Το έτος 1919, ένας σχεδόν άγνωστος γερμανός μαθηματικός με το όνομα Θεοδόρ Καλούζα πρότεινε μια πολύ τολμηρή και, κατά κάποιο τρόπο, πολύ περίεργη ιδέα. Πρότεινε ότι το σύμπαν μας μπορεί να έχει περισσότερες από τις τρεις διαστάσεις που όλοι μας ξέρουμε. Επιπλέον των γνωστών διαστάσεων του χώρου (μήκος, πλάτος, ύψος), ο Καλούζα πρότεινε ότι ενδέχεται να υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις στο χώρο που για κάποιο λόγο δεν τις βλέπουμε ακόμα. Τώρα, όταν κάποιος έχει μια τολμηρή και περίεργη ιδέα, μερικές φορές είναι ακριβώς αυτό - τολμηρή και περίεργη - αλλά δεν σχετίζεται με τίποτα με κόσμο γύρω μας. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη ιδέα, αν και δεν ξέρουμε ακόμα αν είναι σωστή ή λάθος, και στο τέλος θα αναφέρω πειράματα που στα επόμενα χρόνια ίσως μας πουν αν είναι σωστή ή λάθος, η ιδέα αυτή είχε πολύ μεγάλη επίδραση στη Φυσική τον τελευταίο αιώνα και συνεχίζει να επηρεάζει πολλές προχωρημένες έρευνες.
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.
Γι' αυτό, θα ήθελα να σας μιλήσω για την ιστορία αυτών των επιπλέον διαστάσεων. Που πάμε λοιπόν; Για να ξεκινήσουμε, χρειάζεται να κάνουμε μια μικρή αναδρομή στο παρελθόν. Πάμε στο 1907. Είναι η χρονιά όπου ο Αινστάιν καταξιώνεται υπό τη λάμψη της ανακάλυψης της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας και αποφασίζει να αναλάβει μια νέα εργασία: να προσπαθήσει να καταλάβει πλήρως τη μεγάλη, διεισδυτική δύναμη της βαρύτητας. Και εκείνη τη στιγμή υπήρχαν πολλοί άνθρωποι τριγύρω που πίστευαν ότι αυτή η υπόθεση είχε ήδη επιλυθεί. Ο Νιούτον είχε δώσει στον κόσμο μία θεωρία της βαρύτητας στα τέλη του 1600 που λειτουργεί σωστά, περιγράφει την κίνηση των πλανητών, την κίνηση της Σελήνης κλπ, την κίνηση των "απόκρυφων" μήλων που πέφτουν από τα δέντρα και χτυπούν τους ανθρώπους στο κεφάλι. Όλα τα παραπάνω μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας τη θεωρία του Νιούτον.
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.
Αλλά ο Αινστάιν συνειδητοποίησε ότι ο Νιούτον είχε αφήσει κάτι έξω από τη θεωρία του, κάτι που και ο ίδιος ο Νιούτον είχε γράψει πως, αν και καταλάβαινε πως μπορεί να υπολογίσει το φαινόμενο της βαρύτητας, δεν μπορούσε να καταλάβει πως πραγματικά λειτουργεί. Πως γίνεται ο Ήλιος, 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά, να επηρεάζει την κίνηση της Γης; Πως μπορεί ο Ήλιος να "επεκταθεί" μέσω του, άδειου από ενέργεια, διαστήματος και να ασκήσει την επιρροή του; Αυτή είναι μια εργασία που έθεσε ο Αινστάιν στον εαυτό του: να καταλάβει πως λειτουργεί η βαρύτητα. Και θα σας πω τι βρήκε. Ο Αινστάιν ανακάλυψε ότι το μέσο που μεταδίδει τη βαρύτητα είναι ο ίδιος ο χώρος. Η ιδέα έχει ως εξής: φανταστείτε ότι ο χώρος είναι ένα υπόστρωμα όλων όσων υπάρχουν.
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.
