On a typical day at school, endless hours are spent learning the answers to questions, but right now, we'll do the opposite. We're going to focus on questions where you can't learn the answers because they're unknown. I used to puzzle about a lot of things as a boy, for example: What would it feel like to be a dog? Do fish feel pain? How about insects? Was the Big Bang just an accident? And is there a God? And if so, how are we so sure that it's a He and not a She? Why do so many innocent people and animals suffer terrible things? Is there really a plan for my life? Is the future yet to be written, or is it already written and we just can't see it? But then, do I have free will? I mean, who am I anyway? Am I just a biological machine? But then, why am I conscious? What is consciousness? Will robots become conscious one day? I mean, I kind of assumed that some day I would be told the answers to all these questions. Someone must know, right? Guess what? No one knows. Most of those questions puzzle me more now than ever. But diving into them is exciting because it takes you to the edge of knowledge, and you never know what you'll find there. So, two questions that no one on Earth knows the answer to. (Music) [How many universes are there?] Sometimes when I'm on a long plane flight, I gaze out at all those mountains and deserts and try to get my head around how vast our Earth is. And then I remember that there's an object we see every day that would literally fit one million Earths inside it: the Sun. It seems impossibly big. But in the great scheme of things, it's a pinprick, one of about 400 billion stars in the Milky Way galaxy, which you can see on a clear night as a pale white mist stretched across the sky. And it gets worse. There are maybe 100 billion galaxies detectable by our telescopes. So if each star was the size of a single grain of sand, just the Milky Way has enough stars to fill a 30-foot by 30-foot stretch of beach three feet deep with sand. And the entire Earth doesn't have enough beaches to represent the stars in the overall universe. Such a beach would continue for literally hundreds of millions of miles. Holy Stephen Hawking, that is a lot of stars. But he and other physicists now believe in a reality that is unimaginably bigger still. I mean, first of all, the 100 billion galaxies within range of our telescopes are probably a minuscule fraction of the total. Space itself is expanding at an accelerating pace. The vast majority of the galaxies are separating from us so fast that light from them may never reach us. Still, our physical reality here on Earth is intimately connected to those distant, invisible galaxies. We can think of them as part of our universe. They make up a single, giant edifice obeying the same physical laws and all made from the same types of atoms, electrons, protons, quarks, neutrinos, that make up you and me. However, recent theories in physics, including one called string theory, are now telling us there could be countless other universes built on different types of particles, with different properties, obeying different laws. Most of these universes could never support life, and might flash in and out of existence in a nanosecond. But nonetheless, combined, they make up a vast multiverse of possible universes in up to 11 dimensions, featuring wonders beyond our wildest imagination. The leading version of string theory predicts a multiverse made up of 10 to the 500 universes. That's a one followed by 500 zeros, a number so vast that if every atom in our observable universe had its own universe, and all of the atoms in all those universes each had their own universe, and you repeated that for two more cycles, you'd still be at a tiny fraction of the total, namely, one trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillionth. (Laughter) But even that number is minuscule compared to another number: infinity. Some physicists think the space-time continuum is literally infinite and that it contains an infinite number of so-called pocket universes with varying properties. How's your brain doing? Quantum theory adds a whole new wrinkle. I