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.
1919. aastal pakkus üsna tundmatu saksa matemaatik Theodor Kaluza välja väga julge ja mingil moel väga veidra idee. Ta pakkus, et Universumis võiks tegelikult olla rohkem mõõtmeid kui meile teadaolevad kolm. Lisaks vasakule-paremale, edasi-tagasi, üles-alla, pakkus Kaluza, võib olla veel lisamõõtmeid, mida me mingil põhjusel ei näe. Kui keegi tuleb välja julge ja veidra ideega, siis mõnikord nii ongi, julge ja veider, aga sel pole midagi tegemist meid ümbritseva maailmaga. Ometi see konkreetne mõte, - me veel ei tea, kas see on õige või mitte ja lõpupoole ma võtan vaadelda katse, mis peaks lähemal ajal andma meile selgust, kas on see tõsi või mitte - nimetet ideel on olnud suur mõju eelmise sajandi füüsikale ja see toidab jätkuvalt eesrindlikku teadust.
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.
Tahaksin nüüd rääkida sellest lisamõõtmete asjast. Millest siis alustada? Alguseks vaadakem veidi tausta. Läheme tagasi aastasse 1907. Aeg mil Einstein naudib erirelatiivsusteooria avastamise kuulsust ja otsustab ette võtta uue projekti - püüda mõista suursugust, kõikjaleulatuvat gravitatsioonijõudu. Selleks ajaks arvasid paljud, et see projekt on juba tehtud. Newton oli 17. sajandil loonud gravitatsiooniteooria, mis töötas hästi, kirjeldas planeetide liikumist, Kuu liikumist jm, apokrüüfiliste õunte langemist puudelt inimestele vastu pead. Kõik see kirjeldus Newton töödega.
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.
Kuid Einstein mõistis, et Newtonil on siin midagi tegemata jäänud, Newton isegi on kirjutanud, et kuigi ta sai aru, kuidas arvutada gravitatsioonilist mõju, oli ta ometi võimetu välja mõtlema, kuidas see tegelikult toimib. Kuidas Päike 150 miljoni kilomeetri kauguselt mingil moel Maa liikumist mõjutab. Kuidas rakendub Päikese toime läbi täiesti tühja ruumi. Ja see oligi ülesanne, mille Einstein endale püstitas - kuidas gravitatsioon toimib. Vaatame, mis ta avastas. Einstein leidis, et gravitatsiooni vahendajaks on ruum ise. Mõte on iseenesest selline: kujutlege, et ruum on aluspinnaks kõigele, mis selles on.
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.
Einstein leidis, et ruum on kenasti tasane kuni seal ei ole ainet. Kui seal on aine, näiteks Päike, paneb see ruumi kõverduma, painduma. See kõverus vahendabki gravitatsioonijõudu. Ka Maa kõverdab ruumi enda ümber. Vaadake Kuud. Kuu püsib orbiidil - selle lähenemise kohaselt - sest ta veereb mööda keskkonna kõveruse kaldeid, mille Päike, Kuu ja Maa loovad oma kohalolekuga. Ja kui vaadata kaugemalt. Ka Maa ise püsib orbiidil, sest veereb mööda kallet, mille põhjus on Päikese kohalolek. Selline ongi uus ettekujutus gravitatsiooni tegelikust toimimisest.
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.
Nimetatud teooria leidis kinnituse astronoomiliste vaatlustega 1919. aastal. Nii see tõesti toimib. Klapib andmetega. Ja sellega kogus Einsteini üleilmset tuntust veelgi. See pani ka Kaluza mõtlema. Temagi, nagu Einstein, otsis seda, mida me nimetame „ühtne teooria”. See oleks üksainus teooria, mis kirjeldaks kõiki jõude looduses ühe ideega, ühe printsiipide komplektiga, ühe põhivõrrandiga, kui soovite. Kaluza mõtles niisiis, Einsteinil õnnestus kirjeldada gravitatsiooni kõverdumise ja paindumisena ruumis, tegelikult ruumis ja ajas, et olla täpsem. Võib-olla saan ma teha sama triki teise tuntud jõuga, mis sel ajal sai olla ainult elektromagnetjõud - tänaseks me teame veel teisi, aga sel ajal oli see ainus, mis võis kõne alla tulla. Teadagi, see jõud on seotud elektriga, magnetite tõmbumisega jms.
