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.
Há cem anos, neste mesmo mês, Albert Einstein, com 36 anos de idade, apresentou à Academia de Ciências da Prússia em Berlim uma teoria completamente nova e diferente, relacionando espaço, tempo e gravidade: a teoria geral da relatividade.
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.
Esta teoria é, sem dúvida, a obra-prima de Einstein, em que são revelados os mecanismos do universo a grandes escalas, apresentando tudo numa bonita equação algébrica desde o porquê de as maçãs caírem das árvores, até ao início do tempo e do espaço.
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.
O ano de 1915 deve ter sido maravilhoso para os físicos. Duas novas ideias eram o centro das atenções. Uma era a teoria da relatividade de Einstein, a outra era, sem dúvida, ainda mais revolucionária: a mecânica quântica, uma perceção nova, indecifrável, mas ao mesmo tempo bem-sucedida para explicar o mundo microscópico das partículas atómicas.
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.
Ao longo do século passado, estas duas ideias mudaram radicalmente a nossa perceção do universo. Foi graças à relatividade e à mecânica quântica que aprendemos o que compõe o universo, como é que começou e como evolui desde aí. Cem anos depois, encontramo-nos noutro ponto de viragem na física, mas o que está em jogo agora é muito diferente. Os próximos anos dir-nos-ão se teremos capacidade para continuar a aumentar o nosso conhecimento da Natureza, ou se, talvez pela primeira vez na história da ciência, estaremos perante perguntas às quais não conseguimos responder, não por não termos o intelecto ou a tecnologia, mas porque as próprias leis da física o proíbem.
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.
O problema essencial é o seguinte: o universo é mesmo muito interessante. A relatividade e a mecânica quântica aparentam sugerir que o universo deveria ser um sítio aborrecido. Deveria ser escuro, letal e sem vida. Mas ao olharmos em redor, vemos vida num universo cheio de coisas interessantes, cheio de estrelas, planetas, árvores, esquilos. A pergunta fundamental é: porque é que todas estas coisas interessantes existem? Porque é que há algo em vez de nada? Esta contradição é o maior problema da física teórica, e nos próximos anos, iremos descobrir se conseguiremos resolvê-lo ou não.
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.
No fundo deste problema existem dois números, dois números extremamente perigosos. São propriedades do universo que conseguimos medir, e são extremamente perigosos porque, se fossem ligeiramente diferentes, o universo tal como o conhecemos não existiria. O primeiro número tem que ver com a descoberta que fizemos a uns quilómetros desta sala, no CERN, onde está esta máquina, a maior máquina científica alguma vez construída pelo Homem. o Grande Colisor de Hadrões (LHC). O LHC acelera partículas subatómicas num anel com 27 km de comprimento, aproximando as suas velocidades à velocidade da luz antes de elas colidirem umas com as outras dentro de enormes detetores de partículas. No dia 4 de julho de 2012, os físicos do CERN anunciaram que encontraram uma nova partícula fundamental que foi criada através de colisões violentas no LHC: o bosão 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.
Se seguissem as notícias nessa altura, teriam visto muitos físicos ficarem extremamente excitados, e seria natural terem pensado que ficamos assim sempre que encontramos uma partícula nova. Bem, isso até é verdade, mas o Bosão de Higgs é particularmente diferente. Nós ficámos tão entusiasmados porque encontrar esta partícula prova a existência de um campo de energia cósmica. É dífícil imaginar um campo de energia, mas já todos experienciámos um. Se já aproximaram um íman de uma peça metálica e sentiram uma força atrativa a essa distância, isso é o efeito de um campo. O campo de Higgs é semelhante a um campo magnético, com a exceção que tem um valor constante em toda a parte. Está à nossa volta neste momento. Não conseguimos vê-lo ou tocar-lhe, mas, se não existisse, nós também não existiríamos. O campo de Higgs dá massa às partículas fundamentais, de que somos feitos. Se não existisse, essas partículas não teriam massa, os átomos não se formariam e nós não estaríamos aqui.
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.
