Whoa, dude.
Hahó emberek! Micsoda gyilkos egyenletek! Aranyosak.
(Laughter)
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?
A következő 18 percben valójában mindent el fogok követni, hogy egyenletek nélkül magyarázzam el a részecskefizika szépségét. Kiderül, hogy rengeteget tanulhatunk a koralltól. A korall egy nagyon szép, és szokatlan állat. Minden egyes koralltelep egyedi polipok ezreiből áll össze. E polipok folyamatosan burjánzanak, és elágaznak, genetikalilag azonos szomszédokká alakulva. Ha most elképzeljük, hogy ez egy hiperintelligens korall, kiszúrhatunk közülük egy egyedet, és feltehetünk neki egy értelmes kérdést. Megkérdezhetjük, pontosan hogyan került erre a konkrét helyre, a szomszédaihoz képest -- -- hogy ez csak véletlen volt, vagy a végzet, vagy mi?
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.
Nos, miután megdorgált bennünket, hogy túlságosan befűtöttünk, közölné velünk, hogy ezt tök hülye kérdés. Tudjátok, ezek a korallok elég galádak tudnak lenni, amit szörfözésben szerzett hegeim is bizonyítanak. De ez a polip folytatná, és elmondaná nekünk, hogy a szomszédai világosan az ő teljesen azonos másolatai. Hogy ő van ott az összes többi helyen is, csak külön egyénekként tapasztalja meg azokat. Egy korall számára a különféle másolatokba ágazás a legtermészetesebb dolog a világon.
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.
Velünk szemben, egy hiperintelligens korall tökeletesen felkészült a kvantummechanika befogadására. A kvantummechanika matematikája akkurátusan leírja, hogyan működik a világegyetemünk. Megmondja nekünk, hogy realitásunk folyamatosan, különféle lehetőségekbe ágazik, akár a korall. Fura dolog ez ahhoz, hogy emberi agyunk be tudja venni, mivel nekünk csak egy lehetőség megtapasztalása adatik meg. Ezt a kvantum furcsaságot legelőször Erwin Schrödinger írta le, és a macskája. A macskának ez a változat tetszik jobban.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Ebben a felállásban Schrödinger egy dobozban van, egy radioaktív mintával együtt, amely - a kvantummechanika törvényei szerint - elágazik egy olyan állapotba, amelyben kap sugárzást, és egy olyan állapotba, ahol nem.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Abban az ágban, ahol a minta sugárzik, átbillen egy indítókar, az mérget szabadít fel, és Schrödinger meghal. A realitás másik ágában azonban életben marad. E realitásokat az egyének külön-külön tapasztalják meg. Mindegyikük számára úgy tűnik, hogy a másik nem létezik.
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.
Ez azért fura a nekünk, mert mindannyian csak egy egyéni létet tapasztalunk meg, és nem láthatjuk a többi ágat. Olyan ez, mintha Schrödingerhez hasonlóan, korall féleségek volnánk, különféle lehetőségekbe szerteágazva. A kvantummechanika matematikája azt mondja nekünk, hogy a kis mérettartományokban így működik a világ. Ez egyetlen mondatban összefoglalható. Ami megtörténhet, mind megtörténik. Ez a kvantummechanika. De ez nem jelenti azt, hogy minden megtörténik. A fizika többi ága ugyanis azt írja le, mi történhet meg, és mi nem. A fizika tehát azt mondja nekünk, hogy végül minden a geometriára, és az elemi részecskék kölcsönhatásaira szűkül le. És a dolgok csak akkor történhetnek meg, ha e kölcsönhatások tökéletes egyensúlyban vannak.
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.
