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.
Сто лет назад 36-летний Альберт Эйнштейн выступил в Прусской академии наук в Берлине, представляя радикально новую теорию пространства, времени и гравитации: общую теорию относительности.
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.
Общая относительность — это, бесспорно, шедевр Эйнштейна, теория, раскрывающая работу Вселенной в величайших масштабах, запечатлившая в одной красивой формуле всё: от причины падения яблок с деревьев до начала времени и пространства.
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-й наверняка был захватывающим годом для физиков. Две новые идеи перевернули всё с ног на голову. Первая — теория относительности Эйнштейна, вторая — возможно, ещё более революционная: квантовая механика, умопомрачительный, и очень удачный новый способ понимания микромира атомов и частиц.
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.
На протяжении прошлого столетия эти две идеи крайне изменили наше понимание Вселенной. Это благодаря относительности и квантовой механике мы узнали, из чего сделана Вселенная, как она началась и как продолжает развиваться. Спустя сто лет мы наблюдаем другой переломный момент в физике, но ставки изменились. В течение ещё нескольких лет мы узнаем, сможем ли мы дальше пополнять наши знания о природе или, может, в первый раз в истории науки, мы столкнёмся с вопросами, на которые не сможем ответить, — не потому что у нас недостаточно мозгов или технологий, а потому что сами законы физики не позволяют этого.
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.
Основная проблема: Вселенная слишком интересна. Относительность и квантовая механика предполагают, что Вселенная должна быть скучной. Тёмной, смертельной и безжизненной. Но, оглянувшись, мы видим, что живём в интереснейшей Вселенной, полной звёзд, деревьев, белок. Вопрос, в первую очередь, почему все эти интересные вещи существуют? Почему есть что-то вместо ничто? Это противоречие и есть насущнейшая проблема в фундаментальной физике, и за следующие несколько лет мы узнаем, получится ли её решить.
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.
В центре этой проблемы два числа, два крайне опасных числа. Это измеримые свойства Вселенной, и они очень опасны, потому что если бы они отличались хоть немного, то Вселенная, какой мы её знаем, не существовала бы. Первое число связано с открытием, сделанным в нескольких километрах отсюда, в ЦЕРНе, доме этой машины, крупнейшей научной машины, когда-либо построенной человеком, в Большом адронном коллайдере [БАК]. БАК пускает субатомные частицы по 27-километровому кольцу, приближая их к скорости света и сталкивая внутри огромных детекторов частиц. 4 июля 2012 года физики из ЦЕРНа сообщили миру об открытии новой фундаментальной частицы, созданной во время столкновений в БАК: бозоне Хиггса.
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.
Если вы тогда следили за новостями, то видели многих действительно взволнованных физиков, ничего страшного, если вы подумали, что мы всегда так реагируем, открыв новую частицу. Это отчасти правда, но бозон Хиггса особенный. Мы так обрадовались, потому что обнаружение Хиггса доказывает существование космического энергетического поля. У вас могут быть проблемы в понимании энергетического поля, но мы все с ним сталкивались. Если вы держали магнит рядом с металлом и чувствовали силу, притягивающую их, то вы чувствовали эффект поля. Поле Хиггса напоминает магнитное, только у него постоянное значение повсюду. Оно и сейчас вокруг нас. Нельзя увидеть его или коснуться, но если бы его не было, мы бы не существовали. Поле Хиггса придаёт массу фундаментальным частицам, из которых мы сделаны. Без него частицы не имели бы массы, атомы не могли бы сформироваться и нас бы не было.
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.
Но есть кое-что очень загадочное в поле Хиггса. По относительности и квантовой механике, у него есть два состояния, как у выключателя. Он либо выключен, с нулевым значением повсеместно в пространстве, либо он должен быть включён, имея непомерно громадное значение. При любом из этих сценариев атомы не существовали бы, как и все другие интересные вещи, что окружают нас во Вселенной. На самом деле, поле Хиггса совсем чуть-чуть активно, в 10 000 триллионов раз слабее, чем его максимальное значение, но не ноль, как заклинивший у положения «выкл» выключатель. И это значение решающее. Будь оно хоть немного другим, тогда бы не было физических структур Вселенной.
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.
