Този месец се навършват 100 години, откакто 36-годишният Алберт Айнщайн се изправил пред Пруската академия на науките в Берлин, за да представи радикална нова теория за пространството, времето и гравитацията- общата теория на относителността.
A hundred years ago this month, a 36-year-old Albert Einstein stood up in front of the Prussian Academy of Sciences in Berlin to present a radical new theory of space, time and gravity: the general theory of relativity.
Oбщата теория на относителността безспорно е шедьовърът на Айнщайн, теория, която разкрива как функционира вселената в най-голям мащаб, улавяйки в един красивa алгебра всичко, от това защо ябълките падат от дърветата до началото на времето и пространството.
General relativity is unquestionably Einstein's masterpiece, a theory which reveals the workings of the universe at the grandest scales, capturing in one beautiful line of algebra everything from why apples fall from trees to the beginning of time and space.
1915 трябва да е била вълнуваща година за физиците. Две нови идеи са преобръщали предмета из основи. Едната била теорията на относителността на Айнщайн, а другата - смятаната от някои за дори по-революционна квантова механика, умопобъркващо странен, но изумително успешен начин за разбиране на микросвета, света на атомите и частиците.
1915 must have been an exciting year to be a physicist. Two new ideas were turning the subject on its head. One was Einstein's theory of relativity, the other was arguably even more revolutionary: quantum mechanics, a mind-meltingly strange yet stunningly successful new way of understanding the microworld, the world of atoms and particles.
През миналия век тези две идеи изцяло промениха разбирането ни за вселената. Благодарение на относителността и квантовата механика научихме от какво е направена вселената, как е възникнала и как продължава да се развива. Сега, 100 години по-късно, се намираме в друга повратна точка във физиката, но в опасност сега е нещо много по-различно. През следващите няколко години може да разберем дали ще продължим да разширяваме разбирането си за природата или може би за пръв път в историята на науката ще се изправим пред въпроси, на които не можем да отговорим, не защото ни липсва ум или технология, а защото самите закони на физиката го забраняват.
Over the last century, these two ideas have utterly transformed our understanding of the universe. It's thanks to relativity and quantum mechanics that we've learned what the universe is made from, how it began and how it continues to evolve. A hundred years on, we now find ourselves at another turning point in physics, but what's at stake now is rather different. The next few years may tell us whether we'll be able to continue to increase our understanding of nature, or whether maybe for the first time in the history of science, we could be facing questions that we cannot answer, not because we don't have the brains or technology, but because the laws of physics themselves forbid it.
Основният проблем е този: Вселената е прекалено интересна. Относителността и квантовата механика сякаш предполагат, че вселената трябва да е скучно място. Тъмна, фатална и безжизнена. Но ако се огледаме, виждаме, че живеем във вселена, пълна с интересни неща, със звезди, планети, дървета, катерици. В края на краищата, въпросът е защо съществуват всички тези интересни неща? Защо има нещо вместо да няма нищо? Това противоречие е най-належащият проблем във фундаменталната физика и през следващите няколко години ще разберем дали изобщо някога ще можем да го решим.
This is the essential problem: the universe is far, far too interesting. Relativity and quantum mechanics appear to suggest that the universe should be a boring place. It should be dark, lethal and lifeless. But when we look around us, we see we live in a universe full of interesting stuff, full of stars, planets, trees, squirrels. The question is, ultimately, why does all this interesting stuff exist? Why is there something rather than nothing? This contradiction is the most pressing problem in fundamental physics, and in the next few years, we may find out whether we'll ever be able to solve it.
В сърцевината на проблема са две числа, две изключително опасни числа. Това са свойства на вселената, които можем да измерим и са особено опасни, защото ако бяха различни, дори със съвсем мъничко, вселената в сегашния ѝ вид нямаше да съществува. Първото число се свързва с откритието, направено на няколко километра от тази зала, в CERN, домът на тази машина - най-големият научен апарат, създаван някога от хората, Големият Хадронен Ускорител. Той ускорява субатомни частици в един 27-километров пръстен, доближава ги все повече до скоростта на светлината преди да ги сблъска еднa с другa в гигантски детектори на частици. На 4 юли 2012 г. физиците от CERN съобщиха на света, че са наблюдавали как възниква една нова елементарна частица при яростните сблъсъци в Големия Хадронен ускорител - Хигс бозонът.
