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.
Il y a un siècle ce mois-ci, Albert Einstein, alors âgé de 36 ans, présentait à l'Académie royale des sciences de Prusse à Berlin, une théorie révolutionnaire de l'espace, du temps et de la gravité : la théorie de la relativité générale.
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.
Cette théorie, sans aucun doute le chef-d'œuvre d'Einstein, révèle le fonctionnement de l'univers aux plus grandes échelles, et condense en une élégante équation aussi bien la chute des pommes que l'avènement du temps et de l'espace.
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 devait être une année passionnante pour les physiciens. Deux nouvelles idées étaient en train de révolutionner le domaine. L'une était la relativité d'Einstein, l'autre était peut-être encore plus révolutionnaire : la mécanique quantique, une nouvelle façon très étrange mais extrêmement efficace de comprendre le monde des atomes et des particules.
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.
Au cours du siècle dernier, ces deux idées ont radicalement transformé notre vision de l'univers. Grâce à la relativité et la mécanique quantique, nous avons découvert de quoi est fait l'univers, comment il a commencé et comment il évolue encore. Cent ans plus tard, nous arrivons à un nouveau tournant de la physique, mais les enjeux sont à présent différents. Dans les prochaines années, nous saurons peut-être si nous pouvons encore repousser la frontière de l'inconnu, ou si, pour la première fois dans l'histoire des sciences, nous serons face à des questions auxquelles nous ne pouvons pas répondre, non par manque d'intelligence ou de technologie, mais parce que la physique elle-même nous en empêche.
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.
Voici le problème fondamental : l'univers est trop, bien trop intéressant. Selon la relativité et la mécanique quantique, l'univers devrait être morne. Il devrait être sombre, mortel, sans vie. Mais en l'observant, nous voyons qu'il regorge de choses intéressantes, d'étoiles, de planètes, d'arbres, d'écureuils. La vraie question est, donc, pourquoi est-ce que tout cela existe ? Pourquoi quelque chose plutôt que rien ? Cette contradiction est au cœur de la physique fondamentale, et les années à venir pourraient nous dire s'il sera un jour possible de la résoudre.
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.
Au centre de ce problème se trouvent deux valeurs, deux valeurs hautement dangereuses. Il s'agit de propriétés mesurables de l'univers, et elles sont dangereuses car, si elles étaient différentes, même rien qu'un peu, notre univers tel que nous le connaissons n'existerait pas. La première valeur est liée à la découverte faite à quelques kms d'ici, au CERN, où se trouve cette machine, le plus grand outil scientifique jamais construit par l'homme, le Large Hadron Collider. Il accélère des particules subatomiques le long d'un anneau de 27 kilomètres, se rapprochant de la vitesse de la lumière avant de les faire entrer en collision dans d'immenses détecteurs de particules. Le 4 juillet 2012, des physiciens du CERN ont annoncé au monde la découverte d'une nouvelle particule fondamentale créée par les violentes collisions au sein du LHC : le boson 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 vous suiviez l'actualité de l'époque, vous avez certainement remarqué l'enthousiasme des physiciens, et vous avez peut-être pensé que nous nous emballons à chaque nouvelle particule. Et, c'est un peu vrai, mais le boson de Higgs est vraiment spécial. Nous étions très excités car cette découverte prouve l'existence d'un champ de force cosmique. Vous ne voyez peut-être pas ce qu'est un champ de force, mais vous en connaissez un. Si vous avez approché un aimant d'un objet métallique et senti l'attraction entre les deux, vous avez senti l'effet d'un champ. Le champ de Higgs est un peu comme un champ magnétique, sauf qu'il a une valeur constante partout. Il nous entoure en ce moment. On ne peut ni le voir ni le toucher, mais sans lui, nous n'existerions pas. Ce champ donne leur masse aux particules fondamentales qui nous composent. Sans lui, ces particules n'auraient aucune masse, aucun atome ne se formerait, et nous ne serions pas là.
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.
Mais un grand mystère entoure le champ de Higgs. Selon la relativité et la mécanique quantique, il devrait fonctionner comme un interrupteur. Il serait soit inactif, avec une valeur nulle partout dans l'espace, soit actif avec une valeur gigantesque. Dans les deux cas, les atomes n'existeraient pas, et donc toutes ces choses passionnantes ne pourraient pas exister non plus. En réalité, le champ de Higgs est juste un peu actif, pas zéro mais dix millions de milliards de fois plus faible que sa valeur maximale, comme un interrupteur bloqué à la limite de la position éteinte. Et cette valeur est cruciale. Si elle était légèrement différente, l'univers n'aurait aucune structure physique.