mean, the theory's been proven true beyond all doubt, but interpreting it is baffling, and some physicists think you can only un-baffle it if you imagine that huge numbers of parallel universes are being spawned every moment, and many of these universes would actually be very like the world we're in, would include multiple copies of you. In one such universe, you'd graduate with honors and marry the person of your dreams, and in another, not so much. Well, there are still some scientists who would say, hogwash. The only meaningful answer to the question of how many universes there are is one. Only one universe. And a few philosophers and mystics might argue that even our own universe is an illusion. So, as you can see, right now there is no agreement on this question, not even close. All we know is the answer is somewhere between zero and infinity. Well, I guess we know one other thing. This is a pretty cool time to be studying physics. We just might be undergoing the biggest paradigm shift in knowledge that humanity has ever seen. (Music) [Why can't we see evidence of alien life?] Somewhere out there in that vast universe there must surely be countless other planets teeming with life. But why don't we see any evidence of it? Well, this is the famous question asked by Enrico Fermi in 1950: Where is everybody? Conspiracy theorists claim that UFOs are visiting all the time and the reports are just being covered up, but honestly, they aren't very convincing. But that leaves a real riddle. In the past year, the Kepler space observatory has found hundreds of planets just around nearby stars. And if you extrapolate that data, it looks like there could be half a trillion planets just in our own galaxy. If any one in 10,000 has conditions that might support a form of life, that's still 50 million possible life-harboring planets right here in the Milky Way. So here's the riddle: our Earth didn't form until about nine billion years after the Big Bang. Countless other planets in our galaxy should have formed earlier, and given life a chance to get underway billions, or certainly many millions of years earlier than happened on Earth. If just a few of them had spawned intelligent life and started creating technologies, those technologies would have had millions of years to grow in complexity and power. On Earth, we've seen how dramatically technology can accelerate in just 100 years. In millions of years, an intelligent alien civilization could easily have spread out across the galaxy, perhaps creating giant energy-harvesting artifacts or fleets of colonizing spaceships or glorious works of art that fill the night sky. At the very least, you'd think they'd be revealing their presence, deliberately or otherwise, through electromagnetic signals of one kind or another. And yet we see no convincing evidence of any of it. Why? Well, there are numerous possible answers, some of them quite dark. Maybe a single, superintelligent civilization has indeed taken over the galaxy and has imposed strict radio silence because it's paranoid of any potential competitors. It's just sitting there ready to obliterate anything that becomes a threat. Or maybe they're not that intelligent, or perhaps the evolution of an intelligence capable of creating sophisticated technology is far rarer than we've assumed. After all, it's only happened once on Earth in four billion years. Maybe even that was incredibly lucky. Maybe we are the first such civilization in our galaxy. Or, perhaps civilization carries with it the seeds of its own destruction through the inability to control the technologies it creates. But there are numerous more hopeful answers. For a start, we're not looking that hard, and we're spending a pitiful amount of money on it. Only a tiny fraction of the stars in our galaxy have really been looked at closely for signs of interesting signals. And perhaps we're not looking the right way. Maybe as civilizations develop, they quickly discover communication technologies far more sophisticated and useful than electromagnetic waves. Maybe all the action takes place inside the mysterious recently discovered dark