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.
Cem anos atrás, neste mês, um Albert Einstein com 36 anos de idade, na Academia Prussiana de Ciências de Berlim, apresentou uma nova teoria radical de 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.
A relatividade geral é, sem dúvida, a obra-prima de Einstein, uma teoria que revela o funcionamento do universo em escalas grandiosas, uma única e bela linha de álgebra que explicava tudo, desde a queda de maçãs das árvores, até o 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.
1915 deve ter sido um ano emocionante para ser um físico. Duas novas ideias estavam pondo tudo de cabeça para baixo. Uma era a teoria da relatividade de Einstein, a outra era indiscutivelmente ainda mais revolucionária: a mecânica quântica, uma maneira alucinante e estranha, porém incrivelmente bem-sucedida, de compreender o micromundo, o mundo dos átomos e das 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.
No último século, as duas ideias mudaram totalmente nossa compreensão do universo. É graças à relatividade e à mecânica quântica que aprendemos do que o universo é feito, como ele começou e como ele continua a evoluir. Cem anos depois, nos encontramos agora em outro ponto de virada na física, mas o que está em jogo agora é bastante diferente. Os próximos anos podem nos dizer se seremos capazes de continuar a aumentar nossa compreensão da natureza, ou se talvez pela primeira vez na história da ciência, estaremos diante de perguntas que não poderemos responder, não porque não teremos os cérebros ou tecnologia, mas porque as leis da física em si irão proibir.
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 é o problema essencial: o universo é muito, muito interessante. A relatividade e a mecânica quântica nos parecem sugerir que o universo deve ser um lugar chato. Ele deve ser escuro, letal e sem vida. Mas quando olhamos à nossa volta, vemos um universo de coisas interessantes, cheio de estrelas, planetas, árvores, esquilos. A questão é, em última análise, por que todo este material interessante existe? Por que existe algo em vez de nada? Esta contradição é o mais urgente problema em física fundamental, e nos próximos anos, poderemos descobrir se nós seremos capazes de resolvê-lo.
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 coração deste problema estão dois números, dois números extremamente perigosos. São propriedades do universo que podemos medir, e são extremamente perigosos porque se foram diferentes, até mesmo um pouquinho, então não existiria o universo como o conhecemos. O primeiro destes números é associado com a descoberta que foi feita a poucos quilômetros deste salão, no CERN, casa desta máquina, o maior dispositivo científico já construído pela raça humana, o Grande Colisor de Hádrons - LHC. O LHC lança partículas subatômicas no interior de um anel de 27 quilômetros, levando-as cada vez mais perto da velocidade da luz antes de fazê-las colidir umas com as outras em gigantescos detectores de partículas. Em 4 de julho de 2012, físicos do CERN anunciaram ao mundo que tinham detectado uma nova partícula fundamental criada por colisões violentas no LHC: o bóson 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.
Agora, se você seguiu a notícia na época, deve ter visto um monte de físicos muito empolgados. E é natural que pense que ficamos assim quando descobrimos novas partículas. Bem, isso é bem verdade, mas o bóson de Higgs é particularmente especial. Todos ficamos tão animados, porque encontrar o Higgs prova a existência de um campo de energia cósmica. Pode ser difícil imaginar um campo de energia, mas todos experimentamos um. Se já segurou um ímã perto de um pedaço de metal e sentiu uma força de atração entre eles, então já sentiu o efeito de um campo. E o campo de Higgs é um pouco como um campo magnético, exceto que ele tem um valor constante em todos os lugares. Está em torno de nós agora. Nós não podemos vê-lo ou tocá-lo, mas se não estivesse aí, nós não existiríamos. O campo de Higgs dá massa às partículas fundamentais das quais somos feitos. Se ele não existisse, as partículas não teriam massa e nenhum átomo conseguiria se formar e não 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.