Ο Αινστάιν είπε ότι ο χώρος είναι ωραίος και επίπεδος, όταν δεν υπάρχει μάζα παρούσα. Εάν όμως υπάρχει παρούσα μάζα, όπως ο Ήλιος, αναγκάζει την υφή του διαστήματος να στρεβλωθεί, να καμπυλωθεί. Και αυτό μεταδίδει τη δύναμη της βαρύτητας. Ακόμα και η Γη καμπυλώνει το χώρο γύρω της. Κοιτάξτε τώρα τη Σελήνη. Η Σελήνη παραμένει σε τροχιά, σύμφωνα με αυτές τις ιδέες, επειδή περιστρέφεται γύρω από μια κοιλάδα στο κυρτό αυτό περιβάλλον όπου ο Ήλιος, η Γη και η Σελήνη δημιουργούν εξαιτίας της παρουσίας τους. Ας το δούμε όλο μαζί συγκεντρωτικά. Η ίδια η Γη παραμένει σε τροχιά λόγω του ότι περιστρέφεται σε μια κοιλάδα σε ένα καμπύλο περιβάλλον εξαιτίας της ύπαρξης του Ήλιου. Αυτή είναι η νέα ιδέα για το πως ακριβώς λειτουργεί η βαρύτητα.
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.
Τώρα, αυτή η ιδέα δοκιμάστηκε το 1919 μέσω αστρονομικών παρατηρήσεων. Όντως δουλεύει. Περιγράφει τα δεδομένα. Και έδωσε στον Αινστάιν τη παγκόσμια διάκριση. Και αυτό έβαλε τον Καλούζα σε σκέψεις. Και αυτός, όπως και ο Αινστάιν, έψαχναν αυτό που λέγεται "Ενοποιημένη Θεωρία". Αυτή είναι μια θεωρία που θα μπορούσε να περιγράψει όλες τις δυνάμεις τις φύσεις από μία ομάδα ιδεών, μια ομάδα αρχών, μια "κύρια" εξίσωση, αν θέλετε. Έτσι, ο Καλούζα είπε στον εαυτό του, ο Αινστάιν μπόρεσε να περιγράψει τη βαρύτητα με τους όρους των στρεβλώσεων και των καμπυλώσεων στο χώρο, για την ακρίβεια, στο χώρο και στο χρόνο. Ίσως μπορώ και εγώ να "παίξω" το ίδιο παιχνίδι με την άλλη γνωστή δύναμη, η οποία ήταν, εκείνη τη στιγμή, γνωστή ως ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Σήμερα γνωρίζουμε και άλλες, αλλά τότε αυτή ήταν η μόνη άλλη δύναμη για την οποία μιλούσαν όλοι. Ξέρετε, τη δύναμη που είναι υπεύθυνη για τον ηλεκτρισμό και τη μαγνητική έλξη κλπ.
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.
Έτσι, ο Καλούζα λέει ότι ίσως μπορώ να "παίξω" το ίδιο παιχνίδι και να περιγράψω την ηλεκτρομαγνητική δύναμη με όρους στρέβλωσης και καμπύλωσης. Αυτό έθεσε το ερώτημα: στρεβλώσεις και καμπυλώσεις σε τι; Ο Αινστάιν είχε ήδη χρησιμοποιήσει το χώρο και το χρόνο, στρεβλώσεις και καμπυλώσεις, για να περιγράψει τη βαρύτητα. Δε φαινόταν να υπάρχει κάτι άλλο για να στρεβλώθει ή να καμπυλωθεί. Έτσι λοιπόν, ο Καλούζα είπε ότι ίσως υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις στο χώρο. Είπε, αν θέλω να περιγράψω μια ακόμα δύναμη, ίσως χρειάζομαι μία ακόμη διάσταση. Έτσι, φαντάστηκε ότι ο κόσμος είχε τέσσερις διαστάσεις χώρου, όχι τρεις, και υπέθεσε ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός ήταν στρεβλώσεις και καμπύλες σε αυτή την τέταρτη διάσταση. Τώρα, υπάρχει ένα θέμα: όταν έγραψε τις εξισώσεις που περιγράφουν τις στρεβλώσεις και τις καμπυλώσεις σε ένα σύμπαν με τέσσερις διαστάσεις, όχι τρεις, ανακάλυψε τις παλιές εξισώσεις του Αινστάιν που είχαν ήδη προκύψει για τις τρεις διαστάσεις - αυτές ήταν για τη βαρύτητα - αλλά βρήκε ακόμα μια εξίσωση, λόγω της επιπλέον διάστασης. Και όταν κοίταξε αυτή τη εξίσωση δεν ήταν άλλη από την εξίσωση που οι επιστήμονες καιρό γνώριζαν ότι περιέγραφε την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Εντυπωσιακό - απλά εμφανίστηκε. Ήταν τόσο πολύ ενθουσιασμένος από αυτή τη διαπίστωση που άρχισε να τρέχει μέσα στο σπίτι του φωνάζοντας "Νίκη!" θεωρώντας ότι είχε ανακαλύψει την Ενοποιημένη Θεωρία.
