Wow, Kumpel. Schau Dir diese Mords-Gleichungen an. Hübsch.
Whoa, dude.
(Laughter)
Nein, in den nächsten 18 Minuten werde ich mein Bestes geben, um die Schönheit der Teilchenphysik ohne Gleichungen zu zeigen. Es zeigt sich, dass wir viel von den Korallen lernen können. Die Koralle ist ein wunderschönes und ungewöhnliches Tier. Jeder Korallenkopf besteht aus tausenden eigenständigen Polypen. Diese Polypen knospen und verzweigen sich fortwährend zu genetisch identischen Nachbarn. Wenn wir uns das als hyperintelligente Koralle vorstellen können wir jeden Teil auswählen und ihm eine vernünftige Frage stellen. Wir können fragen, wie genau er in diese bestimmte Position in Bezug auf seine Nachbarn kam – war es Zufall oder Schicksal, oder was?
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?
Nachdem er uns ermahnt hat, dass wir die Temperatur zu hoch gedreht haben würde er uns erklären, dass unsere Frage kompletter Unsinn ist. Sehen Sie. Diese Korallen können wirklich gemein sein. Ich habe Narben vom Surfen, die das beweisen. Aber dieser Polyp würde fortfahren und uns erzählen, dass seine Nachbarn doch eindeutig identische Kopien von ihm sind. Dass er auch an allen anderen Stellen der Koralle sei, aber sie als separate Individuen erfährt. Für eine Koralle ist das Verzweigen in verschiedene Kopien das Natürlichste auf der Welt.
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.
Im Gegensatz zu uns, wäre eine hyperintelligente Koralle einzigartig gut vorbereitet, um die Quantenmechanik zu verstehen. Die Mathematik der Quantenmechanik beschreibt sehr akkurat, wie unser Universum funktioniert. Und sie erklärt uns, dass unsere Realität sich fortlaufend in verschiedene Möglichkeiten verzweigt – genau wie eine Koralle. Es ist bizarr, für uns Menschen, das zu verstehen, da wir immer nur eine Möglichkeit erfahren. Diese Quantenseltsamkeit wurde zum ersten Mal von Erwin Schrödinger mit seiner Katze beschrieben. Die Katze mag diese Version lieber. (Lachen) In diesem Aufbau ist Schrödinger in einer Kiste mit einer radioaktiven Probe, die sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik in einen Zustand verzweigt, in dem sie strahlt und einen Zustand, in welchem sie das nicht tut. (Lachen) Auf dem Zweig, auf welchem die Probe abstrahlt betätigt sie einen Schalter der Gas freisetzt und Schrödinger stirbt. Auf dem anderen Zweig der Realität bleibt er am Leben. Diese Realitäten werden separat von jedem der Individuen erfahren. Soweit jeder von beiden es sagen kann, existiert der andere nicht.
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.
Das wirkt bizarr auf uns, da jeder von uns nur eine individuelle Existenz erfährt. Wir bekommen die anderen Zweige nicht zu sehen. Es ist so, als wäre jeder von uns, wie Schrödinger hier, eine Art Koralle, die sich in unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten verzweigt. Die Mathematik der Quantenmechanik lehrt uns, dass die Welt im kleinsten Maßstab so funktioniert. Es kann zu einem einfachen Satz zusammengefasst werden: Alles, was passieren kann, passiert. Das ist Quantenmechanik. Aber das heißt nicht, dass alles passiert. Beim Rest der Physik geht es darum zu beschreiben, was passieren kann und was nicht. Was uns die Physik lehrt ist, dass sich alles auf Geometrie und die Interaktion elementarer Teilchen reduzieren lässt. Dinge können nur dann passieren, wenn sich diese Interaktionen in perfektem Gleichgewicht befinden.
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.