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.
Niisiis, Kaluza arvab, võib-olla saaks seda võtet korrata ja kirjeldada elektromagnetjõudu kõverdumise ja paindumisena. Sellest kerkib küsimus, mille kõverdumine ja paindumine? Einstein oli gravitatsiooni kirjeldamiseks juba ära kasutanud ruumi ja aja kõverused ja paindumise. Paistis, et rohkem pole midagi kõveraks keerata ja painutada. Kuid Kaluza oletas, et võib-olla on ruumil rohkem mõõtmeid. Kui ma tahan kirjeldada veel üht jõudu, ehk on vaja veel üht mõõdet. Ta kujutles, et ruumil on neli mõõdet, mitte kolm ja et elektromagnetism on kõverdumine selles neljandas mõõtmes. Asi on selles, et kui ta kirjutas välja kõverdumist kirjeldavad võrrandid neljamõõtmelisele, mitte kolmemõõtmelisele ruumile, leidis ta Einsteini tuletatud kolme mõõtme võrrandid - need olid gravitatsiooni jaoks - aga ta leidis veel ühe, sest oli veel üks mõõde. Ja kui ta seda vaatas. See oli sama, mida teadlased ammu teadsid, see kirjeldas elektromagnetjõudu. Hämmastav - see lihtsalt tuli nii välja. Ta oli nii erutatud, et tormas ümber maja kisades „Võit!” - ta oli leidnud ühendteooria.
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.
Olgu öeldud, et Kaluza oli mees, kes võttis teooriaid väga tõsiselt. Tegelikult ka - räägitakse, et kui ta tahtis ujuma õppida, luges ta uuringut ujumise kohta - (Naer) ja läkski ookeani ujuma. See mees oli valmis teooria nimel riskima eluga. Kuid neil, kel on rohkem praktilist meelt, peaks kerkima kaks küsimust. Esiteks: kui on olemas rohkem ruumimõõtmeid, siis kus nad on? Paistab, et me ei näe neid. Ja teiseks: kas see teooria töötab detailides, kui me püüaks seda rakendada maailmale meie ümber. Esimene küsimus sai vastuse 1926. aastal Oskar Kleini nimeliselt mehelt. Ta pakkus, et mõõtmed võivad esineda kahes variandis - nad võivad olla suured, kergesti märgatavad mõõtmed, aga nad võivad olla ka kokkukeerdunud mõõtmed, nii tihedalt kokku keeratud, et olgugi nad on siinsamas meie ümber, neid me ei näe.
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.
Vaatame seda pildilt. Vaadakem mingit sellista asja, nagu valgusfoori hoidev tross. See on Manhattanil. Te olete Keskpargis - mis pole eriti oluline - tross paistab kaugelt vaadates ühemõõtmeline, aga me kõik teame, et sellel on teatud jämedus. Seda on raske märgata, kui vaadata eemalt. Kui me aga suurendame, siin jalutab väike sipelgas - need sipelgad on nii väikesed, et nad saavad kasutada kõik mõõtmeid - pikkusmõõtu, aga ka seda päripäeva-vastupäeva suunda. Ma loodan, et te hindate seda kõrgelt. Võttis hulga aega, et sipelgad niimoodi välja õpetada.
(Laughter)
(Naer)
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 --
Kuid see illustreerib fakti, et mõõtmeid võib olla kahte sorti: suuri ja väikseid. Ja mõtet, et suured mõõtmed me ümber on need, mida me kergesti märkame, aga on täiendavad kokkukeerdunud mõõtmed, nagu näiteks selle trossi ristlõige, nii väikesed, et nad on jäänud siiani nähtamatuks. Vaatame, kuidas see välja näeb. Kui heidame pilgu ruumile endale - muidugi saan ma seda ekraanil näidata ainult kahemõõtmelisena. Keegi teist korraldab selle ära ühel päeval, aga kõik mis ei ole ekraani tasandis, on uus mõõde, läheme väiksemaks, väiksemaks, väiksemaks ja väga kaugel ruumi mikroskoopilistes sügavustes - selles asi ongi, leiame täiendavad kokkukeerdunud mõõtmed.