At the heart of this problem are two numbers, two extremely dangerous numbers. These are properties of the universe that we can measure, and they're extremely dangerous because if they were different, even by a tiny bit, then the universe as we know it would not exist. The first of these numbers is associated with the discovery that was made a few kilometers from this hall, at CERN, home of this machine, the largest scientific device ever built by the human race, the Large Hadron Collider. The LHC whizzes subatomic particles around a 27-kilometer ring, getting them closer and closer to the speed of light before smashing them into each other inside gigantic particle detectors. On July 4, 2012, physicists at CERN announced to the world that they'd spotted a new fundamental particle being created at the violent collisions at the LHC: the Higgs boson.
Ако сте следили новините тогава, сте видели много физици да се вълнуват истински и ви е простено да мислите, че се държим така всеки път, щом открием нова частица. Това донякъде е вярно, но Хигс бозонът е особено специален. Развълнувахме се толкова много, защото откриването на Хигс доказва съществуването на космическо енергийно поле. Може да ви е трудно да си представите енергийно поле, но всички познаваме едно такова. Ако някога сте държали магнит близо до парче метал и сте усещали притегателната сила помежду им, значи познавате въздействието на полето. Полето на Хигс прилича малко на магнитното поле, като изключим това, че има постоянна стойност навсякъде. Сега то е навсякъде около нас. Не можем да го видим или пипнем, но ако го нямаше, ние нямаше да съществуваме. Полето на Хигс дава маса на елементарните частици, които ни изграждат. Ако то не съществуваше, частиците нямаше да имат маса, нямаше да се образуват атоми и нас нямаше да ни има.
Now, if you followed the news at the time, you'll have seen a lot of physicists getting very excited indeed, and you'd be forgiven for thinking we get that way every time we discover a new particle. Well, that is kind of true, but the Higgs boson is particularly special. We all got so excited because finding the Higgs proves the existence of a cosmic energy field. Now, you may have trouble imagining an energy field, but we've all experienced one. If you've ever held a magnet close to a piece of metal and felt a force pulling across that gap, then you've felt the effect of a field. And the Higgs field is a little bit like a magnetic field, except it has a constant value everywhere. It's all around us right now. We can't see it or touch it, but if it wasn't there, we would not exist. The Higgs field gives mass to the fundamental particles that we're made from. If it wasn't there, those particles would have no mass, and no atoms could form and there would be no us.
Но има нещо доста загадъчно около Полето на Хигс. Относителността и квантовата механика казват, че то има две естествени състояния нещо като ключ за лампа. Трябва или да е изключено, т.е. да има нулева стойност навсякъде в пространството, или да е включено, т.е. да има невероятно огромна стойност. И при двата сценария атомите не могат да съществуват, следователно всички останали интересни неща, във вселената около нас няма да съществуват. На практика Полето на Хигс е едва "включено", не е нула, а 10,000 трилиона пъти по-слабо от пълната си стойност, нещо като ключ за лампа, който е заял точно преди да изключи. Тази му стойност е съдбоносна. Ако беше мъничко по-различна, нямаше да има физически структури във вселената.
But there is something deeply mysterious about the Higgs field. Relativity and quantum mechanics tell us that it has two natural settings, a bit like a light switch. It should either be off, so that it has a zero value everywhere in space, or it should be on so it has an absolutely enormous value. In both of these scenarios, atoms could not exist, and therefore all the other interesting stuff that we see around us in the universe would not exist. In reality, the Higgs field is just slightly on, not zero but 10,000 trillion times weaker than its fully on value, a bit like a light switch that's got stuck just before the off position. And this value is crucial. If it were a tiny bit different, then there would be no physical structure in the universe.
