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.
Vào năm 1919, một nhà toán học Đức gần như không ai biết tới tên Theodor Kaluza gợi ra một ý tưởng rất táo bạo và, trong một chừng mực nào đó, vô cùng kỳ quái Ông cho rằng vũ trụ của chúng ta có thể thực ra có nhiều hơn ba chiều mà chúng ta đã biết. Tức là ngoài trái, phải, trước, và lên, xuống, Kaluza đề xuất rằng có thể có những chiều khác của không gian mà vì một số lý do chúng ta chưa thể thấy chúng. Bây giờ, khi ai đó đưa ra một ý tưởng táo bạo và kỳ quái, đôi khi nó chỉ đơn giản là táo bạo và kỳ quái, nhưng nó chẳng hề có quan hệ gì đối với thế giới quanh ta. Ý tưởng này, tuy nhiên -- mặc dù chúng ta chưa biết được liệu nó đúng hay sai, và cuối cùng tôi sẽ nói về các thí nghiệm mà, trong vài năm tới, có thể cho chúng ta biết nó đúng hay sai -- ý tưởng này đã ảnh hưởng mạnh mẽ tới vật lý trong thế kỷ trước và tiếp tục cho ra đời hàng loạt các nghiên cứu phá cách.
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.
Vì thế tôi muốn kể cho bạn vài điều về câu chuyện về những chiều không gian thêm ấy. Vậy chúng ta đi tới đâu đây? Để bắt đầu chúng ta cần một chút chuyện hậu kỳ. Về năm 1907. Đây là năm mà Einstein tắm mình trong hào quang của việc khám phá ra thuyết tương đối và quyết định theo đuổi một dự án mới -- cố gắng để hiểu rõ trường lực khổng lồ và rộng khắp của lực hấp dẫn. Và trong thời điểm đó, có rất nhiều người xung quanh cho rằng dự án đã được giải quyết từ trước đó. Newton đã trình bày cho thế giới thuyết về lực hấp dẫn vào cuối thế kỷ 17 nó hiệu quả, mô tả được sự chuyển động của các hành tinh, chuyển động của mặt trăng và kể cả chuyển động giả của quả táo rơi từ trên cây, trúng đầu người bên dưới. Tất cả đều có thể được mô tả sử dụng thành quả của Newton.
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.
Nhưng Einstein nhận ra rằng Newton đã bỏ sót vài điều, bởi vì chính Newton đã viết rằng mặc dù ông hiểu cách tính toán tác dụng của lực hấp dẫn, ông đã không tìm hiểu được cách thức hoạt động của nó. Làm thế nào mà Mặt trời, cách xa 93 triệu dặm (~149,67 triệu km), lại có thể tác động tới chuyển động trên Trái đất? Làm thế nào mà Mặt trời vượt qua khoảng chân không trơ trụi và gây tác động? Và đó là nhiệm vụ mà Einstein đặt ra cho bản thân -- tìm hiểu cách hoạt động của từ trường. Hãy để tôi cho các bạn thấy ông đã tìm thấy điều gì. Einstein tìm ra rằng trung gian trung chuyển lực hấp dẫn chính là không gian. Ý tưởng là thế này: Hãy tưởng tượng không gian là giá đỡ của vạn vật.
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 cho rằng không gian phẳng mịn, nếu không có vật chất hiện hữu. Nhưng nếu có vật chất trong môi trường, ví dụ như Mặt trời, nó khiến các sợi không gian oằn xuống và uốn cong. Và sự uốn khúc này truyền lực hấp dẫn. Ngay cả Trái đất cũng làm cong không gian quanh no. Bây giờ xét tới mặt trăng. Mặt trăng được giữ trong quỹ đạo, theo các ý tưởng này thì, bởi vì nó lăn trong một máng trong môi trường cong mà Mặt trời, mặt trăng, và trái đất đều có thể tự tạo bởi chính sự tồn tại của chúng. Chúng ta đi đến một cái nhìn toàn cảnh cho vấn đề này. Trái đất giữ được quỹ đạo bởi nó lăn trong một máng trong môi trường cong tạo bởi sự tồn tại của mặt trời. Đây là quan niệm mới về cách hoạt động của lực hấp dẫn.