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.
Είναι ξεκάθαρο, ότι ο Καλούζα ήταν ένας άνθρωπος που έπαιρνε τη θεωρία πάρα πολύ στα σοβαρά. Για την ακρίβεια, σύμφωνα με μια ιστορία, όταν ήθελε να μάθει να κολυμπάει, διάβασε ένα βιβλίο διατριβή για την κολύμβηση (Γέλια) και μετά βούτηξε στον ωκεανό. Αυτός είναι ένας άνθρωπος που θα ρίσκαρε τη ζωή του βασιζόμενος στη Θεωρία. Τώρα, για όλους εμάς που είμαστε λίγο περισσότερο πρακτικοί, δύο ερωτήματα προκύπτουν άμεσα από αυτή του την παρατήρηση. Πρώτον: αν υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις στο χώρο, που βρίσκονται; Δεν φαίνεται ότι μπορούμε να τις δούμε. Και δεύτερον: λειτουργεί άραγε αυτή η θεωρία με λεπτομέρεια όταν προσπαθήσεις να την εφαρμόσεις στον κόσμο μας; Το πρώτο ερώτημα απαντήθηκε το 1926 από τον Όσκαρ Κλάιν. Αυτός πρότεινε ότι οι διαστάσεις μπορεί να είναι δύο ειδών. Μπορεί να είναι μεγάλες, εύκολα ορατές διαστάσεις, αλλά μπορεί να είναι και μικροσκοπικές, "κουβαριασμένες" διαστάσεις, τόσο πολύ "κουβαριασμένες" που, αν και υπάρχουν παντού γύρω μας, δεν μπορούμε να τις δούμε.
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.
Επιτρέψτε μου να σας το παρουσιάσω αυτό οπτικά. Φανταστείτε ότι κοιτάζεται κάτι, όπως ένα καλώδιο που στηρίζει ένα φανάρι κυκλοφορίας. Βρίσκεται στο Μανχάταν, στο Σέντραλ Παρκ - άσχετο - αλλά το καλώδιο φαίνεται μονοδιάστατο από μακριά, αλλά εσείς και εγώ ξέρουμε ότι έχει κάποιο πάχος. Όμως, είναι πολύ δύσκολο να το δούμε, από αυτή την απόσταση. Αλλά αν μεγενθύνουμε και το δούμε από την οπτική, ας πούμε ενός μικρού μυρμηγκιού που περπατάει πάνω του - τα μυρμήγκια είναι τόσο μικρά που μπορούν να διασχίσουν όλες τις διαστάσεις - τη μακρινή διάσταση, αλλά και αυτή τη μικρότερη δεξιόστροφη, αριστερόστροφη κατεύθυνση. Ελπίζω να το εκτιμάται αυτό. Μας πήρε πολύ καιρό να αναγκάσουμε τα μυρμήγκια να το κάνουν αυτό.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Αλλά αυτό απεικονίζει το γεγονός ότι οι διαστάσεις μπορούν να είναι δύο ειδών: Μικρές και μεγάλες. Και η ιδέα ότι ίσως οι μεγάλες διαστάσεις γύρω μας είναι αυτές που μπορούμε εύκολα να δούμε, αλλά μπορεί να υπάρχουν επιπλέον "κουβαριασμένες" διαστάσεις, περίπου όπως το κυκλικό τμήμα εκείνου του καλωδίου, τόσο μικρές που μέχρι τώρα παρέμεναν αόρατες. Επιτρέψτε μου να σας δείξω πως αυτό θα μπορούσε να είναι. Αν δούμε, για παράδειγμα, τον ίδιο το χώρο μπορώ να σας δείξω, φυσικά, δύο διαστάσεις στην οθόνη. Μερικοί από εσάς μπορεί να το διορθώσετε αυτό κάποια μέρα, αλλά οτιδήποτε δεν είναι επίπεδο σε μια οθόνη είναι μια νέα διάσταση, γίνεται μικρό, μικρότερο, ακόμα πιο μικρό, και κατεβαίνουμε στα μικροσκοπικά βάθη του ίδιου του χώρου, αυτή είναι η ιδέα: θα μπορούσαμε να έχουμε επιπλέον "κουβαριασμένες" διαστάσεις.