Това е първото от нашите опасни числа, силата на Полето на Хигс. Теоретиците прекараха десетилетия в опити да разберат защо то има тази много странна, точно нагласена стойност и излязоха с няколко възможни обяснения. Те имат секси имена като "суперсиметрия" или "обширни допълнителни измерения". Сега няма да навлизам в подробности за тези идеи, но ключовият момент е този: ако някоя от тях обясняваше странната нагласена стойност на Полето на Хигс, трябваше да видим появата на нови частици в Големия адронен ускорител заедно с Хигс бозона. Дотук, обаче, няма и следа от тях.
So this is the first of our dangerous numbers, the strength of the Higgs field. Theorists have spent decades trying to understand why it has this very peculiarly fine-tuned number, and they've come up with a number of possible explanations. They have sexy-sounding names like "supersymmetry" or "large extra dimensions." I'm not going to go into the details of these ideas now, but the key point is this: if any of them explained this weirdly fine-tuned value of the Higgs field, then we should see new particles being created at the LHC along with the Higgs boson. So far, though, we've not seen any sign of them.
Всъщност, има дори един по-лош пример за такова "настройване" на опасно число и този път то идва от другия край на мащаба, от изучаването на вселената на огромни разстояния. Едно от най-важните следствия от общата теория на относителността на Айнщайн бе откритието, че вселената е възникнала като бързо разширение на пространството и времето преди 13.8 милиарда години, Големия взрив. Според ранните версии на Теорията за големия взрив, вселената се разширява непрестанно оттогава, като гравитацията постепенно слага спирачки на разширяването. Но през 1998 астрономите направиха смайващото откритие, че разширяването на вселената всъщност се ускорява. Вселената става все по-голяма все по-бързо и бързо, движена от тайнствена отблъскваща сила, наречена тъмна енергия.
But there's actually an even worse example of this kind of fine-tuning of a dangerous number, and this time it comes from the other end of the scale, from studying the universe at vast distances. One of the most important consequences of Einstein's general theory of relativity was the discovery that the universe began as a rapid expansion of space and time 13.8 billion years ago, the Big Bang. Now, according to early versions of the Big Bang theory, the universe has been expanding ever since with gravity gradually putting the brakes on that expansion. But in 1998, astronomers made the stunning discovery that the expansion of the universe is actually speeding up. The universe is getting bigger and bigger faster and faster driven by a mysterious repulsive force called dark energy.
Щом чуете думата "тъмен" във физиката, трябва да сте много подозрителни, защото тя вероятно означава, че не знаем за какво говорим.
Now, whenever you hear the word "dark" in physics, you should get very suspicious because it probably means we don't know what we're talking about.
(Смях)
(Laughter)
Не знаем какво е тъмна енергия, но най-добрата представа е, че това е енергията на самото празно пространство, енергията на вакуума. Ако използваме добрата стара квантова механика, за да разберем колко силна трябва да е тъмната енергия, ще получим удивителен резултат. Ще открием, че тъмната енергия трябва да е 10 на степен 120 пъти по-силна от стойността, която познаваме от астрономията. Това е едно със 120 нули. Толкова умопомрачително огромно число, че е невъзможно да го възприемем. Често използваме думата "астрономически", когато говорим за големи числа. Е, дори тя не подхожда тук. Числото е по-голямо от всяко друго в астрономията. То е хиляда трилиона трилиона трилиона пъти по-голямо от броя на атомите в цялата вселена.
We don't know what dark energy is, but the best idea is that it's the energy of empty space itself, the energy of the vacuum. Now, if you use good old quantum mechanics to work out how strong dark energy should be, you get an absolutely astonishing result. You find that dark energy should be 10 to the power of 120 times stronger than the value we observe from astronomy. That's one with 120 zeroes after it. This is a number so mind-bogglingly huge that it's impossible to get your head around. We often use the word "astronomical" when we're talking about big numbers. Well, even that one won't do here. This number is bigger than any number in astronomy. It's a thousand trillion trillion trillion times bigger than the number of atoms in the entire universe.