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.
C'est donc la première valeur dangereuse, l'intensité du champ de Higgs. Des théoriciens cherchent depuis des décennies la raison de cette valeur étrangement précise, et ont imaginé de nombreuses explications. Celles-ci ont des noms exotiques comme « supersymétrie » ou « grandes dimensions supplémentaires. » Je vous épargne les détails, mais voici le plus important : chacune de ces théories implique des nouvelles particules que nous devrions détecter au LHC en même temps que le boson de Higgs. Mais il n'y a pour l'instant aucun signe de ces particules.
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.
Mais il y a un exemple encore pire de valeur aussi précise que dangereuse, et à l'inverse du champ de Higgs, il vient de l'étude de l'univers aux plus grandes échelles. Une des plus grandes conséquences de la relativité générale fut la découverte que l'univers commença par une expansion du temps et de l'espace il y a 13,8 milliards d'années : le Big Bang. Selon les premières versions de la théorie du Big Bang, l'univers a depuis continué à grandir en ralentissant progressivement sous l'effet de la gravité. Mais en 1998, des astronomes ont fait une surprenante découverte : l'expansion de l'univers s'accélère. L'univers grandit toujours plus, toujours plus vite, à cause d'une mystérieuse force répulsive nommée énergie sombre.
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.
Quand vous entendez « sombre » en physique, soyez méfiants, car cela signifie souvent que nous ne savons pas de quoi il s'agit.
(Laughter)
(Rires)
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.
On ne sait pas ce qu'est l'énergie sombre mais la meilleure idée est qu'il s'agit de l'énergie de l'espace lui-même, l'énergie du vide. En utilisant la mécanique quantique pour déterminer sa puissance, le résultat est simplement ahurissant. L'énergie sombre devrait être 10 exposant 120 fois plus puissante que la valeur observée par les astronomes. C'est un 1 suivi de 120 zéros. Un nombre tellement énorme qu'on ne peut même pas l'imaginer. On dit souvent des grands nombres qu'ils sont astronomiques. Mais celui-ci va encore plus loin. Aucun nombre astronomique n'est aussi grand. C'est 10 exposant 39 fois plus grand que le nombre d'atomes dans tout l'univers.
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.
Cette prédiction est donc fausse. On l'appelle même la pire prédiction de la physique, et ce n'est pas qu'une simple bizarrerie théorique. Si l'énergie sombre était aussi puissante, l'univers se serait désintégré, les étoiles et les galaxies n'existeraient pas, et nous non plus. La puissance de l'énergie sombre est donc la seconde valeur dangereuse, et elle exige une précision encore plus fine que le champ de Higgs. Mais contrairement à celui-ci, elle n'a aucune explication connue.
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.
On espérait que l'harmonisation de la relativité générale, la théorie du grand univers, et de la mécanique quantique, la théorie de l'univers microscopique, nous donnerait une solution. Einstein lui-même a passé la fin de sa vie à tenter vainement d'unifier la physique, et les physiciens ont continué cette quête après lui.
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.
La théorie des cordes fait partie des idées les plus prometteuses, son fondement étant que, si l'on pouvait zoomer sur les particules fondamentales, on ne verrait pas du tout des particules, mais de fines cordes d'énergie en vibration, chaque fréquence de vibration correspondant à une particule différente, un peu comme les notes d'une guitare.
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.
C'est donc un point de vue plutôt élégant, presque poétique, mais avec un problème catastrophique. La théorie des cordes n'est en fait pas une théorie mais plusieurs théories. En réalité, on a estimé qu'il existe 10 exposant 500 versions différentes. Chaque version décrirait un univers différent doté de lois physiques différentes. Pour certains, ce n'est donc pas de la science. Car la théorie est impossible à réfuter. D'autres ont pris une approche différente en se disant que cet échec en apparence est la grande force de la théorie des cordes. Et si tous ces différents univers possibles existaient réellement, quelque part, au sein d'un grand multivers ? On peut alors comprendre pourquoi ces deux dangereuses valeurs sont si étrangement précises. La plupart du temps, l'énergie sombre est si puissante que l'univers se désintègre ou le champ de Higgs est si faible qu'aucun atome ne se forme. Nous sommes dans une partie du multivers où les deux valeurs sont parfaites. Un univers Boucles d'Or.
