Uau, kámo. Sleduj ty vražedné rovnice. Krása.
Whoa, dude.
(Laughter)
Takže, během následujících 18 minut se pokusím popsat krásu částicové fyziky bez rovnic. Ukazuje se, že hodně se toho můžeme naučit od korálů. Korál je nádherný a neobvyklý živočich. Každá větev korálu se skládá z tisíců jednotlivých polypů. Tito polypi neustále pučí a rozvětvují se v geneticky totožné sousedy. Pokud si představíme, že korál je vysoce inteligentní, můžeme zvolit jedince a položit mu rozumnou otázku. Můžeme se zeptat, jak se vlastně ocitl v určité pozici vůči sousedům -- -- jestli to byla náhoda, osud, nebo něco jiného.
Check out those killer equations. Sweet. Actually, for the next 18 minutes I'm going to do the best I can to describe the beauty of particle physics without equations. It turns out there's a lot we can learn from coral. A coral is a very beautiful and unusual animal. Each coral head consists of thousands of individual polyps. These polyps are continually budding and branching into genetically identical neighbors. If we imagine this to be a hyperintelligent coral, we can single out an individual and ask him a reasonable question. We can ask how exactly he got to be in this particular location compared to his neighbors -- if it was just chance, or destiny, or what?
Potom, co by nás pokáral, že moc zvyšujeme teplotu, řekl by nám, že ta otázka je úplně nesmyslná. Víte, tihle koráli jsou občas docela protivní, což dokazují moje jizvy ze surfování. Ale polyp by pokračoval a řekl by nám, že je docela jasné, že sousedé jsou jeho duplikáty. Že je i na všech ostatních místech, ale vnímá je jako samostatné jedince. Pro korál je větvení do různých kopií tím nejpřirozenějším na světě.
Now, after admonishing us for turning the temperature up too high, he would tell us that our question was completely stupid. These corals can be kind of mean, you see, and I have surfing scars to prove that. But this polyp would continue and tell us that his neighbors were quite clearly identical copies of him. That he was in all these other locations as well, but experiencing them as separate individuals. For a coral, branching into different copies is the most natural thing in the world.
Na rozdíl od nás by byl vysoce inteligentní korál jedinečně uzpůsobený k pochopení kvantové mechaniky. Matematika kvantové mechaniky velmi přesně popisuje, jak funguje náš vesmír. A říká, že naše realita se neustále rozvětvuje do různých možností, stejně jako korál. Nám lidem připadá divné si tímhle motat hlavu, jelikož jsme schopni prožívat jenom jednu možnost. Tato kvantová podivnost byla poprvé popsána Erwinem Schrödingerem a jeho kočkou. Kočka má radši tuhle verzi. (Smích) V tomto uspořádání je Schrödinger v krabici s radioaktivním vzorkem, který se podle kvantové mechaniky rozvětví do stavu, ve kterém dojde k vyzáření, a do stavu, kde k němu nedojde. (Smích) Ve větvi, ve které vzorek vyzáří, se otevře klapka, která uvolní jed, a Schrödinger umře. Ale v jiné větvi reality zůstane naživu. Tyto skutečnosti vnímá každý jedinec zvlášť. Ani jeden nemůže říct, jestli ten druhý existuje.
Unlike us, a hyperintelligent coral would be uniquely prepared to understand quantum mechanics. The mathematics of quantum mechanics very accurately describes how our universe works. And it tells us our reality is continually branching into different possibilities, just like a coral. It's a weird thing for us humans to wrap our minds around, since we only ever get to experience one possibility. This quantum weirdness was first described by Erwin Schrödinger and his cat. The cat likes this version better. (Laughter) In this setup, Schrödinger is in a box with a radioactive sample that, by the laws of quantum mechanics, branches into a state in which it is radiated and a state in which it is not. (Laughter) In the branch in which the sample radiates, it sets off a trigger that releases poison and Schrödinger is dead. But in the other branch of reality, he remains alive. These realities are experienced separately by each individual. As far as either can tell, the other one doesn't exist.
Nám to může připadat divné, protože každý z nás vnímá jenom jednu existenci a nejsme schopni pozorovat další větve. Jako by každý z nás, stejně jako tady Schrödinger, byl jako korál větvící se do různých možností. Matematika kvantové mechaniky nám říká, že takto funguje svět v malých rozměrech. Lze to shrnout do jedné věty: Vše, co se může stát, stane se. To je kvantová mechanika. Ale to neznamená, že se stane všechno. Zbytek fyziky se snaží popsat, co se může stát a co ne. Fyzika nám říká, že všechno se redukuje na geometrii a interakce elementárních částic. Události mohou nastat, jenom pokud jsou tyto interakce v dokonalé rovnováze.