Most pedig elmesélem, hogyan jutottak tudomásunkra e részecskék, mik is ezek, és hogyan működik ez az egyensúly? Ebben a gépben egy protonokból, és antiprotonokból álló sugarat közel fénysebességre gyorsítunk fel, és összeütköztetünk, ezzel tiszta energialöketet szabadítva fel. Ez az energia azonnal félatomi részecskék burjánzó ágaivá alakul át, amelyek tulajdonságait detektorokkal, és számítógépekkel igyekszünk kideríteni. Ez a gigantikus gép a nagy hadron részecskeütköztető a genfi CERN intézetben. 27 kilométer a kerülete, és működésekor ötször annyi energiát használ fel, mint Monterey városa. Konkrétan nem tudjuk megjósolni, hogy milyen részecskék keletkeznek az egyes ütközések során. A kvantummechanika azt sugallja, hogy minden lehetőség realizálódik. De a fizika megmondja, mely részecskék állíthatók elő. E részecskéknek éppen akkora tömege, és energiája kell legyen, mint amennyit a proton, és az antiproton belevisz. Az ezen energiakorlátnál masszívabb részecskék nem jönnek létre, és láthatatlanok maradnak számunkra. Ezért olyan izgalmas ez az új részecskegyorsító berendezés. Mert képes ezt az energiakorlátot hétszer magasabbra felvinni, mint ami valaha is sikerült, így hamarosan alkalmunk nyílik rá, hogy újabb részecskéket lássunk meg.
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.
De mielőtt arról beszélnék, hogy mit láthatunk meg, hadd meséljek az általunk már ismert részecskékről. A szubatomi részecskékből egy egész állatkertnyi létezik. Legtöbbünk tisztában van az elektronokkal. Ebben a teremben is sokan élnek meg jól abból, hogy ide-oda tologatják őket.
(Laughter)
(Nevetés)
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 ...
Az elektronnak azonban van egy semleges társa, amelyet neutrínónak nevezünk, amelynek nincs elektromos töltése, és nagyon pici a tömege. Ezzel szemben a fel-le kvarkoknak nagyon nagy a tömege, és hármasával összekapcsolódva hozzák létre a protonokat, és a neturonokat az atomokon belül. Ezen anyagrészecskék mindegyike jobbos, és balos változatokban is létezik, és mind rendelkeznek antirészecske társsal, amelynek ellenkező a töltése. Ezen ismerős részecskéknek vannak kevésbé ismert második, és harmadik generációi, amelyek töltése ugyanolyan, mint az elsőé, csak jóval nagyobb a tömegük. Ezek az anyagi részecskék mind kölcsönhatásban vannak a különféle erőrészecskékkel. Az elektromágneses erő kölcsönhatásba kerül az elektromos töltésű anyaggal a fotonoknak nevezett részecskéken keresztül. Van továbbá egy nagyon gyenge erő, amelyet - elég fantáziaszegényen - a gyenge erőnek neveznek, s amely kölcsönhatásba
(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.
csak a balos anyaggal lép. Az erős erő olyan kvarkok között érvényesül, amelyek különféle, színtöltésnek nevezett töltéssel rendelkeznek, és három különböző fajtájuk van: piros, zöld, és kék. Az elnevezések miatt Murray Gell-Mannt szidhatjátok -- ugyanis az ő hibája. És végül ott van a gravitációs erő, amely az anyaggal annak tömegén, és perdületén keresztül lép kölcsönhatásba.
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.
Itt annak megértése a legfontosabb, hogy különféle töltések hozhatók kapcsolatba ezen erők mindegyikével. E négy különböző erő az anyaggal az egyes részecskék töltésével összhangban lép kölcsönhatásba. Egy részecske, amelyet még nem láttunk, de eléggé biztosak vagyunk a létezésében, a Higgs részecske, amely tömeget ad az összes többi részecskének. A nagy hadron részecskegyorsító fő célja ezen Higgs részecske láthatóvá tétele, és csaknem biztosak vagyunk benne, hogy sikerül is neki. A legnagyobb rejtély azonban az, hogy mi mást fogunk még látni? Be fogok mutatni nektek egy gyönyörű lehetőséget az előadásom vége felé.