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 --
Αυτό είναι το σχήμα ενός μικρού κύκλου, τόσο μικρού που δεν μπορούμε να τον δούμε. Αλλά αν είσασταν ένα πάρα πολύ μικροσκοπικό περιπλανώμενο μυρμήγκι θα μπορούσατε να περπατάτε στις μεγάλες διαστάσεις που όλοι ξέρουμε - όπως στο τμήμα του πλέγματος - αλλά θα μπορούσατε επίσης να έχετε πρόσβαση στην πολύ μικρή "κουβαριασμένη" διάσταση που είναι τόσο μικρή που δεν μπορούμε να τη δούμε με γυμνό μάτι ούτε ακόμα με τον πιο εκλεπτισμένο εξοπλισμό που διαθέτουμε. Αλλά βαθιά κρυμμένη μέσα στη δομή του ίδιου του χώρου, η ιδέα είναι ότι μπορούν να υπάρχουν περισσότερες διαστάσεις, όπως τις βλέπουμε εδώ. Τώρα, αυτή είναι μια εξήγηση για το πως το σύμπαν θα μπορούσε να έχει περισσότερες διαστάσεις από αυτές που βλέπουμε. Τι γίνεται όμως με το δεύτερο ερώτημα; Αυτή η θεωρία λειτουργεί όταν προσπαθήσουμε να την εφαρμόσουμε στον πραγματικό κόσμο;
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?
Λοιπόν, διαφένεται ότι οι Αινστάιν και Καλούζα, και πολλοί άλλοι, δούλεψαν προσπαθώντας να τελειοποιήσουν αυτό το πλαίσιο και να το εντάξουν στη Φυσική του σύμπαντος, όπως ήταν κατανοητό εκείνη την εποχή, και στη λεπτομέρεια δεν δούλεψε. Λεπτομερέστερα, για παράδειγμα, δεν μπόρεσαν να κάνουν τη μάζα του ηλεκτρόνιου να δουλέψει σωστά σε αυτή τη θεωρία. Τόσοι πολλοί άνθρωποι δούλεψαν πάνω σε αυτό, αλλά μέχρι τη δεκαετία του '40, σίγουρα μέχρι του '50, αυτή η περίεργη, αλλά πολύ ακαταμάχητη ιδέα, του πως να ενοποιήσουν τους Νόμους της Φυσικής εξαφανίστηκε. Μέχρι που κάτι υπέροχο συνέβη στις μέρες μας. Στην εποχή μας, μια νέα προσέγγιση για την ενοποίηση των Νόμων της Φυσικής επιδιώκεται από φυσικούς σαν εμένα, και πολλούς άλλους ανά τον κόσμο, ονομάζεται Θεωρία των Υπερχορδών, όπως καταδυκνύεται. Και το υπέροχο είναι ότι η Θεωρία των Υπερχορδών δεν έχει να κάνει καθόλου, με μια πρώτη ματιά, με την ιδέα των επιπλέον διαστάσεων, αλλά όταν μελετήσουμε τη Θεωρία των Υπερχορδών, διαπιστώνουμε ότι επαναφέρει στο προσκήνιο την ιδέα με μια λαμπερή νέα μορφή.