This seems weird to us, because each of us only experiences an individual existence, and we don't get to see other branches. It's as if each of us, like Schrödinger here, are a kind of coral branching into different possibilities. The mathematics of quantum mechanics tells us this is how the world works at tiny scales. It can be summed up in a single sentence: Everything that can happen, does. That's quantum mechanics. But this does not mean everything happens. The rest of physics is about describing what can happen and what can't. What physics tells us is that everything comes down to geometry and the interactions of elementary particles. And things can happen only if these interactions are perfectly balanced.
Teď pokročím a popíšu, jak o těchto částicích víme, co jsou zač a jak tato rovnováha funguje. V tomto přístroji se paprsky protonů a antiprotonů urychlují téměř k rychlosti světla, nechají se srazit a dojde k výtrysku čisté energie. Tato energie se okamžitě promění ve spršku subatomárních částic, jejichž vlastnosti určují detektory a počítače. Tento obrovský stroj, Velký hadronový urychlovač v CERNu v Ženevě, má obvod 27 kilometrů a když je v provozu, spotřebovává pětkrát víc energie než město Monterey (Kalifornie). Nedovedeme výslovně předpovědět, jaké částice vzniknou, při určité srážce. Kvantová mechanika nám říká, že se uskuteční všechny možnosti. Ale fyzika nám říká, jaké částice mohou vzniknout. Tyto částice musí mít přesně tolik hmotnosti a energie kolik bylo neseno tím protonem a antiprotonem. Žádné částice hmotnější než tato energetická mez nevzniknou a zůstanou pro nás neviditelné. Proto je tento nový urychlovač částic tak vzrušující. Posune tuto energetickou mez sedminásobně oproti všemu předešlému, takže velice brzo uvidíme nové částice.
Now I'll go ahead and describe how we know about these particles, what they are and how this balance works. In this machine, a beam of protons and antiprotons are accelerated to near the speed of light and brought together in a collision, producing a burst of pure energy. This energy is immediately converted into a spray of subatomic particles, with detectors and computers used to figure out their properties. This enormous machine -- the Large Hadron Collider at CERN in Geneva -- has a circumference of 17 miles and, when it's operating, draws five times as much power as the city of Monterey. We can't predict specifically what particles will be produced in any individual collision. Quantum mechanics tells us all possibilities are realized. But physics does tell us what particles can be produced. These particles must have just as much mass and energy as is carried in by the proton and antiproton. Any particles more massive than this energy limit aren't produced, and remain invisible to us. This is why this new particle accelerator is so exciting. It's going to push this energy limit seven times beyond what's ever been done before, so we're going to get to see some new particles very soon.
Ale než budu mluvit o tom, co bychom mohli pozorovat, dovolte mi popsat částice, o kterých už víme. Subatomárních částic je celá zoo. Většině z nás jsou důvěrně známé elektrony. Mnoho lidí v tomto sále se úspěšně živí tím, že je postrkují dokola. (Smích) Ale elektron má také neutrálního kolegu jménem neutrino, bez elektrického náboje a s velmi malou hmotností. Naproti tomu up a down kvarky mají velmi velké hmotnosti, a spojují se do trojic, čímž tvoří protony a neutrony uvnitř atomů. Všechny tyto hmotné částice mají levo a pravotočivou formu a odpovídají jim antičástice, které nesou opačný náboj. Tyto běžné částice mají také méně známé druhé a třetí generace, které mají stejné náboje jako první, ale mají mnohem vyšší hmotnosti. Všechny tyto hmotné částice interagují s různými silovými částicemi. Elektromagnetická síla interaguje s elektricky nabitou hmotou skrze částice nazvané fotony. Existuje také velmi slabá síla, pojmenovaná celkem bez fantazie slabá síla, která interaguje
But before talking about what we might see, let me describe the particles we already know of. There's a whole zoo of subatomic particles. Most of us are familiar with electrons. A lot of people in this room make a good living pushing them around. (Laughter) But the electron also has a neutral partner called the neutrino, with no electric charge and a very tiny mass. In contrast, the up and down quarks have very large masses, and combine in threes to make the protons and neutrons inside atoms. All of these matter particles come in left- and right-handed varieties, and have antiparticle partners that carry opposite charges. These familiar particles also have less familiar second and third generations, which have the same charges as the first but have much higher masses. These matter particles all interact with the various force particles. The electromagnetic force interacts with electrically charged matter via particles called photons. There is also a very weak force called, rather unimaginatively, the weak force ...
pouze s levotočivou hmotou. Silná interakce působí mezi kvarky, které nesou jiný druh náboje jménem barevný náboj, a má tři různé druhy: červený, zelený a modrý. Ta jména má na svědomí Murray Gell-Mann -- je to jeho vina. Nakonec je tu gravitační síla, která interaguje s hmotou skrze její hmotnost a spin.
