Whoa, dude.
โว้ว...ดูสมการสยองๆ พวกนี้สิครับ สวยไม่หยอก
(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?
18 นาทีจากนี้ ผมจะอธิบายความงดงามของฟิสิกส์อนุภาค โดยไม่ใช้สมการเลย เราเรียนรู้จากปะการังได้มากเลยครับ ปะการังนั้นทั้งสวยและแปลก ปะการังหนึ่งหัวเกิดจากโพลิพนับพัน แต่ละโพลิพแตกหน่อ ขยายกิ่งก้าน จนหน้าตาเหมือนเพื่อนข้างๆ สมมติเล่นๆ ว่าปะการังเค้าฉลาดสุดๆ นะครับ ลองถามทีละโพลิพดูว่า คุณมาอยู่ตรงนี้ได้ยังไง ท่ามกลางเพื่อนๆ โพลิพของคุณ มันบังเอิญ ฟ้าลิขิต หรืออะไร?
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.
พอโพลิพเตือนสติเรา ว่าจริงจังไปรึเปล่า? เค้าจะเฉลยให้ว่าคำถามเราโง่บรมเลย ปะการังพวกนี้โหดนิดๆ น่ะครับ ดูแผลเป็นจากการโต้คลื่นของผมได้ โพลิพจะบอกว่า เห็นชัดๆ ว่าโพลิพอื่นดูไม่ต่างอะไรกับมัน ว่ามันเองก็คือโพลิพอื่น แม้มันจะมองโพลิพอื่นว่าไม่ใช่มันก็ตามที สำหรับปะการังแล้ว การขยายกิ่งก้านถือเป็นเรื่อง ปกติธรรมดาที่สุด
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.
ต่างจากเราครับ ปะการังฉลาดสุดๆ เหล่านี้พร้อม ที่จะเข้าใจควอนตัมเมคานิกส์ ควอนตัมเมคานิกส์อธิบายการทำงาน ของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ ว่าสิ่งต่างๆ เกิดขึ้นจากกิ่งก้าน ของความเป็นไปได้ เหมือนกิ่งปะการัง ซึ่งฟังดูแปลกสำหรับคนทั่วไป เพราะเรารับรู้ได้เพียงสิ่งเดียวที่เป็นไปแล้ว เรื่องประหลาดนี้พูดถึงครั้งแรกโดย ชโรดิงเจอร์กับแมวของเค้า แต่แบบนี้ แมวชอบกว่า
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
ชโรดิงเจอร์อยู่ในกล่องที่มีกัมมันตภาพรังสี ซึ่งตามกฎควอนตัมเมคานิกส์ ได้แตกกิ่งออกเป็น กระจายรังสี และ ไม่กระจายรังสี
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
ในกิ่งที่กระจายรังสี แก๊ซพิษจะถูกปล่อย ทำให้ชโรดิงเจอร์ตาย แต่ในอีกกิ่งก้านของความจริง เขายังมีชีวิตอยู่ ความจริงเหล่านี้รับรู้ต่างกันในแต่ละคนครับ และอีกความจริงหนึ่ง ก็ไม่มีอยู่จริงสำหรับอีกคน
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.
ฟังดูแปลก เพราะเราแต่ละคน รับรู้สิ่งต่างๆ แต่ละขณะ โดยไม่เห็นความจริงจากกิ่งอื่น เสมือนว่าแต่ละคน ก็เหมือนชโรดิงเจอร์ของเรา คือปะการัง ที่แตกกิ่งก้านแห่งความเป็นไปได้ออกไป ควอนตัมเมคานิกส์บอกเราว่า โลกมีพฤติกรรมอย่างนี้ในระดับอนุภาค สรุปสั้นๆ ว่า เป็นทุกสิ่งที่เป็นได้ครับ นั่นคือควอนตัมเมคานิกส์ แต่ไม่ใช่ว่าทุกอย่างจะเกิดขึ้นจริงนะครับ ฟิสิกส์แขนงอื่นอธิบายว่าอะไรเกิดขึ้นได้ และอะไรไม่ได้ ฟิสิกส์บอกเราว่าทุกอย่างรวมลงที่เรขาคณิต และอันตรกิริยาของอนุภาคพื้นฐาน และสิ่งต่างๆ จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออันตรกิริยา ได้สมดุลย์
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.
