Whoa, dude.
와우, 살인적인 방정식들 좀 보세요. 끝내주네요.
(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?
사실 다음 18분 동안 입자물리학의 아름다움을 표현하면서 방정식들을 하나도 쓰지 않도록 노력할 생각입니다. 산호초들에게선 배울게 굉장히 많죠. 산호는 아주 아름답고 기이한 동물입니다. 각 산호의 끄트머리는 수천개의 폴립(강장동물)으로 이루어져 있습니다. 폴립들은 유전적으로 동일한 이웃들로 돋아나고 가지를 칩니다. 만약 이것을 매우 지능적인 산호라고 상상한다면 그중 하나를 떼어내서 적절한 질문을 해볼수 있겠지요. 어떻게 그놈이 그들 이웃과는 달리 특정한 그 장소에 위치할 수 있냐는 질문입니다. 그냥 우연일까요, 운명일까요, 아니면 뭘까요?
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.
일단 그는 너무 기온을 높여 놨다고 우리들을 꾸짖은 후에 우리들의 질문 자체가 바보같다고 말할 겁니다. 산호들은 꽤 잔인한 놈들이죠, 보시다시피, 저한테도 서핑하다 다친 상처들이 있습니다. 하지만 이 폴립은 계속해서 그의 이웃들이 명확하게 그와 동일한 복제품이라고 이야기할 겁니다. 그가 다른 모든 곳에도 존재하고 있지만 체감상 서로 다른 개체라고 말이지요. 산호에게는 다른 복제품으로 분기하는 것이 가장 자연스러운 일입니다.
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.
우리와는 다르게, 매우 지능적인 산호들은 양자역학을 이해하도록 특별하게 태어났나봅니다. 양자 역학의 수학은 아주 정교하게 우주의 원리를 설명합니다. 우리의 현실은, 마치 산호처럼 지속적으로 다른 가능성을 향해 뻗어나가는 것이지요. 이 사실을 우리가 믿기에는 좀 이상한 일이죠. 우리는 한가지 가능성만을 경험하기 때문입니다. 이 양자의 이상함을 최초로 이야기한 사람은 에르빈 슈레딩거와 그의 고양이입니다. 그 고양이는 이 버전을 더 좋아하죠.
(Laughter)
(웃음)
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.
이 설정 하에서, 슈레딩거는 방사능 샘플이 장착된 상자 속에 있습니다. 그 상자는 양자역학의 법칙에 의해, 방사선을 방출하거나 혹은 그렇지 않은 상태로 분기합니다.
(Laughter)
(웃음)
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.
방사선이 방출되는 기로에서는 독이 나오는 장치가 작동되고 슈레딩거는 죽습니다. 하지만 현실의 다른 기로에서, 그는 여전히 살아있습니다. 이 현실들은 각기 다른 개체에게 각자 따로 체험되는 것입니다. 어느 한 쪽이 인식할 수 있다면, 다른쪽은 존재하지 않는 것이지요.
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.
이것은 이상하게 들립니다. 왜냐면 우리 각자는 오직 개별적인 현존만을 경험하기 때문이고, 다른 기로는 볼 수 없기 때문입니다. 이것은 우리 각자가, 슈레딩거처럼, 일종의 산호라는 말과 같습니다. 다른 가능성으로 분기하는 것이지요. 양자역학의 수학은 우리에게 이것이 미시 세계의 작동원리란 걸 알려줍니다. 이것을 단 한 문장으로 요약할 수 있습니다. 일어날 수 있는 모든 일들은, 일어난다. 이게 양자역학입니다. 하지만 이건 뭐든지 실현된다는 의미가 아닙니다. 물리학의 나머지는 무엇이 일어날 수 있고 무엇이 일어날 수 없는지 설명하는 것입니다. 물리학이 말해주는 것은, 모든 것들이 기하학과 소립자들의 상호작용으로 귀결된다는 것입니다. 그리고 이 상호작용이 완벽하게 균형을 갖췄을때만 무엇이든 발생합니다.
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.