(Laughter) that interacts only with left-handed matter. The strong force acts between quarks which carry a different kind of charge, called color charge, and come in three different varieties: red, green and blue. You can blame Murray Gell-Mann for these names -- they're his fault. Finally, there's the force of gravity, which interacts with matter via its mass and spin.
Tady je nejdůležitější pochopit, že každé z těchto sil odpovídají různé druhy náboje. Tyto čtyři různé síly interagují s hmotou podle odpovídajících nábojů, které má každá částice. Částice, která ještě nebyla pozorována, ale jsme si docela jistí, že existuje, je Higgsova částice, která dává hmotu všem těmto ostatním částicím. Hlavním cílem Velkého hadronového urychlovače je pozorovat Higgsovu částici, a jsme si skoro jistí, že ji uvidíme. Ale největší záhadou je, co dalšího bychom mohli pozorovat. Ukážu vám jednu nádhernou možnost ke konci této přednášky.
The most important thing to understand here is that there's a different kind of charge associated with each of these forces. These four different forces interact with matter according to the corresponding charges that each particle has. A particle that hasn't been seen yet, but we're pretty sure exists, is the Higgs particle, which gives masses to all these other particles. The main purpose of the Large Hadron Collider is to see this Higgs particle, and we're almost certain it will. But the greatest mystery is what else we might see. And I'm going to show you one beautiful possibility towards the end of this talk.
Když teď spočítáme všechny tyto různé částice podle jejich spinů a nábojů, je jich 226. To je spousta částic. A je divné, že by příroda měla tolik elementárních částic. Ale když je vykreslíme podle nábojů, vynoří se nádherné obrazce. Nejběžnějším nábojem je elektrický náboj. Elektrony mají záporný elektrický náboj a kvarky mají elektrické náboje po třetinách. Takže když se zkombinují dva up kvarky a jeden down kvark na proton, dohromady mají elektrický náboj plus jedna. Částice mají také antičástice, které mají opačný náboj. Ukazuje se, že elektrické náboje jsou ve skutečnosti kombinací dvou jiných nábojů: hypernáboje a slabého náboje. Pokud rozložíme hypernáboj a slabý náboj a vykreslíme náboje částic v dvojrozměrném nábojovém prostoru, elektrický náboj odpovídá postavení částic ve svislém směru. Elektromagnetická a slabá síla interagují s hmotou podle jejího hypernáboje a slabého náboje, což dává tento obrazec. Tomu se říká Model elektroslabého sjednocení, a byl vytvořený v roce 1967.
Now, if we count up all these different particles using their various spins and charges, there are 226. That's a lot of particles to keep track of. And it seems strange that nature would have so many elementary particles. But if we plot them out according to their charges, some beautiful patterns emerge. The most familiar charge is electric charge. Electrons have an electric charge, a negative one, and quarks have electric charges in thirds. So when two up quarks and a down quark are combined to make a proton, it has a total electric charge of plus one. These particles also have antiparticles, which have opposite charges. Now, it turns out the electric charge is actually a combination of two other charges: hypercharge and weak charge. If we spread out the hypercharge and weak charge and plot the charges of particles in this two-dimensional charge space, the electric charge is where these particles sit along the vertical direction. The electromagnetic and weak forces interact with matter according to their hypercharge and weak charge, which make this pattern. This is called the unified electroweak model, and it was put together back in 1967.
Důvodem, proč je většině z nás znám elektrický náboj a ne oba dva, je Higgsova částice. Higgs, tady nalevo, má velkou hmotnost a narušuje symetrii tohoto elektroslabého obrazce. Slabá síla je velmi slabá kvůli tomu, že dává slabým částicím velkou hmotnost. Jelikož v tomto schématu leží hmotný Higgs podél vodorovného směru, fotony elektromagnetismu jsou nehmotné a interagují s elektrickým nábojem podél svislého směru v tomto nábojovém prostoru. Takže elektromagnetická a slabá síla jsou popsané tímto obrazcem nábojů částic ve dvourozměrném prostoru. Silnou sílu můžeme zahrnout tak, že rozložíme její dva nábojové směry a vykreslíme náboje silových částic v kvarcích do těchto směrů. Náboje všech známých částic je možné vykreslit ve čtyřrozměrném nábojovém prostoru a promítnout je takto do dvou rozměrů, takže je lze vidět.
The reason most of us are only familiar with electric charge and not both of these is because of the Higgs particle. The Higgs, over here on the left, has a large mass and breaks the symmetry of this electroweak pattern. It makes the weak force very weak by giving the weak particles a large mass. Since this massive Higgs sits along the horizontal direction in this diagram, the photons of electromagnetism remain massless and interact with electric charge along the vertical direction in this charge space. So the electromagnetic and weak forces are described by this pattern of particle charges in two-dimensional space. We can include the strong force by spreading out its two charge directions and plotting the charges of the force particles in quarks along these directions. The charges of all known particles can be plotted in a four-dimensional charge space, and projected down to two dimensions like this so we can see them.