matter, or dark energy, that appear to account for most of the universe's mass. Or, maybe we're looking at the wrong scale. Perhaps intelligent civilizations come to realize that life is ultimately just complex patterns of information interacting with each other in a beautiful way, and that that can happen more efficiently at a small scale. So, just as on Earth, clunky stereo systems have shrunk to beautiful, tiny iPods, maybe intelligent life itself, in order to reduce its footprint on the environment, has turned itself microscopic. So the Solar System might be teeming with aliens, and we're just not noticing them. Maybe the very ideas in our heads are a form of alien life. Well, okay, that's a crazy thought. The aliens made me say it. But it is cool that ideas do seem to have a life all of their own and that they outlive their creators. Maybe biological life is just a passing phase. Well, within the next 15 years, we could start seeing real spectroscopic information from promising nearby planets that will reveal just how life-friendly they might be. And meanwhile, SETI, the Search for Extraterrestrial Intelligence, is now releasing its data to the public so that millions of citizen scientists, maybe including you, can bring the power of the crowd to join the search. And here on Earth, amazing experiments are being done to try to create life from scratch, life that might be very different from the DNA forms we know. All of this will help us understand whether the universe is teeming with life or whether, indeed, it's just us. Either answer, in its own way, is awe-inspiring, because even if we are alone, the fact that we think and dream and ask these questions might yet turn out to be one of the most important facts about the universe. And I have one more piece of good news for you. The quest for knowledge and understanding never gets dull. It doesn't. It's actually the opposite. The more you know, the more amazing the world seems. And it's the crazy possibilities, the unanswered questions, that pull us forward. So stay curious.
Op een typische schooldag spendeert men uren aan het leren van antwoorden op vragen, maar nu gaan we het tegenovergestelde doen. We gaan focussen op vragen waarop je de antwoorden niet kan leren omdat ze onbekend zijn. Als jongetje brak ik mijn hoofd over verschillende dingen, bijvoorbeeld: hoe zou het voelen een hond te zijn? Voelen vissen pijn? En insecten? Was de Big Bang gewoon een ongeluk? En is er een God? En als die er is, hoe weten we dan dat het een Hij is en geen Zij? Waarom moeten zoveel onschuldige mensen en dieren zo erg lijden? Is er echt een plan voor mijn leven? Wordt de toekomst nog geschreven, of is ze al geschreven en kunnen we het gewoon niet zien? Maar heb ik dan wel een vrije wil? Wie ben ik dan eigenlijk? Slechts een biologische machine? Maar hoe ben ik me daar dan bewust van? Wat is bewustzijn? Zullen robots ooit een bewustzijn hebben? Ik nam eigenlijk aan dat iemand me op een dag antwoord op al deze vragen zou geven. Iemand moet ze weten, toch? Raad eens? Niemand weet ze. Die vragen verbijsteren me nu meer dan ooit. Maar erin duiken is zo spannend en leuk, omdat het je naar de grenzen van je kennis brengt en je weet nooit wat je daar zal vinden. Dus, twee vragen waar niemand op aarde het antwoord op weet. (Muziek) [Hoeveel universa zijn er?] Als ik een lange tijd in een vliegtuig zit, staar ik soms naar al die bergen en woestijnen en probeer ik te vatten hoe groot onze Aarde is. En dan besef ik dat er een object is dat we elke dag zien waar letterlijk een miljoen Aardes in zouden passen: de Zon. Die lijkt onmogelijk groot. Maar in het volledige plaatje is het maar een speldenkop, slechts één van 400 miljard sterren in het melkwegstelsel, dat je kan zien op een heldere nacht als een bleke, witte mist langs de hemel. En het wordt nog erger. Er zijn zo'n 100 miljard sterrenstelsels zichtbaar door een telescoop. Dus als elke ster de grootte van een zandkorrel had, heeft de Melkweg alleen al genoeg sterren om een stuk strand van 9 vierkante meter tot een meter diep te vullen met zand. En er zijn niet genoeg stranden op heel de Aarde