Mas existe algo extremamente misterioso no campo de Higgs. A relatividade e a mecânica quântica dizem-nos que o campo tem dois estados, algo semelhante a um interruptor. Ou o campo está desligado, e tem um valor nulo em todo o espaço, ou está ligado e tem um valor muito elevado. Em ambos os cenários, os átomos não poderiam existir, logo, todas as outras coisas interessantes que vemos à nossa volta também não existiriam. Na realidade, o campo de Higgs está apenas ligeiramente ligado, tendo um valor que é 10 000 biliões de vezes menor do que quando está ligado, como um interruptor encravado no momento exato antes do seu estado desligado. Este valor é crucial. Se fosse apenas ligeiramente diferente, não haveria estrutura física no 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 é o primeiro número perigoso, a força do campo de Higgs. Os físicos teóricos passaram décadas a tentar perceber a razão de ser deste número, e chegaram a algumas possíveis explicações. Eles usam nomes pomposos como "super-simetria" ou "extra.dimensões elevadas". Não irei detalhar estas ideias, mas a ideia-chave é: se alguma dessas teorias explica o valor estranhamente afinado do campo de Higgs, então deveríamos ver novas a criação de novas partículas no LHC juntamente com o bosão de Higgs. Até agora, não conseguimos detetar nenhuma delas.
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.
Mas há um exemplo ainda mais dramático deste tipo de afinamento de um número perigoso e chega-nos do lado oposto da escala, através do estudo do universo a distâncias longínquas. Uma das consequências mais importantes da teoria da relatividade de Einstein foi a descoberta que o universo nasceu com uma expansão rápida do espaço e do tempo há 13 800 milhões de anos, num fenómeno conhecido por Big Bang. De acordo com as versões mais recentes da teoria do Big Bang, o universo tem-se expandido desde então com a gravidade a travar gradualmente essa expansão. Mas em 1998, os astrónomos fizeram uma descoberta revolucionária que a expansão do universo está na realidade a acelerar. O universo está-se a tornar maior cada vez mais rapidamente, movido por uma força repulsiva misteriosa chamada energia negra.
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.
Sempre que ouvirem a palavra "negra" em física, devem desconfiar, porque provavelmente significa que não sabemos do que estamos a falar.
(Laughter)
(Risos)
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.
Nós não sabemos o que é a energia negra, mas a melhor ideia é que é a energia do espaço vazio, a energia do vácuo. Se usarmos a mecânica quântica para determinar o quão forte a energia negra deverá ser, obtemos um número absolutamente surpreendente. Descobrimos que a energia negra devia ser 10 elevado à potência 120 vezes maior do que o valor que observamos na astronomia. Este número é um 1 seguido de 120 zeros. É um número surpreendentemente elevado que nem conseguimos imaginar. Normalmente dizemos "astronómico" para falar de número muito grandes. Neste caso, essa palavra não serve. Este número é maior que qualquer outro na astronomia. É milhares de biliões de biliões de biliões de vezes maior que o número de átomos em todo o 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.
Assim, esta previsão é muito má. Até já foi classificada como a pior previsão da física, e isto é mais que apenas uma curiosidade teórica. Se a energia negra fosse realmente assim tão forte, o universo ter-se-ia desmoronado, as estrelas e as galáxias não se teriam formado, e nós não estaríamos aqui. Este é o segundo número perigoso, a força da energia negra, e explicá-la implica um nível ainda mais elevado de ajuste do que para o campo de Higgs. Mas contrariamente ao campo de Higgs, este número não tem nenhuma explicação conhecida.
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.
A esperança era que uma combinação da teoria da relatividade geral de Einstein, que explica o universo a grandes escalas, com a mecânica quântica, que explica o universo a pequenas escalas, pudesse fornecer uma solução. O próprio Einstein passou os seus últimos anos numa tentativa falhada de obter uma teoria unificada da física e os físicos também têm estado a tentar fazê-lo desde então.
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.
Uma das teorias mais promissoras para uma teoria unificada é a teoria da cordas, cuja ideia principal é, se fosse possível ampliar as partículas fundamentais que compõem o mundo, seria possível ver que, na realidade, não são partículas, mas pequenas cordas de vibrações de energia, em que cada frequência de vibração corresponde a uma partícula diferente, algo parecido com as notas musicais da corda de uma 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.
É uma maneira elegante, e quase poética, de olhar para o mundo, mas há um problema catastrófico associado. Ao que parece, a teoria das cordas não é apenas uma teoria, mas sim uma combinação de teorias. Calcula-se que há entre 10 a 500 versões diferentes da teoria das cordas. Cada uma delas descreve um universo diferente com diferentes leis da física. Os críticos alegam que esta teoria não é científica porque não se pode refutar a teoria. Mas outros viram o problema de outro modo e assumiram que este aparente fracasso é talvez o maior triunfo da teoria das cordas. E se estes 10 a 500 possíveis universos diferentes realmente existem algures num grande multiverso? De repente, conseguimos entender o efeito tão estranhamente afinado dos dois números perigosos. Na maior parte do multiverso, a energia negra é tão forte que o universo se desmorona, ou o campo de Higgs é tão fraco que os átomos não se conseguem formar. Nós vivemos num dos locais do multiverso em que estes dois números são os ideais. Nós vivemos num universo adequado.