Vždy, když částice interagují, příroda udržuje dokonalou rovnováhu v každém z těchto čtyř nábojových rozměrů. Pokud se částice a antičástice srazí, dojde k výtrysku energie a celkový náboj ve všech čtyřech nábojových rozměrech bude nulový. V této chvíli se může vytvořit cokoliv, co má stejnou energii a zachová si celkový náboj nula. Při srážce může vzniknout například tato částice slabé síly a její antičástice. Při dalších interakcích musí být náboje vždycky v rovnováze. Jedna ze slabých částic se může rozpadnout na elektron a antineutrino, a tyto tři dají po sečtení dohromady nulový náboj. Příroda vždycky udržuje dokonalou rovnováhu. Takže tyto obrazce nábojů nejsou jenom hezké. Říkají nám, které interakce jsou povolené. A tento nábojový prostor můžeme zrotovat ve čtyřech rozměrech, abychom se mohli lépe podívat na silnou interakci, která má tuto pěknou hexagonální symetrii. V silné interakci interaguje částice silné síly, například tato, s barevným kvarkem, třeba s tímto zeleným, a dá tak kvark s jiným barevným nábojem -- tímto červeným. K silným interakcím dochází mnohamilionkrát každou vteřinu v každém atomu našich těl, což drží atomová jádra pohromadě.
Whenever particles interact, nature keeps things in a perfect balance along all four of these charge directions. If a particle and an antiparticle collide, it creates a burst of energy and a total charge of zero in all four charge directions. At this point, anything can be created as long as it has the same energy and maintains a total charge of zero. For example, this weak force particle and its antiparticle can be created in a collision. In further interactions, the charges must always balance. One of the weak particles could decay into an electron and an antineutrino, and these three still add to zero total charge. Nature always keeps a perfect balance. So these patterns of charges are not just pretty. They tell us what interactions are allowed to happen. And we can rotate this charge space in four dimensions to get a better look at the strong interaction, which has this nice hexagonal symmetry. In a strong interaction, a strong force particle, such as this one, interacts with a colored quark, such as this green one, to give a quark with a different color charge -- this red one. And strong interactions are happening millions of times each second in every atom of our bodies, holding the atomic nuclei together.
Ale tyto čtyři náboje odpovídající třem silám náš příběh neuzavírají. Můžeme zahrnout ještě další dva náboje, které odpovídají gravitační síle. Když je zahrneme, každá hmotná částice bude mít dva různé spinové náboje, spin nahoru a spin dolů. Takže se všecky rozdělí a vznikne hezký obrazec v šestirozměrném nábojovém prostoru. Tento obrazec můžeme zrotovat v šesti rozměrech a uvidíme, že je to docela pěkné. V této chvíli tento obrazec odpovídá nejlepšímu současnému poznání, jak je příroda postavená na velmi malých rozměrech těchto elementárních částic. Toto víme určitě. Některé z těchto částic jsou na samé hranici našich dosavadních experimentálních možností. Z tohoto obrazce už víme, že částicová fyzika těchto malých rozměrů -- způsob, jakým funguje vesmír při těchto malých rozměrech, je nádherný.
But these four charges corresponding to three forces are not the end of the story. We can also include two more charges corresponding to the gravitational force. When we include these, each matter particle has two different spin charges, spin-up and spin-down. So they all split and give a nice pattern in six-dimensional charge space. We can rotate this pattern in six dimensions and see that it's quite pretty. Right now, this pattern matches our best current knowledge of how nature is built at the tiny scales of these elementary particles. This is what we know for certain. Some of these particles are at the very limit of what we've been able to reach with experiments. From this pattern we already know the particle physics of these tiny scales -- the way the universe works at these tiny scales is very beautiful.
Ale teď budu mluvit o některých nových a starších myšlenkách o věcech, které ještě nevíme. Tento obrazec chceme rozvinout jenom s použitím matematiky a uvidíme, jestli můžeme obsáhnout celý problém. Chceme nalézt všechny částice a síly, které tvoří úplný obraz našeho vesmíru. A podle tohoto obrazu chceme předpovědět nové částice, které uvidíme, když pokusy dosáhnou vyšších energií.
But now I'm going to discuss some new and old ideas about things we don't know yet. We want to expand this pattern using mathematics alone, and see if we can get our hands on the whole enchilada. We want to find all the particles and forces that make a complete picture of our universe. And we want to use this picture to predict new particles that we'll see when experiments reach higher energies.
