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.
در سال ۱۹۱۹، یک ریاضیدان گمنام آلمانی به نام تئودور کالوزا یک ایدۀ جسورانه، و به نوعی عجیب و غریب را مطرح کرد. او پیشنهاد داد که جهان ما شاید در حقیقت بیش از آن سه بعدی داشته باشد که از وجودشان آگاهیم. یعنی علاوه بر چپ-راست، جلو-عقب، و بالا-پایین، کالوزا پیشنهاد داد که شاید ابعاد فضایی بیشتری وجود داشته باشد که به دلایلی هنوز ندیدهایم. حال، وقتی یک نفر یک ایدۀ جسورانه و عجیب مطرح میکند، گاهی فقط همین است -- یعنی فقط جسورانه و عجیب است و هیچ دخلی به جهان اطرافمان ندارد. ولی این ایدۀ بخصوص -- گرچه هنوز نمیدانیم که درست است یا غلط، و در پایان، در مورد آزمایشهایی صحبت خواهم کرد که در چند سال آتی، شاید به ما درست یا غلط بودنش را نشان دهند -- ولی به هر حال این ایده، تاثیر عمدهای بر فیزیک قرن گذشته داشته است و مدام به تحقیقات پیشرفته دامن زده است.
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.
بنابراین من دوست دارم کمی از داستان این ابعاد اضافه برایتان بگویم. خب کجا برویم؟ برای شروع ما بایستی مقداری به عقب برگردیم. برویم به سال ۱۹۰۷. این سالی است که اینشتین در تب و تاب اکتشافِ نظریه نسبیت خاص به سر میبرد. و تصمیم میگیرد روی یک پروژۀ تازه کار کند -- که تلاش می کند تا نیروی عظیم و فراگیر گرانش را درک کند. و در آن هنگام، بسیاری از افراد بودند که فکر میکردند این پروژه دیگر حل شده است. نیوتون در اواخر ۱۶۰۰ نظریه گرانشی ای را به جهان عرضه کرده بود که به خوبی کار میکرد، حرکت سیارات را توصیف میکرد، حرکت ماه و مانند اینها، سقوط سیبها از درختان [اشاره به داستانی که درستی اش مورد تردید است]، که به سر آدم می خورد. همۀ آنها توسط کار نیوتن قابل توضیح بود.
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.
ولی اینشتین فهمید که نیوتن بعضی چیزها را از داستان اش خارج کرده است، چونکه حتی خود نیوتن هم نوشته بود که با وجودی که فهمیده چطور میتوان تاثیر جاذبه را محاسبه کرد، او نتوانسته بفهمد که واقعا چه جوری کار میکند. چطوری خورشید که ۹۳ میلیون مایل فاصله دارد، به طریقی روی حرکت زمین تاثیر میگذارد؟ چگونه خورشید از داخل فضای خالی میگذرد و اثر میگذارد؟ و این کاری بود که اینشتین تصمیم گرفت به انجام برساند -- تا نشان دهد که گرانش چطور عمل می کند. و بگذارید به شما چیزی را که او یافت نشان بدهم. اینشتین دریافت که وسیلهای که جاذبه را انتقال میدهد خود فضا است. ایدۀ آن به این صورت است که: تصور کنید فضا لایه ای از همه چیز است.
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.
اینشتین گفت که اگر ماده وجود نداشته باشد، فضا صاف و تخت است. ولی اگر ماده در محیط وجود داشته باشد، مثل خورشید، باعث میشود که بافت فضا پیچ و تاب بخورد، انحنا پیدا کند. و آن نیروی جاذبه را انتقال میدهد. حتی زمین هم فضای اطرافش را پیچ و تاب می دهد. حال به ماه بنگرید. برپایۀ این ایده، ماه در مدار نگه داشته میشود به این خاطر که در راستای فرورفتگی محیط خمیدهای غلت میخورد که خورشید و ماه و زمین، همهشان به دلیل حضورشان تشکیل دادهاند. به نمای کلی آن میرویم. زمین خودش در مدار خود نگه داشته شده برای اینکه در راستای فرورفتگی محیطی که بر اثر حضور خورشید خم شده، میغلتد. این ایدۀ نوینی از طرز کار واقعی جاذبه است.
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.