지금부터 우리가 어떻게 이 입자들을 알 수 있는지, 그것들은 무엇이며 어떻게 이 균형이 작동하는지 설명하겠습니다. 이 기계에서는, 양성자와 반양성자의 한 줄기가 거의 빛의 속도에 가깝게 가속되고, 순수한 에너지의 폭발을 만들면서 충돌로 합쳐집니다. 이 에너지는 즉시 아원자 입자를 분출하는 것으로 전환됩니다. 탐지기와 컴퓨터는 그것들의 속성을 나타내지요. 이 어마어마한 기계, 거대 하드론 충돌기(LHC)는 제네바에 있는 CERN에 있는데요, 둘레가 17마일이나 되고 작동할 때면 몬터레이시 전기사용량의 다섯 배를 사용합니다. 우리는 개별적인 충돌에서 정확히 어떤 입자가 생성될지 예측할 수 없습니다. 양자 역학은 모든 가능성이 현실화 된다는 것을 말해줍니다. 하지만 물리학은 어떤 입자가 생성될 수 있는지를 말해줍니다. 이 입자들은 분명 양성자와 반양성자가 지녔던 만큼의 질량과 에너지를 가지고 있겠지요. 이 에너지 한계보더 더 질량이 큰 양성자들은 생겨나지 않습니다. 보이지 않는 상태로 남아 있지요. 이것이 이 새로운 입자 가속기가 흥분되는 이유입니다. 그것은 이미 실현된 것의 일곱 배가 넘도록 에너지 한계를 높여줄 것입니다. 우리는 새로운 입자들을 곧 보게 되겠지요.
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.
하지만 우리가 보게될 것들에 대해 얘기하기 전에 이미 밝혀진 입자들에 대해 설명해 드리겠습니다. 여기 아원자 입자들의 동물원이 있습니다. 우리들은 대부분 전자에는 익숙하지요. 여기에 있는 많은 사람들이 그것들을 부려먹으면서
(Laughter)
잘 살고 계실겁니다.(웃음)
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 ...
하지만 전자는 중성미자라는 중립적인 파트너를 갖고 있습니다. 전하가 없고 질량이 매우 작지요. 반면에 이 업 쿼크, 다운 쿼크들은 아주 질량이 크고, 원자 속에서 셋이 결합하여 양성자와 중성자를 만듭니다. 모든 물질입자들은 '왼손잡이'와 '오른손잡이' 변용에 관여하며, 반대 전하를 띄는 반입자 파트너들을 갖고 있습니다. 친숙한 입자들은 또한 덜 친숙한 2세대 3세대를 갖고 있습니다. 1세대와는 전하가 같지만 훨씬 큰 질량을 갖고 있지요. 이 물질입자들은 모두 다양한 힘 입자들과 상호작용합니다. '전자기력'은 광자라고 불리는 입자를 통해서 전하를 띈 물질과 상호작용합니다. 또, 상상력이 부족한 이름이지만, '약력'이라는 약한 힘이 있는데 약력은 오로지
(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.
왼손잡이 물질하고만 상호작용합니다. '강력'은 색깔 변화라고 불리는, 다른 종류의 전하를 지닌 쿼크들 사이에서 활동하는 힘입니다. 세가지 변화에 관여하죠: 빨강, 초록, 파랑. 이 이름에 대해서는 머레이 겔-만을 탓하세요. 그 사람 잘못입니다. 마지막으로 '중력'이 있습니다. 물질의 질량과 스핀을 통해 물질과 상호작용 합니다.
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.
여기서 이해를 위해 가장 중요한 것은 이 힘들과 조합되는 서로 다른 전하가 있다는 겁니다. 이 네가지 힘들은 각 입자들이 상응하는 전하에 따라 물질과 상호작용합니다. 아직 보지는 못했지만, 존재한다고 확신하는 힉스입자는, 이 모든 입자들에게 질량을 줍니다. LHC의 주 목적은 힉스 입자를 밝히는 것이고, 아마 그렇게 될 것입니다. 가장 큰 미스테리는 그 외에도 무엇을 보게 될까 하는 것이지요. 이 강연 끝날 때쯤에 한 가지 아름다운 가능성을 보여드리겠습니다.
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.
이 모든 입자들을 다양한 스핀과 전하를 사용해서 세어보면 226개입니다. 다루어야 할 입자들이 아주 많지요 자연이 이렇게 많은 기초입자들을 갖고 있다는 것은 이상하지요. 하지만 그것들을 전하에 따라 늘어놓으면 아름다운 패턴이 나타납니다. 가장 친숙한 전하는 전기 전하지요. 전자는 음전하를 가지고 있습니다. 그리고 쿼크는 세개로 나누어진 전하를 갖고 있습니다. 두개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크가 합쳐지면 양성자가 만들어지고, 그것은 양전하를 띕니다. 입자들은 그 반대 전하를 띈 반 입자를 가지고 있는 거죠. 전하는 사실 두 종류의 전하의 조합이라는 것이 밝혀졌습니다. 초전하와 약한 전하입니다. 만약 우리가 초전하와 약한 전하를 펼쳐놓고 이 2차원 공간에 입자들의 전하를 늘어놓으면, 전기 전하는 이 입자들이 있는 곳에서 세로 방향을 따라 나타납니다. 전자기력과 약력은, 초전하와 약한 전하에 따라 물질과 상호작용하는 것입니다. 이런 패턴을 만드는 전하들 말이지요. 이것을 '통일된 약전자기 모델'이라고 부릅니다. 1967년에 통합된 이론입니다.