V částicové fyzice existuje starý názor, že tento známý obrazec nábojů, který není moc symetrický, mohl vzejít z dokonalejšího obrazu, který je porušený, podobně jako když Higgsova částice narušuje elektroslabý obrazec a dává tak elektromagnetismus. Chceme-li ho najít, musíme zavést nové síly s novými nábojovými rozměry. Když zavedeme nový rozměr, musíme odhadnout, jaké náboje mají částice v tomto směru, a pak je můžeme zrotovat spolu s ostatními. Když budeme hádat moudře, můžeme vytvořit standardní náboje v šesti nábojových rozměrech jako narušenou symetrii tohoto dokonalejšího obrazce v sedmi nábojových rozměrech.
So there's an old idea in particle physics that this known pattern of charges, which is not very symmetric, could emerge from a more perfect pattern that gets broken -- similar to how the Higgs particle breaks the electroweak pattern to give electromagnetism. In order to do this, we need to introduce new forces with new charge directions. When we introduce a new direction, we get to guess what charges the particles have along this direction, and then we can rotate it in with the others. If we guess wisely, we can construct the standard charges in six charge dimensions as a broken symmetry of this more perfect pattern in seven charge dimensions.
Tento konkrétní výběr odpovídá teorii velkého sjednocení kterou představili Pati a Salam v roce 1973. Při pohledu na tento nový sjednocený obrazec uvidíme několik děr, kde to vypadá, že chybí částice. Takto teorie sjednocení fungují. Fyzik hledá širší, symetričtější obrazy, které zahrnují tradiční obraz jako podmnožinu. Širší obraz nám umožňuje předpovědět existenci částic, které nebyly nikdy pozorovány. Tento sjednocující model předpovídá existenci těchto dvou nových silových částic, které by se měly chovat dost podobně jako slabá síla, jenom slaběji.
This particular choice corresponds to a grand unified theory introduced by Pati and Salam in 1973. When we look at this new unified pattern, we can see a couple of gaps where particles seem to be missing. This is the way theories of unification work. A physicist looks for larger, more symmetric patterns that include the established pattern as a subset. The larger pattern allows us to predict the existence of particles that have never been seen. This unification model predicts the existence of these two new force particles, which should act a lot like the weak force, only weaker.
Teď můžeme tuto množinu nábojů zrotovat v sedmi rozměrech a vezmeme v úvahu podivnou skutečnost o hmotných částicích: druhé a třetí generace hmoty mají v šestirozměrném nábojovém prostoru přesně stejné náboje jako první generace. Tyto částice nejsou jednoznačně určené svými šesti náboji. Ve standardním nábojovém prostoru sedí na sobě. Nicméně když budeme pracovat v osmirozměrném nábojovém prostoru, můžeme každé částici přiřadit jedinečné nové náboje. Pak je můžeme otočit v osmi rozměrech a vidíme, jak celý obrazec vypadá. Tady vidíme druhou a třetí generaci hmoty, jak je svázaná s první generací pomocí symetrie nazvané "trialita".
Now, we can rotate this set of charges in seven dimensions and consider an odd fact about the matter particles: the second and third generations of matter have exactly the same charges in six-dimensional charge space as the first generation. These particles are not uniquely identified by their six charges. They sit on top of one another in the standard charge space. However, if we work in eight-dimensional charge space, then we can assign unique new charges to each particle. Then we can spin these in eight dimensions and see what the whole pattern looks like. Here we can see the second and third generations of matter now, related to the first generation by a symmetry called "triality."
Tento konkrétní obraz nábojů v osmi rozměrech je ve skutečnosti částí nejkrásnější geometrické struktury v matematice. Je to obraz největší výlučné Lieovy grupy E8. Tato Lieova grupa je jemný, zakřivený tvar s 248 rozměry. Každý bod v tomto obrazci odpovídá symetrii tohoto velmi složitého a nádherného objektu. Jednu malou část tohoto objektu E8 lze použít k popisu zakřiveného časoprostoru v Einsteinově obecné relativitě, která vysvětluje gravitaci. Spolu s kvantovou mechanikou by mohla geometrie tohoto objektu popsat všechno o tom, jak vesmír funguje v nejmenších škálách. A obraz tohoto objektu žijícího v osmirozměrném nábojovém prostoru je mimořádně krásný a shrnuje tisíce možných interakcí mezi těmito elementárními částicemi, z nichž každá je jenom ploškou tohoto složitého objektu.