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.
Bây giờ, quan niệm này được kiểm chứng vào năm 1919 qua các quan sát thiên văn Nó thực sự hiệu dụng. Nó mô tả được các số liệu. Và điều này khiến cho tên tuổi Einstein được biết đến trên toàn thế giới. Và nó khiến cho Kaluza suy nghĩ. Ông, cũng như Einstein, đã tìm kiếm thứ chúng ta gọi là "Thuyết đồng nhất" Đó là một giả thuyết mà có thể diễn tả toàn bộ các lực tự nhiên từ một nhóm quan điểm, một nhóm nguyên lý, một phương trình tổng thể, nếu có thể. Vì thế Kaluza tự nói với mình, Einstein đã thành công trong việc mô tả lực hấp dẫn qua sự uốn khúc của không gian -- thực ra là, không gian và thời gian, nói một cách chính xác. Có thể tôi cũng dùng được cách này với các lực khác đã biết, điều mà, ở thời kỳ này, được biết đến là lực điện từ -- ngày nay chúng ta biết về các lực khác, nhưng vào thời đó đó là lực khác duy nhất mà người ta nghĩ tới. Bạn biết đấy, lực gây ra điện năng và sự hút từ, v.v...
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.
Vì thế Kaluza nói rằng, tôi cũng có thể dùng được cách này và diễn tả lực điện từ dưới dạng sự uốn khúc. Câu hỏi ở đây là: sự uốn khúc của cái gì? Einstein đã sử dụng không gian và thời gian, sự uốn khúc, để diễn giải lực hấp dẫn. Có vẻ như chẳng còn thứ gì có thế gấp khúc hoặc uốn cong nữa. Vì thế Kaluza cho rằng, ừ, có thể có nhiều chiều không gian. Ông nói, nếu tôi muốn diễn giải một lực khác, có thể tôi cần thêm một chiều không gian khác. Vì thế ông tưởng tượng rằng có 4 chiều không gian, không phải ba, và tưởng tượng rằng điện từ trường cũng uốn khúc trong chiều không gian thứ tư ấy. Bây giờ đây là vấn đề: khi ông viết ra những phương trình diễn tả các đường uốn khúc trong một vũ trụ có bốn chiều không gian, chứ không phải ba, ông tìm thấy chính những phương trình mà Einstein đã tìm ra trước đó trong không gian ba chiều -- những phương trình cho lực hấp dẫn -- nhưng ông cũng tìm thấy một phương trình khác liên hệ với chiều không gian mới này. Và khi ông nhìn vào phương trình ấy. Nó không khác gì so với phương trình mà các nhà khoa học đã biết để diễn tả lực điện từ trường. Tuyệt diệu -- nó đã bật ra. Ông vô cùng hào hứng với nhận định này đến nỗi ông chạy quanh nhà hò hét, "Chiến thắng!" -- ông đã tìm ra Đồng nhất thuyết.
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.
Bây giờ rõ ràng rằng, Kaluza là người rất coi trọng lý thuyết. Ông, thực ra rằng -- có câu chuyện rằng khi ông muốn học bơi, ông đọc một cuốn sách, một luận thuyết về bơi -- (Tiếng cười) -- rồi lao ra biển. Đây là người đàn ông sẵn sàng mạo hiểm vì lý thuyết. Bây giờ, cho chúng ta những người thực tế hơn một chút, hai câu hỏi lập tức bật ra từ quan sát của ông. Câu thứ nhất: nếu có nhiều chiều không gian khác, chúng ở đâu? Chúng ta dường như chẳng thấy được chúng. Và câu thứ hai: lý thuyết này có còn đúng, khi áp dụng vào cuộc sống thực tiễn? Câu hỏi đầu tiên được giải đáp vào năm 1926 bởi Oskar Klein. Ông gợi ý rằng các chiều không gian có thể có hai biến thể -- có thể có những chiều không gian lớn, dễ thấy, nhưng cũng có những chiều không gian siêu nhỏ uốn khúc, uốn khúc nhỏ tới mức dù chúng có ở quanh ta, ta cũng không thấy được.