Jetzt fahre ich fort zu beschreiben, warum wir über diese Teilchen wissen, was sie sind und wie dieses Gleichgewicht funktioniert. In dieser Maschine wird je ein Strahl von Protonen und Anti-Protonen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei ein Ausbruch purer Energie entsteht. Diese Energie wird sofort in einen Sprühregen von Teilchenbruchstücken verwandelt, deren Eigenschaften von Detektoren erfasst und und von Computern ausgewertet werden. Diese riesige Maschine, der "Große Hadronen Beschleuniger" (LHC) am CERN in Genf, hat einen Umfang von fast 27 Kilometern und verbraucht zu seinem Betrieb fünf mal so viel Energie wie die Stadt Monterey. Man kann nicht vorhersagen, welche Art von Teilchen bei einer bestimmten Kollision erzeugt werden. Die Quantenmechanik sagt uns, dass alle Möglichkeiten eintreten werden. Aber die Physik sagt uns, welche Teilchen erzeugt werden können. Diese Partikel müssen zusammen genausoviel Masse und Energie tragen, wie die ursprünglichen Protonen und Antiprotonen. Partikel, die schwerer sind als diese Energiegrenze, können nicht erzeugt werden und bleiben daher unsichtbar. Das ist der Grund, warum dieser neue Beschleuniger so aufregend ist. Er kann das siebenfache der früher möglichen Kollisionsenergie erzeugen, also werden wir sehr bald einige neue Teilchen erfassen können.
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.
Aber bevor wir darüber reden was wir möglicherweise sehen werden, lassen Sie mich beschreiben, von welchen Teilchen wir bisher schon wissen. Es gibt einen ganzen Zoo von Teilchen. Die meisten von uns werden mit dem Elektron vertraut sein. Die meisten in diesem Raum leben gut davon, Elektronen herumzuschubsen. (Lachen) Aber das Elektron hat einen neutralen Partner, das Neutrino, das elektrisch ungeladen ist und eine sehr geringe Masse hat. Im Gegensatz dazu haben die Up und Down Quarks sehr große Massen, und zu je Dreien geordnet, sind sie die Bestandteile des Protons und des Neutrons, welche wiederum die Bestandteile des Atomkerns sind. Alle diese Materieteilchen gibt es in rechts- und linkshändigen Varianten, und sie haben Antiteilchen, die die entgegengesetzte elektrische Ladung tragen. Von diesen bekannten Teilchen gibt es weniger bekannte zweite und dritte Generationen, die dieselbe Ladung haben wie die Erste, aber viel höhere Massen haben. Diese Materieteilchen interagieren mit den verschiedenen kräftetragenden Teilchen. Die elektromagnetische Kraft interagiert mit elektrisch geladener Materie über Teilchen die Photonen genannt werden. Es gibt auch eine sehr schwache Kraft, die etwas phantasielos schwache Kernkraft genannt wird. Die schwache Kernkraft interagiert
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 ...
nur mit linkshändiger Materie. Die starke Kernkraft wiederum agiert zwischen Quarks, die eine andere Art der Ladung tragen, die Farbe genannt wird, und in drei Varianten auftritt: rot, grün und blau. Die Schuld für diese Auswahl können Sie auf Murray Gell-Mann schieben - das ist sein Fehler. Schließlich gibt es noch die Gravitation, die mit Materie über deren Masse und Spin wechselwirkt.
(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.
Der Kernpunkt zum Verständnis ist hier, dass verschiedene Arten von Ladung mit jeder dieser Kräfte verbunden sind. Die vier verschiedenen Kräfte wechselwirken mit Materie gemäß den zugehörigen Ladungen, die diese Teilchen haben. Ein Teilchen, das wir bisher noch nicht gesehen haben - das aber ziemlich sicher existiert - ist das Higgs-Teilchen, welches all den anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Der Hauptzweck des LHC ist dieses Teilchen zu erfassen, und man ist sich ziemlich sicher, dass man das wird. Aber das größte Geheimnis ist, was wir noch entdecken könnten. Und ich werde Ihnen am Ende dieses Vortrags eine schöne Möglichkeit dafür aufzeigen.
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.
Wenn wir jetzt alle verschiedenen Teilchen mit ihren verschiedenen Spins und Ladungen zusammenzählen, kommen wir auf 226. Das sind eine Menge, die wir untersuchen müssen. Und es scheint seltsam, dass die Natur so viele elementare Teilchen zu brauchen scheint. Wenn wir sie aber in einem Diagramm aufzeichnen, dann erscheinen einige schöne Muster. Die bekannteste Ladung ist die elektrische. Elektronen haben eine negative elektrische Ladung, und Quarks haben drittel Teile der elektrischen Ladung. Wenn also zwei Up und ein Down Quark zu einem Proton kombiniert werden, dann hat es eine Gesamtladung von plus eins. Diese Teilchen haben Antiteilchen, welche die entgegengesetzte Ladung haben. Es stellt sich nun heraus, dass elektrische Ladungen in Wirklichkeit eine Kombination zweier anderer Ladungen sind, Hyperladung und schwache Ladung. Wenn wir nun die Hyperladung und die schwache Ladung verteilen und in unserem zweidimensionalen Diagramm einzeichnen, wird die elektrische Ladung durch den Platz des Teilchens in der vertikalen Richtung ausgedrückt. Die elektromagnetischen und schwachen Kernkräfte wechselwirken mit Materie, je nach deren Hyper- und schwacher Ladung, wodurch dieses Muster entsteht. Man nennt es das "Vereinheitlichte elektroschwache Modell", das schon 1967 postuliert wurde.
