There is something about physics that has been really bothering me since I was a little kid. And it's related to a question that scientists have been asking for almost 100 years, with no answer. How do the smallest things in nature, the particles of the quantum world, match up with the largest things in nature -- planets and stars and galaxies held together by gravity?
Há algo na Física que me tem incomodado desde que sou criança. Está relacionado com uma pergunta que os cientistas vêm fazendo há quase 100 anos, sem obterem resposta. Como é que as coisas mais pequenas na natureza, as partículas do mundo quântico, se assemelham às coisas maiores na natureza — os planetas, as estrelas e as galáxias, unidas pela gravidade?
As a kid, I would puzzle over questions just like this. I would fiddle around with microscopes and electromagnets, and I would read about the forces of the small and about quantum mechanics and I would marvel at how well that description matched up to our observation. Then I would look at the stars, and I would read about how well we understand gravity, and I would think surely, there must be some elegant way that these two systems match up. But there's not. And the books would say, yeah, we understand a lot about these two realms separately, but when we try to link them mathematically, everything breaks.
Em criança, eu refletia sobre perguntas como esta. Brincava com microscópios e eletroímanes, e lia sobre as forças do "pequeno" e sobre a mecânica quântica e ficava fascinado com o facto de essa descrição se assemelhar tão bem às nossas observações. Depois olhava para as estrelas, e lia sobre como compreendemos tão bem a gravidade, e pensava que, seguramente, devia haver uma forma elegante de estes dois sistemas se ligarem. Mas não há. E os livros diziam: Sim, percebemos muito bem os dois reinos, em separado, mas quando tentamos uni-los matematicamente, tudo falha.
And for 100 years, none of our ideas as to how to solve this basically physics disaster, has ever been supported by evidence. And to little old me -- little, curious, skeptical James -- this was a supremely unsatisfying answer.
E durante 100 anos, nenhuma das nossas ideias que tentam resolver este desastre da física foi sustentada por provas. E para o pequeno eu — o pequeno, curioso e cético James — isto era uma resposta extremamente insatisfatória.
So, I'm still a skeptical little kid. Flash-forward now to December of 2015, when I found myself smack in the middle of the physics world being flipped on its head. It all started when we at CERN saw something intriguing in our data: a hint of a new particle, an inkling of a possibly extraordinary answer to this question.
De resto, sou ainda um miúdo cético. Avancemos agora até dezembro de 2015, quando me encontrei no centro do mundo da física virado do avesso. Tudo começou quando nós no CERN vimos algo intrigante nos dados: um indicador de uma nova partícula, uma hipótese de resposta, possivelmente extraordinária. a esta pergunta.
So I'm still a skeptical little kid, I think, but I'm also now a particle hunter. I am a physicist at CERN's Large Hadron Collider, the largest science experiment ever mounted. It's a 27-kilometer tunnel on the border of France and Switzerland buried 100 meters underground. And in this tunnel, we use superconducting magnets colder than outer space to accelerate protons to almost the speed of light and slam them into each other millions of times per second, collecting the debris of these collisions to search for new, undiscovered fundamental particles. Its design and construction took decades of work by thousands of physicists from around the globe, and in the summer of 2015, we had been working tirelessly to switch on the LHC at the highest energy that humans have ever used in a collider experiment.
Continuo um miúdo cético, penso eu, mas agora sou também caçador de partículas. Sou físico no Grande Colisor de Hadrões (GCH), no CERN, a maior experiência científica alguma vez criada. É um túnel de 27 quilómetros na fronteira entre a França e a Suíça a cem metros debaixo do solo. Neste túnel, usamos ímanes supercondutores mais frios que o espaço exterior para acelerar protões quase à velocidade da luz e colidi-los uns contra os outros, milhões de vezes por segundo, recolhendo os detritos dessas colisões para procurar novas partículas fundamentais, não descobertas. O desenho e a construção levou décadas de trabalho de milhares de físicos de todo o mundo. No verão de 2015, estávamos a trabalhar sem descanso no GCH com a mais alta energia que os seres humanos já usaram numa experiência de colisão.
Now, higher energy is important because for particles, there is an equivalence between energy and particle mass, and mass is just a number put there by nature. To discover new particles, we need to reach these bigger numbers. And to do that, we have to build a bigger, higher energy collider, and the biggest, highest energy collider in the world is the Large Hadron Collider. And then, we collide protons quadrillions of times, and we collect this data very slowly, over months and months. And then new particles might show up in our data as bumps -- slight deviations from what you expect, little clusters of data points that make a smooth line not so smooth. For example, this bump, after months of data-taking in 2012, led to the discovery of the Higgs particle -- the Higgs boson -- and to a Nobel Prize for the confirmation of its existence.