ผมจะอธิบายว่าอนุภาคต่างๆ คืออะไรและหลักความสมดุลย์เป็นยังไง ในเครื่องยิงอนุภาคนี้ โปรตอน และ แอนติโปรตอน ถูกเร่งให้ใกล้ความเร็วแสง จนชนกัน แล้วปลดปล่อยพลังงานออกมา พลังงานจะแปรกลับไปเป็น อนุภาคพื้นฐาน ให้ตรวจจับและระบุได้ด้วยคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ขนาดมหึมา เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ ตั้งอยู่ที่ เซิร์น กรุงเจนีวา เส้นรอบวงยาว 17 ไมล์ ใช้พลังงานสูงเป็น 5 เท่า ของรัฐมอนเตอเรย์ เราไม่สามารถทำนายได้ว่าจะเจออนุภาคอะไร ในการทดลองแต่ละครั้ง ควอนตัมเมคานิกส์กล่าวถึงความเป็นไปได้ของทุกๆ กิ่ง แต่ฟิสิกส์บอกเราว่าอนุภาคใดบ้างจะปรากฏ ซึ่งมวลและพลังงานของอนุภาคนั้น ต้องเท่ากับของโปรตอนและแอนติโปรตอน อนุภาคที่มวลสูงกว่านี้ จะไม่ปรากฏให้เราได้เห็น เครื่องยิงอนุภาคเครื่องใหม่จึงน่าสนใจ เพราะพลังงานจะสูงกว่าเดิม 7 เท่า ของที่เคยมีมา อีกไม่นาน เราจะได้เห็นอนุภาคใหม่ๆ
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.
แต่ก่อนอื่น ขอผมอธิบายถึงอนุภาคที่เรารู้จักแล้ว ซึ่งมีอยู่เยอะเลยครับ ส่วนใหญ่เรารู้จักอิเล็กตรอน หลายคนในห้องนี้อยู่ดีกินดี ก็เพราะอิเล็กตรอน
(Laughter)
(หัวเราะ)
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 ...
อิเล็กตรอนมีคู่อนุภาคชื่อนิวตริโน ซึ่งไร้ประจุไฟฟ้าและมวลน้อยมาก ตรงกันข้าม ควาร์กอัพและดาวน์มีมวลสูงมาก ควาร์ก 3 ตัวรวมกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน ที่อยู่ในอะตอม อนุภาคมีทั้งถนัดซ้ายและถนัดขวา มีคู่ปฏิอนุภาคซึ่งมีประจุตรงข้าม และยังมี อนุภาครุ่น 2 และ 3 ซึ่งมีประจุเหมือนรุ่น 1 เพียงแต่ไม่พบบ่อยเท่า และมวลสูงกว่ามาก อนุภาควัตถุมีอันตรกิริยากับอนุภาคพลังงาน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าทำอันตรกิริยากับอนุภาคที่มีประจุ โดยผ่านโฟตอน แรงที่มีกำลังอ่อน มีชื่อแบบไม่ต้องคิดอะไรมาก ว่าแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน มีอันตรกิริยา
(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.
กับอนุภาคถนัดซ้าย แรงนิวเคลียร์แบบเข้มมีอันตรกิริยากับควาร์กซึ่งมีประจุ อีกแบบหนึ่ง เรียกว่าประจุสี แดง เขียว และ น้ำเงิน ความผิดของ เมอร์เรย์ เกลล์-แมนน์ ครับ ชื่อพวกนี้ สุดท้ายคือแรงโน้มถ่วงซึ่งทำอันตรกิริยากับอนุภาค ตามมวลและสปิน
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.
สิ่งสำคัญครับ ก็คือ ประจุที่ต่างกันตอบสนอง ต่อแรงที่ต่างกัน แรงทั้ง 4 ทำอันตรกิริยากับวัตถุ ตามประจุของมัน อนุภาคที่เรายังไม่เคยเห็น แต่ค่อนข้างมันใจว่ามีอยู่ คือ อนุภาคฮิกส์ ซึ่งกำหนดมวลให้อนุภาคต่างๆ จุดมุ่งหมายหลักของ เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ คือ การได้เห็นอนุภาคฮิกส์ ซึ่งเราค่อนข้างจะมั่นใจ แต่ที่เราไม่รู้คือจะเห็นอะไรอื่นอีก ก่อนจบ ผมจะโชว์ว่า เราอาจเห็นอะไรบ้าง
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.