This particular pattern of charges in eight dimensions is actually part of the most beautiful geometric structure in mathematics. It's a pattern of the largest exceptional Lie group, E8. This Lie group is a smooth, curved shape with 248 dimensions. Each point in this pattern corresponds to a symmetry of this very complex and beautiful shape. One small part of this E8 shape can be used to describe the curved space-time of Einstein's general relativity, explaining gravity. Together with quantum mechanics, the geometry of this shape could describe everything about how the universe works at the tiniest scales. The pattern of this shape living in eight-dimensional charge space is exquisitely beautiful, and it summarizes thousands of possible interactions between these elementary particles, each of which is just a facet of this complicated shape.
Když ho otočíme, uvidíme mnoho dalších složitých obrazců obsažených v tomto jednom. A při určité rotaci se můžeme podívat skrz tento obrazec v osmi rozměrech podél osy symetrie, takže uvidíme všechny částice najednou. Je to velmi krásný objekt, a stejně jako při každém sjednocení vidíme několik děr, kde potřebujeme podle tohoto obrazu nové částice. Je tu 20 děr, kde by měly být nové částice, z nichž dvě byly vyplněny částicemi Patiho a Salama. Z jejich polohy v tomto obrazci víme, že tyto nové částice by měly být skalárním polem jako Higgsova částice, ale měly by mít barevný náboj a interagovat silnou silou. Doplnění těchto nových částic dokončí tento obrazec a dá nám celou E8.
As we spin it, we can see many of the other intricate patterns contained in this one. And with a particular rotation, we can look down through this pattern in eight dimensions along a symmetry axis and see all the particles at once. It's a very beautiful object, and as with any unification, we can see some holes where new particles are required by this pattern. There are 20 gaps where new particles should be, two of which have been filled by the Pati-Salam particles. From their location in this pattern, we know that these new particles should be scalar fields like the Higgs particle, but have color charge and interact with the strong force. Filling in these new particles completes this pattern, giving us the full E8.
Tento obrazec E8 má velmi hluboké matematické kořeny. Mnohými je považován za nejkrásnější strukturu v matematice. Je to úžasná vyhlídka, že tento objekt velké matematické krásy by mohl popisovat pravdu o částicových interakcích na nejmenších představitelných škálách. Tato myšlenka, že příroda je popisovaná matematikou, není vůbec nová. V roce 1623 napsal Galileo toto: "Velká kniha přírody, jež je neustále vystavena našemu pohledu, je napsána v jazyce matematiky. Jeho znaky jsou trojúhelníky, kružnice a další geometrické obrazce, bez nichž je lidsky nemožné pochopit její jediné slovo; bez nich člověk bloudí světem jako temným labyrintem."
This E8 pattern has very deep mathematical roots. It's considered by many to be the most beautiful structure in mathematics. It's a fantastic prospect that this object of great mathematical beauty could describe the truth of particle interactions at the smallest scales imaginable. And this idea that nature is described by mathematics is not at all new. In 1623, Galileo wrote this: "Nature's grand book, which stands continually open to our gaze, is written in the language of mathematics. Its characters are triangles, circles and other geometrical figures, without which it is humanly impossible to understand a single word of it; without these, one is wandering around in a dark labyrinth."
Věřím, že je to pravda a pokusil jsem se poslechnout Galileovu radu při popisování matematiky částicové fyziky pomocí trojúhelníků, kružnic a dalších geometrických obrazců. Samozřejmě, když na tom spolu s dalšími fyziky pracujeme, matematika se může podobat temnému labyrintu. Ale je uklidňující, že v srdci této matematiky je čistá a krásná geometrie. Ve spojení s kvantovou mechanikou tato matematika popisuje náš vesmír jako rostoucí E8 korál, s částicemi interagujícími v každém místě všemi možnými způsoby v souladu s nádherným obrazcem. A jak se nám zjevují další části obrazce s použitím nových přístrojů jako je Velký hadronový urychlovač, mohli bychom být schopní zjistit, jestli příroda užívá tento E8 obrazec, nebo nějaký jiný.
I believe this to be true, and I've tried to follow Galileo's guidance in describing the mathematics of particle physics using only triangles, circles and other geometrical figures. Of course, when other physicists and I actually work on this stuff, the mathematics can resemble a dark labyrinth. But it's reassuring that at the heart of this mathematics is pure, beautiful geometry. Joined with quantum mechanics, this mathematics describes our universe as a growing E8 coral, with particles interacting at every location in all possible ways according to a beautiful pattern. And as more of the pattern comes into view using new machines like the Large Hadron Collider, we may be able to see whether nature uses this E8 pattern or a different one.