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.
Der Grund, warum wir nur mit der elektrischen Ladung vertraut sind, aber nicht mit beiden, liegt am Higgs-Teilchen. Das Higgs, hier drüben auf der linken Seite, hat eine große Masse und bricht damit die Symmetrie des elektroschwachen Musters. Es macht die schwache Kernkraft sehr schwach, indem es den schwachen Partikeln eine sehr große Masse gibt. Da das massive Higgs-Teilchen in der waagerechten Richtung im Diagramm liegt, sind die Photonen des Elektromagnetismus masselos und wechselwirken mit der elektrischen Ladung in diesem Ladungsraum in vertikaler Richtung. Die elektromagnetischen und schwachen Kernkräfte werden also durch dieses Muster im zweidimensionalen Raum beschrieben. Wir können die starke Kernkraft hinzunehmen, indem wir ihre zwei Ladungsrichtungen auffächern und die Werte der Kräfteteilchen der Quarks in diesen Richtungen eintragen. Die Ladungen aller bekannten Teilchen können nun in einem vierdimensionalen Raum eingetragen werden und von dort in zwei Dimensionen projiziert werden.
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.
Wann immer Teilchen interagieren, hält die Natur in allen vier Richtungen alles in perfekter Balance. Wenn also ein Teilchen und ein Antiteilchen kollidieren, erzeugen sie einen Ausbruch von Energie, aber eine Gesamtladung von Null in den vier Richtungen. An dieser Stelle kann alles erzeugt werden, solange es die gleiche Gesamtenergie und eine Gesamtladung von Null hat. Zum Beispiel: Dieses Teilchen der schwachen Kernkraft und sein Antiteilchen können bei einer Kollision entstehen. In weiteren Wechselwirkungen müssen sich die Ladungen immer ausgleichen. Eines der schwachen Teilchen könnte in ein Elektron und ein Anti-Neutrino zerfallen, aber alle drei hätten immer noch die Gesamtladung Null. Die Natur bleibt immer im Gleichgewicht. Diese Muster sind also nicht einfach nur schön. Sie sagen uns, welche Veränderungen erlaubt sind. Außerdem können wir diesen Ladungsraum in vier Dimensionen drehen, um einen besseren Eindruck der starken Wechselwirkung zu erhalten, die diese schöne sechseckige Symmetrie hat. Bei der starken Wechselwirkung ergibt ein Teilchen dieser Kraft, wie dieses, mit einem Farb-Quark, wie diesem Grünen, ein Quark mit einer neuen Farbladung, nämlich dieses Rote hier. Diese starken Wechselwirkungen passieren millionenmal pro Sekunde in jedem Atom unseres Körpers und halten dabei die Atomkerne zusammen.
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.
Aber die vier Ladungen, aus denen die drei Kräfte zusammengesetzt sind, sind noch nicht das Ende der Geschichte. Man kann noch zwei andere Ladungen zur Beschreibung der Gravitation hinzufügen. Wenn wir das machen, hat jedes Materieteilchen zwei weitere Spin-Ladungen, nämlich Spin-up und Spin-down. Alles teilt sich und zeigt schöne Muster im sechsdimensionalen Ladungsraum. Wir können dieses Muster im sechsdimensionalen Raum drehen und erkennen seine besondere Schönheit. Genau dieses Muster zeigt den aktuellen Stand unseres Wissens darüber, wie die Natur im winzigen Maßstab der Elementarteilchen aufgebaut ist. Es ist das, was wir sicher wissen. Einige dieser Teilchen liegen an der Grenze dessen, was wir bisher durch Experimente feststellen konnten. Aus diesem Muster erkennen wir schon jetzt die Teilchenphysik im winzigen Maßstab. Die Art, wie das Universum im winzigen Maßstab arbeitet ist sehr schön.
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.
