nur zu verstecken oder verraten sie uns etwas über diese Welt? In der verbleibenden Zeit, möchte ich Ihnen zwei ihrer Eigenschaften vorstellen. Die erste ist, dass viele von uns glauben, dass diese Extra-Dimensionen die Antwort auf die vielleicht letzte Frage der theoretischen Physik und theoretischen Wissenschaft beinhaltet. Diese Frage lautet: Wenn wir uns die Welt ansehen, wie es die Forscher in den letzten 100 Jahren getan haben, scheint es 20 Zahlen zu geben, die unser Universum fundamental beschreiben. Das sind Zahlen, wie die Masse von Teilchen, z.B. von Elektronen und Quarks, die Stärke der Gravitation, die Stärke der elektromagnetischen Kraft, also eine Liste von ungefähr 20 Zahlen, die mit einer unglaublichen Genauigkeit gemessen wurden, aber niemand hat eine Erklärung, warum diese Zahlen genau diese Werte haben, die sie haben.
But it raises the question: are we just trying to hide away these extra dimensions, or do they tell us something about the world? In the remaining time, I'd like to tell you two features of them. First is, many of us believe that these extra dimensions hold the answer to what perhaps is the deepest question in theoretical physics, theoretical science. And that question is this: when we look around the world, as scientists have done for the last hundred years, there appear to be about 20 numbers that really describe our universe. These are numbers like the mass of the particles, like electrons and quarks, the strength of gravity, the strength of the electromagnetic force -- a list of about 20 numbers that have been measured with incredible precision, but nobody has an explanation for why the numbers have the particular values that they do.
Nun, gibt die Stringtheorie hier eine Antwort? Noch nicht. Aber wir glauben, dass der Grund, warum diese Zahlen diese Werte haben, von der Gestalt der Extra-Dimensionen abhängen könnte, und das Wundervolle daran ist: Hätten diese Zahlen andere Werte, als die uns bekannten, würde das Universum, wie wir es kennen, nicht existieren. Das ist eine tiefgründige Frage. Warum sind diese Zahlen so exakt aufeinander abgestimmt, so dass Sterne leuchten und Planeten entstehen können. Wir erkennen also, dass jede Manipulation dieser Zahlen, - angenommen ich hätte hier 20 Knöpfe, und ließe Sie heraufkommen und damit herumspielen - nahezu jedes Verstellen würde unser Universum verschwinden lassen. Können wir also diese 20 Zahlen erklären? Die Stringtheorie schlägt vor, dass diese 20 Zahlen etwas mit den Extra-Dimensionen zu tun haben. Ich werde Ihnen zeigen was. Wenn wir über die Extra-Dimensionen in der Stringtheorie reden, geht es nicht um eine einzelne Extra-Dimension, wie in den früheren Ideen von Kaluza und Klein. Die Stringtheorie sagt nun über die Extra-Dimensionen, dass sie eine stark verflochtene Geometrie bilden.
Now, does string theory offer an answer? Not yet. But we believe the answer for why those numbers have the values they do may rely on the form of the extra dimensions. And the wonderful thing is, if those numbers had any other values than the known ones, the universe, as we know it, wouldn't exist. This is a deep question. Why are those numbers so finely tuned to allow stars to shine and planets to form, when we recognize that if you fiddle with those numbers -- if I had 20 dials up here and I let you come up and fiddle with those numbers, almost any fiddling makes the universe disappear. So can we explain those 20 numbers? And string theory suggests that those 20 numbers have to do with the extra dimensions. Let me show you how. So when we talk about the extra dimensions in string theory, it's not one extra dimension, as in the older ideas of Kaluza and Klein. This is what string theory says about the extra dimensions. They have a very rich, intertwined geometry.
Hier ein Beispiel von etwas, das als Calabi-Yau bekannt ist. Der Name ist nicht so wichtig, aber Sie können sehen, dass sich die Extra-Dimensionen in sich selbst falten und sich in einer sehr interessanten Form und Struktur verflechten. Und die Vorstellung ist, dass falls die Extra-Dimensionen so aussehen, dann würde die mikroskopische Struktur unseres gesamten Universums auf den kleinsten Skalen genau so aussehen. Wenn Sie Ihre Hand bewegen, würden Sie sie ständig um diese Extra-Dimensionen herumbewegen, aber sie sind so klein, dass wir nichts bemerken. Wie sieht nun der physikalische Bezug zu diesen 20 Zahlen aus?