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?
Siin on väike ringike - nii pisike, et me näe seda. Aga kui te jalutaks siin väikese, ultramikroskoopilise sipelgana, saaksite te käia suurtes dimensioonides, see võre siin - kuid te saaksite toimida ka tillukeses keerdunud dimensioonis, mis on liiga väike selleks, et seda palja silmaga või isegi meie kõige peenemate seadmetega näha. Kuid pakituna sügavale ruumi tekstuuri võib olemas olla rohkem dimensioone, nagu siin näha. See olekski seletus, kuidas Universumis võib olla rohkem mõõtmeid kui need, mida näeme. Aga teine küsimus, mida ma nimetasin: kas teooria tegelikult töötab, kui te püüate seda rakendada reaalsele maailmale?
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.
Tuleb välja, et Einstein ja Kaluza ja paljud teised nägid vaeva püüdes seda raamideed täpsustada ja rakendada universumifüüsikale nii nagu seda tol ajalt tunti, kuid pisiasjus see ei toiminud. Detailides, näiteks ei lahenenud elektroni massi küsimus selles teoorias. Palju inimesi töötas selle kallal, kuid 40-ndatel ja muidugi 50-ndatel see kummaline, aga väga mõjuv teooria, kuidas ühitada füüsikaseadusi, vajus unustusse. Kuni meie ajal juhtus midagi imepärast. Meie ajastul püüavad paljud teadlased mina ise ja paljud teised kõikjal maailmas, uuel moel läheneda füüsikaseaduste ühitamisele, seda kutsutakse Superstringide Teooriaks, nagu juba jõudsite märgata. Ja eriti huvitav on see, et esmapilgul pole superstringide teoorial midagi pistmist selle lisamõõtmete ideega, kuid superstringide teooriat lähemalt uurides me näeme, et ta äratab selle mõtte uues säravas vormis.
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.
Nüüd sellest kuidas see käib. Superstringide teooria - mis see on? See on teooria, mis püüab vastata küsimusele: millistest põhilistest, fundamentaalsetest, jagamatutest, lõhustamatutest koostisosadest on kokku pandud kogu meid ümbritsev maailm? Idee on selline. Vaatame mingit tavalist eset, näiteks küünalt küünlajalas ja püüame kujutleda, millest see on tehtud. Reisime objekti sügavusse ja uurime selle koostist. Sügavas sisemuses - kui minna uurimisega piisavalt kaugele, leiate te aatomid. Me teame, et aatomid pole selle reisi lõpp. Seal on pisikesed elektronid, mis parvlevad tsentraalse, neutronitest ja prootonitest tuuma ümber. Isegi neutronid ja prootonid sisaldavad väiksemaid osakesi, mida nimetatakse kvarkideks. Siin saavad tavapärased teooriad otsa.
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.
Samas on stringiteooria uus lähenemine. Sügaval iga osakese sisemuses leidub veel midagi. Seal tantsiskleb pisike kiud energiat. See on nagu võnkuv keeleke, string - sellest pärinebki stringiteooria idee. Ja nagu tšellokeeled, mida te nägite, võivad võnkuda erineval moel, nii ka need võivad võnkuda erinevalt. Nad ei lase kõlada erinevatel nootidel. Selle asemel loovad nad erinevad osakesed, millest koosneb maailm meie ümber. Kui need mõtted on õiged, siis selline ongi Universumi ultramikroskoopiline vaade. See on tehtud tohutust arvust tibatillukestest võnkuvatest energiakiududest, mis vibreerivad erineva sagedusega. Eri sagedused loovad erinevad osakesed. Erinevad osakesed põhjustavad meid ümbritseva maailma rikkuse.
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.