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.
우리가 오직 전기적인 전하에만 익숙하고 이 두가지 전하에 익숙하지 않은 건 힉스 입자 때문입니다. 여기 왼쪽에 있는 힉스 입자는 질량이 커서 이 약전자기 패턴의 대칭성을 파괴합니다. 약한 입자에 큰 질량을 줌으로써 약력을 아주 약하게 만들지요. 이 도표에서 질량이 큰 힉스입자들이 가로 방향을 따라 있기 때문에 전자기력의 광자는 질량이 없게 되고 이 공간에서 세로방향의 전기 전하와 상호작용합니다. 따라서 전자기력과 약력은 2차원 공간에서 이런 패턴으로 설명됩니다. 여기에 강력도 포함시킬수 있습니다. 전하를 두 방향으로 나누고 쿼크 속 힘 입자들의 전하를 이 방향을 따라 늘어놓으면요. 알려진 모든 입자들의 전하는 4차원 공간에 배열될 수 있고요 그것들을 2차원 공간에 이런식으로 투영하면 우리가 볼 수 있지요.
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.
입자들이 무엇과 상호작용하든지, 자연은 완벽한 균형을 유지합니다. 이 네 가지 전하의 방향을 따라서 말이지요. 만약 입자와 반입자가 충돌한다면, 에너지의 폭발이 발생할테고 이 네가지 방향에서 총 0의 전하가 발생할겁니다. 이 점에서, 같은 에너지와 총 합 0의 전하를 유지하는 한 모든 것들이 생성될 수 있는 것입니다. 예를들어, 이 약한 힘 입자와 그것의 반입자는 충돌로 발생할수가 있습니다. 장기적인 상호작용에서, 전하들은 반드시 균형을 이룹니다. 약한 입자들중 하나는 전자와 반중성미자로 붕괴할 수도 있습니다. 그래도 이 셋은 여전히 총 전하량은 그대로입니다. 자연은 항상 완벽한 균형을 유지하지요. 이 전하의 패턴은 단지 그냥 예쁘기만 한 것이 아니라 어떠한 상호작용이 일어날 수 있는지 설명해줍니다. 우리는 이 4차원의 전하 공간을 돌려 볼수도 있지요 이 멋진 6각형 대칭을 가진 강한 상호작용을 더 잘 관찰할수 있어요. 강한 상호작용, 즉 이 같은 '강력'입자는 색깔 쿼크들과 상호작용합니다. 이 초록색처럼요. 그리고 다른 색깔 전하를 부여하지요- 이 빨간 것으로. 이 강한 상호작용은 우리 몸의 원자들 안에서 매 초마다 수백만 번씩 일어납니다. 원자핵들을 함께 있도록 고정시키고 있는 것입니다.
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.
세가지 힘들에 상응하는 네가지 전하들로 이야기가 끝나는게 아닙니다. 중력에 상응하는 두가지 전하를 포함시켜야겠지요. 이걸 포함시킬때, 각 물질 입자들은 두가지 스핀 전하를 갖고 있습니다. 스핀 업, 스핀 다운입니다. 그것들 전부를 나누면, 아주 멋진 패턴이지요. 6차원 전하 공간입니다. 이 6차원 패턴을 돌려보면 상당히 멋지단 걸 확인할 수 있습니다. 이 시점에서, 어떻게 자연이 이 기초 입자들로 만들어져 있는지 우리가 가진 현재 최상의 지식과 이 패턴이 일치합니다. 우리가 확실히 알고 있는 건 여기까지 입니다. 몇몇 입자들은 우리가 실험을 통해 도달할 수 있는 한계에 근접했습니다. 이 패턴 덕택에, 우리는 미세규모의 입자물리학을 예측할 수 있었던 거지요. 미시세계의 우주가 움직이는 방법은 매우 아름답습니다.
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.