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.
Szóval, ha számba vesszük az összes különböző részecskét, különféle perdületük, és töltésük szerint, akkor 226-ot kapunk. Ez rengeteg részecske ahhoz, hogy mind számon tartsuk. Az is furcsának tűnik, hogy a természet ilyen sok elemi részecskéből álljon. Amikor azonban a töltésük szerint rajzoljuk fel őket, néhány csodaszép minta tűnik elő. A legismertebb töltés az elektromos töltés. Az elektronoknak elektromos töltése van, amely negatív, a kvarkok elektromos töltése pedig egyharmad. Így amikor két fel kvark kapcsolódik egy le kvarkkal, létrehozva egy protont, annak teljes elektromos töltése plusz egy. A részecskéknek vannak antirészecskéi is, ellenkező előjelű a töltéssel. Közben kiderül, hogy az elektromos töltések valójában két másfajta töltés kombinációjából adódnak: a hipertöltésből, és a gyenge töltésből. Ha kiterítjük a hipertöltést, és a gyenge töltést, és ebben a kétdimenziós töltés térben bejelöljük a részecskék töltését, az elektromos töltés az, ahol e részecskék a függőleges irány mentén csücsülnek. Az elektromágneses, és gyenge erők kölcsönhatása az anyaggal hipertöltésük illetve gyenge töltésük szerint történik meg, amelyek ezt a mintát adják ki. Ezt nevezik az Egységes Elektrogyenge Kölcsönhatási Modellnek, amelyet már 1967-ben megalkottak.
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.
Amiért legtöbbünk csak az elektromos töltésről tud, és nem mindkettőről, annak a Higgs részecske az oka. A Higgs, itt a baloldalon, nagy tömeggel rendelkezik, és megbontja az elektrogyenge minta szimmetriáját. A gyenge erőt nagyon gyengévé teszi azzal, hogy nagy tömeget ad a gyenge részecskéknek. Mivel ezen az ábrán ez a masszív Higgs a vízszintes írány mentén csücsül, az elektromágnesesség protonjai tömeg nélkül maradnak, és a függőleges irány mentén lépnek kölcsönhatásba az elektromos töltéssel, ebben a töltés térben. Így tehát az elektromágneses, és gyenge erőket e kétdimenziós térben a részecskék töltése által akotott minta határozza meg. Belevehetjük az erős erőt is, kiterítve annak két töltési irányát, és bejelölve a kvarkok erőrészecskéinek töltését ezen irányok mentén. Felrajzolható minden ismert részecske töltése is egy négydimenziós töltés térben, majd levetíthető két dimenzióra, mint itt, hogy láthatóvá váljanak számunkra.
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.
Valahányszor a részecskék kölcsönhatásban vannak, a természet tökéletes egyesúlyt tart fenn mind e négy töltési irány mentén. Ha egy részecske összeütközik egy antirészecskével, az energialöketet, és nulla össztöltést mind a négy töltési irányban. Ezen a ponton bármi létrejöhet, amíg ugyanazzal az energiával rendelkezik, és fenntartja a nulla össztöltést. Ez a gyenge erőrészecske, és anti részecskéje, például létrejöhet egy ütközés által. A további kölcsönhatások során a töltéseknek mindig egyensúlyban kell lenni. Az egyik gyenge erőrészecske lebomolhat egy elektronra, és egy antineutrinóra, de mindhárom össztöltése még mindig nulla. A természet mindig tökéletes egyensúlyt tart fenn. Így e töltési minták nem csak csinosak. Megmutatják, hogy mely kölcsönhatásoknak szabad megtörténni. Négy dimenzióban el is forgathatjuk ezt a töltés-teret, hogy jobban szemügyre vehessük az erős kölcsönhatást, amelynek ilyen szép, hatszögű a szimmetriája. Egy erős kölcsönhatásban, egy erős erőrészecske, mint ez is, kölcsönhatásba lép egy színes kvarkkal, mint például ez a zöld, hogy másféle színű töltést adjon egy kvarknak - ennek a pirosnak. Az erős kölcsönhatások milliószor zajlanak le minden másodpercben, testünk minden atomjában, egyben tartva az atommagokat.
