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.
Cent'anni fa in questo mese, un Albert Einstein di 36 anni presentava, davanti all'Accademia delle Scienze prussiana a Berlino, una nuova, radicale teoria su spazio, tempo e gravità: la teoria generale della relatività.
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 relatività generale è senza dubbio il capolavoro di Einstein, una teoria che rivela il funzionamento dell'universo sulla più vasta scala, catturando tutto in una splendida riga algebrica, dal perché le mele cadono dagli alberi fino all'inizio dello spazio e del tempo.
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.
Essere un fisico nel 1915 deve essere stato splendido. Due nuove idee rivoluzionavano l'intero settore. Una era la teoria della relatività di Einstein, l'altra era probabilmente ancora più rivoluzionaria: la meccanica quantistica, un modo nuovo e incredibilmente strano ma sorprendentemente riuscito di capire il mondo microscopico, quello di atomi e particelle.
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.
Nel secolo scorso, queste due idee hanno completamente trasformato la nostra comprensione dell'universo. È grazie alla relatività e alla meccanica quantistica che abbiamo imparato come è fatto l'universo, come è iniziato e come continua ad evolvere. Cent'anni dopo, ci troviamo ad un altro punto rivoluzionario della fisica. ma la posta in gioco è ora piuttosto diversa. I prossimi anni potrebbero dirci se saremo in grado di continuare ad accrescere la nostra conoscenza della natura, o se, forse per la prima volta nella storia della scienza, potremmo essere davanti a domande a cui non possiamo rispondere, non perché non abbiamo la mente o la tecnologia, ma perché le stesse leggi fisiche lo proibiscono.
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.
Questo è il problema fondamentale: l'universo è troppo, troppo interessante. Relatività e meccanica quantistica sembrano suggerire che l'universo debba essere un posto noioso. Dovrebbe essere buio, letale e senza vita. Ma guardandoci intorno, ci accorgiamo di vivere in un posto molto interessante, pieno di stelle, pianeti, alberi, scoiattoli. La domanda è, sostanzialmente, perché esistono tutte queste cose interessanti? Perché c'è qualcosa invece del nulla? Questa incongruenza è il problema più insistente della fisica fondamentale, e nei prossimi anni, potremmo scoprire se saremo mai in grado di risolverlo.
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.
Al cuore di questo problema ci sono due numeri, due numeri estremamente pericolosi. Ci sono proprietà dell'universo che riusciamo a misurare, e sono estremamente pericolose perché se fossero diverse, anche solo di pochissimo, l'universo come lo conosciamo non esisterebbe. Il primo di questi numeri è associato alla scoperta fatta a qualche chilometro da qui, al CERN, casa di questa macchina, la più grande macchina scientifica mai costruita dalla razza umana, il Large Hadron Collider. L'LHC fa sfrecciare particelle subatomiche intorno ad un anello di 27 chilometri, portandole sempre più vicine alla velocità della luce prima di farle scontrare dentro enormi rivelatori di particelle. Il 4 luglio 2012, i fisici del CERN hanno annunciato al mondo di aver individuato una nuova particella fondamentale che si creava dalle violente collisioni all'LHC: il bosone di 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.
Ora, se seguivate gli sviluppi ai tempi, avrete visto molti fisici diventare decisamente entusiasti e sareste perdonati se pensaste che succede ogni volta che scopriamo una particella. Beh, è abbastanza vero, ma il bosone di Higgs è particolarmente speciale. Ci siamo esaltati tanto perché la scoperta del bosone dimostra l'esistenza di un campo di energia cosmica. Magari avete problemi ad immaginare un campo di energia, ma tutti ne conosciamo uno. Se avete tenuto un magnete vicino ad un pezzo di metallo, e sentito una forza attraverso quello spazio, avete sentito l'effetto di un campo. Il campo di Higgs è un po' come quello magnetico, però ha valore costante dappertutto. È tutto intorno a noi, ora. Non possiamo vederlo né toccarlo, ma se non ci fosse, noi non esisteremmo. Il campo di Higgs fornisce massa alle particelle fondamentali di cui siamo fatti. Se non ci fosse, queste particelle non avrebbero massa, gli atomi non potrebbero formarsi e noi non esisteremmo.
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.
Ma c'è qualcosa di profondamente misterioso sul campo di Higgs. Relatività e meccanica quantistica dicono che ha due configurazioni naturali, un po' come un'interruttore. Dovrebbe essere spento, in modo da avere valore zero dovunque nello spazio, oppure dovrebbe essere acceso ed avere un valore assolutamente enorme. In entrambi questi scenari, gli atomi non potrebbero esistere, e quindi anche tutte le cose interessanti che vediamo nell'universo non esisterebbero. In realtà, il campo di Higgs è solo leggermente acceso, non a zero ma 10.000 trilioni di volte più debole del suo valore "on", un po' come un interruttore che è bloccato subito prima della posizione "off". Questo valore è decisivo. Se fosse diverso di pochissimo, non ci sarebbe alcuna struttura fisica nell'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.