ถ้าเรานับอนุภาค ตามสปินและประจุ จะได้ 226 อนุภาค เยอะไม่ใช่เล่นนะครับ ซึ่งแปลกที่ธรรมชาติ จะมีอนุภาคพื้นฐานเยอะขนาดนี้ ถ้าเราจัดกลุ่มตามประจุ ก็จะพบแพทเทิร์นของมัน ที่รู้จักกันดีคือประจุไฟฟ้า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบ 1 ควาร์กมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษ ส่วนด้วย 3 เมื่อควาร์กอัพ 2 ตัว กับดาวน์ 1 ตัว รวมกันเป็นโปรตอน ประจุเป็นบวก 1 อนุภาคเหล่านี้มีอนุภาคปฏิปักษ์ ซึ่งมีประจุตรงข้าม คือว่าประจุไฟฟ้า มาจาก 2 ประจุด้วยกัน คือ hyper-charge และ weak charge ถ้าเราแยก hyper-charge ออกจาก weak charge มาพล็อตเป็น 2 มิติแบบนี้ จะเห็นว่าประจุไฟฟ้า จะอยู่ตามแนวตั้ง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนทำอันตรกิริยากับวัตถุ ตาม hyper-charge และ weak charge ดังภาพนี้ นั่นคือทฤษฎี Unified Electroweak Model ที่ค้นพบในปี 1967
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.
ที่เราคุ้นเคยกับประจุไฟฟ้า แต่ไม่คุ้นกับ hyper-charge และ weak charge ก็เพราะอนุภาคฮิกส์ อนุภาคฮิกส์ ทางซ้ายมือนี้ มีมวลสูง และไม่สมมาตรเหมือนส่วนอื่นๆ แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนมีแรงที่อ่อนมาก เพราะถูกอนุภาคฮิกส์กำหนดให้มีมวลสูง การที่อนุภาคฮิกส์อยู่บนแนวนอน ทำให้โฟตอนไม่มีมวล และทำอันตรกิริยา กับประจุไฟฟ้าตามแนวตั้ง ดังภาพ เราสามารถอธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน จากประจุบนชาร์ต 2 มิตินี้ได้ การรวมแรงนิวเคลียร์แบบเข้มเข้าไป ต้องเพิ่มประจุอีก 2 แบบและพล็อตประจุ ของอนุภาคพลังงานในควาร์กตามแกนนี้ ประจุของอนุภาคทั้งหมดที่เรารู้จักสามารถพล็อตได้ ในชาร์ต 4 มิติซึ่งถูกแสดงในรูป 2 มิติเพื่อให้เราอ่านมันได้
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.
เมื่ออนุภาคทำอันตรกิริยาต่อกัน กฎธรรมชาติจะคงสมดุลย์ให้กับ ประจุทั้ง 4 ชนิด เมื่ออนุภาคและปฏิอนุภาคชนกัน จะปลดปล่อยพลังงาน และประจุรวมทั้งหมดจะมีค่าเท่ากับศูนย์ ทุกอนุภาคสามารถเกิดขึ้นได้ ถ้าคง พลังงานและประจุรวมเป็นศูนย์ได้ เช่น เมื่ออนุภาคชนกัน อาจสร้างอนุภาคแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน กับปฏิอนุภาคของมันได้ จากนั้น โดยคงสมดุลย์ของประจุรวมไว้ อนุภาคแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนอาจแปรสภาพเป็นอิเล็กตรอน และนิวตริโนปฏิปักษ์ ทั้ง 3 อนุภาค ยังคงประจุรวมเป็นศูนย์อยู่ กฎธรรมชาติรักษาสมดุลย์ได้สมบูรณ์แบบ แพทเทิร์นของประจุไม่เพียงแค่สวยงาม มันยังบอกด้วยว่าอะไรสามารถเกิดขึ้นได้ เราสามารถหมุนแกน 4 มิตินี้ เพื่อให้เห็นอันตรกิริยาแบบเข้ม ได้เป็นรูปสมมาตร 6 เหลี่ยมแบบนี้ อนุภาคแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม เช่นอันนี้ ทำอันตรกิริยากับควาร์กประจุสีเขียวอันนี้ เกิดเป็นควาร์กอีกประจุสีหนึ่งขึ้นมา สีแดงอันนี้ อันตรกิริยาของแรงนิวเคลียร์แบบเข้มเกิดขึ้นนับล้านๆ ครั้ง ต่อวินาทีในทุกๆ อะตอมบนตัวเรา ยึดเกาะนิวเคลียสของอะตอมไว้
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.