حال، این ایده در ۱۹۱۹ بوسیلۀ مشاهدات ستارهشناسی مورد آزمایش قرار گرفت. واقعا کار میکرد. دادهها را توضیح میداد. و این برای اینشتین امتیاز بزرگی در سراسر جهان به ارمغان آورد. و این همان چیزی بود که کالوزا را به فکر واداشت. او، مانند اینشتین، به دنبال چیزی بود که به آن «نظریه یکپارچه» گفته می شود. یعنی یک نظریه که آن قادر است تمام نیروهای طبیعت را بر اساس یک دسته از ایدهها، یک دسته از قواعد، یا اگر بخواهید با یک معادلۀ اصلی(جامع) توضیح دهد. پس کالوزا به خودش گفت، اینشتین توانسته جاذبه را بر اساس پیچشها و خمیدگیهای فضا توضیح دهد -- در حقیقت و بطور دقیقتر و جامعتر، فضا و زمان. شاید من بتوانم همین بازی را با نیروی شناخته شده ی دیگری انجام دهم، که در آن زمان، به نام نیروی الکترومغناطیسی شناخته میشد -- ما امروزه دیگر نیروها را هم میشناسیم، ولی در آن زمان آن تنها موردی بود که مردم دربارهاش فکر میکردند. میدانید، نیروی مسئول الکتریسیته و جاذبه ی مغناطیسی و غیره.
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.
پس کالوزا گفت، شاید من بتوانم همین کار را انجام دهم و نیروی الکترومغناطیسی را بر اساس پیچش ها و انحناها توضیح دهم. آن این پرسش را بوجود می اورد که: پیچش و انحنا در چه؟ اینشتین پیشتر از فضا و زمان استفاده کرده بود. پیچشها و خمیدگیها برای توضیح جاذبه. به نظر نمیآمد چیز دیگری برای پیچ خوردن و خم شدن وجود داشته باشد. پس کالتوزا گفت، خب شاید ابعاد دیگری از فضا وجود داشته باشد. او گفت، اگر من بخواهم یک نیروی دیگر را توضیح دهم، شاید نیاز به یک بعد اضافه داشته باشم. بنابراین برای جهان چهار بعد در نظر گرفت، نه سه تا، و فرض کرد که الکترومغناطیس در واقع پیچها و خمیدگیها در این بعد چهارم است. حالا مسئله اینجاست: وقتی که او معادلات توصیفگر پیچ و خمها را در جهانی با چهار بعد فضا به جای سه بعد نوشت، او به معادلاتی رسید که اینشتین در سه بعد به دست آورده بود -- آنها برای جاذبه بودند -- ولی او به خاطر یک بعد اضافه، یک معادلۀ اضافه پیدا کرد. و وقتی معادله را دید. چیزی نبود جز همان معادلهای که دانشمندان برای مدتها آن را بعنوان توضیح دهندۀ نیروی الکترومغناطیس میشناختند. شگفت انگیز بود -- همان ظاهر شده بود. او آنقدر از این یافته ذوق زده شده بود که دور خانهاش میدوید درحالیکه فریاد «پیروزی» سر میداد -- که «نظریه یکپارچه» را یافته است.
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.
حال آشکارا، کالوزا مردی بود که نظریه را زیادی جدی گرفت. در حقیقت او -- داستانی در موردش هست که وقتی میخواست شنا یاد بگیرد، او اول کتابی را خواند، رسالۀ شنا کردن -- (خنده) -- و بعد شیرجه زد توی اقیانوس. این مردی است که می خواست جانش را روی یک نظریه به خطر بیاندازد. حالا، ولی برای کسانی از ما که مقدار بیشتری ذهن عملگرا داریم، بیدرنگ دو پرسش از این مشاهده پیش میآید. شمارۀ یک: اگر ابعاد بیشتر فضا وجود دارند، کجا هستند؟ به نظر نمیآید که آنها را ببینیم. و شمارۀ دو: آیا واقعا این نظریه در ریزکاریها جواب میدهد، وقتی که سعی دارید آن را برای جهان اطرافمان به کار ببندیم؟ حال اولین پرسش در سال ۱۹۲۶ توسط شخصی به نام اسکار کلاین پاسخ داده شد. او پیشنهاد داد که شاید ابعاد به دو شکل مطرح شوند -- شاید یک سری ابعاد بزرگ و آسان-دید باشند، ولی شاید یک سری ابعاد دیگر، ریز و در خود حلقه-شده باشند، آنقدر ریز حلقه شده باشند، که با اینکه تمام دور و برمان را فرا گرفتهاند، آنها را نمیبینیم.
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.