Uma energia mais alta é importante porque, para as partículas, há uma correspondência entre energia e massa de partículas, e a massa é apenas um número colocado lá pela natureza. Para descobrir novas partículas, temos de alcançar esses números maiores. Para isso, tivemos de construir um colisor maior, de energia alta, o maior colisor de energias altas no mundo é o Grande Colisor de Hadrões. Fazemos colidir protões milhares de biliões de vezes, e obtemos esses dados lentamente, durante muitos meses. Podem aparecer novas partículas nos nossos dados como bossas — ligeiros desvios do que é esperado, pequenos aglomerados de dados que deformam a suavidade da linha Por exemplo, esta bossa, depois de meses a colecionar dados, em 2012, levou à descoberta da partícula de Higgs — o bosão de Higgs — e ao Prémio Nobel pela confirmação da sua existência.
This jump up in energy in 2015 represented the best chance that we as a species had ever had of discovering new particles -- new answers to these long-standing questions, because it was almost twice as much energy as we used when we discovered the Higgs boson. Many of my colleagues had been working their entire careers for this moment, and frankly, to little curious me, this was the moment I'd been waiting for my entire life. So 2015 was go time.
Este salto em energia, em 2015, representou a melhor hipótese que nós, enquanto espécie, tivemos de descobrir novas partículas — novas respostas a estas velhas questões, porque era quase o dobro da energia que tínhamos usado quando descobrimos o bosão de Higgs. Alguns dos meus colegas trabalharam para este momento, durante toda a carreira, e honestamente, para o pequeno curioso eu, este era o momento por que esperei durante toda a vida. Por isso, 2015 era o momento.
So June 2015, the LHC is switched back on. My colleagues and I held our breath and bit our fingernails, and then finally we saw the first proton collisions at this highest energy ever. Applause, champagne, celebration. This was a milestone for science, and we had no idea what we would find in this brand-new data. And then a few weeks later, we found a bump. It wasn't a very big bump, but it was big enough to make you raise your eyebrow. But on a scale of one to 10 for eyebrow raises, if 10 indicates that you've discovered a new particle, this eyebrow raise is about a four.
Então, em junho de 2015, o GCH foi novamente ligado. Os meus colegas e eu retivemos a respiração e roemos as unhas, e finalmente vimos as primeiras colisões de protões à energia mais alta de sempre. Aplausos, champanhe, celebração! Foi um marco para a ciência. Não sabíamos o que iríamos encontrar nestes dados novos. Semanas mais tarde, encontrámos uma bossa. Não era uma bossa muito grande, mas era suficientemente grande para franzirmos o sobrolho. Numa escala de 10 de franzir o sobrolho, se 10 indica que encontrámos uma nova partícula, esta era um quatro.
(Laughter)
(Risos)
I spent hours, days, weeks in secret meetings, arguing with my colleagues over this little bump, poking and prodding it with our most ruthless experimental sticks to see if it would withstand scrutiny. But even after months of working feverishly -- sleeping in our offices and not going home, candy bars for dinner, coffee by the bucketful -- physicists are machines for turning coffee into diagrams --
Passei horas, dias, semanas em reuniões secretas, a analisar esta bossa com os meus colegas, manipulando- a com tudo o que tínhamos à mão para ver se iria resistir à observação. Mesmo meses depois de trabalhar sem descanso — a dormir no escritório e sem ir a casa, com barras de chocolate como jantar, e baldes de café, os físicos são máquinas que transformam o café em diagramas —
(Laughter)
(Risos)
This little bump would not go away. So after a few months, we presented our little bump to the world with a very clear message: this little bump is interesting but it's not definitive, so let's keep an eye on it as we take more data. So we were trying to be extremely cool about it.
esta pequena bossa não desaparecia. Meses depois, apresentámos a bossa ao mundo com uma mensagem clara: "Esta bossa é interessante mas não é definitiva, "vamos manter os olhos nela enquanto obtemos mais dados". Estávamos a tentar ser descontraídos sobre o assunto.
And the world ran with it anyway. The news loved it. People said it reminded them of the little bump that was shown on the way toward the Higgs boson discovery. Better than that, my theorist colleagues -- I love my theorist colleagues -- my theorist colleagues wrote 500 papers about this little bump.
Mas o mundo acompanhou-nos. As notícias adoraram. As pessoas diziam que lhes fazíamos lembrar a bossa descoberta do bosão de Higgs. Melhor que isso, os meus colegas teóricos — adoro os meus colegas teóricos — escreveram 500 artigos sobre esta pequena bossa.