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.
Επιτρέψτε μου να σας δείξω πως γίνεται. Θεωρία των Υπερχορδών. Τι είναι; Είναι, λοιπόν, μια θεωρία που προσπαθεί να απαντήσει στο ερώτημα: ποια είναι τα βασικά, θεμελιώδη, αδιαίρετα, άτμητα δομικά στοιχεία από τα οποία έχουν δημιουργηθεί τα πάντα στον κόσμο γυρω μας; Η ιδέα έχει ως εξής: Φανταστείτε ότι κοιτάζουμε ένα πολύ οικείο αντικείμενο, ένα απλό κερί σε ένα κηροπήγιο, και ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να βρούμε από τι αποτελείται αυτό. Έτσι, κάνουμε ένα ταξίδι βαθιά μέσα στο αντικείμενο και εξετάζουμε τα συστατικά του. Βαθιά μέσα στην ύλη, όλοι μας γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τα άτομα. Επίσης, ξέρουμε ότι τα άτομα δεν είναι το τέλος της ιστορίας. Αυτά έχουν μικρά ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα νετρονίων και πρωτονίων. Ακόμα τα νετρόνια και τα πρωτόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, γνωστά ως κουάρκ. Εδώ σταματούν οι συμβατικές ιδέες.
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.
Εδώ έρχεται η νέα ιδέα της Θεωρίας των Χορδών. Βαθιά μέσα σε αυτά τα σωματίδια, υπάρχει κάτι άλλο. Αυτό το κάτι άλλο είναι ένα νήμα ενέργειας που χορεύει. Μοιάζει με μια παλλόμενη χορδή - από αυτό προέρχεται και η ιδέα της θεωρίας - Και όπως ακριβώς οι παλλόμενες χορδές που μόλις είδατε σε ένα τσέλο μπορούν να δονούνται με διαφορετικά μοτίβο, έτσι μπορούν και αυτές να δονούνται με διαφορετικά μοτίβο. Δεν παράγουν διαφορετικές μουσικές νότες. Αντί αυτών, παράγουν τα διαφορετικά σωματίδια που συνθέτουν τον κόσμο γύρω μας. Έτσι, αν αυτές οι ιδέες είναι σωστές, κάπως έτσι θα είναι το υπερμικροσκοπικό τοπίο του σύμπαντος. Είναι φτιαγμένο από ένα τεράστιο αριθμό από αυτά τα μικροσκοπικά νήματα από παλλόμενη ενέργεια, δονούμενα σε διαφορετικές συχνότητες. Οι διαφορετικές συχνότητες παράγουν τα διαφορετικά σωματίδια. Τα διαφορετικά σωματίδια είναι υπεύθυνα για όλο τον πλούτο του κόσμου γύρω μας.
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.
Και εκεί βλέπετε την ενοποίηση, γιατί σωματίδια ύλης, ηλεκτρόνια και κουάρκ, σωματίδια ακτινοβολίας, φωτόνια, βαρυτόνια, έχουν όλα δημιουργηθεί από μία οντότητα. Έτσι, η ύλη και οι δυνάμεις της φύσης τοποθετούνται μαζί υπό τη σκέπη των παλλόμενων χορδών. Και αυτό εννοούμε με τον όρο Ενοποιημένη Θεωρία. Υπάρχει όμως μια παγίδα. Εάν μελετήσετε τα μαθηματικά της Θεωρίας Χορδών, θα διαπιστώσετε ότι δεν λειτουργεί σε ένα σύμπαν που έχει μόνο τρεις διαστάσεις χώρου. Δεν λειτουργεί σε ένα σύμπαν με τέσσερις διαστάσεις χώρου, ούτε πέντε, ούτε έξι. Τελικά, μπορούμε να μελετήσουμε τις εξισώσεις και να αποδείξουμε ότι λειτουργούν μόνο σε ένα σύμπαν που έχει δέκα διαστάσεις χώρου και μια διάσταση χρόνου. Μας οδήγησε πίσω στην ιδέα των Καλούζα και Κλάιν, ότι ο κόσμος μας, όταν περιγραφετε σωστά, έχει επιπλέον διαστάσεις από αυτές που βλέπουμε.