Questo è il primo dei nostri numeri pericolosi, la forza del campo di Higgs. I teorici hanno speso decenni cercando di capire perché abbia questo numero particolarmente preciso, e sono giunti ad avere un po' di spiegazioni. Hanno nomi provocanti come "supersimmetria" oppure "grandi extra dimensioni." Non scenderò nei dettagli di queste idee ora, ma il punto chiave è questo: se una di queste spiegasse lo strano, preciso valore del campo di Higgs, allora dovremmo vedere nuove particelle che si creano nell'LHC insieme al bosone di Higgs. Finora, però, non abbiamo visto alcun segno della loro presenza.
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.
Ma c'è in realtà un esempio ancora peggiore di questi numeri pericolosi nonché molto precisi, ma questa volta arriva dall'altra parte della bilancia, dallo studio dell'universo sulle grandi distanze. Una delle conseguenze più importanti della relatività generale di Einstein fu la scoperta che l'universo iniziò come una rapida espansione dello spazio-tempo 13,8 miliardi di anni fa, il Big Bang. Secondo le prime versioni della teoria del Big Bang, l'universo si sta espandendo fin da allora con la gravità che gradualmente frena quell'espansione. Ma nel 1998, gli astronomi fecero la sbalorditiva scoperta che l'espansione dell'universo si sta in effetti velocizzando. L'universo si espande sempre più velocemente guidato da una misteriosa forza repulsiva chiamata energia 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.
Ora, quando sentite la parola "oscura" in fisica, dovreste essere molto sospettosi perché probabilmente non sappiamo di cosa stiamo parlando.
(Laughter)
(Risate)
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.
Non sappiamo cosa sia l'energia oscura, ma l'idea migliore è che si tratta dell'energia dello spazio in sé, l'energia del vuoto. Usando la cara vecchia meccanica quantistica per capire la forza dell'energia oscura, ottenete un risultato assolutamente sorprendente. Trovate che l'energia oscura dovrebbe essere 10 elevato alla 120 volte più forte rispetto al valore che osserviamo dall'astronomia. Si tratta di un uno con 120 zeri dopo. È un numero così assurdamente enorme che è impossibile da immaginare. Spesso utilizziamo la parola "astronomico" quando parliamo di grandi numeri. Nemmeno quella ci basterebbe ora. Questo numero è più grande di ogni altro in astronomia. È mille trilioni di trilioni di trilioni di volte più grande rispetto al numero di atomi nell'intero universo.
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.
È una previsione abbastanza pessima. In effetti, è stata definita la peggiore della fisica, ed è più di una semplice curiosità teorica. Se l'energia oscura fosse anche lontanamente così forte, allora l'universo sarebbe stato distrutto, stelle e galassie non si sarebbero potute formare, e noi non saremmo qui. Quindi questo è il secondo dei numeri pericolosi, la forza dell'energia oscura, e la sua spiegazione richiede un livello di precisione ancora maggiore rispetto al campo di Higgs. Ma a differenza del campo di Higgs, il numero non ha spiegazioni conosciute.
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 speranza era che una completa combinazione della teoria della relatività di Einstein, cioè la teoria dell'universo su vasta scala, con la meccanica quantistica, la teoria dell'universo su piccola scala, potesse portare ad una soluzione. Einstein stesso spese molti dei suoi ultimi anni in una futile ricerca di una teoria unificata della fisica, e i fisici ci stanno provando da allora.
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.
Una delle teorie unificate più promettenti è la teoria delle stringhe, e l'idea di base è: se poteste ingrandire le particelle fondamentali che costituiscono il mondo, vedreste che in realtà non sono particelle, ma piccole stringhe di energia vibranti, con ogni frequenza di vibrazione corrispondente ad una diversa particella, come le note musicali sulla corda di una chitarra.
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.
Quindi è un modo abbastanza elegante, quasi poetico, di vedere il mondo, ma contiene un problema disastroso. La teoria delle stringhe non risulta essere una sola teoria, ma un'intera collezione di teorie. È stato stimato, infatti, che ci sono 10 alla 500 versioni diverse della teoria delle stringhe. Ognuna descriverebbe un diverso universo con diverse leggi della fisica. I critici dicono che ciò rende la teoria non scientifica. Non puoi confutare la teoria. Ma altri hanno capovolto la questione dicendo: "Forse questo apparente fallimento è il più grande trionfo della teoria delle stringhe." E se questi 10 alla 500 universi diversi e possibili esistessero effettivamente da qualche parte in un grande multiverso? Improvvisamente possiamo capire gli strani, precisi valori di quei due numeri pericolosi. Nella maggior parte del multiverso, la materia oscura è così forte che l'universo viene distrutto, o il campo di Higgs così debole che nessun atomo si forma. Viviamo in uno dei luoghi nel multiverso dove i due numeri sono semplicemente giusti. Viviamo nell'universo di Riccioli d'Oro.
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.