بگذارید آنرا بطور تصویری بهتان نشان بدم. خب تصور کنید که به چیزی نگاه میکنید مثل یک سیم نگهدارندۀ چراغ راهنمایی. آن در منهتن است. شما در پارک مرکزی هستید -- به نوعی بی ربط است -- ولی سیم از فاصلۀ دور، یک بعدی به نظر میرسد، ولی من و شما میدانیم که سیم دارای ضخامت است. گرچه از فاصلۀ خیلی دور دیدنش دشوار است. ولی اگر نزدیک شویم و به، بگویید، یک مورچۀ کوچک که گردش می کند نگاه کنید -- مورچههای کوچک آنقدر ریزند که میتوانند به همۀ ابعاد دسترسی داشته باشند -- به بعد طولی، ولی همچنین جهت ساعتگرد و جهت پادساعتگرد. امیدوارم قدر این را بدانید. خیلی طول کشید تا مورچهها را حین این عمل گیر بیاندازیم.
(Laughter)
(خنده)
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 --
ولی این مثال این واقعیت را نشان میدهد که ابعاد می توانند به دو دسته تقسیم شوند: بزرگ و کوچک. و این ایده که شاید ابعاد بزرگ اطرافمان آنهایی باشند که به سادگی میتوانیم ببینیم، ولی شاید ابعاد بیشتری وجود داشته باشند که حلقه شده باشند، تقریبا مانند بخش دایرهوارِ آن سیم، آنقدر ریز که تا به حال پنهان باقی ماندهاند. بگذارید نشانتان دهم که چطوری به نظر میرسند. پس اگر ما به طور مثال به خود فضا بنگریم -- البته که من فقط میتوانم دو بعد در صفحه نشان بدهم. شاید بعضی از شما روزی این مشکل را حل کنید، ولی هر چیزی که در صفحه به صورت تخت نیست یک بعد جدید است، ریزتر برویم و ریزتر و ریزتر، و بسیار پایین در اعماق میکروسکوپی خود فضا -- این ایده هست که: می توانیم ابعاد حلقه شده ی اضافی داشته باشیم.
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?
اینجا شکل کوچکی از دایره است -- آنقدر کوچک که نمیتوانیم ببینیمشان. ولی اگر شما یک مورچۀ فوق میکروسکوپی بودید که قدم می زدید، میتوانستید در ابعاد بزرگی که همهمان میشناسیم راه بروید -- آن مثل بخش شبکهای است -- ولی در عین حال میتوانستید به بعد حلقه-شدۀ خُرد هم دسترسی داشته باشید اینقدر ریز است که با چشم غیرمسلح نمیتوانیم آن را ببینیم حتی با بهترین ابزار پیشرفتهمان هم نمیتوانیم ببینیم. ولی در ژرفای خود بافت فضا جا گرفتهاند، ایده این است که ممکن است ابعاد بیشتری از آنهایی که میبینیم وجود داشته باشند. حال آن توضیحی است برای اینکه چگونه جهان می تواند ابعاد بیشتری از آنهایی که میبینیم داشته باشد. ولی در مورد دومین پرسشی که پرسیدم چه: آیا این نظریه واقعا وقتی میخواهید آن را در مورد جهان واقعی به کار ببرید جواب میدهد؟
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.
خوب، از قضا اینشتین و کالوتزا و خیلیهای دیگر روی اصلاح این چهارچوب کار کردند و آن را در مورد فیزیک جهان، آنطور که در آن زمان شناخته بود به کار بردند، ولی در جزئیات، آن جواب نداد. در جزئیات، مثلا آنها نمیتوانستند جرم الکترون را طوری به دست آورند که در نظریه به درستی جواب دهد. بسیاری مردم رویش کار کردند، ولی تا دهۀ چهل، بطور حتم تا دهۀ پنجاه این ایدۀ غریب ولی بسیار قانع کننده که چطور میشود تمام قوانین فیزیک را متحد کرد از میان رفته بود. تا وقتیکه پدیدۀ شگرفی در عصر ما رخ داد. در عصر ما، روش جدیدی برای یگانه ساختن قوانین فیزیک توسط فیزیکدانانی مثل من، و خیلی های دیگر در سراسر جهان دنبال می شود، نام آن همانطور که مستحضرید «نظریه ابرریسمان» است. و نکتۀ شگفتانگیز اینجاست که نظریۀ ابرریسمان در نگاه اول هیچ دخلی به ابعاد اضافه ندارد، ولی وقتی که نظریه ابرریسمان را مورد مطالعه قرار میدهیم، پی میبریم که آن ایده را به شکل جالب و جدیدی وارد کار میکند.