Jetzt werde ich einige neue und alte Ideen vorstellen, über Dinge die wir noch nicht wissen. Wir wollen dieses Muster mit Hilfe der Mathematik erweitern und herausfinden, ob wir zum Kern der Wahrheit vordringen können. Ich will alle Teilchen und Kräfte finden, um ein komplettes Abbild des Universums zu erhalten. Ich werde dieses Bild auch nutzen, um neue Teilchen vorherzusagen, die man sehen wird, wenn die Experimente höhere Energien erreichen.
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.
Es gibt in der Teilchenphysik ein bekanntes Verfahren, das dieses Muster der Ladungen, das nicht sehr symmetrisch ist, auf ein perfekteres Muster zurückführt, das gebrochen ist. Das ähnelt dem Higgs-Teilchen, welches das elektroschwache Muster zerstört, um den Elektromagnetismus herzuleiten. Um das zu zeigen, müssen wir neue Kräfte mit neuen Ladungen einführen. Für jede neue Richtung müssen wir erraten, welche Ladungen die Teilchen in dieser Richtung haben. Dann können wir das Muster mit den bisherigen Ladungen drehen. Wenn wir gut geraten haben, können wir die Standardladungen in sechs Dimensionen als gebrochene Symmetrie dieses perfekteren, siebendimensionalen Musters erklären.
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.
Dieses Muster gehört zu der großen vereinheitlichten Theorie, die von Pati und Salam 1973 vorgestellt wurde. Wenn wir uns dieses neue vereinheitlichte Muster ansehen, erkennen wir Lücken, wo scheinbar Teilchen fehlen, aber so funktionieren vereinheitlichte Theorien. Der Physiker sucht nach größeren, symmetrischeren Mustern, welche die etablierten Muster als Teil enthalten. Die größeren Muster erlauben uns, die Existenz von Teilchen vorherzusagen, die bisher noch nicht gesehen wurden. Dieses besondere Vereinheitlichungsmodell sagt diese zwei neuen Kräfteteilchen voraus, die sehr genau wie die schwache Kernkraft interagieren sollen, nur noch schwächer.
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.
Wir können nun diesen Satz Ladungen in sieben Dimensionen drehen und erkennen eine seltsame Eigenschaft der Materie. Die zweiten und dritten Teilchengenerationen der Materie haben im sechsdimensionalen Ladungsraum genau dieselben Ladungen wie die erste Generation. Diese Teilchen sind nicht eindeutig durch die sechs Ladungen festgelegt. Sie besetzen im Standardladungsraum denselben Platz. Wenn wir aber im achtdimensionalen Ladungsraum arbeiten, können wir jedem Teilchen ein eindeutiges Ladungsmuster zuordnen. Dann können wir diese in acht Dimensionen drehen und das Gesamtmuster betrachten. Hier sehen wir eine dreifache Symmetrie zwischen der ersten, zweiten und dritten Generationen der Materie.
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."
Dieses besondere Ladungsmuster in acht Dimensionen ist Teil der schönsten geometrischen Struktur der Mathematik. Es ist ein Muster der größten exzeptionellen Lie-Gruppe E8. Diese Lie-Gruppe ist eine glatte, gekrümmte Fläche in 248 Dimensionen. Jeder Punkt in diesem Muster gehört zu einer Symmetrie dieser sehr komplexen und schönen Struktur. Ein kleiner Teil der E8 Struktur kann dazu benutzt werden, die gekrümmte Raumzeit in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu beschreiben, um damit die Gravitation zu erklären. Zusammen mit der Quantentheorie könnte die Geometrie dieser Struktur uns alles darüber erklären, wie das Universum im kleinsten Maßstab funktioniert. Außerdem ist das Muster dieser Struktur im achtdimensionalen Ladungsraum von höchster Schönheit und faßt tausende möglicher Interaktionen zwischen den Elementarteilchen zusammen - von welchen jedes nur ein Detail der komplexen Struktur ist.
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.
Während wir dies drehen, erkennen wir weitere verzwickte Muster, die darin enthalten sind. Mit einer bestimmten Drehung schauen wir durch dieses Muster entlang einer Symmetrieachse in acht Dimensionen und sehen gleichzeitig alle Teilchen. Das ist ein sehr schönes Objekt, und wie bei jeder anderen Vereinheitlichungstheorie können wir Lücken erkennen, wo neue Teilchen nötig sind, um das Muster zu vervollständigen. Es gibt 20 Lücken, wo neue Teilchen sein sollten, von denen zwei durch die Teilchen von Pati und Salam gefüllt wurden. Wegen ihres Platzes in dem Muster wissen wir, dass diese neuen Teilchen skalare Felder wie das Higgs-Teilchen sein müßten, aber eine Farbladung hätten und mit der starken Kernkraft wechselwirken müßten. Wenn wir diese neuen Teilchen einfügen, komplettieren wir das Muster und erhalten die volle E8 Gruppe.