Questa idea è estremamente controversa, ed è facile capire perché. Se seguiamo questa linea di pensiero, allora non potremmo mai rispondere alla domanda: "Perché c'è qualcosa invece del nulla?" Nella maggior parte del multiverso non c'è nulla, e viviamo in uno dei pochi luoghi dove le leggi della fisica consentono che ci sia qualcosa. Anche peggio, non possiamo provare la teoria del multiverso. Non possiamo accedere a questi altri universi, quindi non c'è modo di sapere se esistano davvero o meno.
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.
Quindi siamo in una posizione estremamente frustrante. Questo non significa che il multiverso non esista. Ci sono altri pianeti, altre stelle, altre galassie, quindi perché non altri universi? Il problema è che è improbabile che lo sapremmo mai con sicurezza. L'idea del multiverso è in giro già da un po', ma negli ultimi anni, abbiamo iniziato ad avere i primi solidi indizi che questa linea di pensiero potrebbe essere confermata. Malgrado le grandi aspettative per il primo esperimento dell'LHC, quello che stavamo cercando erano nuove teorie della fisica: supersimmetria o grandi extra dimensioni che potessero spiegare questo valore stranamente preciso del campo di Higgs. Ma malgrado le grandi aspettative, l'LHC ha rivelato una desolata landa subatomica popolata solo da un solitario bosone di Higgs. Il mio esperimento ha prodotto articoli su articoli dove abbiamo dovuto tristemente concludere di non aver trovato segni di nuova fisica.
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.
Ora la posta in gioco non potrebbe essere più alta. L'estate scorsa, L'LHC ha cominciato la seconda fase operativa con un'energia quasi doppia rispetto a quella del primo esperimento. I fisici delle particelle sperano disperatamente di trovare segni di nuove particelle, micro buchi neri, o forse qualcosa di totalmente inaspettato che emerge dalle violente collisioni al Large Hadron Collider. Se così sarà, potremmo continuare questo lungo viaggio iniziato 100 anni fa con Albert Einstein verso una comprensione delle leggi della natura ancora più profonda.
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?"
Ma se, entro due o tre anni, quando l'LHC si spegnerà di nuovo per un secondo lungo riposo, non avremmo trovato altro che il bosone di Higgs, allora potremmo entrare in una nuova era della fisica: un'era con strani aspetti dell'universo che non riusciamo a spiegare; un'era in cui abbiamo indizi di vivere in un multiverso che giace per sempre e in modo frustrante al di là della nostra portata; un'era in cui non saremo mai capaci di rispondere alla domanda: "Perché c'è qualcosa invece del nulla?"
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)
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, anche se hai appena detto che la scienza potrebbe non avere alcune risposte, vorrei farti un paio di domande, e la prima è: la costruzione di qualcosa come l'LHC è un progetto generazionale. Ho appena menzionato, presentandoti, che viviamo in un mondo a breve termine. Come fai a pensare così a lungo termine, proiettandoti avanti di una generazione costruendo qualcosa del genere?
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: Sono stato fortunato ad aver preso parte all'esperimento a cui lavoro all'LHC nel 2008, appena stava iniziando, ci sono persone nel mio gruppo di ricerca che ci stanno lavorando da tre decenni: la loro intera carriera su una sola macchina. Quindi credo che le prime conversazioni sull'LHC fossero nel 1976, e inizi a pensare alla macchina senza avere la tecnologia che sai ti servirà per riuscire a costruirla. La potenza computazionale non esisteva nei primi anni '90 quando il lavoro di progettazione iniziò. Per uno dei rilevatori delle collisioni, non pensavano ci fosse la tecnologia che potesse resistere alle radiazioni che si sarebbero create nell'LHC, quindi c'era una massa di piombo in mezzo a questo oggetto con dei rilevatori all'esterno, ma poi abbiamo sviluppato la tecnologia. Devi contare sull'ingegno degli altri, sperando risolvano i problemi, ma potrebbe volerci un decennio o più.
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: La Cina ha annunciato due o tre settimane fa di voler costruire un supercollider grande due volte l'LHC. Mi chiedevo come tu e i tuoi colleghi aveste accolto la notizia.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
HC: La dimensione non è tutto, Bruno. BG: Ne sono sicuro.
(Laughter)
(Risate)
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.
Fa ridere, detto da un fisico delle particelle. Ma seriamente, è un'ottima notizia. Costruire una macchina come l'LHC richiede ai paesi di tutto il mondo di attingere alle proprie risorse. Nessun paese può permettersi una macchina così grande, tranne forse la Cina, perché possono mobilitare quantità enormi di risorse, manodopera e denaro per costruire macchine così. Quindi è solo un'ottima cosa. In realtà vogliono costruire una macchina che studi il bosone di Higgs e ci dia qualche indizio per capire se queste nuove idee, come la supersimmetria, esistano davvero, quindi è un'ottima notizia per la fisica.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
BG: Harry, grazie. HC: Grazie mille.
(Applause)
(Applausi)