(Laughter)
(Risos)
The world of particle physics had been flipped on its head. But what was it about this particular bump that caused thousands of physicists to collectively lose their cool? This little bump was unique. This little bump indicated that we were seeing an unexpectedly large number of collisions whose debris consisted of only two photons, two particles of light. And that's rare.
O mundo da física das partículas tinha dado uma reviravolta. Mas o que tinha esta bossa em particular que fez centenas de físicos perderem a cabeça? Esta pequena bossa era única. Esta pequena bossa indicava que estávamos a ver um grande número inesperado de colisões cujos destroços consistiam apenas em dois fotões, duas partículas de luz. E isso é raro.
Particle collisions are not like automobile collisions. They have different rules. When two particles collide at almost the speed of light, the quantum world takes over. And in the quantum world, these two particles can briefly create a new particle that lives for a tiny fraction of a second before splitting into other particles that hit our detector. Imagine a car collision where the two cars vanish upon impact, a bicycle appears in their place --
As colisões de particula não são como colisões de automóveis. Têm regras diferentes. Quando duas partículas colidem quase à velocidade da luz, passa-se para o domínio do mundo quântico. E no mundo quântico, estas duas partículas podem criar uma partícula nova que dura uma pequena fração de segundo antes de se separar noutras partículas que atingem o detetor. Imaginem uma colisão de dois carros que desaparecem com o impacto, e aparece uma bicicleta no lugar deles.
(Laughter)
(Risos)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
A bicicleta explode em dois "skates" que atingem o detetor.
(Laughter)
(Risos)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Felizmente, não literalmente. São muito caros.
Events where only two photons hit out detector are very rare. And because of the special quantum properties of photons, there's a very small number of possible new particles -- these mythical bicycles -- that can give birth to only two photons. But one of these options is huge, and it has to do with that long-standing question that bothered me as a tiny little kid, about gravity.
Os momentos em que só dois fotões atingem o detetor são muito raros. Devido às propriedades quânticas especiais dos fotões, há um número muito pequeno de novas partículas possíveis — essas bicicletas míticas — que podem dar origem a apenas dois fotões. Mas uma dessas opções é enorme, e está relacionada com aquela velha questão que me incomodava em pequeno sobre a gravidade.
Gravity may seem super strong to you, but it's actually crazily weak compared to the other forces of nature. I can briefly beat gravity when I jump, but I can't pick a proton out of my hand. The strength of gravity compared to the other forces of nature? It's 10 to the minus 39. That's a decimal with 39 zeros after it.
A gravidade pode parecer-vos super forte, mas na verdade é fraca comparada com outras forças da natureza. Posso brevemente vencer a gravidade quando salto, mas não posso pegar num protão com a minha mão. A força da gravidade comparada a outras forças da natureza? É de 10 elevado a menos 39. Isso é um número decimal com 39 zeros.
Worse than that, all of the other known forces of nature are perfectly described by this thing we call the Standard Model, which is our current best description of nature at its smallest scales, and quite frankly, one of the most successful achievements of humankind -- except for gravity, which is absent from the Standard Model. It's crazy. It's almost as though most of gravity has gone missing. We feel a little bit of it, but where's the rest of it? No one knows.
Pior que isso, todas as forças da natureza conhecidas estão perfeitamente descritas nesta coisa a que chamamos o Modelo Padrão que é a nossa melhor descrição da natureza na sua escala mais pequena, e, sinceramente, um dos maiores sucessos da humanidade — exceto para a gravidade, que está ausente do Modelo Padrão. É de loucos! É quase como se a maior parte da gravidade tivesse desaparecido. Sentimos um pouco dela, mas onde está o resto? Ninguém sabe.
But one theoretical explanation proposes a wild solution. You and I -- even you in the back -- we live in three dimensions of space. I hope that's a non-controversial statement.
Mas uma explicação teórica propõe uma solução rebelde. Vocês e eu — até mesmo vocês aí ao fundo — vivemos em três dimensões espaciais. Espero que isto não seja uma declaração controversa.
(Laughter)
(Risos)
All of the known particles also live in three dimensions of space. In fact, a particle is just another name for an excitation in a three-dimensional field; a localized wobbling in space. More importantly, all the math that we use to describe all this stuff assumes that there are only three dimensions of space. But math is math, and we can play around with our math however we want. And people have been playing around with extra dimensions of space for a very long time, but it's always been an abstract mathematical concept. I mean, just look around you -- you at the back, look around -- there's clearly only three dimensions of space.
