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.
Hace cien años este mes, Albert Einstein, de 36 años de edad, habló frente a la Academia Prusiana de las Ciencias en Berlín para presentar una nueva teoría radical del espacio, el tiempo y la gravedad: la teoría general de la relatividad.
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.
La relatividad general es, sin duda, la obra maestra de Einstein, una teoría que revela el funcionamiento del universo en las escalas más grandes, capturando en una hermosa línea de álgebra todo, desde manzanas que caen al principio del tiempo y el espacio.
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.
1915 tuvo que haber sido un año emocionante para ser físico. Dos nuevas ideas estaban poniéndola al revés. Una de ellas era la teoría de la relatividad de Einstein, la otra era sin duda aún más revolucionaria: la mecánica cuántica, una nueva manera asombrosamente acertada y desconcertante de entender el micromundo, el mundo de los átomos y las partículas.
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.
Durante el siglo pasado, estas dos ideas han transformado completamente nuestra comprensión del universo. Es gracias a la relatividad y la mecánica cuántica que hemos aprendido de qué está hecho el universo, cómo empezó y cómo sigue evolucionando. Cien años después, nos encontramos en otro punto de inflexión en la física, pero lo que está en juego ahora es bastante diferente. Los próximos años pueden decirnos si seremos capaces de seguir aumentando nuestra comprensión de la naturaleza, o si tal vez por primera vez en la historia de la ciencia, podríamos estar frente a preguntas que no podemos contestar, no porque no tengamos el cerebro o la tecnología, sino debido a las leyes de la física que lo prohíben.
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.
Este es el problema esencial: el universo es demasiado interesante. La relatividad y la mecánica cuántica parecen sugerir que el universo debería ser un lugar aburrido. Debería ser oscuro, letal y sin vida. Pero al ver a nuestro alrededor, vemos que vivimos en un universo muy interesante, lleno de estrellas, planetas, árboles, ardillas. La cuestión es, en última instancia, ¿por qué existe todo esto tan interesante? ¿Porque hay algo en vez de nada? Esta contradicción es el problema más acuciante en la física fundamental, y en los próximos años, podemos descubrir si seremos capaces de resolverlo.
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.
En el centro de este problema hay dos números, dos números extremadamente peligrosos. Son propiedades del universo que podemos medir, y son extremadamente peligrosos porque si fueran diferentes, incluso por poco, entonces el universo tal como lo conocemos no existiría. El primero de estos números se asocia con el descubrimiento que se hizo a pocos km de aquí, en el CERN, el hogar de esta máquina, el mayor instrumento científico jamás construido por la raza humana, el gran colisionador de hadrones. El LHC acelera partículas subatómicas alrededor de un anillo de 27 km, para acercarlas más y más a la velocidad de la luz antes de romperlas en unos gigantescos detectores de partículas. El 4 de julio del 2012, los físicos del CERN anunciaron al mundo que habían detectado una nueva partícula fundamental creada en las violentas colisiones en el LHC: el bosón de Higgs.
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.
Si vieron las noticias del momento, habrán visto muchos físicos muy emocionados, y pudieron pensar que se ponen así cada vez que se descubre una nueva partícula. Bueno, en parte es verdad, pero el bosón de Higgs es particularmente especial. Estábamos muy emocionados porque encontrar el Higgs demuestra la existencia de un campo de energía cósmica. Tal vez tengan problemas para imaginar un campo de energía, pero todos hemos experimentado uno. Si han sujetado un imán cerca de una pieza de metal y sentido la fuerza de atracción a través de ese espacio, entonces han sentido el efecto de un campo. Y el campo de Higgs es un poco como un campo magnético, excepto que tiene un valor constante en todas partes. Está a nuestro alrededor en este momento. No podemos verlo o tocarlo, pero si no estuviera ahí, no existiríamos. El campo de Higgs da masa a las partículas fundamentales de las que estamos hechos. Si no estuviera ahí, las partículas no tendrían masa, no se podrían formar los átomos y no existiríamos.
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.
Pero hay algo profundamente misterioso en el campo de Higgs. La relatividad y la mecánica cuántica nos dicen que tiene dos valores naturales, un poco como un interruptor de la luz. Debe estar apagado, de modo que tenga un valor cero en todas partes en el espacio, o que debe estar encendido y tener un valor absolutamente enorme. En ambos escenarios, no podrían existir los átomos, ni ninguna de todas las demás cosas interesantes que vemos a nuestro alrededor en el universo. En realidad, el campo de Higgs está encendido ligeramente, no es cero, sino 10 000 billones de veces más débil que su valor total, casi como si se hubiera atascado antes de la posición de apagado. Y este valor es crucial. Si fuera un poquito diferente, entonces no existiría ninguna estructura física en el universo.