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.
Τώρα, μπορεί να το σκεφτείτε αυτό και να πείτε, εντάξει, ξέρεις αν έχεις επιπλέον διαστάσεις, και είναι τόσο σφικτά "κουβαριασμένες", ναι, ίσως δεν μπορούμε να τις δούμε αν είναι τόσο μικρές. Αλλά, αν υπάρχει ένας μικροσκοπικός πολιτισμός από πράσινα ανθρωπάκια που περιφέρονται εκεί κάτω και τα κάνεις τόσο μικρά που επίσης δεν θα μπορούμε να τα δούμε, αυτό είναι αλήθεια. Μια από τις άλλες προβλέψεις της Θεωρίας των Χορδών. Όχι, αυτό δεν είναι μια από τις άλλες προβλέψεις της Θεωρίας των Χορδών.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Αλλά προκύπτει το ερώτημα: προσπαθούμε απλά να κρύψουμε αυτές τις παραπάνω διαστάσεις ή μας λένε κάτι για τον κόσμο; Στο χρόνο που απομένει, θα ήθελα να σας αναφέρω δυο χαρακτηριστικά. Πρώτον, πολλοί από εμάς πιστεύουμε ότι αυτές οι παραπάνω διαστάσεις έχουν την απάντηση στο πιθανά βαθύτερο ερώτημα της Θεωρητικής Φυσικής, της Θεωρητικής Επιστήμης. Και το ερώτημα αυτό είναι: όταν κοιτάζουμε τον κόσμο, όπως έχουν κάνει οι επιστήμονες τα τελευταία εκατό χρόνια, διαφαίνεται ότι υπάρχουν περίπου είκοσι αριθμοί οι οποίοι πραγματικά περιγράφουν το σύμπαν μας. Αυτοί είναι αριθμοί, όπως η μάζα των σωματιδίων, τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ, η δύναμη της βαρύτητας, η δύναμη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. μια λίστα από περίπου είκοσι αριθμούς που έχουν μετρηθεί με απίστευτη ακρίβεια, αλλά κανείς δεν έχει μια εξήγηση γιατί αυτοί οι αριθμοί έχουν τις συγκεκριμένες αυτές τιμές.
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.
Τώρα, μας δίνει κάποια απάντηση η Θεωρία των Χορδών; Όχι ακόμα. Αλλά πιστεύουμε πως η απάντηση στο γιατί αυτοί οι αριθμοί έχουν αυτές τις τιμές μπορεί να βασίζετε στη μορφή των επιπλέον διαστάσεων. Και το υπέροχο πράγμα είναι ότι, αν αυτοί οι αριθμοί είχαν οποιεσδήποτε άλλες τιμές από τις γνωστές, το σύμπαν, όπως το γνωρίζουμε, δε θα υπήρχε. Αυτό είναι ένα βαθύτερο ερώτημα. Γιατί όλοι αυτοί οι αριθμοί είναι τόσο καλά "ρυθμισμένοι" που επιτρέπουν στα αστέρια να λάμπουν και στους πλανήτες να σχηματίζονται, όταν αναγνωρίζουμε πως αν "πειράξουμε" αυτούς τους αριθμούς - αν είχα εδώ είκοσι αριθμούς και σας άφηνα να έρθετε πάνω και να παίξετε με αυτούς τους αριθμούς - σχεδόν κάθε αλλαγή θα έκανε το σύμπαν να εξαφανιστεί. Μπορούμε λοιπόν να εξηγήσουμε αυτούς τους είκοσι αριθμούς; Η Θεωρία Χορδών προτείνει ότι αυτοί οι είκοσι αριθμοί έχουν να κάνουν με τις επιπλέον διαστάσεις. Επιτρέψτε μου να σας δείξω πως. 'Ετσι λοιπόν, όταν μιλάμε για τις επιπλέον διαστάσεις στη Θεωρία των Χορδών, δεν είναι μία επιπλέον διάσταση, όπως στις παλιές ιδέες των Καλούζα και Κλάιν. Αυτό λέει η Θεωρία των Χορδών για τις επιπλέον διαστάσεις. Έχουν μια πολύ πλούσια, διαπλεκόμενη γεωμετρία.