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.
Để tôi chỉ cho bạn thấy một thứ. Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn một vật như cáp điện của đèn giao thông chẳng hạn. Nó ở Manhattan. Bạn ở Central Park -- hơi không liên quan -- nhưng dây cáp trông như một chiều từ một điểm quan sát phía xa, nhưng bạn và tôi đều biết rằng nó có độ dày. Rất khó để thấy được nó từ đằng xa. Nhưng nếu chúng ta phóng lớn lên và chọn góc nhìn của, giả dụ, một chú kiến nhỏ bò qua lại -- những con kiến quá nhỏ bé chúng có thể chạm tới mọi chiều không gian -- chiều dài, và cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Và tôi hy vọng rằng bạn trân trọng điều này. Rất mất thời gian để bắt lũ kiến làm việc đó.
(Laughter)
(Tiếng cười)
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 --
Nhưng nó cho thấy sự thực rằng chiều không gian có thể gồm hai dạng: to và nhỏ. Và quan niệm rằng có thể những chiều không gian lớn quanh ta là những chiều chúng ta dễ thấy, nhưng cũng có thể có những chiều không gian uốn khúc, gần như phần cong của sợi dây cáp, quá nhỏ nên tới giờ chúng vẫn không thể được quan sát. Để tôi cho bạn thấy nó sẽ trông như thế nào. Vậy nếu chúng ta nhìn vào, giả dụ, chính không gian -- Tôi chỉ có thể chỉ ra được, tất nhiên, hai chiều trên một màn hình. Một trong số các bạn sẽ sửa chữa điều này trong tương lai, nhưng bất kể thứ gì không phẳng trên một màn hình là một chiều không gian mới, nhỏ dần, nhỏ dần, nhỏ dần, và nhỏ tới mức siêu vi của không gian -- đây là ý tưởng: có thể có những chiều không gian phụ uốn khúc khác.
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?
Đây là một hình tròn nhỏ -- nhỏ tới mức ta không thấy được chúng. Nhưng nếu bạn là một con kiến siêu nhỏ bò loanh quanh, bạn có thể đi trên những chiều không gian lớn mà chúng ta đều biết -- như các đường kẻ ô kia -- nhưng bạn cũng có thể chạm tới chiều không gian uốn khúc siêu nhỏ nhỏ tới mức chúng ta chẳng thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc với bất kỳ quang cụ chuyên dụng bậc nhất nào. Nhưng chìm sâu trong cấu trúc không gian, quan niệm cho rằng có thể có nhiều chiều không gian khác, như chúng ta thấy ở đây. Đó là một lời giải thích về việc vũ trụ có thể có nhiều chiều hơn là những chiều ta thấy được. Nhưng còn về câu hỏi thứ hai mà tôi đã đưa ra: Liệu lý thuyết này còn đúng khi áp dụng vào thực tiễn?
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.
Vâng, hóa ra là Einstein và Kaluza và nhiều người khác đã cố gắng làm sáng tỏ công trình khuôn mẫu này và ứng dụng nó vào vật lý vũ trụ như được hiểu tại thời đó, và chính xác thì nó không hiệu quả. Ví dụ như, họ không thể tính toán đúng được khối lượng của electron theo như giả thuyết này. Rất nhiều người đã nghiên cứu nó, nhưng tới thập niên 40, và chính xác là thập niên 50 quan niệm lạ lùng nhưng rất hấp dẫn này về việc hợp nhất các quy luật vật lý đã không còn được chú ý tới. Cho tới khi những điều tuyệt vời xảy ra trong thời đại của chúng ta. Trong kỷ nguyên của chúng ta, một cách tiếp cận mới để thống nhất các quy luật vật lý được theo đuổi bởi các nhà vật lý như tôi, và rất nhiều người khác trên thế giới, Lý Thuyết Siêu Dây, như các bạn thường gọi. Và điều tuyệt vời là lý thuyết siêu dây ban đầu hầu như không liên quan đến ý tưởng về các chiều không gian khác, nhưng khi chúng tôi nghiên cứu lý thuyết dây, chúng tôi nhận thấy rằng nó làm sống lại quan niệm đó qua một dạng hoàn toàn mới.