Това е доста лоша прогноза. Всъщност, наречена е "най-лошата прогноза във физиката" и става въпрос за повече от чисто теоретично любопитство. Ако тъмната енергия беше толкова силна, вселената щеше да се разкъса, нямаше да се образуват звезди и галактики и нас нямаше да ни има. Това е второто от онези опасни числа, силата на тъмната енергия и обяснението му изисква още по-фантастично "настройване" от това при Полето на Хигс. Но за разлика от Полето на Хигс, това число няма никакво обяснение.
So that's a pretty bad prediction. In fact, it's been called the worst prediction in physics, and this is more than just a theoretical curiosity. If dark energy were anywhere near this strong, then the universe would have been torn apart, stars and galaxies could not form, and we would not be here. So this is the second of those dangerous numbers, the strength of dark energy, and explaining it requires an even more fantastic level of fine-tuning than we saw for the Higgs field. But unlike the Higgs field, this number has no known explanation.
Имаше надежда, че завършена комбинация от общата теория на относителността на Айнщайн, която е теория за вселената в голям мащаб, и квантовата механика, теория за вселената в малък мащаб, би могла да доведе до решение. Самият Айнщайн е прекарал повечето си късни години в безплодно търсене на обединена теория във физиката, а физиците продължават да търсят и досега.
The hope was that a complete combination of Einstein's general theory of relativity, which is the theory of the universe at grand scales, with quantum mechanics, the theory of the universe at small scales, might provide a solution. Einstein himself spent most of his later years on a futile search for a unified theory of physics, and physicists have kept at it ever since.
Един от най-обещаващите кандидати за обединена теория e теорията на струните, където основната идея е, че ако разгледаме отблизо елементарните частици, изграждащи света ни, ще видим, че всъщност те съвсем не са частици, а мънички вибриращи струни енергия, като всяка честота на вибриране съответства на различна частица - нещо като музикални ноти и струна на китара.
One of the most promising candidates for a unified theory is string theory, and the essential idea is, if you could zoom in on the fundamental particles that make up our world, you'd see actually that they're not particles at all, but tiny vibrating strings of energy, with each frequency of vibration corresponding to a different particle, a bit like musical notes on a guitar string.
Това е доста елегантен, почти поетичен начин да гледаме на света, но има един катастрофален проблем. Оказва се, че струнната теория съвсем не е една теория, а цяла колекция от теории. Изчислено е, че на практика има от 10 до 500 различни версии на струнната теория. Всяка от тях описва различна вселена с различни физични закони. Според критиците това лишава струнната теория от научност. Не можете да я оборите. Но други на практика обръщат това твърдение, като казват, че очевидният недостатък може би е най-големият триумф на струнната теория. Ами ако всичките 10 до 500 различни възможни вселени всъщност съществуват някъде там в една внушителна мултивселена? Изведнъж ще започнем да разбираме странно настроените стойности на двете опасни числа. В по-голяма част от мултивселената тъмната енергия е толкова силна, че вселената бива разкъсана или Полето на Хигс е толкова слабо, че не могат да се образуват атоми. Ние живеем на едно от местата в мултивселената, където двете числа имат точните стойности. Живеем във вселената на Златокоска.
So it's a rather elegant, almost poetic way of looking at the world, but it has one catastrophic problem. It turns out that string theory isn't one theory at all, but a whole collection of theories. It's been estimated, in fact, that there are 10 to the 500 different versions of string theory. Each one would describe a different universe with different laws of physics. Now, critics say this makes string theory unscientific. You can't disprove the theory. But others actually turned this on its head and said, well, maybe this apparent failure is string theory's greatest triumph. What if all of these 10 to the 500 different possible universes actually exist out there somewhere in some grand multiverse? Suddenly we can understand the weirdly fine-tuned values of these two dangerous numbers. In most of the multiverse, dark energy is so strong that the universe gets torn apart, or the Higgs field is so weak that no atoms can form. We live in one of the places in the multiverse where the two numbers are just right. We live in a Goldilocks universe.