This is an example of something known as a Calabi-Yau shape -- name isn't all that important. But, as you can see, the extra dimensions fold in on themselves and intertwine in a very interesting shape, interesting structure. And the idea is that if this is what the extra dimensions look like, then the microscopic landscape of our universe all around us would look like this on the tiniest of scales. When you swing your hand, you'd be moving around these extra dimensions over and over again, but they're so small that we wouldn't know it. So what is the physical implication, though, relevant to those 20 numbers?
Wenn Sie sich dazu dieses Instrument, ein Waldhorn, ansehen, erkennen Sie, wie die Schwingungen des Luftstroms durch die Form des Instruments beeinflusst werden. In der Stringtheorie sind nun alle diese Zahlen Abbilder für die Arten, wie ein String schwingen kann. Genau wie diese Luftströme durch die Windungen des Instruments beeinflusst werden, werden die Strings durch die Schwingungsmuster innerhalb der Geometrie beeinflusst, in der sie sich bewegen Lassen Sie mich also ein paar Strings einfügen, und wenn Sie sehen, wie diese kleinen Kerlchen herum vibrieren, - sie werden gleich hier sein - Sehen Sie, wie die Art ihrer Schwingung abhängt von der Geometrie der Extra-Dimensionen.
Consider this. If you look at the instrument, a French horn, notice that the vibrations of the airstreams are affected by the shape of the instrument. Now in string theory, all the numbers are reflections of the way strings can vibrate. So just as those airstreams are affected by the twists and turns in the instrument, strings themselves will be affected by the vibrational patterns in the geometry within which they are moving. So let me bring some strings into the story. And if you watch these little fellows vibrating around -- they'll be there in a second -- right there, notice that they way they vibrate is affected by the geometry of the extra dimensions.
Wenn wir also genau wüssten, wie die Extra-Dimensionen aussehen, - wir wissen es noch nicht, aber wenn es so wäre - sollten wir in der Lage sein die erlaubten Noten zu berechnen, also die erlaubten Schwingungsmuster. Und wenn wir die erlaubten Schwingungsmuster berechnen könnten, sollten wir auch diese 20 Zahlen berechnen können, Und wenn die Antwort, die wir durch unsere Berechnungen erhalten, übereinstimmt mit den Werten dieser Zahlen, die ermittelt wurden mit Hilfe von detaillierten und präzisen Experimenten, wäre dies in vielfacher Hinsicht die erste fundamentale Erklärung dafür, weshalb die Struktur des Universums so ist, wie sie ist. Mit dem zweiten Punkt möchte ich dann schließen. Wie können wir diese Extra-Dimensionen direkter untersuchen? Ist dies nur eine interessante mathematische Konstruktion, die vielleicht in der Lage ist, einige einstmals unverstandene Eigenschaften der Welt zu erklären, oder können wir diese Extra-Dimensionen tatsächlich nachweisen? Und wir glauben - und das ist, denke ich, sehr aufregend - dass wir so in den nächsten fünf Jahren in der Lage sein werden, die Existenz dieser Extra-Dimensionen zu prüfen.
So, if we knew exactly what the extra dimensions look like -- we don't yet, but if we did -- we should be able to calculate the allowed notes, the allowed vibrational patterns. And if we could calculate the allowed vibrational patterns, we should be able to calculate those 20 numbers. And if the answer that we get from our calculations agrees with the values of those numbers that have been determined through detailed and precise experimentation, this in many ways would be the first fundamental explanation for why the structure of the universe is the way it is. Now, the second issue that I want to finish up with is: how might we test for these extra dimensions more directly? Is this just an interesting mathematical structure that might be able to explain some previously unexplained features of the world, or can we actually test for these extra dimensions? And we think -- and this is, I think, very exciting -- that in the next five years or so we may be able to test for the existence of these extra dimensions.