แต่การมีประจุ 4 ชนิดสอดรับกับแรงทั้ง 3 นั้น มันยังไม่จบครับ เรายังเพิ่มประจุอีก 2 ชนิดเข้าไปได้ ซึ่งสอดรับกับแรงโน้มถ่วง ทำให้อนุภาควัตถุ มีประจุสปิน 2 แบบคือ spin-up และ spin-down เมื่อแบ่งแล้ว จะเห็นแพทเทิร์นงามๆ บนชาร์ต 6 มิติ เมื่อเราหมุนแกน 6 มิติ จะเห็นว่ามันสวยใช่เล่น ซึ่งสอดคล้องกับความรู้ที่ดีที่สุดของเรา เกี่ยวกับ องค์ประกอบพื้นฐาน ในระดับอนุภาค ซึ่งเรารู้ชัดว่ามันถูกต้อง บางอนุภาคก็สุดขีดจำกัด ของการทดลองที่เราทำได้ จากชาร์ตนี้ เราเข้าใจฟิสิกส์อนุภาค และกลวิธีที่จักรวาลมีต่อ อนุภาคเหล่านี้ ว่างดงามขนาดไหน
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.
ทีนี้ ผมขอพูดถึง สิ่งที่เรายังไม่รู้กันบ้าง เราจะใช้คณิตศาสตร์ต่อยอดชาร์ตนี้ ให้เห็นแพทเทิร์นที่สมบูรณ์แบบ ของทุกอนุภาคและทุกแรง ที่มีอยู่ทั้งหมดในจักรวาล ทำนายถึงอนุภาคใหม่ๆ ที่เราจะพบเมื่อการทดลองก้าวไกลกว่านี้
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.
ฟิสิกส์อนุภาคมีแนวคิดที่ว่า แพทเทิร์นที่เห็นอยู่นี้ ซึ่งไม่ค่อยจะสมมาตรเท่าไร อาจมีแพทเทิร์นที่สมบูรณ์กว่าซ่อนอยู่ คล้ายกับที่อนุภาคฮิกส์แตกสมมาตร ของ electroweak น่ะครับ ทั้งนี้ เราต้องมีแรงแบบใหม่ และประจุชนิดใหม่ เมื่อมีประจุใหม่ ก็ต้องเดาว่า อนุภาคต่างๆ จะมีประจุอะไร เพื่อหมุนให้ตรงกับอนุภาคอื่นๆ ถ้าเดาได้ดีพอ เราอาจมองชาร์ต 6 มิตินี้เสมือนเป็นส่วนย่อย ของชาร์ต 7 มิติที่สมบูรณ์แบบกว่า
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.
ชาร์ต 7 มิตินื้ใช้ประจุตาม Grand Unified Theory ที่ปาตีและซาลามเสนอในปี 1973 ในชาร์ตใหม่นี้ จะเห็นว่า มีบางช่องว่างที่ดูเหมือนอนุภาคจะหายไป ทฤษฎีรวมแรงเป็นอย่างนี้แหละครับ เรามองหาแพทเทิร์นที่พื้นฐานกว่า สมมาตรกว่า ที่อธิบายสิ่งที่เรารู้อยู่แล้วในฐานะส่วนย่อยของมัน แพทเทิร์นที่พื้นฐานกว่าช่วยให้เราทำนาย อนุภาคที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ชาร์ตนี้ทำนายอนุภาคแรง 2 ชนิด ซึ่งคล้ายแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน แต่อ่อนกว่า
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."
เมื่อเราหมุนแกน 7 มิติ จะพบอะไรแปลกๆ เกี่ยวกับอนุภาควัตถุ อนุภาครุ่น 2 และ 3 ซึ่งมีประจุเหมือนรุ่น 1 ในแกน 6 มิติ 6 ประจุไม่พอให้กำหนดเอกลักษณ์ของอนุภาค จะเห็นว่ามีตำแหน่งซ้อนกัน แต่ถ้าเราทำให้เป็น 8 มิติ และกำหนดประจุเพิ่มให้มัน เมื่อเราหมุนแกน 8 มิติ จะเห็นแพทเทิร์นดังนี้ อนุภาครุ่น 2 และ 3 ไม่ซ้อนทับกันแล้ว สอดคล้องตามสมมาตร Triality กับรุ่น 1
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.