Být součástí tohoto procesu objevování je báječné dobrodružství. Pokud LHC najde částice, které sednou do tohoto E8 obrazce, bude to hodně hodně bezva. Pokud LHC objeví nové částice, ale ty nebudou do obrazce zapadat -- no, to bude velmi zajímavé, ale špatné pro tuto E8 teorii. A samozřejmě špatné pro mě osobně. (Smích) Jak špatné by to bylo? No, dost špatné. (Smích)
This process of discovery is a wonderful adventure to be involved in. If the LHC finds particles that fit this E8 pattern, that will be very, very cool. If the LHC finds new particles, but they don't fit this pattern -- well, that will be very interesting, but bad for this E8 theory. And, of course, bad for me personally. (Laughter) Now, how bad would that be? Well, pretty bad. (Laughter)
Ale předpovídání, jak pracuje příroda, je velice hazardní hra. Tato teorie a jiné podobné jsou mířením na velkou dálku. Člověk udělá spoustu těžké práce a přitom ví, že u většiny těchto myšlenek se asi nakonec ukáže, že neříkají pravdu o přírodě. Taková je práce v teoretické fyzice: Hodně se maže. Z tohoto pohledu jsou nové fyzikální teorie dost podobné začínajícím podnikům. Jako při každé velké investici může být citově obtížné opustit větev výzkumu, když nefunguje. Ale ve vědě, když něco nefunguje, musíte to odhodit a zkusit něco jiného.
But predicting how nature works is a very risky game. This theory and others like it are long shots. One does a lot of hard work knowing that most of these ideas probably won't end up being true about nature. That's what doing theoretical physics is like: there are a lot of wipeouts. In this regard, new physics theories are a lot like start-up companies. As with any large investment, it can be emotionally difficult to abandon a line of research when it isn't working out. But in science, if something isn't working, you have to toss it out and try something else.
Jediný způsob, jak si zachovat zdravý rozum a dosáhnout štěstí uprostřed této nejistoty, je udržovat v životě rovnováhu a perspektivu. Snažím se, jak nejlépe dovedu, žít život v rovnováze. (Smích) Snažím se vyvážit svůj život rovnoměrně mezi fyzikou, láskou a surfováním, to jsou mé vlastní tři nábojové rozměry. (Smích) Takto, i když se fyzika, na níž pracuji, obrátí vniveč, budu pořád vědět, že jsem prožil dobrý život. A snažím se žít na krásných místech. Většinu z minulých deseti let jsem prožil na ostrově Maui, což je velmi krásné místo. Pro mé rodiče je jednou z největších záhad ve vesmíru, jak jsem dokázal přežít takovou dobu, aniž bych byl zapojen do čehokoliv podobného pravidelnému zaměstnání. (Smích)
Now, the only way to maintain sanity and achieve happiness in the midst of this uncertainty is to keep balance and perspective in life. I've tried the best I can to live a balanced life. (Laughter) I try to balance my life equally between physics, love and surfing -- my own three charge directions. (Laughter) This way, even if the physics I work on comes to nothing, I still know I've lived a good life. And I try to live in beautiful places. For most of the past ten years I've lived on the island of Maui, a very beautiful place. Now, it's one of the greatest mysteries in the universe to my parents how I managed to survive all that time without engaging in anything resembling full-time employment. (Laughter)
Poodhalím vám to tajemství. Toto byl pohled z mojí domácí kanceláře na Maui. A tady je další, a další. A možná jste si všimli, že tyto nádherné výhledy jsou podobné, ale na trochu jiných místech. To proto, že tohle byl můj domov a kancelář na Maui. (Smích) Rozhodl jsem se pro velmi neobvyklý život. Ale jelikož jsem se nemusel starat o nájem, mohl jsem trávit čas tím, co mám rád. Kočovný život bývá občas těžký, ale umožnil mi žít na nádherných místech a udržet si v životě takovou rovnováhu, s níž jsem šťastný. Umožňuje mi to trávit hodně času s vysoce inteligentním korálem. Ale velice mě těší i společnost vysoce inteligentních lidí. Takže jsem moc rád, že jsem sem byl pozván. Velice děkuji. (Potlesk)
I'm going to let you in on that secret. This was a view from my home office on Maui. And this is another, and another. And you may have noticed that these beautiful views are similar, but in slightly different places. That's because this used to be my home and office on Maui. (Laughter) I've chosen a very unusual life. But not worrying about rent allowed me to spend my time doing what I love. Living a nomadic existence has been hard at times, but it's allowed me to live in beautiful places and keep a balance in my life that I've been happy with. It allows me to spend a lot of my time hanging out with hyperintelligent coral. But I also greatly enjoy the company of hyperintelligent people. So I'm very happy to have been invited here to TED. Thank you very much. (Applause)
Chris Anderson: Stay here one second.
(Applause)
Chris Anderson: Rozuměl jsem z toho asi tak dvěma procentům, ale i tak mě to úplně dostalo. Takže budu znít asi hloupě. Tvá Teorie všeho --
I probably understood two percent of that, but I still absolutely loved it. So I'm going to sound dumb. Your theory of everything --
Garrett Lisi: Jsem zvyklý na korály.