Mas há algo de profundamente misterioso sobre o campo de Higgs. A Relatividade e a mecânica quântica dizem que ele tem dois ambientes naturais, como um interruptor de luz. Pode estar desligado, para que tenha valor zero em todos os lugares no espaço, ou estar ligado e ter um valor absolutamente enorme. Em ambos os cenários, os átomos não existiriam, e nem as outras coisas interessantes que vemos ao nosso redor, não existiriam no universo. Na realidade, o campo de Higgs está apenas um pouco ligado, não é zero, mas é 10 mil trilhões de vezes mais fraco do que o seu valor total, como um interruptor de luz que ficou preso pouco antes da posição desligado. E este valor é crucial. Se fosse um pouquinho diferente, então não haveria nenhuma estrutura física do 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 dos números perigosos, a força do campo de Higgs. Os teóricos passaram décadas tentando entender por que ele tem este número muito peculiarmente ajustado, e vieram com um número de possíveis explicações. Eles têm nomes que soam sexy como "supersimetria" ou "dimensões extragrandes." Eu não entrarei em detalhes sobre essas ideias agora, mas o ponto principal é este: se algum deles explicou este estranhamente ajustado valor do campo de Higgs, então deveremos ver novas partículas sendo criadas no LHC juntamente com o bóson de Higgs. Até agora, porém, nós não vimos qualquer sinal 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 realmente um exemplo ainda pior deste tipo de ajuste fino de um número perigoso, e desta vez vem a partir do outro extremo da escala, estudando o universo em vastas distâncias. Uma das consequências mais importantes da teoria geral da relatividade de Einstein foi a descoberta de que o universo começou como uma rápida expansão de espaço e tempo 13,8 bilhões de anos atrás, o Big Bang. Conforme as primeiras versões da teoria do Big Bang, o universo vem se expandindo desde então com a expansão sendo freada gradualmente pela gravidade. Mas em 1998, os astrônomos fizeram a descoberta impressionante que a expansão do universo está, na verdade, acelerando. O universo está ficando cada vez maior, com rapidez crescente, impulsionado por uma força repulsiva misteriosa chamada energia escura.
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.
E, sempre que você ouvir "escura" em física, deve ficar muito desconfiado: pode significar que não sabemos do que estamos falando.
(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 escura. A melhor hipótese é que seja a energia do espaço vazio, a energia do vácuo. Se usar a mecânica quântica para saber quão forte a energia escura seria, você terá um resultado absolutamente surpreendente. Você descobrirá que a energia escura seria 10 elevado a 120 vezes mais forte do que o valor que observamos pela astronomia. Isso é o número um seguido de 120 zeros. É um número tão assustadoramente enorme que é impossível imaginá-lo. Usamos a palavra "astronômico" quando estamos falando de grandes números. Mesmo esta palavra não cabe aqui. É maior do que qualquer número usado em astronomia. É mil trilhões de trilhões de trilhões de vezes maior do 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.
Então esta é uma previsão muito ruim. Ela tem sido chamada de a pior previsão da física, e isso é mais do que apenas uma curiosidade teórica. Se a energia escura fosse algo perto de tão forte, então, o universo teria se desfeito, estrelas e galáxias não poderiam se formar e nós não estaríamos aqui. Então, este é o segundo desses números perigosos, a força da energia escura. Exolicar isto exige um ainda mais fantástico nível de ajuste fino do que aquele para o campo de Higgs. Mas ao contrário do campo de Higgs, este número não tem 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.
Havia a esperança de que combinando as duas teorias, a da relatividade geral de Einstein, que é a teoria do universo em grande escala, com a mecânica quântica, que é a teoria do universo em pequena escala, se pudesse encontrar uma solução. Einstein passou a maior parte de seus últimos anos em uma busca malsucedida de uma teoria unificada da física e os físicos a têm mantido 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.
Um dos candidatos mais promissores para unificação é a teoria das cordas, e a ideia essencial é: se aumentássemos o zoom nas partículas fundamentais que compõem o mundo, veríamos na verdade, que não são partículas de fato, mas cordas vibratórias de energia de tamanho minúsculo, sendo que cada frequência de vibração corresponde a uma partícula diferente, um pouco como notas musicais em uma corda de violão.
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 um modo elegante, quase poético, de olhar o mundo, mas tem um problema catastrófico. Acontece que a teoria das cordas não é uma teoria em si, mas todo um conjunto de teorias. Estima-se, na verdade, que existem de 10 a 500 diferentes versões da teoria das cordas. Cada uma descreveria um universo diferente com diferentes leis da física. Críticos desta teoria afirmam que ela não é científica. Você não pode provar que ela é falsa. Mas outros subverteram esta ideia e afirmam: "Talvez este aparente fracasso seja o maior triunfo da teoria das cordas. E se todos esses 10 a 500 diferentes universos possíveis realmente existirem em algum lugar por aí, em algum grande multiverso?" De repente, poderemos entender os valores estranhamente ajustados destes dois números perigosos. Na maioria do multiverso, a energia escura é tão forte qque o universo fica desfeito, ou o campo de Higgs é tão fraco que os átomos não podem se formar. Vivemos em um dos lugares no multiverso onde os dois números estão ajustados. Vivemos em um universo de Cachinhos Dourados.