ประจุบนแกน 8 มิตินี้ สร้างรูปทรงเรขาคณิตที่สวยที่สุดตามหลักคณิตศาสตร์ เป็น Lie group ที่เรียกว่า E8 เป็นรูปทรงโค้งเรียบ 248 มิติ แต่ละจุดของชาร์ตสอดคล้องกับสมมาตร ของรูปทรงอันซับซ้อนและสวยงามนี้ บางส่วนของ E8 นี้สามารถใช้อธิบาย แรงโน้มถ่วงว่าเป็นความโค้งงอของกาลอวกาศตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของไอน์สไตน์ได้ ควอนตัมเมคานิกส์และเรขาคณิตรูปทรงนี้ สามารถอธิบายได้ทุกอย่างว่าจักรวาล ทำงานอย่างไรในระดับอนุภาค รูปทรงนี้เมื่ออยู่บนชาร์ต 8 มิติ ต้องเรียกว่างดงาม ทั้งสรุปถึงความเป็นไปได้นับพัน ที่อนุภาคพื้นฐานจะกระทำต่อกัน อันสะท้อนออกจากเรขาคณิตทรงนี้
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.
เมื่อหมุนแกน จะเห็นแพทเทิร์นอื่นอีก ภายใต้แพทเทิร์นเดิม เมื่อหมุนแกนให้ถูกต้อง ดูตามแกนสมมาตร เราสามารถ เห็นทุกอนุภาคได้พร้อมกัน ก็เหมือนทฤษฎีรวมแรงอื่นๆ แหละครับ จะเห็นว่ามีช่องว่างสำหรับอนุภาคใหม่ๆ เพื่อให้รูปทรงสมบูรณ์ มีทั้งหมด 20 ช่องครับ 2 ช่อง ผมใส่อนุภาคปาตี ซาลามเข้าไปแล้ว ดูจากตำแหน่งแล้ว อนุภาคใหม่นี้ น่าจะเป็น scalar field เหมือนอนุภาคฮิกส์ แต่มีประจุสีและทำอันตรกิริยากับแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม เมื่อเติมอนุภาคใหม่จนครบ ก็จะได้ E8 ที่สมบูรณ์
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 มีรากฐานทางคณิตศาสตร์ที่ลึกซึ้ง หลายคนมองว่าเป็นรูปทรงที่สวยงามที่สุด ในทางคณิตศาสตร์ อัศจรรย์นะครับที่รูปทรงคณิตศาสตร์ ที่งดงามที่สุดสามารถอธิบายความจริง ของอนุภาคพื้นฐานได้ ไอเดียที่ว่าความจริงสามารถอธิบายได้ด้วยคณิตศาสตร์นี้ ไม่ใช่เรื่องใหม่เลยครับ ปี 1623 กาลิเลโอเขียนว่า "ความลับแห่งกฎธรรมชาติ มิเล้นลับต่อผู้แสวงหา เป็นบทประพันธ์ในภาษาคณิตศาสตร์ ด้วยคุณลักษณ์แห่งสามเหลี่ยม วงกลม และทรงเรขาคณิตอื่น ด้วยภาษาอื่น มนุษย์มิอาจเข้าใจได้ แม้เพียงศัพท์ใด ด้วยภาษาอื่น ต้องวกวนอนธกาลสถิตในวงกต"
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.
ผมเชื่อครับ และผมได้เดินตามแนวทาง ของกาลิเลโอ อธิบายคณิตศาสตร์ของ ฟิสิกส์อนุภาคโดยใช้สามเหลี่ยม วงกลม และทรงเรขาคณิตอื่น แน่นอนครับ เมื่อนักฟิสิกส์หรือผมต้องคำนวณสิ่งเหล่านี้ คณิตศาสตร์ที่ใช้ดูคล้ายเขาวงกตจริงๆ แต่ที่ช่วยให้มั่นใจก็คือ แก่นของมัน มาจากเรขาคณิตล้วนๆ อันงดงาม เมื่อร่วมกับควอนตัมเมคานิกส์ หลักคณิตศาสตร์นี้ อธิบายจักรวาลในฐานะปะการัง E8 ที่อนุภาคทั้งหมดทำอันตรกิริยาต่อกันในทุกทางที่เป็นไปได้ ตามแพทเทิร์นบน E8 นี้ และด้วยการใช้เครื่องมือใหม่ๆ เช่น เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ เราอาจพิสูจน์ได้ว่า กฎธรรมชาติสอดคล้องกับ E8 นี้หรือไม่
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.