Garrett Lisi: I'm used to coral.
CA: Pravda -- tvá teorie vzrušuje lidi proto, že pokud máš pravdu, spojuje gravitaci a kvantovou teorii dohromady. Takže říkáš, že bychom měli vesmír chápat v jeho jádru tak, že nejmenší objekty jsou v jistém smyslu E8 objekty pravděpodobnosti? Máš představu o rozměru toho objektu v nejmenším měřítku? ...?
CA: That's right. The reason it's got a few people at least excited is because, if you're right, it brings gravity and quantum theory together. So are you saying that we should think of the universe, at its heart -- that the smallest things that there are, are somehow an E8 object of possibility? I mean, is there a scale to it, at the smallest scale, or ...? GL: Well, right now the pattern I showed you
GL: No, ten obrazec, který jsem vám ukázal, odpovídá tomu, co víme o fyzice elementárních částic, což už teď odpovídá velmi krásnému tvaru. O něm jsem říkal, že to víme určitě. A tento obrazec má pozoruhodné podobnosti, a způsob, jakým zapadá do tohoto tvaru E8, by mohl být zbytkem obrazu. A tyto obrazce bodů, které jsem vám ukázal, ve skutečnosti znázorňují symetrie tohoto mnohorozměrného objektu, který by se deformoval a pohyboval a tančil v prostoročasu, který vnímáme. A to by mohlo vysvětlovat všechny ty elementární částice, které známe.
that corresponds to what we know about elementary particle physics -- that already corresponds to a very beautiful shape. And that's the one that I said we knew for certain. And that shape has remarkable similarities -- and the way it fits into this E8 pattern, which could be the rest of the picture. And these patterns of points that I've shown for you actually represent symmetries of this high-dimensional object that would be warping and moving and dancing over the space-time that we experience. And that would be what explains all these elementary particles that we see.
CA: Ale strunový teoretik, jak to chápu, vysvětluje elektrony na základě mnohem menších vibrujících strun -- vím, že nemáš rád teorii strun -- vibrujících uvnitř. Jak si máme představit elektron ve vztahu k E8?
CA: But a string theorist, as I understand it, explains electrons in terms of much smaller strings vibrating -- I know, you don't like string theory -- vibrating inside it. How should we think of an electron in relation to E8?
GL: Jako jednu ze symetrií tohoto E8 tvaru. Probíhá to tak, že jak se tento objekt pohybuje prostoročasem, otáčí se. A směr, jakým se otáčí, když se hýbe, odpovídá částici, kterou vidíme. Takže to by znamenalo --
GL: Well, it would be one of the symmetries of this E8 shape. So what's happening is, as the shape is moving over space-time, it's twisting. And the direction it's twisting as it moves is what particle we see. So it would be --
CA: A velikost tohoto E8 tvaru, jak souvisí s elektronem? Mám pocit, že to potřebuju pro svou představu. Je větší, je menší?
CA: The size of the E8 shape, how does that relate to the electron? I feel like I need that for my picture. Is it bigger? Is it smaller?
GL: No, podle toho, co víme, jsou elektrony bodové částice, takže to by odpovídalo nejmenším možným škálám. V kvantové teorii pole se to vysvětluje tak, že všechny možnosti expandují a vyvíjejí se najednou. Proto používám analogii korálu. A tímto způsobem se tam E8 zavádí jako objekt, který je připojený ke každému bodu v prostoročase. A jak jsem říkal, podle toho, jak se tento objekt otáčí, směr, kolem něhož se tvar otáčí, když se pohybuje tímto zakřiveným povrchem, to jsou samotné elementární částice. Takže skrze kvantovou teorii pole se projevují jako body a tak také interagují. Nevím, jestli budu schopný to vyjasnit víc. (Smích)
GL: As far as we know, electrons are point particles, so this would be going down to the smallest possible scales. So the way these things are explained in quantum field theory is, all possibilities are expanding and developing at once. And this is why I use the analogy to coral. And -- in this way, the way that E8 comes in is it will be as a shape that's attached at each point in the space-time. And, as I said, the way the shape twists -- the directional along which way the shape is twisting as it moves over this curved surface -- is what the elementary particles are, themselves. So through quantum field theory, they manifest themselves as points and interact that way. I don't know if I'll be able to make this any clearer. (Laughter)
CA: Na tom vlastně nezáleží. Vyvolává to určitý pocit úžasu a rozhodně chci tomu porozumět víc. Díky moc, že jsi přišel. To bylo naprosto úchvatné. (Potlesk)
CA: It doesn't really matter. It's evoking a kind of sense of wonder, and I certainly want to understand more of this. But thank you so much for coming. That was absolutely fascinating. (Applause)