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.
Αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός σχήματος που είναι γνωστό ως πολλαπλότητα Καλάμπι-Γιάου - το όνομα δεν είναι και τόσο σημαντικό. Αλλά, όπως μπορείτε να δείτε, οι επιπλέον διαστάσεις διπλώνονται εσωτερικά και διαπλέκονται σχηματίζοντας ένα πολύ ενδιαφέρων σχήμα, μια ενδιαφέρουσα κατασκευή. Και η ιδέα είναι πως αν έτσι μοιάζουν οι επιπλέον διαστάσεις, τότε το μικροσκοπικό τοπίο του σύμπαντος γύρω μας θα έμοιαζε σαν και αυτό στη μικροσκοπική κλίμακα. Όταν κουνάτε το χέρι σας, το περνάτε γύρω και μέσα από αυτές τις επιπλέον διαστάσεις ξανά και ξανά, αλλά είναι τόσο μικρές που δεν το αντιλαμβάνεστε. Λοιπόν, ποιος είναι ο φυσικός υπαινιγμός που σχετίζεται με αυτούς τους είκοσι αριθμούς;
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?
Αναλογιστείτε αυτό: Αν κοιτάξετε ένα μουσικό όργανο, τη γαλλική τρομπέτα, προσέξτε ότι οι δονήσεις στη ροή του αέρα επηρεάζονται από το σχήμα του οργάνου. Τώρα, στη Θεωρία Χορδών, όλοι οι αριθμοί είναι αντανακλάσεις του τρόπου με τον οποίο οι χορδές δονούνται. Έτσι όπως η ροή του αέρα επηρεάζεται από τις στροφές και μεταβολές του οργάνου, οι ίδιες οι χορδές θα επηρεαστούν από τα μοτίβο των δονήσεων στο γεωμετρικό χώρο μέσα στον οποίο κινούνται. Ας φέρω μερικές χορδές στην ιστορία μας. Και αν δείτε αυτές τις μικρές να δονούνται τριγύρω - θα εμφανιστούν σε λίγο - εκεί ακριβώς, παρατηρείστε ότι ο τρόπος που δονούνται επηρεάζεται από τη γεωμετρία των επιπλέον διαστάσεων.
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.
Έτσι, αν γνωρίζαμε ακριβώς με τι μοιάζουν οι επιπλέον διαστάσεις - δεν γνωρίζουμε ακόμα, αλλά αν γνωρίζαμε - θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε τις επιτρεπόμενες "νότες", τα επιτρεπόμενα παλλόμενα μοτίβο. Και αν μπορούσαμε να υπολογίσουμε τα επιτρεπόμενα παλλόμενα μοτίβο, θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε εκείνους τους είκοσι αριθμούς. Και αν η απάντηση που θα παίρναμε από τους υπολογισμούς συμφωνούσε με τις τιμές από αυτούς τους αριθμούς που έχουν καθορισθεί μέσα από λεπτομερή και ακριβή πειραματισμό, αυτή, με πολλούς τρόπους, θα ήταν η πρώτη θεμελιώδης εξήγηση του γιατί η δομή του σύμπαντος είναι αυτή που είναι. Τώρα, το δεύτερο θέμα με το οποίο θέλω να καταλήξω, είναι: πως θα μπορούσαμε να ερευνήσουμε αυτές τις επιπλέον διαστάσεις πιο άμεσα; Είναι απλά μια ενδιαφέρουσα μαθηματική δομή που πιθανόν να μπορεί να εξηγήσει κάποια προηγουμένως ανεξήγητα χαρακτηριστικά του κόσμου ή όντως μπορούμε να ελέγξουμε για αυτές τις επιπλέον διαστάσεις; Και νομίζουμε - και αυτό είναι πιστεύω πολύ συναρπαστικό - ότι στα επόμενα περίπου πέντε χρόνια ίσως μπορούμε να ελέγξουμε την ύπαρξη αυτών των επιπλέον διαστάσεων.