지금부터는 우리가 아직 알지 못하는 것에 대한, 몇몇 이론을 설명해드리겠습니다. 우리는 수학을 이용해서 이 패턴을 확장시켜 아예 모든 걸 다 손에 넣길 바랬습니다. 모든 입자와 힘을 찾아서 우주의 완성된 그림을 그리고 싶었던 거죠. 그리고 우리는 이 그림을 이용해서, 장래의 실험에서 보게 될 새로운 입자들을 예측하길 원했습니다.
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.
입자물리학의 한 오래된 이론은 이 '대칭적이지 않은' 전하의 패턴이 '완벽한 패턴'에서 뭔가가 빠진 형태라고 주장합니다. 전자기력을 설명할 때, 힉스 입자가 약전자기력 패턴에서 빠져있던 것처럼 말이지요. 그러기 위해서는 새로운 전하의 방향을 가진 새로운 힘을 도입해야만 합니다. 새로운 방향을 도입하면 그 방향의 입자에 어떤 전하가 있는지 추측할 수 있고 다른 방향들과 함께 회전해 볼수 있을 겁니다. 추측을 잘 한다면, 우리는 불완전한 대칭성의 6차원 전하에서 보다 완벽한 7차원 전하 패턴으로 표준적인 전하를 구축할수 있겠지요.
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.
이 선택은 1973년 파티와 살람에 의해 제시된 '대통일 이론'과 상응합니다. 이 새로운 통합 이론을 보면 입자들이 빠진 것 같은 틈이 몇개 보일겁니다. 통일 이론은 바로 이런 역할을 합니다. 물리학자는, 기본이 되는 패턴을 구축하는 더 크고, 더 대칭적인 패턴을 찾습니다. 그 거대한 패턴은 우리가 보지 못한 입자들의 존재를 예측할수 있게 합니다. 이 통일 모델은, '약력'보다 더 약하지만 비슷한 역할을 하는 새로운 힘 입자들이 있음을 예측하게 합니다.
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."
우리는 이 7차원의 전하 모델을 돌려서 물질입자에 대한 이상한 점을 생각해볼수 있습니다 물질의 2세대와 3세대는 6차원 전하 공간에서 1세대와 똑같은 전하를 가지고 있습니다. 이 입자들은 여섯 전하들로는 구분이 되지 않아요. 표준 전하 공간에서 그것들은 서로의 위쪽에 위치합니다. 하지만, 8차원의 전하 공간에서 본다면 우리는 각 입자들에게 새롭고 특별한 전하를 부여할 수 있습니다. 그러면 우린 이것들을 8차원에서 회전시켜 전체 패턴이 어떻게 생겼나 볼수 있겠지요. 여기서 우린 '삼원성'이라고 불리는 대칭에 의해, 1세대와 연관된, 물질의 2세대와 3세대를 불수 있습니다.
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.
8차원에서의 이 특별한 패턴은 사실 수학에서 가장 아름다운 기하학 구조의 일부지요. '예외적 리(Lie) 그룹'의 가장 큰 E8 패턴입니다. 이 ' 리 그룹'은 부드럽게 굴곡진 248면체입니다. 각 패턴의 모서리들은, 이 복잡하고 아름다운 구조의 전체적인 대칭에 상응하고 있습니다. 이 E8 구조의 어느 작은 부분은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 중력을 설명하는, 시공간의 굴곡을 묘사합니다. 양자 역학과 더불어, 이 구조의 기하학은 작은 규모에서 우주가 작동하는 원리를 모두 설명할 수 있습니다. 이 8차원 전하 공간의 구조 패턴은 정교하게 아름다울뿐만 아니라, 수천가지 상호작용의 가능성을 요약합니다. 이 복잡한 구조의 한 면에 불과한 입자들 사이에서 말이지요.
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.
이걸 돌려보면, 우리는 여기에 포함된 복잡한 패턴들을 볼 수 있습니다. 어떤 특정한 방향에서는 대칭축을 따라 이 8면체 패턴을 통해서, 모든 입자들을 한눈에 볼 수도 있습니다. 아주 아름다운 물체입니다. 그리고 다른 모든 통일체처럼, 이 패턴을 통해서 앞으로 필요하게 될 새로운 입자들의 구멍도 발견할 수 있는 것입니다. 새로운 입자들이 있어야 할 구멍이 20개 있는데, 그 중 2개는 파티와 살람 입자에 의해 채워졌죠. 이 패턴에서의 위치로 보아, 우리는 새로운 입자들이 힉스 입자처럼 스칼라장이지만, 색깔 전하를 가지고 있어서 '강력'과 상호작용해야 한다는걸 알수 있죠. 새로운 입자를 채워나가면, 이 패턴을 완성시키면서 완전한 E8구조를 얻게 됩니다.