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.
De ez a három erőnek megfelelő négy töltés még nem a történet vége. Mert bele vehetünk még két további töltést is, amelyek a gravitációs erőnek felelnek meg. Amikor ezeket is belefoglaljuk, minden anyagrészecskének két különböző perdületi töltése lesz, a felfelé, és a lefelé irányuló. Ezért mind széthasadnak, és egy szép mintát alkotnak a hatdimenziós töltés térben. Elforgathatjuk ezt a mintát hat dimenzióba, és láthatjuk, hogy elég csinos. Pillanatnyilag ez a minta fejezi ki leginkább jelenlegi legjobb ismereteinket arról, hogyan épül fel a természet a kis mérettartományokban ezekből az elemi részecskékből. Ez az, amit biztosan tudunk. E részecskék közül néhány nagyon a határán van annak, amit kísérletekkel már sikerült elérni. Ebből a mintából már tudjuk ezen kis mérettartományok részecskefizikáját. Az pedig gyönyörű, ahogy a világegyetem ezen apró méretekben működik.
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.
Most azonban néhány új, és régi elképzelésről fogok beszélni, olyan dolgokat illetően, amiket még nem ismerünk. Szeretnénk ugyanis pusztán matematikával kiterjeszteni ezt a mintát, és kideríteni, hogy meg tudjuk e ragadni az egész enchiladát. Meg akarjuk találni az összes részecskét, és erőt, amelyek univerzumunk teljes képét alkotják. És szeretnénk ezt a képet azon új részecskék megjóslására használni, amelyeket akkor látunk majd, amikor a kísérletekben nagyobb energiákat érünk el.
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.
Szóval, van egy régi elképzelés a részecskefizikában, mely szerint a töltések e nem túl szimmetrikus, ismert mintája egy tökéletesebb minta széttöredezéséből jöhetett létre, hasonlóan ahhoz, ahogy a Higgs részecske megtöri az elektrogyenge mintát, hogy legyen elektromágnesesség. Ennek létrehozásához új erőket kell bevezetnünk, új töltési előjelekkel. Amikor új irányt vezetünk be, feltételezhetjük, hogy milyen töltéssel rendelkeznek a részecskék ezen irány mentén, és akkor beforgathatjuk azt a többivel együtt. Ha bölcsek a feltételezéseink, a szabványos töltéseket meg tudjuk szerkeszteni hat töltési dimenzióban, mint tört szimmetriát, amely ebből a hétdimenzós, tökéletesebb mintából ered.
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.
Ez a konkrét választás egy grandiózus, egységes elméletnek felel meg, amelyet Pati és Salam vetett fel még 1973-ban. Ha megnézzük ezt az új, egységes mintát, pár olyan rést fedezhetünk fel, ahol látszólag hiányoznak a részecskék. Így működnek az egyesítési elméletek. A fizikus a nagyobb, szimmetrikusabb mintákat keresi, amelyek alhalmazként tartalmazzák a már megállapított mintát. A nagyobb minta lehetővé teszi számunkra, hogy megjósoljuk a soha nem látott részecskék létezését. Ez az egységes modell előre jelzi a két új erőrészecskét, amelyeknek a gyenge erőhöz nagyon hasonlóan kell viselkedni, csak még annál is gyengébben.
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."