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.
خب پس بگذارید به شما بگویم که از چه قرار است. نظریه ابرریسمان -- چی هست؟ خب، این یک نظریه است که تلاش دارد به این پرسش پاسخ بدهد: اجزای اصلیِ اولیۀ غیر قابل تقسیم که تمام جهان اطرافمان را تشکیل دادهاند چیستند؟ ایده به این شکل است. تصور کنید که به یک شیی آشنا نگاه میکنیم، مثل یک شمع در جاشمعی. و تصور کنید که میخواهیم بفهمیم از چه ساخته شده. ما به سفری در اعماق داخل شیی میرویم و اجزایش را بررسی میکنیم. در ژرفای ژرفای آن -- همه میدانیم که اگر به قدر کافی پیش برویم به اتمها میرسیم. ما همچنین میدانیم که اتمها پایان ماجرا نیستند. آنها الکترونهای ریزی دارند که دور یک هسته از نوترون و پروتون میچرخند. حتی نوترونها و پروتونها ذرات ریزتری داخلشان دارند به نام کوارک ها. اینجا مکانی است که ایده های مرسوم متوقف میشوند.
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.
ایدۀ تازۀ نظریه ریسمان اینجا وارد میشود. در اعماق این ذرات، چیز دیگری وجود دارد. این چیز دیگر، تارهای رقصندۀ انرژی است. مثل یک رشته مرتعش به نظر میآید -- ایدۀ نظریه ریسمان از این جا می آید. و درست همانطور که تارهای مرتعش در ویلیون سل به حالتهای متفاوتی میلرزند، اینها هم می توانند در حالتهای مختلفی بلرزند. البته آنها نوتهای موسیقیایی متفاوت ایجاد نمیکنند. بلکه، آنها ذرات متفاوتی را که جهان پیرامون ما را می سازند، تولید می کنند. بنابراین اگر این ایده ها صحیح باشند، در مقیاس فوق میکروسکوپی جهان به این شکل به نظر خواهد آمد. جهان از شمار عظیمی از این رشتههای مرتعش انرژی تشکیل شده که در فرکانسهای متفات نوسان میکنند. فرکانسهای متفاوت، ذرات مختلف را میسازند. و ذرات مختلف مسئول پیدایش این همه شکوهی هستند که در اطرافمان میبینیم.
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.
و آنجا شما یگانگی و یکپارچگی را میبینید، به این خاطرکه ذرات ماده، الکترونها و کوارکها، ذرات تابشی، فوتونها، گراویتونها، همه و همه از یک چیز ساخته شدهاند. بنابراین ماده و نیروهای طبیعت با هم تحت عنوان رشتههای مرتعش در یک مرجع قرار میگیرند. و آن چیزیست که از یک نظریه یکپارچه انتظار داریم. نکته مسئله اینجاست. وقتی که ریاضیات نظریه ریسمان را مطالعه میکنید، میبینید که آن در جهانی که فقط سه بعد فضا دارد کار نمیکند. همچنین در جهانی که چهار بعد، پنج، حتی شش تا بعد دارد کار نمیکند. سرانجام میتوانید معادلات را بررسی کنید و نشان دهید که فقط در جهانی که ۱۰ بعد فضا و یک بعد زمان دارد کار میکند. این درست ما را به ایدۀ کالوزا و کلاین سوق میدهد -- که جهان ما، اگر به درستی توصیف شود، ابعاد بیشتری از آنهایی که میبینیم دارد.
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.
حال، ممکن است در موردش فکر کنید و بگویید خب باشه، ولی اگر ابعاد بیشتری هستند، و واقعا به سختی حلقه شده اند، آره! شاید اگر خیلی ریز باشند آنها را نبینیم. ولی اگر تمدن ریزی از آدم سبزها که برای خودشان میگردند آن پایین باشند، و به قدر کافی ریز باشند ما آنها را هم نخواهیم دید، این درست است. یکی دیگر از پیشبینیهای نظریه ریسمان -- نه، آن از دیگر پیشبینیهای نظریه ریسمان نیست.
(Laughter)
(خنده)
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.