om alle sterren van het universum voor te stellen. Zo'n strand zou letterlijk miljarden kilometers doorgaan. Stephen Hawking nog aan toe, dat zijn nog eens veel sterren! Maar hij en andere fysici geloven nu dat het eigenlijk nog onvoorstelbaar veel groter is. Om te beginnen zijn de 100 miljard sterrenstelsels in het bereik van een telescoop waarschijnlijk maar een kleine fractie van het totaal. De ruimte zelf breidt zich uit in een almaar versnellend tempo. De grote meerderheid van de sterrenstelsels verwijdert zich zo snel van ons dat hun licht ons nooit kan bereiken. En toch is onze fysieke realiteit hier op Aarde innig verbonden met die verre, onzichtbare sterrenstelsels. We kunnen ze beschouwen als deel van ons universum. Ze vormen een enkel, gigantisch bouwwerk, geregeerd door dezelfde fysieke wetten en bestaande uit dezelfde atomen, elektronen, protonen, quarks en neutronen die jou en mij vormen. Maar recente theorieën in de fysica, waaronder de snaartheorie, stellen nu dat er ontelbare andere universa kunnen zijn, bestaande uit andere partikels, met andere kenmerken, onderhevig aan andere wetten. In de meeste daarvan is leven onmogelijk en ze kunnen in een nanoseconde het bestaan in- en uit flitsen. Maar toch: in combinatie vormen ze een gigantisch multiversum van mogelijke universa in tot wel 11 dimensies, met wonderen die we ons niet kunnen voorstellen. De snaartheorie voorspelt een multiversum dat bestaat uit 10 tot de 500ste universa. Dat is een 1 gevolgd door 500 nullen, een getal zo groot dat als elk atoom in ons meetbaar universum zijn eigen universum had, en als als die atomen in dié universa dan weer hun eigen universum hadden, en je herhaalt dit nog twee keer, dat je dan nog steeds een erg kleine fractie van het totaal hebt, namelijk, een triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoenste. (Gelach) Maar zelfs dat getal is minuscuul vergeleken met een ander getal: oneindig. Sommige fysici denken dat het ruimte-tijdcontinuüm letterlijk oneindig is en dat het een oneindig aantal deel-universa omvat met variërende kenmerken. Is je brein nog oké? Quantum theorie maakt het nog erger. De theorie is ondertussen op vele manieren bewezen, maar de interpretatie blijft moeilijk en sommige fysici denken dat het makkelijker kan als je je voorstelt dat massa's parallelle universa elk moment worden voortgebracht, en veel daarvan zouden eigenlijk erg op onze wereld lijken, zouden verschillende kopieën van jou bevatten. In een van die universa blink je uit op school en trouw je met de persoon van je dromen, en in een ander, niet bepaald. Er zijn wel nog steeds wetenschappers die zouden zeggen: onzin. Het enige zinnige antwoord op de vraag hoeveel universa er zijn, is een. Slechts één universum. Enkele filosofen en mystici zouden kunnen beweren dat zelfs ons eigen universum een illusie is. Zoals je ziet, zijn we het momenteel nog lang niet eens over deze vraag. Het enige dat we weten, is dat het antwoord tussen nul en oneindig ligt. Of ja, we weten nog iets anders. Het is een leuke tijd om fysica te studeren. Onze kennis maakt op dit moment misschien de grootste paradigmaverschuiving die de mensheid ooit meemaakte. (Muziek) [Waarom zien we geen bewijs van buitenaards leven?] Ergens in dat gigantische heelal moeten vast ontelbare andere planeten wemelen van het leven. Waarom zien we daar geen bewijs van? Wel, dit is de beroemde vraag gesteld door Enrico Fermi in 1950: waar is iedereen? Samenzweringstheorieën stellen dat UFO's ons voortdurend bezoeken en dat dit verborgen voor ons wordt gehouden, maar eerlijk: ze zijn niet erg overtuigend. Maar het blijft een raadsel. Het afgelopen jaar vond het Kepler ruimte observatorium honderden planeten rond nabije sterren. Als je die data doortrekt, zijn er waarschijnlijk een half triljoen planeten enkel in ons sterrenstelsel. Als een uit de 10,000 omstandigheden heeft waar een vorm van leven mogelijk is, zijn er dus 50 miljoen mogelijke planeten met leven in de Melkweg. Hier is het raadselachtige: onze Aarde ontstond pas zo'n negen miljard jaar na de Big Bang. Ontelbare planeten in ons sterrenstelsel moeten dus eerder gevormd zijn