การค้นพบเหล่านี้น่าตื่นเต้นเหมือนการผจญภัยครับ ถ้าเราเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่แล้วพบอนุภาคตาม E8 นี้ มันจะเป็นอะไรที่สุดยอดมาก ถ้าเราพบอนุภาคใหม่ แต่ไม่เข้ากับ E8 นี้ ก็ยังเป็นเรื่องสนุกอยู่ดี ถึงจะไม่ดีกับ E8 นี่ก็เถอะ และไม่ค่อยดีสำหรับผมด้วย
(Laughter)
(หัวเราะ)
Now, how bad would that be? Well, pretty bad.
ขนาดไหนน่ะเหรอ? ผมว่า คงแย่พอควร
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
การทำนายกฎธรรมชาติเป็นงานเสี่ยงครับ เป็นอะไรที่เรามองกันยาวๆ เราทำงานหนัก รู้ดีว่าท้ายที่สุดมันอาจไม่ตรง กับกฎธรรมชาติก็ได้ ธรรมดาของฟิสิกส์ทฤษฎีครับ ทิ้งลงตะกร้ากันเยอะ ทฤษฎีทางฟิสิกส์ใหม่ๆ ก็เหมือนบริษัทที่เพิ่งก่อตั้ง เมื่อลงทุนไปสูง บางครั้งก็ยากจะทำใจ ถ้าจำเป็นต้องทิ้งงานของตัวเองไป แต่สำหรับวิทยาศาสตร์ อะไรที่ไม่ใช่ เราก็ต้องตัดใจ แล้วลองสิ่งใหม่
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.
ทางเดียวครับ ที่จะรักษาสุขภาพจิตและมีความสุขท่ามกลาง ความไม่แน่นอนนี้ได้ คือต้องรักษาสมดุลย์ รักษาทัศนคติของชีวิต ผมพยายามดีที่สุดแล้ว ในการสร้างสมดุลย์ชีวิต
(Laughter)
(หัวเราะ)
I try to balance my life equally between physics, love and surfing -- my own three charge directions.
ผมรักษาสมดุลย์ชีวิตด้วยฟิสิกส์ ความรัก และ โต้คลื่น ชาร์ต 3 แกนในแบบของผม
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
แบบนี้ แม้ฟิสิกส์ของผมจะสูญเปล่า ผมยังรู้ว่าได้ใช้ชีวิตที่ดี ผมชอบใช้ชีวิตในที่ดีๆ 10 ปีที่ผ่านมา ส่วนใหญ่ผมอาศัยบนเกาะเมาอี สวยมากครับ มันลึกลับระดับจักรวาลเลยทีเดียว สำหรับพ่อแม่ผม ว่าผมอยู่ได้ยังไงโดยไม่มี งานประจำอะไรซักอย่าง
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
จะบอกเคล็ดให้ครับ นี่จากโฮมออฟฟิศที่เมาอี นี่จากอีกมุมนึง และนี่อีกมุมนึง คุณอาจเห็นแล้วว่า มันดูคล้ายกัน ต่างแค่นิดหน่อย เพราะนี่คือโฮมออฟฟิศผมที่เมาอี
(Laughter)
(หัวเราะ)
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.
ผมเลือกวิถีชีวิตที่ต่าง การไม่ต้องกังวลค่าเช่าช่วยให้ผมมีเวลา ทำสิ่งที่ตัวเองรัก การมีชีวิตร่อนเร่ก็ลำบากบางครั้ง แต่ผมก็ได้อยู่ในที่สวยๆ และได้รักษาสมดุลย์ชีวิตแสนสุขของผม ให้ผมได้มีเวลา กับปะการังฉลาดสุดๆ และผมก็ชอบคนฉลาดสุดๆ อีกด้วย ผมจึงดีใจมากที่ถูกเชิญมาวันนี้ครับ
Thank you very much.