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.
Dieses E8 Muster hat sehr tiefe mathematische Wurzeln. Viele halten es für die schönste Struktur in der Mathematik. Es ist eine fantastische Aussicht, dass dieses Objekt von großer mathematischer Schönheit, die Wahrheit über die Wechselwirkung von Teilchen in den kleinstvorstellbaren Maßstäben beschreiben könnte. Dabei ist die Idee, dass die Natur von der Mathematik beschrieben wird, keinesfalls neu. 1623 schrieb Galileo dies: "Das große Buch der Natur, welches unserer Betrachtung ständig offensteht, wurde in der Sprache der Mathematik geschrieben. Seine Buchstaben sind Dreiecke, Kreise und andere geometrische Figuren, ohne die es dem Menschen unmöglich wäre, auch nur ein einziges Wort zu verstehen; ohne diese wandert der Mensch in einem dunklen Labyrinth."
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."
Ich glaube, dass dies wahr ist und habe versucht, Galileos Rat zu folgen und die Mathematik der Teilchenphysik nur mit Dreiecken, Kreisen und anderen geometrischen Mustern zu beschreiben. Wenn andere Physiker und ich an diesem Thema arbeiten, dann kann die Mathematik wie ein dunkles Labyrinth erscheinen. Aber es stimmt hoffnungsvoll, dass die Mathematik im Kern pure, schöne Geometrie ist. Vereinigt mit der Quantenmechanik, beschreibt diese Mathematik unser Universum als eine wachsende E8 Koralle mit Teilchen, die an jeder Stelle auf alle möglichen Arten miteinander wechselwirken und einem wunderschönen Muster folgen. Sobald neue Muster sichtbar werden, während wir neue Maschinen wie den LHC benutzen, könnte es uns möglich sein zu erkennen, ob die Natur dieses E8 Muster oder ein anderes benutzt. Der Vorgang
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.
dieser Entdeckungen ist ein wundervolles Abenteuer, an dem man teilnehmen möchte. Wenn der LHC Teilchen findet, die in das E8 Muster passen, wird das ein sehr großer Erfolg sein. Findet er neue Teilchen, die nicht in das E8 Muster passen -- na ja, das wäre sehr interessant, aber schlecht für die E8 Theorie. Und, natürlich, auch für mich schlecht. (Gelächter) Genauer - wie schlecht wäre es denn? Hm - sehr schlecht. (Gelächter)
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)
Aber die Natur vorherzusagen ist ein sehr riskantes Spiel. Diese Theorie - wie vergleichbare andere - sind deswegen spekulativ. Man macht sich viel harte Arbeit wohl wissend, dass die meisten dieser Ideen schlußendlich vielleicht nicht die wahre Natur widerspiegeln. So ist die Arbeit theoretischer Physiker. Es gibt viele falsche Wege. So gesehen ähneln neue physikalische Theorien sehr einer Firmengründung. Wie bei jeder großen Investition kann es sehr schwer fallen, einen Forschungszweig einzustellen wenn er zu nichts führt. Aber in der Wissenschaft muss man alles verwerfen, was nicht funktioniert und etwas anderes versuchen.
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.