Most elforgathatjuk hét dimenzióban ezt a töltés halmazt, és fontolóra vehetünk egy furcsa tényt az anyagi részecskékről: az anyag második, és harmadik generációja a hatdimenziós töltési térben pontosan ugyanolyan töltéssel rendelkezik, mint az első generáció. Ezeket a részecskéket hat töltésük nem azonosítja egyedileg. Ugyanis egymás tetején csücsülnek a szabványos töltési térben. Ha azonban nyolcdimenziós térben tevékenykedünk, akkor egyedi, új töltéseket rendelhetünk hozzá az egyes részecskékhez. Akkor nyolc dimenzióba is elforgathatjuk ezeket, és megnézhetjük, hogyan néz ki a teljes minta. Itt már megláthatjuk az anyag második, és harmadik generációját, amelyek egy "trialitás"-nak nevezett szimmetrián át viszonyulnak az első generációhoz.
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.
Nyolc dimenzióban, ez a töltési séma valójában a matematika leggyönyörűbb geometrikus szerkezetének része. Ami a legnagyobb, kivételes E8 Lie-csoport mintája. Ez a Lie-csoport egy 248 dimenziós, sima, ívelt forma. Ebben a mintában minden pont egy-egy szimmetriának felel meg, ebben a nagyon összetett, gyönyörű alakzatban. Ennek az E8 alakzatnak egy kis része használható fel Einstein általános relativitás elméletében a meggörbült tér-idő leírására, amely megmagyarázza a gravitációt. A kvantummechanikával együtt ezen alakzat geometriája kifejezhet mindent arról, ahogyan a világegyetem a legkisebb méretek tartományában működik. Ennek a nyolcdimenziós töltési térben létező alakzatnak a mintája kivételesen gyönyörű, lehetséges kölcsönhatások ezreit összegzi az elemi részecskék között, amelyek mindegyike csak egy aspektusa ennek a bonyolult alakzatnak.
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.
Ahogy elforgatjuk, sokat megláthatunk a többi bonyolult mint közül, amelyet ez az egy foglal magába. És egy különös elforgatással átnézhetünk lefelé ezen a mintán, nyolc dimenzión át a szimmetria tengely mentén, és egyszerre láthatjuk az összes részecskét. Ez egy nagyon szép objektum, és mint minden egyesítésben, láthatunk néhány lyukat, ahol új részecskékre van szükség ehhez a mintához. 20 hiány van, ahol új részecskéknek kellene lenni, melyek közül kettőt már kitöltenek a Pati és Salam féle részecskék. Az e mintában előtűnt helyükből már tudjuk, hogy ezeknek az új részecskéknek a Higgs részecskéhez hasonló skaláris mezőknek kell lenniük, de színes a töltetük, és az erős erővel vannak kölcsönhatásban. Az új részecskék bejelölésével teljességében ábrázolható a minta, megadva számunkra a teljes E8 szerkezetet.
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."
Ez az E8 szerkezet mélyen a matematikában gyökerezik. Sokak szerint ez a legeslegszebb szerkezet a matematikában. Fantasztikus a lehetőség, hogy ezzel a hatalmas matematikai szépségű objektummal lehetne jellemezni a részecske kölcsönhatások igazságát az elképzelhető legkisebb méretek tartományában. A gondolat, hogy a természetet a matematika határozza meg, egyáltalán nem új. 1623-ban Galileo ezt írta: "A természet nagyszerű könyve, amely folyamatosan nyitva áll a tekintetünk előtt, a matematika nyelvén íródott. A betűi háromszögek, körök, és más mértani alakzatok, amelyek nélkül emberileg lehetetlen akár egyetlen szavának megértése is; ezek nélkül az ember csak egy sötét labirintusban bukdácsol."
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.
Hiszem, hogy ez igaz, és megpróbáltam követni Galileo útmutatását a részecskefizika leírásában, pusztán háromszögek, körök, és más geometriai formák segítségével. Amikor más fizikusok, és én, ténylegesen ezen a cuccon dolgozunk, természetesen hasonlíthat a matematika egy sötét labirintushoz. De megnyugtató a tudat, hogy e matematika középpontjában tiszta, és gyönyörű geometria áll. A kvantummechanikával összekapcsolva, ez a matematika úgy írja le a világegyetemünket, mint egy növekvő E8 korallt, amelyben a részecskék minden helyen, és minden módon kölcsönhatásban vannak egy gyönyörű szép minta szerint. És ahogy egyre több válik láthatóvá a mintából az új gépek segítségével, mint a nagy hadron részecskeütköztető, akkor talán megláthatjuk, hogy a természet vajon ezt az E8 mintát használja-e, vagy egy másikat.