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."
E8 패턴은 아주 깊은 수학적 뿌리를 가지고 있어요. 그 패턴은 수학에서 가장 아름다운 구조로 여겨지곤 합니다. 이 엄청난 수학적 아름다움의 구조가 상상할 수 있는 가장 작은 입자들의 진실을 드러낸다는 것은 환상적인 예측입니다. 자연이 수학을 통해 드러난다는 아이디어는 전혀 새로운게 아니지요. 1623년, 갈릴레오는 이렇게 썼습니다: "우리의 시선 앞에 열려있는 자연의 거대한 책은, 수학이라는 언어로 씌여있다. 그 언어의 문자는 삼각형, 원, 그리고 다른 기하학적 도형이며 그것 없이는 인간의 힘으로 자연의 책을 이해할 수 없다. 수학없는 인간은 어두운 미로에서 방황하는 것이다."
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.
전 이 말이 사실이라고 믿고 갈릴레오를 따라서 오직 삼각형, 원, 기하학적 도형으로 입자물리학을 설명해내기 위해 노력해 왔습니다. 물론 저나 다른 물리학자들이 실제로 연구를 할때면, 수학이 오히려 어두운 미로가 될 때도 있죠. 하지만, 수학의 핵심이 순수하고 아름다운 기하학이라는 것은 안심스러운 일입니다. 양자역학과 합쳐지면서, 수학은 우주가 자라나는 E8 산호초라고 말합니다. 아름다운 패턴을 따라 모든 장소에서 모든 가능한 방식으로 입자끼리 상호작용 하면서 말이지요. LHC와 같은 새로운 장비들을 사용하면서 더 많은 패턴들이 등장할테고, 우리는 아마도 자연이 E8 패턴을 쓰는지, 아니면 다른 걸 쓰는지 보게 될겁니다.
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.
이 발견의 과정은 흥미진진한 모험입니다. LHC가 E8패턴에 들어맞는 입자를 찾아낸다면 아주 끝내주는 일이겠죠. LHC가 새로운 입자를 찾아내지만, 이 패턴에 들어맞지 않는다면 -- 글쎄요, 그것도 재미있을겁니다. E8이론에게는 딱하지만. 물론, 제게도 개인적으로는 딱한 일이죠.
(Laughter)
(웃음)
Now, how bad would that be? Well, pretty bad.
그게 얼마나 딱하냐구요? 상당히 딱한 일입니다.
(Laughter)
(웃음)
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.
하지만 자연의 작동법을 예측하는 것은 확률이 낮습니다. 이런 이론들은 모험을 건 시도지요. 열심히 연구하더라도 누군가는 아마도 자연의 진실에 접근하지 못할겁니다. 이론물리학은 그렇습니다. 넘어질 일이 많아요. 이런 면에서, 새로운 물리 이론은 신생 기업과 비슷합니다. 큰 투자와 마찬가지로, 잘못된 연구를 폐기하는 것은 감정적으로 굉장히 힘듭니다. 하지만 과학에서는 뭔가가 작동하지 않으면 던져버리고 다른 걸 시도해야 합니다.
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.
이 불확실성 속에서 분별을 갖고 행복을 찾는 유일한 길은 삶에서 균형을 유지하고 멀리 바라보는 것입니다. 전 균형잡힌 삶을 살려고 노력해왔습니다.
(Laughter)
(웃음)
I try to balance my life equally between physics, love and surfing -- my own three charge directions.
전 물리학, 사랑, 그리고 서핑을 균형있게 유지하려고 애썼습니다. 저만의 3가지 전하 방향이지요.
(Laughter)
(웃음)
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.
제가 연구해온 물리학이 아무것도 아닌 걸로 드러나더라도 전 좋은 인생을 살았다고 여길겁니다. 그리고 전 아름다운 곳에서 살려고 노력했습니다. 지난 10년의 대부분은 마우이섬에서 살았습니다. 아주 아름다운 곳이지요. 제 부모님들에게 우주 최고의 미스테리중 하나는 제가 직업 비슷한 것 하나도 없이 여태까지 어떻게 살아남아 있냐는 것이었죠,
(Laughter)
(웃음)
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.