Это первое из наших опасных чисел, сила поля Хиггса. Теоретики потратили десятилетия, пытаясь понять, почему оно имеет это тонко настроенное значение, и они пришли к нескольким возможным обоснованиям. Есть такие экзотические названия, как «суперсимметрия» или «сверхбольшие измерения». Я сейчас не буду вдаваться в подробности этих идей, но суть в следующем: если бы какая-то из них объясняла это непонятное тонкое значение поля Хиггса, мы должны были бы видеть новые частицы, созданные в БАК, наряду с бозоном Хиггса. Мы до сих пор не видели никаких признаков их наличия.
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.
На самом деле есть и более жуткий пример этих тонко настроенных опасных значений, и в этот раз он исходит с другой стороны — от изучения Вселенной в громадных расстояниях. Одно из наиболее важных последствий общей относительности Эйнштейна — открытие того, что Вселенная началась быстрым расширением пространства и времени 13,8 миллиарда лет назад, называемым Большим взрывом. Согласно ранним версиям теории Большого взрыва, Вселенная всё ещё расширяется, и гравитация постепенно останавливает это расширение. Но в 1998 г. астрономы сделали удивительное открытие, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Вселенная становится больше всё быстрее и быстрее, движимая загадочной отталкивающей силой под названием «тёмная энергия».
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.
Когда вы слышите слово «тёмный» в физике, следует насторожиться, потому что, скорее всего, оно значит, что мы не знаем, о чём мы говорим.
(Laughter)
(Смех)
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.
Мы не знаем, что такое тёмная энергия, но лучшее предположение, что это энергия самогó пустого пространства, энергия вакуума. Используя старую добрую квантовую механику, чтобы выяснить силу тёмной энергии, мы получаем совершенно удивительный результат. Тёмная энергия должна быть в 10 в степени 120 раз сильнее значения, что мы наблюдаем в астрономии. Это единица и 120 нулей после. Число настолько огромное, что невозможно представить его в голове. Мы часто говорим «астрономическое» о больших числах. Но даже оно тут не подойдёт. Это число больше, чем любое в астрономии. Оно в тысячу триллионов триллионов триллионов раз больше, чем число атомов во Вселенной.
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.
Довольно плохой прогноз. Фактически, это было названо худшим прогнозом в физике, и это не просто теоретическая любознательность. Если бы тёмная энергия была такой сильной, Вселенную бы разорвало на части, звёзды и галактики не могли бы формироваться и нас бы здесь не было. Это второе из тех опасных чисел, сила тёмной энергии, и объяснение её требует ещё большего уровня точной настройки, чем мы видели у поля Хиггса. Но в отличие от поля Хиггса, это число не имеет известных объяснений.
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.
Была надежда на то, что сочетание эйнштейновской теории общей относительности, описывающей Вселенную в огромной масштабе, и квантовой механики — теории о Вселенной в мельчайшем масштабе, может привести к решению. Эйнштейн сам провёл свои поздние годы в тщетном поиске универсальной теории физики, и физики продолжают этот поиск до сих пор.
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.
Один из наиболее перспективных кандидатов на универсальную теорию — теория струн. Основная идея в том, что если бы можно было рассмотреть частицы, из которых состоит наш мир, то было бы видно, что они вовсе не частицы, а мельчайшие вибрирующие струны энергии, где каждая частота вибрации отвечает определённой частице, как музыкальные ноты на гитарной струне.
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.
Это довольно элегантное, почти поэтическое видение мира, но в нём есть одна ужасная проблема. Выясняется, что теория струн вовсе не одна теория, а множество теорий вместе. Предположительно, существует от 10 до 500 разных версий теории струн. И каждая описывает свою Вселенную со своими законами физики. Критики говорят, что это делает теорию струн ненаучной. Её нельзя опровергнуть. Но другие выворачивают её наизнанку и говорят, что, может быть, этот явный провал и есть величайший триумф теории струн. Что, если все эти от 10 до 500 разных возможных Вселенных действительно существуют где-то в какой-то огромной мультивселенной? Внезапно мы понимаем эти непонятные тонко настроенные значения двух опасных чисел. Обычно в мультивселенной тёмная энергия настолько сильна, что Вселенную разрывает на части, или поле Хиггса такое слабое, что атомы не могут сформироваться. Мы живём в одном из мест мультивселенной, где два числа оптимальны. Мы живём во Вселенной тонкой настройки.
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.