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.
Este es el primero de nuestros números peligrosos, la fuerza del campo de Higgs. Los teóricos han pasado décadas tratando de comprender el porqué tiene este número afinado muy peculiar, y han llegado a una serie de posibles explicaciones. Tienen nombres sexis como "supersimetría" o "grandes dimensiones extras". No voy a entrar en los detalles de estas ideas ahora, pero el punto clave es el siguiente: si cualquiera explica este valor extrañamente afinado del campo de Higgs, entonces deberíamos ver nuevas partículas creándose en el LHC junto con el bosón de Higgs. Hasta ahora, sin embargo, no hemos visto ninguna señal de ellas.
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.
Pero en realidad hay un ejemplo aún peor de este tipo de ajuste fino de un número peligroso, y esta vez viene del otro extremo de la escala, a partir del estudio del universo a grandes distancias. Una de los descubrimientos más importantes de la teoría general de la relatividad fue que el universo comenzó con una rápida expansión del espacio y el tiempo Hace 13,8 mil millones de años, el Big Bang. De acuerdo con las primeras versiones de la teoría del Big Bang, el universo se ha estado expandiendo desde entonces con la gravedad frenando poco a poco a esa expansión. Pero en 1998, los astrónomos descubrieron que la expansión del universo en realidad se está acelerando. El universo es cada vez más y más grande más rápidamente impulsado por una fuerza de repulsión misteriosa llamada energía oscura.
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.
Cada vez que oigan la palabra "oscuro" en física, deben ser muy cautelosos ya que probablemente significa que no sabemos de lo que estamos hablando.
(Laughter)
(Risas)
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.
No sabemos qué es la energía oscura, pero la mejor descripción es que es la energía del espacio vacío en sí, la energía del vacío. Si usan la buena mecánica cuántica antigua para saber qué tan fuerte debería ser la energía oscura, se obtiene un resultado absolutamente sorprendente. Verán que la energía oscura debería ser 10 a la potencia 120 veces más fuerte que el valor que observamos con la astronomía. Ese es un uno con 120 ceros después de él. Este es un número tan alucinantemente enorme que es imposible comprenderlo. A menudo usamos la palabra "astronómico" al hablar de grandes números. Pues bien, esa palabra no queda aquí. Este número es más grande que cualquier número en la astronomía. Es mil billones de billones de billones de veces más grande que el número de átomos en el universo entero.
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.
Es una muy mala predicción. De hecho, se le ha llamado la peor predicción en la física, y es algo más que una curiosidad teórica. Si la energía oscura fuera tan fuerte, el universo se habría desgarrado, estrellas y galaxias no se hubieran formado y no estaríamos aquí. Este es el segundo de esos números peligrosas, la fuerza de la energía oscura, y explicarla requiere un nivel aún más fantástico de afinación que la que vimos para el campo de Higgs. Pero a diferencia de este, no tiene ninguna explicación conocida.
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.
La esperanza era que una combinación completa de la teoría general de la relatividad de Einstein, que es la teoría del universo a grandes escalas, con la mecánica cuántica, la teoría del universo a escalas pequeñas, podría proporcionar una solución. El mismo Einstein pasó la mayor parte de sus últimos años en una inútil búsqueda de una teoría unificada de la física, y los físicos la han buscado desde entonces.
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.
Uno de los candidatos más prometedores para una teoría unificada es la teoría de cuerdas y la idea esencial es que si se pudiera hacer un zoom sobre las partículas fundamentales que componen nuestro mundo, se vería que no son partículas, sino diminutas cuerdas vibrantes de energía, y cada frecuencia de vibración correspondería a una partícula diferente, un poco como notas musicales de una cuerda de guitarra.
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.
Es una forma bastante elegante, casi poética de ver el mundo, pero tiene un problema catastrófico. Resulta que la teoría de cuerdas no es una teoría en absoluto, sino toda una colección de teorías. Se ha estimado, de hecho, que hay 10 a la 500 versiones diferentes de la teoría de cuerdas. Cada una pueda describir un universo diferente con diferentes leyes de la física. Los críticos dicen que esto hace que no sea científica. No se puede refutar la teoría. Sin embargo, otros lo voltean y dicen, bueno, tal vez este aparente fracaso es el mayor triunfo de la teoría de cuerdas. ¿Y si todos estos 10 a la 500 diferentes universos posibles en realidad existen en alguna parte en algún gran multiverso? De repente podemos entender los valores extrañamente afinados de estos dos números peligrosos. En la mayor parte del multiverso, la energía oscura es tan fuerte que el universo se desgarra, o el campo de Higgs es tan débil que no hay átomos que se puedan formar. Vivimos en uno de los lugares en el multiverso donde los dos números son exactos. Vivimos en un universo equilibrado.