Hier die Erklärung. Am CERN, in Genf, in der Schweiz wird eine Maschine namens "Large Hadron Collider" (LHC) gebaut. Das ist eine Maschine, die Teilchen in einem runden Tunnel mit fast Lichtgeschwindigkeit entgegengesetzt aufeinander schießt. Jedes Mal, wenn diese Teilchen aufeinander treffen ergibt sich eine Frontalkollision. Wenn die Kollision genug Energie hat, so die Hoffnung, könnte sie etwas von den Bruchstücken der Kollision von unseren Dimensionen in die anderen Dimensionen zwängen. Wie können wir das überprüfen? Wir messen die Energiemenge nach der Kollision, vergleichen diese mit der ursprünglichen Energie und wenn sich dabei ein Energieverlust ergibt, haben wir den Beweis dass Energie weggestreut wurde. Und wenn sie in der Art verschwindet, wie wir das ausrechnen, haben wir den Beweis für die Existenz der Extra-Dimensionen.
Here's how it goes. In CERN, Geneva, Switzerland, a machine is being built called the Large Hadron Collider. It's a machine that will send particles around a tunnel, opposite directions, near the speed of light. Every so often those particles will be aimed at each other, so there's a head-on collision. The hope is that if the collision has enough energy, it may eject some of the debris from the collision from our dimensions, forcing it to enter into the other dimensions. How would we know it? Well, we'll measure the amount of energy after the collision, compare it to the amount of energy before, and if there's less energy after the collision than before, this will be evidence that the energy has drifted away. And if it drifts away in the right pattern that we can calculate, this will be evidence that the extra dimensions are there.
Ich zeige Ihnen das im Film. Stellen Sie sich vor, wir haben ein bestimmtes Teilchen, genannt Graviton. Das ist die Art von Bruchstücken, die wir erwarten ausgestoßen zu werden, falls es die Extra-Dimensionen gibt. Das Experiment funktioniert dann so. Man nimmt diese Teilchen, man knallt sie zusammen. Man knallt sie zusammen, und wenn wir recht haben, geht ein Teil der Kollisionsenergie in die Bruchstücke, die dann in diese Extra-Dimensionen fliegen. Das ist also das Experiment, das wir so in den nächsten 5, 7 oder 10 Jahren erwarten, und wenn dieses Experiment funktioniert, wenn wir diese Art von Teilchenemission sehen und feststellen, dass sich nachher in unseren Dimensionen weniger Energie befindet als vorher, zeigt das, dass die Extra-Dimensionen real sind.
Let me show you that idea visually. So, imagine we have a certain kind of particle called a graviton -- that's the kind of debris we expect to be ejected out, if the extra dimensions are real. But here's how the experiment will go. You take these particles. You slam them together. You slam them together, and if we are right, some of the energy of that collision will go into debris that flies off into these extra dimensions. So this is the kind of experiment that we'll be looking at in the next five, seven to 10 years or so. And if this experiment bears fruit, if we see that kind of particle ejected by noticing that there's less energy in our dimensions than when we began, this will show that the extra dimensions are real.
Für mich ist das wirklich eine bemerkenswerte Geschichte und eine außergewöhnliche Gelegenheit. Zurück zu Newton und dem absolutem Raum, der nicht mehr brachte, als eine Arena oder Bühne, auf der die Ereignisse des Universums stattfinden. Einstein kommt vorbei und sagt: Raum und Zeit können sich verzerren und krümmen, das ist Gravitation. Und jetzt kommt die Stringtheorie daher und sagt: Ja, Gravitation, Quantenmechanik, Elektromagnetismus passen alle zusammen in ein Paket, aber nur, wenn das Universum mehr Dimensionen hat, als die, die wir sehen, und hier haben wir ein Experiment, das zu unseren Lebzeiten genau das testen wird. Eine fantastische Möglichkeit. Vielen Dank.
And to me this is a really remarkable story, and a remarkable opportunity. Going back to Newton with absolute space -- didn't provide anything but an arena, a stage in which the events of the universe take place. Einstein comes along and says, well, space and time can warp and curve -- that's what gravity is. And now string theory comes along and says, yes, gravity, quantum mechanics, electromagnetism, all together in one package, but only if the universe has more dimensions than the ones that we see. And this is an experiment that may test for them in our lifetime. Amazing possibility. Thank you very much.
(Applaus)
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