See on ühendteooria, kuna aineosakesed, elektronid ja kvargid, kiirguse osakesed, footonid ja gravitonid, kõigil on üks olemus. Kogu aine ja kõik jõud looduses on ühest ja samast võnkuvate stringide soost. Ja nii me mõistamegi ühendteooriat. Kuid siin on konks. Kui te uurite stringiteooria matemaatikat, leiate te, et see ei toimi kolmemõõtmelises universumis. See ei toimi ka nelja ruumimõõtme korral, ega ka viie või kuue korral. Lõpuks võite jõuda võrranditeni ja näidata, et see töötab ainult universumi korral, kus on 10 ruumimõõdet ja üks ajamõõde. See toob meid tagasi Kaluza ja Kleini idee juurde, et meie maailmas, kui seda asjakohaselt kirjeldada, on rohkem mõõtmeid kui need mida me näeme.
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.
Nüüd võite järgi mõelda ja öelda, heaküll olgu, kui on lisamõõtmed ja nad on tõesti tihedalt kokku keerdunud, jah, võib-olla me ei näe neid, kui nad on piisavalt väikesed. Aga kui seal on tibatilluke roheliste mehikeste tsivilisatsioon ja nad on piisavalt pisikesed, et mitte välja paista, siis see on tõsi. Veel üks stringiteooria ennustustest - ei, see pole stringiteooria ennustus.
(Laughter)
(Naer)
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.
Kuid siit kerkib küsimus: kas me mitte ei püüa neid lisamõõtmeid kuidagi jalust ära saada või ehk ütlevad nad meile midagi maailma kohta. Allesjäänud ajaga, seletaksin nende mõõtmete kohta kahte põhilist asja. Esiteks, paljud usuvad, et lisamõõtmetes peitub vastus ehk kõige sügavamale teoreetilise füüsika, loodusteaduse küsimusele. Ja see oleks: kui me vaatame oma maailma nii nagu teadlased on seda teinud viimase saja aasta jooksul, siis paistab, et on umbes 20 arvu, mis meie Universumit sisuliselt kirjeldavad. Need on näiteks osakeste, elektronide ja kvarkide, massid, gravitatsiooni tugevus, elektromagnetjõu tugevus - umbes 20 arvu, mis on ära mõõdetud uskumatu täpsusega, kuid keegi ei seleta, miks neil just sellised väärtused on.
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.
Kas stringiteoorial on vastus pakkuda? Veel mitte. Aga me usume, et vastus, miks neil arvudel on sellised väärtused nagu neil on, võiks toetuda lisamõõtmete kuju mõistmisele. Imelugu on seejuures, et kui neil arvudel oleksid mingid meile tuntutest erinevad väärtused, siis Universumi meile tuntud moel ei oleks olemas. See on väga oluline küsimus. Miks on need arvud nii täpselt paigas, et tähed saavad särada ja planeedid võisid tekkida. Vähimgi mäng nende arvudega - kui mul oleks siin 20 reguleerimisnuppu ja ma laseks teil tulla ja neid arve sättida, siis peaaegu iga häälestus viiks Universumi kadumisele. Nii et kas me saame nende 20 seletamisega hakkama? Stringiteooria pakub, et neil 20 arvul on pistmist lisamõõtmetega. Vaatame kuidas. Kui me räägime lisamõõtmetest stringiteoorias, siis see ole mitte üks lisamõõde, nagu Kaluza ja Kleini vanemates ideedes. Sellised oleksid stringiteooria lisamõõtmed. Neil on väga keeruline läbipõimunud geomeetria.
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?
Siin näiteks Calabi-Yau ruum - nimi ei ole eriti tähtis. Nagu näete, lisamõõtmed on iseendasse kokku volditud ja põimuvad väga huvitavaks kujundiks, põnevateks struktuurideks. Asja mõte on, et kui lisamõõtmed tõesti on sellised, siis näeb meie Universumi kõige pisem mikromaastik välja just selline. Kui te lehvitate käega, siis liigute te ikka ja jälle läbi lisamõõtmete, aga nad nii väikesed, et me ei tunne midagi. Aga millise mõistliku füüsikaline järelduse võiks teha nende 20 arvu kohta?