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.
Esta idea es muy controvertida y es fácil ver por qué. Si seguimos esta línea de pensamiento, nunca podremos responder a la pregunta, "¿Porque hay algo en vez de nada?". En la mayor parte del multiverso, no hay nada, y vivimos en uno de los pocos lugares donde las leyes de la física permiten que exista algo. Lo que es peor, no podemos probar la idea del multiverso. No podemos acceder a estos otros universos, así que no hay forma de saber si están allí o no.
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.
Estamos en una posición extremadamente frustrante. Eso no significa que el multiverso no exista. Hay otros planetas, otras estrellas, otras galaxias, ¿por qué no otros universos? El problema es que es poco probable que alguna vez lo sepamos con seguridad. La idea del multiverso ha estado presente por un tiempo, pero en los últimos años, han empezado a llegar los primeros indicios sólidos de que esta línea de razonamiento pueda cobrar fuerza. A pesar de grandes esperanzas en la primera prueba del LHC, lo que estábamos buscando eran nuevas teorías de la física: supersimetría o grandes dimensiones extras que podrían explicar este valor extrañamente afinado del campo de Higgs. Pero a pesar de grandes esperanzas, el LHC reveló un árido desierto subatómico poblado solamente por un solitario bosón de Higgs. Mi experimento publicó artículo tras artículo donde tristemente tuvimos que concluir que no había señal de una nueva física.
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.
Las apuestas ahora no podrían ser mayores. Este verano, el LHC comenzó la segunda fase de operación con una energía casi del doble de la usada en la primera prueba. Lo que los físicos de partículas están esperando desesperadamente son signos de nuevas partículas, micro agujeros negros, o tal vez algo totalmente inesperado que emerja de las violentas colisiones en el LHC. Si es así, entonces podemos continuar este largo viaje que empezó hace 100 años con Albert Einstein hacia una comprensión cada vez más profunda de las leyes de la naturaleza.
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?"
Pero si, en dos o tres años, cuando el LHC se apague de nuevo una segunda vez, solo hemos encontrado nada más que el bosón de Higgs, entonces podríamos estar entrando en una nueva era en la física: una era donde hay hechos extraños del universo que no podemos explicar, una época en la que tenemos indicios de vivir en un multiverso que está para siempre fuera de nuestro alcance; una era en la que nunca seremos capaces de responder a la pregunta, "¿Porque hay algo en vez de nada?".
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)
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?
Bruno Giussani: Harry, aún cuando acabas de decir que la ciencia puede no tener algunas respuestas, me gustaría hacerte un par de preguntas y la primera es: la construcción de algo como el LHC es un proyecto generacional. Acabo de mencionar, al presentarte, que vivimos en un mundo de corto plazo. ¿Cómo se pensó tan a largo plazo, para la construcción de algo como esto?
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.
Harry Cliff: Fui muy afortunado al unirme al experimento con el LHC en el 2008, justo cuando lo estábamos encendiendo, y en mi grupo de investigación hay personas que han estado trabajando en él durante tres décadas, toda su carrera en una sola máquina. Creo que las primeras conversaciones sobre el LHC fueron en 1976, y empezaron a planificar la máquina sin la tecnología que se tenía que tener para poder construirlo. La potencia de cálculo no existía en la década de los años 90 cuando el diseño comenzó en serio. Uno de los grandes detectores que registran estas colisiones, no había la tecnología que pudiera soportar la radiación que se crearía en el LHC, por lo que era solo un trozo de plomo en el medio con algunos detectores alrededor, pero después hemos desarrollado la tecnología. Hay que confiar en que el ingenio va a resolver los problemas, pero puede ser una década o más adelante.
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.
BG: China, acaba de anunciar hace 2 o 3 semanas que tiene la intención de construir un súper colisionador de dos veces mayor tamaño que el LHC. Me preguntaba cómo tú y tus colegas recibieron la noticia.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
HC: El tamaño no lo es todo, Bruno. BG: Estoy seguro. Estoy seguro.
(Laughter)
(Risas)
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.
Suena chistoso que un físico de partículas diga eso. Pero quiero decir, en serio, es una gran noticia. Construir una máquina como el LHC requiere que países de todo el mundo compartan sus recursos. Ningún país puede permitirse el lujo de construir algo tan grande, aparte de quizá China, que puede movilizar grandes cantidades de recursos, mano de obra y dinero para construir estas máquinas. Es una buena noticia. Lo que planean es construir una máquina para estudiar el bosón de Higgs en detalle y podrían darnos pistas sobre estas nuevas ideas, como la supersimetría, por lo que es una gran noticia para la física, creo.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
BG: Harry, gracias. HC: Muchas gracias.
(Applause)
(Aplausos)