ขอบคุณครับ
(Applause)
(ปรบมือ)
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 --
คริส แอนเดอร์สัน: ผมคงเข้าใจแค่ 2% ครับ แต่ก็ยังรู้สึกชอบมันอยู่ดี ที่ถามนี่อาจฟังดูโง่นะครับ ทฤษฎีสรรพสิ่งของคุณ
Garrett Lisi: I'm used to coral.
การ์เรต ลีซี: ปะการังก็ได้ครับ
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 ...?
คริส: ครับ ที่บางคน รู้สึกตื่นเต้นก็เพราะ ถ้าคุณถูก มันจะรวม แรงโน้มถ่วงและควอนตัมเข้าด้วยกัน คุณหมายความว่าเราควรมองจักรวาลว่า แก่นแท้ของมัน ในระดับที่เล็กที่สุด เป็นโครงสร้างความเป็นไปได้ในรูปแบบ E8 เหรอครับ? สามารถระบุขนาดได้ไหมครับ
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.
คุณคิดว่ายังไง ? การ์เรต: ครับ แพทเทิร์นที่ผมโชว์ให้เห็นสอดคล้องกับ ความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งสอดคล้องกับรูปทรง E8 สวยๆ แล้ว นั่นเรารู้แล้วว่าจริง ซึ่งรูปทรงมันเข้ากันได้ แล้วการที่มันผสานกับ รูปทรง E8 ได้นั้นอาจหมายถึงภาพรวมทั้งหมดของมัน จุดต่างๆ ที่ผมโชว์ให้เห็นนั้น แสดงถึงความสมมาตรของอนุภาคในมิติที่สูงขึ้นไป ที่เคลื่อนตัว ยักย้าย และ เต้นรำอยู่บน กาลอวกาศที่เรารับรู้อยู่ทุกวัน นั่นหมายถึงทุกอนุภาคพื้นฐาน ที่เราเห็นแล้ว
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?
คริส: แต่นักทฤษฎีสตริงบางคน อธิบายอิเล็กตรอนว่าเป็นเส้นที่เล็กกว่านั้น กำลังสั่นด้วย -- ผมรู้ว่าคุณไม่ชอบทฤษฏีสตริง -- สั่นอยู่ภายใน เราอธิบายอิเล็กตรอนอย่างไรครับ ด้วยมุมมองของ E8
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 --
การ์เร็ต: เป็นหนึ่งในสมมาตรของ E8 อยู่แล้วครับ คือเมื่อรูปทรง E8 เคลื่อนที่ผ่านกาลอวกาศ มันจะหมุน ทิศทางที่มันหมุนขณะเคลื่อนตัว เป็นตัวระบุอนุภาคที่เราเห็นครับ
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?
คริส: ขนาดของรูปทรง E8 ล่ะครับ เมื่อเทียบกับอิเล็กตรอน ? ถ้าได้ถาม ผมถึงจะเข้าใจน่ะครับ ใหญ่กว่า หรือเล็กกว่า ?
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.
การ์เร็ต: เท่าที่เรารู้ อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคจุด ซึ่งนั่นเป็นขนาดที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ ทฤษฎีสนามควอนตัมระบุครับว่า ทุกความเป็นไปได้ขยายตัวและวิวัฒน์ไปพร้อมกันในขณะเดียว ผมจึงเปรียบเทียบกับปะการัง เมื่ออธิบายโดยใช้ E8 แล้ว มันจะเป็นรูปทรงที่แนบมากับแต่ละจุดในกาลอวกาศน่ะครับ เมื่อรูปทรง E8 หมุน ทิศทางที่มันหมุนไป ขณะเคลื่อนผ่านกาลอวกาศโค้งงอ จะเป็นตัวกำหนดอนุภาคพื้นฐาน โดยทฤษฎีสนามควอนตัม มันเป็นอนุภาคจุดครับ และทำงานอย่างที่ได้กล่าวไป ผมไม่รู้จะอธิบายยังไงให้ดีกว่านี้ครับ
(Laughter)
(หัวเราะ)
CA: It doesn't really matter. It's evoking a kind of sense of wonder, and I certainly want to understand more of this.
คริส: ไม่เป็นไรครับ แค่มันกระตุ้นต่อมสงสัยน่ะครับ และผมก็ อยากเข้าใจมันให้มากขึ้น
But thank you so much for coming. That was absolutely fascinating.
ขอบคุณมากครับที่ให้เกียรติในวันนี้ ประทับใจมากครับ
(Applause)
(ปรบมือ)