ولی این سوال را برمیانگیزد: آیا ما فقط سعی داریم از مسئلۀ ابعاد اضافه فرار کنیم، یا آیا آنها چیزی درمورد جهان به ما می گویند؟ در زمان باقیمانده، میل دارم دوتا از ویژگی های آنها را به شما بگویم. اولی این است که، بسیاری از ما باور داریم این ابعاد اضافه شاید پاسخ عمیقترین پرسشها در فیزیک نظری و علوم نظری را در بر داشته باشند. و آن پرسش این است: وقتی که به جهان اطراف مینگریم، همانطور که دانشمندان برای چند صد سال گذشته انجام دادهاند، اینطور به نظر میرسد که در حیقیقت در حدود ۲۰ عدد جهان را توضیح میدهند. اینها اعدادی هستند مثل جرم ذرات، مثل الکترون ها و کوارک ها، قدرت جاذبه، قدرت نیروی الکترومغناطیسی -- لیستی از حدود ۲۰ عدد که با دقت بسیار زیادی اندازه گرفته شدهاند، ولی هیچکس برای این مطلب که چرا این اعداد این مقادیر بخصوص را دارند پاسخی ندارد.
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.
اکنون، آیا نظریه ریسمان پاسخی ارائه می دهد؟ هنوز نه. ولی ما معتقدیم پاسخ اینکه چرا آن اعداد این مقادیری را دارند که اکنون دارند شاید به شکل ابعاد اضافی بستگی داشته باشد. و نکتۀ جالب اینجاست که اگر آن اعداد هر مقدار دیگری جز مقادیری که می شناسیم داشتند، جهان به شکلی که ما اکنون میشناسیم، موجود نبود. این پرسش عمیقی است. چرا آن اعداد اینقدر بادقت تنظیم شده اند که اجازه میهند ستارگان بدرخشند و سیارات تشکیل شوند، وقتی که ما متوجه میشویم که اگر با آن اعداد بازی کنید -- اگر بیست تا شمارهگیر داشتم و به شما اجازه میدادم که با آن اعداد بازی کنید، اغلب این بازیها باعث میشد جهان ناپدید شود. پس چطور میتوانیم آن ۲۰ عدد را توضیح دهیم؟ نظریه ریسمان پیشنهاد میدهد که آن ۲۰ عدد بایستی که به ابعاد اضافه مربوط باشند. بگذارید نشانتان دهم چگونه. وقتی ما درمورد ابعاد اضافه در نظریه ریسمان صحبت میکنیم، آن فقط یک بعد اضافه نیست، به آن شکلی که در ایده ی قدیمی کالوزا و کلین بود. این چیزی است که نظریه ریسمان در مورد ابعاد اضافه میگوید. آنها هندسهای بسیار پیچیده دارند.
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?
این مثالی است از چیزی که به نام شکل کلابی-یاو میشناسیم -- اسم ولی همانطور که میبینید ابعاد اضافه روی خودشان تا شدهاند و به شکل بسیار شگفتانگیز و با ساختار جالبی در هم پیچیده شدهاند. و ایده این است که اگر این آن چیزی ست که ابعاد اضافه شبیه اش است، پس جهان اطراف ما در مقیاس میکروسکوپی در مقیاس بسیار کوچکی به این شکل به نظر خواهد آمد. وقتی دستتان را میچرخانید، شما بارها و بارها دور این ابعاد اضافه میچرخید، ولی آنها آنقدر ریزند که نمیبینیمشان. با این حساب، مفهوم فیزیک مربوط به آن ۲۰ عدد چیست؟
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.
این را در نظر بگیرید. وقتی به یک آلت موسیقی مینگیرد، مثل یک شیپور فرانسوی، دقت کنید که ارتعاشات جریان هوا از شکل آلت موسیقی تاثیر می پذیرند. حالا در نظریه ریسمان، تمام اعداد، انعکاسی از نحوۀ ارتعاش رشتهها هستند. بنابراین به همان شکل جریان هوا که تحت تاثیر پیچ و خم آلت موسیقی قرار دارد، خود رشتهها هم تحت تاثیر الگوهای ارتعاش های هندسی که در آن ها حرکت میکنند قرار دارند. بگذارید کمی رشته را وارد قضیه کنم. و اگر شما این رشتههای کوچک مرتعش را ببینید -- آنها در یک لحظه آنجا خواهند بود -- دقیقا آنجا، دقت کنید که طریقه ارتعاش آنها تحت تاثیر هندسۀ ابعاد اضافه قرار دارد.
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.