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.
Để tôi giải thích cách thức cho các bạn. Lý thuyết siêu dây -- nó là gì vậy? Nó là một lý thuyết tập trung trả lời câu hỏi: đâu là những phần tử căn bản không còn phân tách ra được tạo ra thế giới vật chất? Quan niệm đó là như thế này: Hãy tưởng tượng chúng ta quan sát những vật thông thường, như ngọn nến trong giá cắm, và tưởng tượng là chúng ta muốn biết nó làm từ gì. Vì thế chúng ta đi sâu vào bên trong và khám phá các phần tử. sâu vào bên trong -- chúng ta đều biện nếu vào đủ sâu chúng ta sẽ thấy các nguyên tử. Chúng ta đều biết rằng các hạt nguyên tử không phải là điểm cuối cùng. Chúng có những đám mây electron di chuyển xung quanh hạt nhân trung tâm gồm các neutron và proton. Thậm chí các neutron và proton lại chứa những hạt nhỏ hơn chúng ở bên trong gọi là hạt quark Đó là điểm cuối các quan niệm thường gặp.
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.
Đây là quan điểm mới của lý thuyết dây. Sâu bên trong các hạt phân tử, còn có những thứ khác. Thứ khác này nhảy nhót trong các sợi năng lượng. Nó trông như một sợi dây dao động -- đó là nơi bắt nguồn của lý thuyết dây. Cũng giống như các sợi dây mà bạn nhìn thấy trên chiếc đàn cello có thể rung theo các hình thức khác nhau, các dây năng lượng này cũng dao động theo các hình thức khác nhau. Chúng không tạo ra các nốt nhạc khác nhau. Tuy nhiên chúng tạo ra các phân tử khác nhau cấu thành nên thế giới vật chất. Vì thế nếu những quan niệm này đúng, đây là khung cảnh siêu vi của vũ trụ. Nó được xây dựng bởi một số lượng lớn các sợi năng lượng dao động siêu nhỏ, dao động với các tần số khác nhau. Những tần số khác nhau này tạo ra các phân tử khác nhau. Các phân tử khác nhau này chịu trách nhiệm làm nên cuộc sống giàu màu sắc quanh ta.
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.
Và đó bạn thấy được sự đồng nhất, bởi vì những phân tử vật chất, electron và quark, phân tử phóng xạ, photon, graviton, đều được tạo nên từ một thực thể. Vì thế vật chất và các lực tự nhiên đặt cạnh nhau trong luận đề về các dây dao động. Và đó là điều mà chúng tôi muốn nói khi nhắc tới Đồng nhất thuyết. Đây là phần thu hút. Khi bạn nghiên cứu về toán ứng dụng trong lý thuyết dây, bạn nhận ra rằng nó không hiệu quả trong một vũ trụ chỉ có ba chiều không gian. Nó cũng không hiệu quả trong một vũ trụ có bốn, năm, hoặc sáu chiều. Cuối cùng, bạn có thể nghiên cứu các phương trình, cho thấy rằng nó đúng chỉ khi đặt trong không gian 10 chiều. và một chiều thời gian. Nó đưa chúng ta về với quan điểm của Kaluza và Klein -- và thế giới của chúng ta, khi được mô tả chính xác, có nhiều chiều hơn những chiều ta thấy.
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.
Và bạn có thể nghĩ về nó và nói rằng OK, bạn biết đấy, nếu bạn có các chiều không gian khác, và chúng uốn khúc lại vô cùng nhỏ, ừ, có lẽ chúng ta không thấy chúng nếu chúng đủ nhỏ. Nhưng nếu có một nền văn minh siêu nhỏ của lũ người xanh lè sống ở đó, và nếu họ đủ nhỏ và chúng ta không thể thấy họ, thì cũng đúng thôi. Một trong những giả thuyết khác của lý thuyết dây -- không, đó không phải một trong những giả thuyết khác của lý thuyết dây.
(Laughter)
(Tiếng cười)
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.