en kans op leven gehad hebben, miljarden, of zeker vele miljoenen jaren eerder dan op Aarde. Als maar een paar daarvan intelligent leven voortbrachten en begonnen met het creëren van technologieën, dan hadden die technologieën miljoenen jaren de tijd om te groeien in complexiteit en macht. Op onze planeet zagen we al hoe drastisch technologie kan versnellen in slechts 100 jaar. In een spanne van miljoenen jaren kon een intelligente beschaving zich toch makkelijk verspreiden over het sterrenstelsel, misschien met gigantische energie-creërende machines of vloten koloniserende ruimteschepen, of prachtige kunstwerken in de avondhemel. Je zou op z'n minst denken dat hun aanwezigheid merkbaar is, expres of niet, door elektromagnetische signalen of iets dergelijks. En toch zien we geen overtuigend bewijs. Waarom? Wel, er zijn veel mogelijke antwoorden, sommige aan de sinistere kant. Misschien heeft een enkele, superintelligente beschaving inderdaad het sterrenstelsel overgenomen en een strikte radiostilte opgelegd vanwege paranoia omtrent mogelijke concurrenten. Het houdt zich stil, klaar om alles te vernietigen dat mogelijk een bedreiging vormt. Of misschien zijn ze niet zo intelligent, of misschien is de evolutie van een intelligentie die gesofisticeerde technologie kan creëren veel zeldzamer dan we aannemen. Het is tenslotte nog maar één keer gebeurd in vier miljard jaar Aarde. Misschien was dat al ontzettend toevallig. Misschien zijn we zo de eerste beschaving in ons sterrenstelsel. Of, misschien is elke beschaving uiteindelijk zelfdestructief door het onvermogen haar technologie onder controle te houden. Maar er zijn ook hoopvolle antwoorden. Om te beginnen zoeken we niet zo erg hard en we investeren er maar een zielig beetje geld in. Slechts een kleine fractie van de sterren in ons stelsel zijn fatsoenlijk onderzocht op interessante tekens. En misschien zoeken we verkeerd. Beschavingen ontdekken tijdens hun ontwikkeling misschien al snel communicatietechnologieën die veel verfijnder en nuttiger zijn dan elektromagnetische golven. Misschien vindt alle actie plaats in de mysterieuze, pas ontdekte zwarte materie, of donkere energie, die het grootste deel van de universele massa uitmaakt. Of, misschien zoeken we op een foute schaal. Misschien beseffen intelligente beschavingen dat het leven uiteindelijk maar complexe informatiepatronen zijn die op prachtige wijze met elkaar interageren, en dat dit efficiënter kan op kleinere schaal. Net zoals op Aarde robuuste stereo-installaties krompen tot mooie, kleine iPods, zo is misschien intelligent leven, om hun ecologische voetafdruk te verkleinen, zélf microscopisch klein geworden. Misschien zit het zonnestelsel wel vol aliens, maar merken we ze gewoon niet op. Of zijn de ideeën in ons hoofd een vorm van buitenaards leven. Oké, dat is een gekke gedachte. De aliens lieten het me zeggen. Maar het is wel cool dat ideeën een eigen leven lijken te hebben en dat ze hun bedenkers kunnen overleven. Misschien is biologisch leven maar een voorbijgaande fase. In de komende 15 jaar kunnen we misschien echte spectroscopische informatie zien van veelbelovende, nabije planeten, die zal onthullen hoe levensvriendelijk ze misschien zijn. En ondertussen geeft SETI, een satelliet op zoek naar buitenaards leven, data vrij aan het publiek, zodat miljoenen burger-wetenschappers, misschien jij wel, de kracht van de massa toevoegen aan de zoektocht. We voeren experimenten uit waarin we proberen leven vanaf nul op te wekken, leven dat kan verschillen van de DNA-vormen die we kennen. Dit kan ons helpen ontdekken of het universum wemelt van leven of dat we inderdaad alleen zijn. Eender welk antwoord is ontzagwekkend op z'n eigen manier, want zelfs als we alleen zijn is het feit dat we denken en dromen en zulke vragen stellen misschien wel net een van de belangrijkste feiten over het universum. En ik heb nog een beetje meer goed nieuws. De tocht naar kennis en begrip wordt nooit saai. Integendeel. Hoe meer je weet, hoe verbazingwekkender de wereld lijkt. Het zijn de ongelooflijke mogelijkheden, de onbeantwoorde vragen, die ons gaande houden. Dus: blijf nieuwsgierig.