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.
A részvétel a felfedezés e folyamatában felér a egy csodás kalanddal. Ha a nagy hadronban sikerül olyan részecskéket találni, amelyek ehhez az E8 mintához illenek, az igazán szuper volna. Ha azonban a nagy hadron talál új részecskéket, de azok nem illenek ebbe a sémába -- nos, az nagyon érdekes volna, de rosszat tenne az E8 elméletnek. És persze, személy szerint nekem is rossz lenne.
(Laughter)
(Nevetés)
Now, how bad would that be? Well, pretty bad.
Hogy mennyire volna rossz? Hát, eléggé rossz.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
De a természet működésének megjóslása nagyon kockázatos játék. Más hasonló elméletekkel együtt, ez az elmélet is csak vaktában lövöldözés. Az ember keményen dolgozik, tudva, hogy a természetről alkotott legtöbb ilyen gondolat valószínűleg nem bizonyul igaznak. Ilyen az, amikor elméleti fizikával foglalkozunk: egy csomó elgondolás kinyiffan. E tekintetben az új fizikai teóriák sokban hasonlítanak a kezdő vállallatokhoz. Mint minden nagy befektetésben, érzelmileg nehéz egy kutatási témától elállni, ha az nem hoz eredményt. De a tudományban, ha valami nem működik, akkor dobd ki, és próbálkozz valami mással.
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.
Nos, az egyetlen mód a józanság fenntartására, és a boldogság elérésére, mind e bizonytalanság közepette, hogy egyensúlyt, és a kellő távolságot tartsunk fenn az életünkben. Én meg is teszek mindent, hogy kiegyensúlyozott életet élhessek.
(Laughter)
(Nevetés)
I try to balance my life equally between physics, love and surfing -- my own three charge directions.
Próbálom kiegyensúlyozni az életem a fizika, a szerelem és a szörfözés között, amelyek személyes három töltési irányomat teszik ki.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Ilymódon, még ha a fizika, amelyen dolgozom, nem hoz eredményt, még mindig tudom, hogy jó életet éltem. És igyekszem gyönyörű helyeken élni. Az évtized legnagyobb részében Maui szigetén élek, ami egy nagyon szép hely. A szüleim számára azonban az univerzum legnagyobb rejtélye, hogyan sikerült megélnem ez idő alatt a nélkül, hogy olyasmit végeztem volna, ami hasonlítana a teljes munkaidős foglalkoztatásra.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Betekintést adok nektek ebbe a titkomba. Ez volt a kilátás az otthoni irodámból, Maui szigetén. És ez egy másik, és még egy másik. Talán észrevettétek, hogy a gyönyörű kilátás képei hasonlók, de némileg különböző helyeken. Azért van ez, mert ez volt az otthonom, és irodám is Mauin.
(Laughter)
(Nevetés)
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.
Nagyon szokatlan életet választottam. De a lakbér miatti aggodalom hiánya lehetővé tette számomra, hogy azzal töltsem az időmet, amit szeretek. A nomád életvitel néha nehéznek bizonyult, de lehetővé tette számomra, hogy gyönyörű helyeken éljek, és olyan egyensúlyt tartsak fenn az életemben, amitől boldog voltam. Megengedhetem magamnak, hogy egy csomó időt lógjak a hiperintelligens korallal. De azért nagyon élvezem a hiperintelligens emberek társaságát is. Ezért nagyon boldog vagyok, hogy meghívtatok ma ide.
Thank you very much.