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 ideia é muito controversa, e é fácil perceber porquê. Se seguirmos esta linha de pensamento, nunca seremos capazes de responder à pergunta: "Porque é que há algo em vez de nada?" Na maior parte do multiverso não há nada, e nós vivemos num dos poucos locais em que as leis da física permitem que haja algo. Pior ainda, nós não podemos testar a ideia de um multiverso. Não temos como aceder aos outros universos, por isso, não temos como saber se existem ou não.
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.
Assim, estamos numa posição muito frustrante. Isto não implica que o multiverso não existe. Existem outros planetas, outras estrelas e galáxias, então porque não outros universos? O problema é que dificilmente teremos a certeza. A ideia de multiverso já existe há algum tempo, mas nos últimos anos, temos tido as primeiras indicações concretas de que este raciocínio possa ter razão de ser. Apesar das expetativas elevadas aquando do primeiro ensaio do LHC, o que estávamos à procura era de novas teorias da física: super-simetria ou extra-dimensões elevadas que podiam explicar o valor tão ajustado do campo de Higgs. Apesar das expetativas, o LHC mostrou uma região pobre em partículas subatómicas onde existia apenas um bosão de Higgs. As minhas descobertas foram publicadas em muitos artigos em que infelizmente tínhamos de concluir que não havia sinal de uma nova 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.
As expetativas agora não podiam ser maiores. Este Verão, o LHC começou a sua segunda fase de operação usando uma energia que é quase o dobro da que foi usada anteriormente. O que todos os físicos de partículas desejam encontrar são sinais de novas partículas, micro-buracos negros, ou talvez outra coisa totalmente inesperada derivadas das colisões violentas no LHC. Se encontrarem, podemos continuar esta longa viagem que começou há 100 anos. com Albert Einstein em direção a um conhecimento mais profundo das leis da Natureza.
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?"
Mas se, dentro de 2 ou 3 anos, quando o LHC voltar a ser desligado para uma segunda longa pausa, não encontrarmos nada exceto o Bosão de Higgs, podemos entrar numa nova era em física: uma era em que há certas propriedades do universo que não conseguimos explicar; uma era em que temos indícios que vivemos num multiverso que será para sempre inalcançável; uma era em que não poderemos responder à pergunta: "Porque é que há algo em vez de nada?"
Thank you.
Obrigado.
(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, apesar de teres dito que a ciência pode não ter algumas respostas, eu gostaria de fazer algumas perguntas, e a primeira é esta. Construir algo como o LHC é um projeto de gerações. Quando te apresentei, mencionei que vivemos num mundo a curto prazo. Como é que pensas a longo prazo, saltando uma geração ao construir algo deste género?
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: Tive muita sorte por me ter juntado à investigação em que trabalho no LHC em 2008, quando estávamos a arrancar. Há pessoas no meu grupo que têm trabalhado nisto há já três décadas, toda a sua carreira numa única máquina. Acho que as primeiras discussões acerca do LHC foram em 1976. Começámos a conceber a máquina sem ter a tecnologia que sabíamos ser necessária para a construir. Não havia poder de computação no início dos anos 90 quando o projeto arrancou a sério. Pensava-se que não havia tecnologia para criar um dos maiores detetores que regista estas colisões que resistisse à radiação criada pelo LHC, pelo que se usou um circuito de chumbo no meio desse objeto com alguns detetores à sua volta. Mas depois desenvolvemos a tecnologia. Temos que confiar no engenho das pessoas para resolverem os problemas mas isso pode demorar uma década ou mais.
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: A China anunciou há duas ou três semanas que pretende construir um super-colisor duas vezes maior que o LHC. Estava a questionar-me como é que a tua equipa recebeu esta notícia.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
HC: O tamanho não é tudo, Bruno. BG: Claro, claro.
(Laughter)
(Risos)
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.
É engraçado um físico atómico dizer isso. Mas agora a sério, são ótimas notícias. Construir uma máquina como o LHC requer que imensos países participem com os seus recursos. Nenhum país pode construir uma máquina tão grande, a não ser talvez a China, porque consegue obter imensos recursos, mão-de-obra e dinheiro para construir máquinas assim. Por isso, é só vantagem. Eles planeiam construir uma máquina que estudará o bosão de Higgs e talvez nos venha a dar pistas sobre se estas ideias, como a super-simetria, são mesmo reais, o que é ótimo para a física, acho eu.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
BG: Obrigado Harry. HC: Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)