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.
Agora, essa ideia é extremamente controversa, e é fácil perceber por quê. Se seguirmos esta linha de pensamento, nunca seremos capazes de responder à pergunta: "Por que existe algo em vez de nada?" Não há nada na maior parte do multiverso e nós vivemos em um dos poucos lugares onde as leis da física permitem que haja alguma coisa. Pior ainda, não podemos testar a ideia do multiverso. Não podemos acessar os outros universos, não há nenhum modo de saber se eles 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.
Então, nós estamos em uma posição extremamente frustrante. Isso não significa que o multiverso não existe. Há outros planetas, outras estrelas, outras galáxias, então por que não outros universos? O problema é que é improvável que saberemos com certeza. Agora, a ideia do multiverso vem circulando há algum tempo, mas nos últimos anos, começamos a obter os primeiros indícios sólidos de que esta linha de raciocínio pode ter brotado. Apesar das elevadas esperanças para a primeira fase do LHC, o que estávamos procurando lá, procurávamos novas teorias da física: supersimetria ou dimensões extragrandes que poderiam explicar este estranho valor do campo de Higgs ajustado. Mas, apesar de grandes esperanças, o LHC revelou um deserto estéril subatômico povoado apenas por um bóson de Higgs solitário. Meu experimento rendeu muitas e muitas publicações nas quais, desolados, tivemos de concluir
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.
que não vimos sinais de nova física. As apostas agora não poderiam ser maiores. Este verão, o LHC começou sua segunda fase de operação com uma energia quase o dobro do que conseguimos na primeira fase. O que os físicos de partículas esperam desesperadamente são sinais de novas partículas, microburacos negros, ou talvez algo totalmente inesperado emergindo das colisões violentas no Grande Colisor de Hádrons. Se assim for, podemos continuar esta longa jornada que começou há 100 anos com Albert Einstein, rumo a uma compreensão cada vez mais profunda 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, em dois ou três anos, quando o LHC será desligado novamente numa segunda paralisação longa, não encontrarmos nada além do bóson de Higgs, então poderemos estar entrando uma nova era na física: uma era onde há características estranhas do universo que não podemos explicar; uma era em que nós temos pistas de que vivemos em um multiverso que se encontra frustrantemente para sempre fora do nosso alcance; uma era em que nunca seremos capazes de responder à pergunta: "Por que existe 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, embora você tenha dito que a ciência não explica tudo, eu gostaria de fazer algumas perguntas, e a primeira é: construir algo como o LHC é um projeto de uma geração. Eu acabei de mencionar, ao lhe apresentar, que vivemos em um mundo de curto prazo. O que você pensa disso em longo prazo, projetando-se para a próxima geração ao construir algo como isto?
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 de entrar para o experimento onde trabalho no LHC, em 2008, logo que o estávamos ligando, e há pessoas em meu grupo de pesquisa que têm trabalhado nisso durante três décadas, toda uma carreira em uma máquina. Eu acho que as primeiras conversas sobre o LHC foram em 1976, e começamos a planejar a máquina sem a tecnologia que precisaríamos para construí-la. Não havia poder de computação no início dos anos 90 quando o projeto começou a sério. Para um dos detectores que registram as colisões, pensáva-se não existir tecnologia que pudesse resistir à radiação que seria criada no LHC. Era basicamente um pedaço de chumbo no meio deste objeto, com detectores em torno dele. Mas depois desenvolvemos tecnologia. Confiemos na imaginação das pessoas, que resolverão os problemas, mas pode ser uma década depois.
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 supercolisor que será o dobro do LHC. Eu queria saber como você e seus colegas receberam a notícia.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
HC: Tamanho não é tudo, Bruno. BG: Tenho certeza. É 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 como eu dizer isso. Mas quero dizer, sério, é uma grande notícia. A construção de uma máquina como o LHC exige que os países de todo o mundo reúnam seus recursos. Nenhum país pagaria para fazer máquina tão grande a não ser talvez a China, porque pode mobilizar grandes recursos de pessoas e dinheiro e fazer máquinas assim. Então é uma coisa boa. Eles estão realmente planejando fazer uma máquina que estudará o bóson de Higgs a fundo e poderá dar pistas quanto ao fato de ideias, como supersimetria, existirem . Então é uma ótima notícia para a física.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
BG: Harry, obrigado. HC: Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)