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.
Mõelgem niiviisi. Kui te vaatate sellist pilli, nagu metsasarv, näete, et õhusamba võnkumist mõjutab pilli kuju. Stringiteoorias on kõik arvud stringide, keelte võnkumise peegeldus. Kui need õhuvoolud saavad mõjutatud pööretest ja looklemisest pillis, siis stringidele mõjub võnkumise viis selles geomeetrias, kus nad liikuda saavad. Võtame siia nüüd ka stringid. Kui te vaatate neid siin võnkumas - kohe nad ilmuvad -- siinsamas, märkate, kuidas nende võnkumise viisi mõjutab lisamõõtmete geomeetria.
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.
Kui me teaksime täpselt millised need lisamõõtmed on - me veel ei tea, aga kui me teaksime - peaksime me saama välja arvutada lubatud noodid, võnkumise võimalikud viisid. Ja kui me lubatud vibratsioonimustrid saaksime välja arvutada, võiksime leida need 20 arvu. Kui meie arvutustulemused sobivad nende arvude väärtustega, mis on määratud täpseimate eksperimentidega, peaks see olema mitmes mõttes esimene fundamentaalne seletus sellele, miks Universumi struktuur on just selline nagu ta on. Teine probleem, millega ma tahan lõpetada: kuidas me saaksime lisamõõtmeid otsesemalt proovile panna? Kas on tegemist huvitava matemaatilise struktuuriga, mis võib seletada varem seletamata maailma omadusi või saame me tegelikult lisamõõtmeid testida? Me arvame - ja see on minu meelest eriti põnev - et järgmise viie aastaga saab võimalikuks uurida lisamõõtmete olemasolu.
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.
See toimub CERNis, Šveitsis Genfi lähedal. Ehitatavat seadet nimetakse Suur Hadronite Põrguti (LHC). Selles seadmes saadetakse osakesed tunnelit mööda vastassuundades teele peaaegu valguse kiirusega. Aeg ajalt juhitakse osakesed kokku ja saadakse laupkokkupõrge. Lootust on, et põrkesse saab piisavalt energiat saatmaks osa põrkekildudest väljapoole meie mõõtmeid ja suunamaks nad lisamõõtmetesse. Kuidas me sellest teada saame? Mõõdame energiakogused peale põrget ja võrdleme seda eelnevaga. Kui pärast põrget on vähem energiat kui oli enne, saab see tõendiks, et osa on ära kandunud. Ja kui see kandumine toimub viisil, mida me saame ette arvutada tõendab see lisamõõtemete olemasolu.
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.
Visualiseerime seda. Kujutleme, et meil on teatud sorti osake, mida kutsutakse gravitoniks - see kuulub nende kildude hulka, millest me ootame, et neid on võimalik välja lüüa kui lisamõõtmed on tõesti olemas. Katse käib nii. Võtate osakesed. Põrutate nad kokku. Põrutate kokku ja kui meil on õigus, siis osa põrkeenergiast lendab kildudega kaasa neisse lisamõõtmetesse. Selline võiks olla katse, mida me ootame järgmise viie, seitsme kuni võib-olla kümne aasta jooksul. Kui katse kannab vilja, kui me leiame sedasorti osakeste väljumise energia puudujäägi meie mõõtmetes võrreldes sellega kust alustasime, siis see näitab meile, et lisamõõtmed on olemas.
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.
Minu jaoks on see tõeliselt tähelepanuväärne lugu ja võimalus. Meenutades Newtoni absoluutset ruumi, see andis meile kõigest lava, millel Universumi etendus saab toimuda. Siis tuleb Einstein ja ütleb, et ruum ja aeg kõverduvad ja painduvad, see ongi gravitatsioon. Ja nüüd ilmub stringiteooria, mis ütleb, jah, gravitatsioon, kvantmehaanika, elektromagnetism - kõik käib ühtekokku, aga ainult siis kui Universumis on rohkem mõõtmeid, kui me näeme. See katse võib veel meie eluajal neid mõõtmeid uurida. Hämmastav võimalus. Tänan.
(Applause)
(Aplaus)