Тази идея е изключително спорна и е лесно да разберем защо. Ако следваме тoзи начин на мислене, никога няма да можем да отговорим на въпроса "Защо има нещо, вместо да няма нищо?" В по-голямата част от мултивселената няма нищо и ние живеем на едно от малкото места, където законите на физиката позволяват да има нещо. Още по-лошо - не можем да проверим идеята за мултивселена. Не можем да стигнем до другите вселени и няма начин да разберем дали ги има или не.
Now, this idea is extremely controversial, and it's easy to see why. If we follow this line of thinking, then we will never be able to answer the question, "Why is there something rather than nothing?" In most of the multiverse, there is nothing, and we live in one of the few places where the laws of physics allow there to be something. Even worse, we can't test the idea of the multiverse. We can't access these other universes, so there's no way of knowing whether they're there or not.
В крайно обезсърчаващо положение сме. Това не означава, че мултивселената не съществува. Има други планети, други звезди, други галактики, защо да няма и други вселени? Проблемът е, че е малко вероятно някога да разберем със сигурност. Идеята за мултивселена съществува от известно време, но през последните години започнахме да получаваме първите сериозни доказателства, че този начин на разсъждение може да се окаже верен. Въпреки големите надежди за първото включване на Големия Хадронен Ускорител, това което търсехме чрез него – търсехме нови теории във физиката: суперсиметрия или обширни допълнителни измерения, които да обяснят странно настроената стойност на Хигс полето. Но въпреки големите надежди, Ускорителят разкри безинтересна субатомна пустош, населявана само от самотен Хигс бозон. Моят експеримент публикуваше доклад след доклад, в които трябваше мрачно да заключаваме, че не сме видели следи от нова физика.
So we're in an extremely frustrating position. That doesn't mean the multiverse doesn't exist. There are other planets, other stars, other galaxies, so why not other universes? The problem is, it's unlikely we'll ever know for sure. Now, the idea of the multiverse has been around for a while, but in the last few years, we've started to get the first solid hints that this line of reasoning may get born out. Despite high hopes for the first run of the LHC, what we were looking for there -- we were looking for new theories of physics: supersymmetry or large extra dimensions that could explain this weirdly fine-tuned value of the Higgs field. But despite high hopes, the LHC revealed a barren subatomic wilderness populated only by a lonely Higgs boson. My experiment published paper after paper where we glumly had to conclude that we saw no signs of new physics.
Сега залозите не биха могли да са по-високи. Това лято Ускорителят започна втората фаза на работата си с почти два пъти повече енергия от тази при първото включване. Всички физици на елементарните частици отчаяно се надяват знаци от нови частици, микро черни дупки или може би нещо съвсем неочаквано да се появи от яростните сблъсъци в Големия Хадронен Ускорител. Ако стане така, можем да продължим това дълго пътешествие, започнало преди 100 години с Алберт Айнщайн към едно по-дълбоко разбиране на законите на природата.
The stakes now could not be higher. This summer, the LHC began its second phase of operation with an energy almost double what we achieved in the first run. What particle physicists are all desperately hoping for are signs of new particles, micro black holes, or maybe something totally unexpected emerging from the violent collisions at the Large Hadron Collider. If so, then we can continue this long journey that began 100 years ago with Albert Einstein towards an ever deeper understanding of the laws of nature.
Но ако до две-три години, когато Ускорителят отново изключи за вторo дългo затваряне, не сме открили нищо освен Хигс бозона, може би ще навлезем в нова ера във физиката - ера, в която има странни особености на вселената, които не можем да обясним, ера, в която имаме свидетелства, че живеем в мултивселена, която, за наше разочарование, никога няма да достигнем, ера, в която никога няма да успеем да отговорим на въпроса "Защо има нещо вместо да няма нищо?"
But if, in two or three years' time, when the LHC switches off again for a second long shutdown, we've found nothing but the Higgs boson, then we may be entering a new era in physics: an era where there are weird features of the universe that we cannot explain; an era where we have hints that we live in a multiverse that lies frustratingly forever beyond our reach; an era where we will never be able to answer the question, "Why is there something rather than nothing?"