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.
Cette idée est très controversée, ce qui est compréhensible. En suivant cette réflexion, nous ne saurons jamais capables de répondre à la question, « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? » La majorité du multivers est vide, il n'y a rien, et nous sommes à l'un des rares endroits où les lois de la physique permettent qu'il y ait quelque chose. Pire encore, l'idée d'un multivers est impossible à tester. Nous n'avons pas accès à ces autres univers, et nous ne pouvons donc pas savoir s'ils existent ou non.
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.
Nous sommes donc dans une situation extrêmement frustrante. Cela ne prouve pas que le multivers n'existe pas. Il y a bien d'autres planètes, étoiles, galaxies, alors pourquoi pas d'autres univers ? Malheureusement, nous ne le saurons probablement jamais. L'idée du multivers circule depuis un certain temps, mais ces dernières années ont offert les premiers indices concrets qui pourraient confirmer ce raisonnement. On attendait beaucoup des premières expériences au LHC, nous espérions y trouver — nous cherchions de nouvelles théories de physique : supersymétrie ou nouvelles grandes dimensions, quelque chose qui pourrait expliquer la valeur du champ de Higgs. Malgré ces attentes, le LHC n'a révélé qu'un monde subatomique désert à la seule exception du boson de Higgs. Publication après publication, nous avons dû nous rendre à l'évidence : il n'y a aucun signe de nouvelle physique.
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.
Les enjeux présents sont donc énormes. Cet été, le LHC a entamé la seconde phase des expériences en doublant presque l'énergie de la première phase. Les physiciens cherchent désespérément de nouvelles particules, de minuscules trous noirs ou peut-être autre chose d'inattendu que les violentes collisions du LHC pourraient révéler. Cela permettrait de continuer le long voyage qui a commencé il y a 100 ans avec Albert Einstein toujours plus loin à la découverte des lois de la nature.
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?"
Mais si dans deux ou trois ans, quand le LHC sera désactivé pour une deuxième longue période, nous n'avons trouvé que le boson de Higgs, ce pourrait être le début d'une nouvelle ère de la physique, une ère où l'univers a d'étranges propriétés inexplicables, où nous suspectons qu'il existe un multivers que nous ne pourrons malheureusement jamais atteindre, où nous n'aurons jamais la réponse à la question « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? »
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
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, même si vous dites que la science n'a pas réponse à tout, j'aimerais vous poser quelques questions, dont celle-ci : la construction du LHC est un projet intergénérationnel. En vous présentant, j'ai souligné la vision à court terme du monde. En construisant un tel projet, comment vous projetez-vous si loin, au-delà de votre génération ?
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 : J'ai la chance d'avoir rejoint l'équipe où je travaille au LHC en 2008, juste avant le lancement, et certains parmi nous travaillent sur ce projet depuis trente ans, depuis le début de leur carrière. Je pense que l'idée du LHC a été lancée en 1976, et il a fallu imaginer la machine sans la technologie qui sera nécessaire pour la construire. La conception a commencé au début des années 90, sans les ordinateurs modernes. On pensait qu'aucune technologie ne pourrait supporter les radiations que l'un des grands détecteurs aurait à subir, et on a donc imaginé un gros bloc de plomb entouré de quelques détecteurs, mais la technologie fut ensuite créée. Il faut donc compter sur notre capacité à résoudre les problèmes, mais cela peut prendre 10 ans et plus encore.
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 : Il y a deux semaines, la Chine a annoncé qu'elle compte construire un collisionneur deux fois plus grand que le LHC. J'aimerais savoir ce qu'en pensent les physiciens.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
HC : La taille ne fait pas tout. BG : Je n'en doute pas.
(Laughter)
(Rires)
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.
C'est drôle qu'un physicien dise cela. Mais blague à part, c'est génial. Construire une machine comme le LHC nécessite de réunir les ressources du monde entier. Aucun pays ne peut s'offrir une telle machine, sauf peut-être la Chine, car ils ont de grandes ressources, de main-d'œuvre et d'argent pour construire ce genre de machines. C'est donc une bonne chose. Leur objectif est de construire une machine pour étudier le boson de Higgs en détail et savoir si ces nouvelles idées, comme la supersymétrie, sont réalisables, c'est une bonne chose pour la physique, je pense.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
BG : Harry, merci. HC : Merci beaucoup.
(Applause)
(Applaudissements)