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.
Να πως: Στο CERN, της Γενεύης στην Ελβετία, μια μηχανή είναι υπό κατασκευή που ονομάζεται Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων. Είναι μια κατασκευή που θα στέλνει σωματίδια γύρω από ένα τούνελ, σε αντίθετες κατευθύνσεις, σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Κάθε τόσο, αυτά τα σωματίδια θα στοχεύουν το ένα το άλλο, έτσι θα έχουμε μια μετωπική σύγκρουση. Ελπίζουμε ότι αν η σύγκρουση έχει αρκετή ενέργεια, μπορεί να εκτοξεύσει μερικά από τα συντρίμια της σύγκρουσης εκτός των διαστάσεων μας, αναγκάζοντάς τα να εισέλθουν στις επιπλέον διαστάσεις. Πως θα το γνωρίζουμε αυτό; Θα μετρήσουμε, λοιπόν, το ποσό της ενέργειας μετά την σύγκρουση, θα το συγκρίνουμε με το ποσό της ενέργειας πριν τη σύγκρουση και αν υπάρχει λιγότερη ενέργεια μετά την σύγκρουση από ότι πριν, αυτό θα αποτελεί απόδειξη ότι η ενέργεια θα έχει μεταφερθεί. Και αν μεταφερθεί με κατάλληλο τρόπο ώστε να μπορούμε να την υπολογίσουμε, αυτό θα αποτελεί απόδειξη ότι οι επιπλέον διαστάσεις υπάρχουν.
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.
Ας δούμε αυτή την ιδέα οπτικά. Φανταστείτε ότι έχουμε ένα συγκεκριμένο είδος σωματιδίου, το οποίο ονομάζεται βαρυτόνιο. Αυτό είναι το είδος των συντριμμιών που αναμένουμε να εκτοξευτούν εάν οι επιπλέον διαστάσεις είναι αληθινές. Δείτε πως θα είναι αυτό το πείραμα. Παίρνετε αυτά τα σωματίδια. Τα συγκρούεται μεταξύ τους. Τα συγκρούεται μεταξύ τους και, αν έχουμε δίκιο, κάποια από την ενέργεια αυτής της σύγκρουσης θα πάει στα συντρίμμια που θα μεταπηδήσουν σε αυτές τις επιπλέον διαστάσεις. Αυτό είναι λοιπόν το είδος του πειράματος που θα παρατηρούμε στα επόμενα περίπου πέντε, επτά, δέκα χρόνια. Και εάν αυτό το πείραμα αποφέρει καρπούς, εάν δούμε αυτού του είδους το σωματίδιο να εκτοξεύεται με το που δούμε ότι υπάρχει έλλειμα ενέργειας στις διαστάσεις μας από ότι όταν ξεκίνησαμε, αυτό θα αποδεικνύει ότι οι επιπλέον διαστάσεις είναι πραγματικότητα.
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.
Και για εμένα αυτό είναι μια πάρα πολύ αξιόλογη ιστορία και μια αξιόλογη ευκαιρία. Γυρνώντας πίσω στο Νιούτον με το απόλυτο χώρο - που δεν παρείχε τίποτα άλλο από την αρένα, τη σκηνή στην οποία διαδραματίζονται τα γεγονότα του σύμπαντος. Έρχεται λοιπόν ο Αινστάιν και λέει: Λοιπόν, χώρος και χρόνος μπορούν να στρεβλωθούν και να καμπυλωθούν, αυτό είναι η βαρύτητα. Και τώρα έρχεται η Θεωρία Χορδών και λέει: Ναι, βαρύτητα, κβαντομηχανική, ηλεκτρομαγνητισμός, όλα μαζί σε ένα πακέτο, αλλά μόνο αν το σύμπαν έχει περισσότερες διαστάσεις από αυτές που μπορούμε να δούμε. Και αυτό είναι ένα πείραμα που θα μπορούσε να το ελέγξει αυτό στους δικούς μας καιρούς. Εκπληκτική πιθανότητα. Σας ευχαριστώ πολύ.
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.
(Χειροκρότημα)
(Applause)