Nhưng nó kéo theo một câu hỏi: có phải chúng ta đang cố giấu đi cac chiều không gian khác đó, hoặc chúng đang nói với chúng ta điều gì đó về thế giới? Trong khoảng thời gian còn lại, tôi muốn kể với bạn hai điều. Điều đầu tiên, rất nhiều người trong chúng ta tin rằng những chiều không gian khác chứa đựng câu trả lời cho câu hỏi có lẽ là sâu sắc nhất của vật lý lý thuyết và khoa học lý thuyết. Và câu hỏi đó là: khi chúng ta nhìn vào thế giới vật chất, như các nhà khoa học đã làm hàng trăm năm qua, có khoảng 20 hằng số mô tả vũ trụ. Ví như khối lượng phân tử, như electron và quark, độ lớn lực hấp dẫn, độ lớn của lực điện từ -- một danh sách gồm khoảng 20 con số được đo đạc với độ chính xác đến kinh ngạc, nhưng không ai có lời giải thích được tại sao những con số đó lại có giá trị như vậy.
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.
Vậy, liệu lý thuyết dây có cho câu trả lời? Chưa đâu. Nhưng chúng tôi tin rằng câu trả lời cho câu hỏi về giá trị của những con số có thể dựa trên dạng của những chiều không gian thêm này. Và điều tuyệt vời là, nếu những con số này có giá trị sai khác so với các số liệu sẵn có, vũ trụ mà chúng ta biết sẽ chẳng hề tồn tại. Đây là một câu hỏi chuyên sâu. Tại sao những con số đó lại vừa vặn đủ để các ngôi sao phát sáng và các hành tinh được hình thành, khi chúng ta nhận ta nếu các bạn làm lộn xộn các con số này -- nếu tôi cho hiện lên 20 con số này rồi cho các bạn làm lộn xộn chúng, thì bất cứ thay đổi nhỏ nào cũng khiến vũ trụ biến mất. Vậy liệu chúng ta có thể giải thích 20 con số đó? Và lý thuyết dây gợi ý rằng 20 con số đó liên quan tới các chiều không gian khác. Để tôi chỉ cho bạn. Khi chúng ta nói về các chiều không gian khác nhau trong lý thuyết dây, nó không chỉ là một chiều không gian khác, như trong quan điểm cũ của Kaluza và Klein. Đây là những gì lý thuyết dây nói về các chiều không gian khác. Chúng gồm những dạng hình học đan xen dày đặc.
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?
Đây là ví dụ về mô phỏng Calabi - Yau -- cái tên không quá quan trọng. Nhưng như bạn có thể thấy, các chiều không gian thêm tự gấp lại và uốn vào nhau theo một cấu trúc hết sức thú vị. Và ý tưởng cho rằng nếu các chiều không gian khác trông như thế này, thì khung cảnh siêu vi của thế giới vật chất sẽ trông như thế này trên thang đo nhỏ nhất. Khi bạn vung tay, bạn sẽ di chuyển qua lại các chiều không gian này liên tục, Nhưng chúng quá nhỏ nên chúng ta không thể biết. Vậy đâu là ẩn ý vật lý, liên quan tới 20 con số này?
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.
Cân nhắc điều này. Nếu các bạn nhìn vào nhạc cụ, một cái kèn Pháp, lưu ý rằng sự dao động của các dòng không khí bị ảnh hưởng bởi hình dáng của nhạc cụ. Trong lý thuyết dây, các con số là thể hiện cách mà các dây dao động. Vậy cũng như những luồng khí đó bị ảnh hưởng vởi sự xoắn vặn của nhạc cụ, các sợi dây sẽ bị ảnh hưởng bởi các mẫu dao động hình học. Để tôi nối lại vài sợi dây trong câu chuyện. Và nếu bạn quan sát những dây nhỏ này dao động -- chúng sẽ ở đó sau 1 giây nữa -- ngay kia, chú ý rằng cách chúng dao động bị ảnh hưởng bởi dạng hình học của những chiều không gian này.
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.