Благодаря ви.
Thank you.
(Аплодисменти)
(Applause)
Бруно Джиусани: Хари, въпреки че току-що каза, че науката може и да няма някои отговори, бих искал да ти задам два въпроса и първият е: Построяването на нещо като Ускорителя е проект на поколения. Току-що казах, докато те представях, че живеем в краткосрочен свят. Как мислите толкова дългосрочно, проектирайки се отвъд едно поколение, когато строите нещо подобно?
Bruno Giussani: Harry, even if you just said the science may not have some answers, I would like to ask you a couple of questions, and the first is: building something like the LHC is a generational project. I just mentioned, introducing you, that we live in a short-term world. How do you think so long term, projecting yourself out a generation when building something like this?
Хари Клиф: Имах голям късмет, че се присъединих към експеримента, по който работя в Ускорителя през 2008, точно когато го включвахме, а в изследователската ми група има хора, които работят по него от три десетилетия - целите им кариери за една машина. Мисля, че първите разговори за Ускорителя са от 1976 и започва планирането на машината без технологията, която знаем, че ще ни бъде нужна, за да я построим. Не е имало изчислителна мощ в началото на 90-те, когато е започнала сериозната работа по проектирането. За един от големите детектори, които записват сблъсъците, не са смятали, че има технология, която да удържи радиацията, създадена в Ускорителя, затова в общи линии в средата на обекта имало буца олово с няколко детектора около външната част, но впоследствие развихме технологията. Трябва да разчитаме на находчивостта на хората, че те ще решат проблемите, но може да мине десетилетие или повече.
Harry Cliff: I was very lucky that I joined the experiment I work on at the LHC in 2008, just as we were switching on, and there are people in my research group who have been working on it for three decades, their entire careers on one machine. So I think the first conversations about the LHC were in 1976, and you start planning the machine without the technology that you know you're going to need to be able to build it. So the computing power did not exist in the early '90s when design work began in earnest. One of the big detectors which record these collisions, they didn't think there was technology that could withstand the radiation that would be created in the LHC, so there was basically a lump of lead in the middle of this object with some detectors around the outside, but subsequently we have developed technology. So you have to rely on people's ingenuity, that they will solve the problems, but it may be a decade or more down the line.
БД: Преди две-три седмици Китай обяви, че възнамеряват да построят супер-ускорител, два пъти по-голям от Големия Хадронен Ускорител. Чудех се как вие и колегите ви посрещате новината.
BG: China just announced two or three weeks ago that they intend to build a supercollider twice the size of the LHC. I was wondering how you and your colleagues welcome the news.
ХК: Големината не е всичко, Бруно. БД: Сигурен съм.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
(Смях)
(Laughter)
Забавно е един физик на елементарните частици да каже това. Но, сериозно, новината е страхотна. Построяването на машина като Ускорителя изисква страни от целия свят да обединят ресурсите си. Нито една нация не може да си позволи да построи такава голяма машина, освен, може би, Китай, защото те могат да мобилизират огромни ресурси, човешка сила и пари, за да построят такава машина. Само за добро е. Те в действителност планират да построят машина, която да проучи в подробности Хигс бозона и да ни даде някакви насоки за това дали новите идеи, като суперсиметрията, са правдоподобни, затова новината е чудесна за физиката.
It sounds funny for a particle physicist to say that. But I mean, seriously, it's great news. So building a machine like the LHC requires countries from all over the world to pool their resources. No one nation can afford to build a machine this large, apart from maybe China, because they can mobilize huge amounts of resources, manpower and money to build machines like this. So it's only a good thing. What they're really planning to do is to build a machine that will study the Higgs boson in detail and could give us some clues as to whether these new ideas, like supersymmetry, are really out there, so it's great news for physics, I think.
БД: Благодаря ти, Хари. ХК: Много благодаря.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
(Аплодисменти)
(Applause)