Der einzige Weg seine geistige Gesundheit, inmitten all der Unsicherheit, zu erhalten und Glück zu erfahren, liegt darin, die Balance zu bewahren und eine Perspektive im Leben. Ich habe nach bestem Wissen versucht, ein ausgewogenes Leben zu führen. (Gelächter) Ich versuche die Waage zu halten zwischen der Physik, der Liebe und dem Surfen, meinen eigenen drei Ladungsrichtungen. (Gelächter) Selbst wenn die Physik, an der ich arbeite, zu Nichts wird, weiß ich immer noch, dass ich ein gutes Leben gelebt habe. Und ich versuche an schönen Orten zu leben. Den Großteil der vergangenen zehn Jahre habe ich auf der Insel Maui gelebt, einem sehr schönen Ort. Für meine Eltern ist es das größte Rätsel des Universums, wie ich die ganze Zeit überleben konnte, ohne je eine geregelte Arbeit anzustreben. (Gelächter)
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)
Ich werde Ihnen das Geheimnis verraten. Dies ist der Blick aus meinem Büro auf Maui. Hier ist noch ein Bild und noch eins. Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass diese wunderschönen Ausblicke ähnlich aussehen, aber an verschiedenen Orten entstanden sind. Das liegt daran, dass dies hier meine Wohnung und mein Büro auf Maui ist. (Lachen) Ich habe mir ein sehr ungewöhnliches Leben ausgesucht. Aber da ich mich nie um die Miete kümmern musste, konnte ich meine Zeit damit verbringen, zu tun, was ich wirklich mag. Mein Dasein als Nomade war gelegentlich schwierig, aber ich konnte an wunderschönen Orten leben und mir eine Balance im Leben erhalten, mit der ich glücklich bin. Es erlaubt mir, einen Großteil meiner Zeit mit hyperintelligenten Korallen zu verbringen. Ich genieße aber genauso die Gesellschaft hyperintelligenter Leute. Ich bin also sehr glücklich, heute hier eingeladen worden zu sein. Vielen Dank. (Applaus)
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: Ich habe vielleicht zwei Prozent davon verstanden, aber ich finde es absolut faszinierend. Deine Theorie von Allem...
I probably understood two percent of that, but I still absolutely loved it. So I'm going to sound dumb. Your theory of everything --
Garret Lisi: Ich nenne das Korallen...
Garrett Lisi: I'm used to coral.
CA: Richtig. Der Grund dafür, dass sie einigen Leuten zumindest gefällt ist doch, dass im Erfolgsfall die Gravitation und Quantentheorie zusammengebracht werden. Du sagst also, dass wir uns das Universum auf den kleinsten Maßstäben als E8 Objekt von Möglichkeiten vorstellen können? Ich meine, gibt es Deiner Meinung nach einen Maßstab auf diesen kleinsten Größen?
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: Na ja, im Moment haben wir das gezeigte Muster, das unseren Wissenstand in der Teilchenphysik wiedergibt, welches schon jetzt mit einer sehr schönen Struktur in Einklang steht. Ich meine das hier, das mit Sicherheit stimmt. Es gibt bemerkenswerte Ähnlichkeiten und die Art, wie es in das E8 Muster passt, könnte der Rest des Bildes sein. Die Muster von Punkten, die ich Euch gezeigt habe, beschreiben tatsächlich Symmetrien dieses höherdimensionalen Gebildes, das sich verbiegt, bewegt und auf der erlebbaren Raumzeit tanzt. Das alles wäre eine Erklärung für die bekannten Elementarteilchen.
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: Soweit ich weiß, erklärt aber ein Stringtheoretiker Elektronen als als viel kleinere vibrierende Schnüre. Ich weiß, Du magst die Stringtheorie nicht mit ihren Vibrationen. Wie also stellen wir uns ein Elektron im Zusammenhang mit E8 vor?
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: Es wäre eine der Symmetrien dieser E8 Struktur. Wenn sich diese Struktur in der Raumzeit bewegt, verdreht sie sich. Die Art der Drehung bestimmt, welches Teilchen wir sehen. Also wäre es ...
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: Die Größe dieser E8 Struktur, wie verhält die sich zur Größe eines Elektrons? Ich fühle mich, als bräuchte ich das für meine Vorstellung. Ist sie größer? Ist sie kleiner?
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: Bekanntlich sind Elektronen Punktteilchen. Also ginge das herunter in die kleinstmöglichen Längenskalen. In der Quantenfeldtheorie können sich alle Möglichkeiten gleichzeitig entwickeln. Genau darum nutze ich die Analogie zur Koralle. So kommt die E8 ins Spiel. Als Muster, das zu jedem Punkt der Raumzeit gehört. Die Art wie sich das Muster verdreht, die Richtung in die es sich verdreht, während es sich über diese gekrümmte Oberfläche bewegt, ist genau das, was die Elementarteilchen eigentlich sind. In der Quantenfeldtheorie erscheinen sie als Punkte und verhalten sich auch so. Ich weiß nicht, ob ich das noch deutlicher erklären kann. (Gelächter)
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: Das macht gar nichts. Es erzeugt ein Gefühl für das Wunderbare, und ich würde gerne mehr davon verstehen. Trotzdem vielen Dank für Dein Kommen. Das war absolut faszinierend. (Applaus)
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)