پس اگر ما به طور دقیق بدانیم ابعاد اضافه به چه شکلی هستند -- ما هنوز نمیدانیم، ولی اگر بتوانیم -- بایستی که قار باشیم نوتهای مجاز را از داخل الگوهای ارتعاش استخراج کنیم. و اگر ما میتوانستیم الگوهای ارتعاشی مجاز را محاسبه کنیم، می توانستیم آن بیست عدد را نیز بدست آوریم. و اگر جوابی که از محاسبات به دست میآوریم با مقادیر آن اعداد که با آزمایشهای مفصل و دقیق مشخص گردیده همخوانی داشته باشد، این از خیلی جهات اولین توضیح بنیادینی خواهد بود برای اینکه چرا ساختار جهان به این شکلی است که اکنون هست. حال، دومین مطلبی که با آن می خواهم بحث را به پایان برسانم این است که: ما چگونه میتوانیم این ابعاد اضافه را مستقیما مورد آزمایش قرار دهیم؟ آیا این فقط یک ساختار جالب ریاضیاتی است که شاید بتواند برخی ویژگیهای توضیح داده نشده ی جهان را تبیین کند، یا آیا واقعا میتوانیم این ابعاد اضافه را مورد آزمایش قرار دهیم؟ ما فکر میکنیم -- و این به گمان من خیلی هیجان انگیز است -- که در حدود 5 سال آینده ما می توانیم وجود این ابعاد اضافه را مورد آزمایش قرار دهیم.
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.
چگونگی انجامش اینجاست. در سرن، ژنو، سوئیس. ماشینی در حال ساخت است به نام برخورردهندۀ هادرونی بزرگ. آن ماشینی است که ذرات را دور یک تونل میفرستد، در جهات مخالف، با سرعت نزدیک به نور. هر از گاهی این ذرات به سوی هم هدف گرفته میشوند، و برخورد سر به سر انجام میگیرد. امید آن هست که اگر این برخورها انرژی کافی داشته باشند، ممکن است برخی از بقایای برخورد از ابعاد ما به ابعاد دیگر حرکت کنند. از کجا آن را خواهیم دانست؟ خب، ما مقدار انرژی را بعد از این برخورد اندازه میگیریم، و با مقدار انرژی قبل از آن مقایسه میکنیم، و اگر مقدار انرژی پس از برخورد کمتر از مقدار انرژی قبل از برخورد باشد، این مدرکی خواهد بود برای اینکه انرژی خارج شده است. و اگر با الگوی صحیحی که قابل محاسبه باشد خارج شده باشد، این مدرکی خواهد بود برای اینکه ابعاد اضافه آنجا هستند.
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.
بگذارید این ایده را بطور تصویری نشانتان دهم. خب تصور کنید که ما یک نوع ذرۀ خاص داریم به نام گراویتون -- آن نوعی از باقی مانده هاست که انتظار داریم اگر ابعاد اضافی واقعی باشند خارج شود. ولی اینجاست که آزمایش چطور انجام میشود. شما این ذرات را برمیدارید. آنها را به هم میکوبید. آنها را به هم میکوبید، و اگر درست گفته باشیم، مقداری از انرژی این برخورد به صورت بقایایی به ابعاد اضافه پرواز خواهد کرد. پس، این از آن نوع آزمایشهایی است که در پنج سال آینده، هفت تا ۱۰ سال یا این حدود، شاهدش خواهیم بود. و اگر این آزمایش نتیجهبخش باشد، اگر ما خارج شدن آن نوع ذرات را با مشاهده ی مقدار کمتر انرژی در ابعاد ما نسبت به چیزی که کار را با آن آغاز کرده بودیم، ببینیم، این به ما نشان خواهد داد که ابعاد اضافه واقعی هستند.
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.
و برای من این واقعا داستان جالب توجهی است، و یک فرصت قابل توجه. اگر برگردیم به عقب، به نیوتون با فضای مطلق -- هیچ چیزی ارائه نمیداد به جز یک صحنه، یک پرده که وقایع جهان در آن رخ میداد. اینشتین آمد و گفت؛ خب، فضا و زمان میتوانند پیچ بخورند و خم شوند، جاذبه این است. و حالا نظریه ریسمان آمده و میگوید؛ بله، جاذبه، مکانیک کوانتومی، الکترومغناطیس -- همه در یک بسته، ولی فقط درصورتیکه جهان ابعاد بیشتری از آنهایی که میبینیم داشته باشد. و این آزمایشی است که ممکن است در زمان زندگی ما مورد آزمون قرار بگیرد. یک امکان شگفتآور. از شما سپاسگزارم.
(Applause)
(کف زدن)