Köszönöm szépen!
(Applause)
(Taps)
Chris Anderson: Stay here one second.
(Applause)
I probably understood two percent of that, but I still absolutely loved it. So I'm going to sound dumb. Your theory of everything --
Chris Anderson: Azt hiszem, talán a két százalékot értettem az egészből, de így is teljesen elragadott. Ezért most hülyén fogok hangzani. A Mindenség Elméleted -
Garrett Lisi: I'm used to coral.
Garrett Lisi: A korallhoz vagyok szokva.
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 ...?
CA: Helyes, az ok, amiért pár ember legalább felizgult, mert, ha igazad van, ez egy kalap alá hozza a gravitációt, és a kvantumelméletet. Szóval te azt mondod, úgy kell a világegyetemre gondolnunk, amelyben legbelül, a legkisebb dolgok valahogy a lehetőség E8 objektuma? Úgy értem, van hozzá valamilyen mérce a legkisebb mérettartományra
GL: Well, right now the pattern I showed you 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.
a fejedben, vagy ...? GL: Nos, a most bemutatott a minta megfelel annak, amit az elemi részecskék fizikájáról tudunk, s ami máris egy nagyon szépséges alakzatnak felel meg. És ez az, amelyről azt mondtam, hogy biztosan tudjuk. És hogy ez alakzat figyelemre méltó hasonlóságokat mutat, az illeszkedése pedig ebbe az E8 mintába, kigészítheti a képet. Valamint ezek a pontokból felépülő minták, amelyeket bemutattam, valójában e sokdimenziós objektum szimmetriáit képviselik, amely átcsavarodik, mozog, és végigtáncol az általunk megtapasztalt tér-időn. És ez volna a magyarázat mindezekre az általunk látható elemi részecskékere.
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?
CA: De egy húrelméleti szakember, ha jól értem, az elektronokat a sokkal kisebb húrok rezgésével magyarázza - Tudom, nem szereted a húrelméletet - benne a rezgéssel. Hogyan kellene tehát az elektronra gondolnunk az E8 viszonylatában?
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 --
GL: Nem, ez csak az egyik lenne a szimmetriák közül ebben az E8 alakzatban. Szóval az történik, hogy amint az alakzat mozog a tér-időben, megcsavarodik. És a mozgása közben történő csavarodás iránya az, amit a részecskéknek látunk. Ezért -
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?
CA: Az E8 alakzat mérete, hogyan viszonyul az elektronhoz? Valahogy úgy érzem, szükségem van erre a képemhez. Nagyobb? Kisebb?
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.
GL: Hát, amennyire tudjuk, az elektronok pontrészecskék, így ezzel lemennénk a lehető legkisebb mérettartományokba. A kvantumtérelmélet tehát úgy magyarázza ezeket a dolgokat, hogy valamennyi lehetőség egyszerre tágul, és fejlődik. Ez az, amiért én a korall hasonlatot alkalmazom. És így, mármint ahogy az E8 bejön, olyan alakzat lesz, amely a tér-idő minden pontján kapcsolódik. És, mint már mondtam, ahogy ez a forma csavarodik, a mozgásirány, amely mentén csavarodik a forma, miközben áthalad ezen az ívelt felületen, az maguk az elemi részecskék. A kvantumtérelméletben tehát úgy manifesztálódnak, mint pontok, és úgy is lépnek kölcsönhatásba. Nem tudom, sikerül-e ezt még világosabbbá tennem.
(Laughter)
(Nevetés)
CA: It doesn't really matter. It's evoking a kind of sense of wonder, and I certainly want to understand more of this.
CA: Valójában nem számít. Bizonyos értelemben csoda érzetét kelti, és én határozottan többet szeretnék megérteni belőle.
But thank you so much for coming. That was absolutely fascinating.
De köszönöm szépen, hogy eljöttél. Teljesen lenyűgöző volt.
(Applause)
(Taps)