그 비밀을 알려드리겠습니다. 이게 마우이의 집에서 본 풍경입니다. 이건 다른 사진이고, 또 다른 사진입니다. 아마 이 아름다운 풍경들이 비슷하지만, 살짝 다른 장소란 걸 눈치채셨을겁니다. 왜냐면 이게 저의 집이자 사무실이었기 때문이죠.
(Laughter)
(웃음)
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.
저는 아주 특별한 삶을 택했습니다. 하지만 제가 사랑하는 일에 시간을 쓰면서 월세 걱정을 하진 않습니다. 유목민적인 삶은 가끔씩 힘들긴 하지만, 그덕에 전 아름다운 곳에서 살게 되었고, 행복한 삶속에서 균형을 유지하게 되었습니다. 매우 지능적인 산호초들과 놀러다닐 시간도 무척 많지요. 하지만 저는 또한 매우 지능적인 사람과 어울리는 걸 즐깁니다. 그래서 오늘 여기에 초대 받아서 매우 기쁘게 생각합니다.
Thank you very much.
감사합니다.
(Applause)
(박수)
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 --
아마 2퍼센트 정도 알아들은 것 같긴 하지만 아주 훌륭한 강연이었습니다. 제가 바보처럼 보이겠네요. 만물 이론은--
Garrett Lisi: I'm used to coral.
전 산호초에 익숙합니다.
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 ...?
그렇죠, 지금 흥분한 사람이 몇몇 보이데, 만약 말씀하신게 맞다면, 그 학설은 중력과 양자 이론을 합쳐놓는군요 그러니까 우리는 우주의 핵심, 작은 것들안에는 어쨌든 가능성의 E8 물체가 있다고 봐야한다는 그런 말씀이시죠? 제말은, 가장 작은 규모 속에도 작은 축소판이
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.
있다고 생각하시는건지...? 방금 제가 보여드린, 우리가 알고있는 기초 입자 물리학에 호응하는 패턴은, 이미 아주 아름다운 형태와 호응하고 있습니다. 그게 우리가 알고 있는 확실한 거라고 이야기 했죠. 그 형태는 놀라운 유사성을 가지고 있기 때문에, E8구조에 끼워 맞추는 방식으로 전체 그림을 그릴수 있을 겁니다. 그리고 이 패턴의 꼭지점들은, 보여드린대로 이 다면체의 대칭성을 나타냅니다. 우리가 느끼는 시간과 공간 전체에서 춤추고 움직이고 워프하고 있겠죠. 그게 바로 우리가 보는 모든 기초 입자들을 설명해주는 것입니다.
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?
하지만 끈이론 지지자들은, 제가 아는한, 전자를 훨씬 더 작은, '진동하는 끈'으로 설명하던데요. 끈 이론을 싫어하시는 것 압니다만. E8에 관련해서 전자를 어떻게 생각해야할까요?
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 --
E8 구조의 대칭성 중 하나일 겁니다. 지금 일어나는 일은, 시공간에 걸쳐 형태가 움직임에 따라 그게 뒤틀리고 있는 겁니다. 그 뒤틀림의 방향이 우리가 보는 입자들이겠죠.
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?
E8구조의 크기 말입니다, 전자와는 어쩧게 관련되지요? 이미지를 그려봐야 될것 같아서요. 더 큽니까, 작습니까?
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.
음, 우리가 아는 한 전자는 점 입자이므로 가능한 한 가장 작은 규모로 내려갈겁니다. 양자장 이론에서 이것들을 설명하는 방식은, 모든 가능성이 동시에 확장되고 발전한다는 것이지요. 제가 산호초에 비유한 이유가 그것입니다. 이 관점에서 E8 구조가 나타나는 방식은, 시공간에서 각 점끼리 연결되는 형태일 거라는 것입니다. 그리고 말했듯이, 형태가 뒤틀리는 방식, 이 굴곡진 표면을 움직임에 따라 뒤틀리는 방향을 따라가는 것이 바로 기초 입자들이라는 겁니다. 양자장 이론을 통해, 그것들은 스스로를 점과 상호작용으로 드러내는 것이지요. 이것보다 더 확실히 설명할수 있을지 모르겠네요.
(Laughter)
(웃음)
CA: It doesn't really matter. It's evoking a kind of sense of wonder, and I certainly want to understand more of this.
그런건 상관 없습니다. 일종의 경이감을 떠오르게 해주네요. 저는 확실히 이걸 더 이해하고 싶어졌습니다.
But thank you so much for coming. That was absolutely fascinating.
아무튼 참석해주셔서 감사합니다. 굉장히 멋진 강연이었습니다.
(Applause)
(박수)