Эта идея крайне противоречива, и понятно почему. Если мы последуем этой логике, тогда мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему есть что-то вместо ничто?» В основном мультивселенная и состоит из этого ничто, а мы живём в одном из нескольких мест, где законы физики позволяют чему-то быть. Хуже того, мы не можем проверить идею мультивселенной. Не можем попасть в эти другие вселенные, нельзя знать наверняка, существуют они или нет.
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.
Мы в крайне печальном положении. Это не значит, что мультивселенная не существует. Есть другие звёзды, планеты, галактики, почему не может быть других вселенных? Проблема в том, что мы вряд ли когда-нибудь узнаем наверняка. Идея мультивселенной существует уже давно, но последние несколько лет мы находим подсказки, что эти предположения могут подтвердиться. Помимо больших надежд первого запуска БАК, то, что мы там искали, — новые теории физики: суперсимметрию или сверхбольшие измерения, которые бы объяснили эту неясную тонкую настройку поля Хиггса. Но невзирая на надежды, БАК раскрыл бесплодную субатомную пустыню, где обитает лишь бозон Хиггса. Мы публиковали работу за работой, в которых мы с горечью заключили, что не нашли признаков новой физики.
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.
Ставки сейчас высоки как никогда. Этим летом БАК начал вторую фазу операции, с энергией почти вдвое больше, чем мы получили в первый запуск. Все физики элементарных частиц отчаянно надеются обнаружить следы новых частиц, микроскопических чёрных дыр или, может, чего-то совершенно неожиданного, появившегося в результате столкновений в Большом адронном коллайдере. Будь так, мы сможем продолжить этот длинный путь, начатый 100 лет назад Альбертом Эйнштейном, к более полному пониманию законов природы.
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?"
Но если в течение двух-трёх лет, когда БАК снова выключат для следующего долгого перерыва, мы не найдём ничего кроме бозона Хиггса, тогда начнётся новая эра в физике: эра, в которой мы не можем объяснить тайны Вселенной; эра, где у нас есть подсказки, что мы живём в мультивселенной, что лежит далеко за нашими границами досягаемости; эра, в которой мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему есть что-то вместо ничто?»
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
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?
Бруно Джуссани: Гарри, даже если ты сейчас сказал, что наука может не дать некоторых ответов, я бы хотел задать вам пару вопросов, вот первый: постройка чего-то вроде БАК является проектом поколений. Представляя вас, я упомянул, что мы живём в мире коротких сроков. Как вам удаётся задумываться о долгосрочной перспективе, выходя за рамки поколения, при постройке чего-то подобного?
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.
Гарри Клифф: Мне повезло, что я присоединился к эксперименту в 2008-м, когда мы только начинали, в моей исследовательской группе были люди, которые работали над ним три десятилетия, посвятив свои карьеры одной машине. Думаю, что первые разговоры о БАК начались в 1976 г., и планирование машины началось без технологий, которые были нужны для строительства. Компьютерные мощности не существовали в начале 90-х, когда серьёзно шла разработка. А в одном из детекторов столкновений — они не думали, что была технология, которая бы выдержала радиацию, создаваемую в БАК, — так вот посреди него был просто кусок свинца с датчиками снаружи и внутри, но позднее мы разработали технологию. Нужно рассчитывать на способности людей, что они решат проблемы, но это может быть через десятилетие или даже позднее.
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.
БД: Китай две-три недели назад сообщил, что они намерены построить суперколлайдер вдвое больше БАК. Мне интересно, как вы и ваши коллеги относитесь к этим новостям.
HC: Size isn't everything, Bruno. BG: I'm sure. I'm sure.
ГК: Размер не главное, Бруно. БД: Точно, точно.
(Laughter)
(Смех)
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.
Звучит забавно из уст физика частиц. Но если серьёзно, это отличные новости. Постройка машины вроде БАК требует объединения ресурсов стран по всему миру. Никакая нация не может позволить постройку такой машины, кроме, может, Китая, потому что они могут привлечь огромные ресурсы, людей и деньги для постройки такой машины. Это исключительно хорошо. Что они реально планируют, так это сделать машину, детально изучающую бозон Хиггса и раскрывающую новые идеи вроде суперсимметрии — реально ли они существуют. Отличные новости для физики, я думаю.
BG: Harry, thank you. HC: Thank you very much.
БД: Гарри, спасибо. ГК: Вам большое спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)