Vì thế nếu chúng ta biết chính xác các chiều không gian trông như thế nào -- chúng ta chưa biết, nhưng nếu ta biết -- chúng ta có thể tính toán được các nốt có thể chơi được, hay các dang thù hình dao động. Và nếu chúng ta có thể tính toán các thù hình dao động tồn tại, chúng ta có thể tính được 20 con số kia. Và nếu câu trả lời thu được từ các phép tính trùng khớp với giá trị của các con số đó đã được định trước qua các thỉ nghiệm tỉ mỉ, chính xác, trong nhiều trường hợp đó có thể là giải thích cơ sở về cấu trúc của vũ trụ. Vấn đề thứ hai mà tôi muốn giải quyết đó là: làm thế nào để kiểm chứng về các chiều không gian này một cách trực tiếp hơn? Liệu đây chỉ là một cấu trúc toán học thú vị có thể giải thích một vài chi tiết chưa giải thích được của thế giới, hay chúng ta có thể thực chất kiểm chứng những chiều không gian này? Và chúng tôi nghĩ -- và nó, tôi nghĩ, rất thú vị -- rằng trong năm năm tới chúng ta sẽ có thế kiểm chứng sự tồn tại của những chiều không gian này.
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.
Đây là lý do. Tại CERN, Geneva, Thụy Sỹ, một chiếc máy đang được xây dựng, gọi là Large Hadron Collider. (máy va chạm hạt cơ bản) Đó là một chiêc máy phóng các phân tử qua một đường thông, theo hai hướng ngược nhau, với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Hầu như là các hạt phân tử sẽ được ngắm về phía nhau, nên sẽ có một vụ va chạm trực diện. Hy vọng là nếu vụ va chạm tạo đủ năng lượng, nó có thể phóng ra một vài mảnh vụn từ các chiều không gian của chúng ta, đẩy chúng vào các chiều không gian khác. Làm thế nào để chúng ta biết được điều đó? À, chúng tôi sẽ đo lượng năng lượng sau va chạm, rồi so sánh nó với lượng năng lượng ban đầu, và nếu có ít năng lượng hơn sau vụ va chạm, nó có thể là bằng chứng cho thấy năng lượng bị cuốn đi. Và nếu nó bị cuốn đi theo thù hình mà ta tính toán được, nó sẽ cho thấy rằng các chiều không gian khác là có tồn tại.
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.
Để tôi cho các bạn xem ý tưởng đó. Vậy hãy tưởng tượng chúng ta có một loại hạt gọi là graviton -- đó là loại mảnh vụn mà chúng ta hy vọng sẽ phóng ra nếu các chiều không gian khác có thật. Nhưng đây là cách tiến hành thí nghiệm. Bạn chọn các phân tử này. Bạn phóng chúng vào nhau. Bạn phóng chúng vào nhau, và nếu chúng ta đúng, một phần năng lượng của sự va chạm sẽ biến thành mảnh vụn và bay vào các chiều không gian khác. Vậy đây là loại thí nghiệm chúng ta sẽ cân nhắc trong 5, 7, 10 năm tới. Và nếu thì nghiệm này có kết quả, nếu chúng ta nhận thấy loại phân tử bị phóng ra bằng cách chú ý vào lượng năng lượng bị hụt trong các chiều không gian của chúng ta so với lúc chúng ta bắt đầu, nó sẽ cho thấy các chiều không gian khác là có thật.
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.
Và đối với tôi đây là một chuyện rất đáng kể, và một cơ hội đáng chú ý. Trở về thời Newton với không gian tuyệt đối -- không cung cấp gì ngoài một đấu trường, một sân khấu trong đó các sự kiện của vũ trụ xảy ra. Einstein đến và nói à, không gian và thời gian có thể uốn khúc, đó là lực hấp dẫn. Và bây giờ lý thuyết dây xuất hiện và nói, ừ, lực hấp dẫn, cơ học lượng tử, điện từ trường -- tất cả trong một. nhưng nếu vũ trụ có nhiều chiều không gian hơn những thứ chúng ta thấy. Và đây là một thí nghiệm có thể kiểm chứng chúng trong thời của mình. Khả năng đáng kinh ngạc. Cảm ơn các bạn rất nhiều.
(Applause)
(Vỗ tay)