Todas as partículas conhecidas vivem nestas três dimensões espaciais. Aliás, uma partícula é apenas outro nome para uma excitação num campo tridimensional; uma oscilação localizada no espaço. Mais importante, toda a matemática que usamos para descrever isto assume que só existem três dimensões espaciais. Mas a matemática é o que é, e podemos brincar com ela como quisermos E as pessoas têm brincado com dimensões espaciais extra há muito tempo, mas tem sempre sido um conceito matemático abstrato. Basta olhar à nossa volta — vocês aí ao fundo, olhem à vossa volta — há claramente apenas três dimensões espaciais.
But what if that's not true? What if the missing gravity is leaking into an extra-spatial dimension that's invisible to you and I? What if gravity is just as strong as the other forces if you were to view it in this extra-spatial dimension, and what you and I experience is a tiny slice of gravity make it seem very weak? If this were true, we would have to expand our Standard Model of particles to include an extra particle, a hyperdimensional particle of gravity, a special graviton that lives in extra-spatial dimensions.
Mas e se isso não for verdade? E se a gravidade que falta desaparece numa dimensão extra-espacial que é invisível para todos nós? E se a gravidade for tão forte como as outras forças se a víssemos nesta dimensão extra-especial? E se o que nós verificamos é só uma pequena fatia da gravidade e por isso ela parece tão fraca? Se isto fosse verdade, teríamos de expandir o nosso Modelo Padrão de partículas para incluir uma nova partícula, uma partícula hiperdimensional de gravidade, um gravitão especial que existe em dimensões extra-espaciais.
I see the looks on your faces. You should be asking me the question, "How in the world are we going to test this crazy, science fiction idea, stuck as we are in three dimensions?" The way we always do, by slamming together two protons --
Posso ver pela expressão nas vossas caras que devem estar a perguntar: "Como iremos testar esta ideia louca, de ficção cientifica, "estando presos em três dimensões?" Da forma como sempre fizemos, fazendo colidir dois protões...
(Laughter)
(Risos)
Hard enough that the collision reverberates into any extra-spatial dimensions that might be there, momentarily creating this hyperdimensional graviton that then snaps back into the three dimensions of the LHC and spits off two photons, two particles of light. And this hypothetical, extra-dimensional graviton is one of the only possible, hypothetical new particles that has the special quantum properties that could give birth to our little, two-photon bump.
... com a força suficiente para que a colisão vá ecoar nalguma dimensão extra-espacial que possa existir, criando momentaneamente este gravitão hiperdimensional que depois repercute para as três dimensões do GCH e se divide em dois fotões, em duas partículas de luz. Este gravitão hipotético, extradimensional, é uma das novas partículas hipotéticas possiveis com as propriedades quânticas especiais que podem originar a nossa pequena bossa de dois fotões.
So, the possibility of explaining the mysteries of gravity and of discovering extra dimensions of space -- perhaps now you get a sense as to why thousands of physics geeks collectively lost their cool over our little, two-photon bump. A discovery of this type would rewrite the textbooks. But remember, the message from us experimentalists that actually were doing this work at the time, was very clear: we need more data. With more data, the little bump will either turn into a nice, crisp Nobel Prize --
A possibilidade de explicar os mistérios da gravidade e de descobrir dimensões espaciais extra — talvez agora percebam porque milhares de "geeks" da física perderam a cabeça com a nossa pequena bossa de dois fotões. Uma descoberta deste tipo faria reescrever os manuais. Mas lembrem-se, a mensagem dos experimentalistas que estavam por detrás deste trabalho, na altura, foi muito clara: precisamos de mais dados. Com mais dados, a nossa bossa ou se transforma num bom Prémio Nobel...
(Laughter)
(Risos)
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
... ou os dados extra preencherão o espaço à volta da bossa e torná-la-ão numa linha suave.
So we took more data, and with five times the data, several months later, our little bump turned into a smooth line. The news reported on a "huge disappointment," on "faded hopes," and on particle physicists "being sad." Given the tone of the coverage, you'd think that we had decided to shut down the LHC and go home.
Assim, pegámos em mais dados, e com cinco vezes mais dados, vários meses depois, a nossa pequena bossa tornou-se numa linha suave. As notícias relataram uma "enorme desilusão," uma "esperança sumida," e que os físicos de partículas "estavam tristes." Com este tom dos artigos, pensariam que tínhamos decidido desligar o GCH e ido para casa.
(Laughter)
(Risos)
But that's not what we did. But why not? I mean, if I didn't discover a particle -- and I didn't -- if I didn't discover a particle, why am I here talking to you? Why didn't I just hang my head in shame and go home?
Mas não foi o que fizemos. E porque não o fizemos? Quer dizer, se eu não descobri uma partícula — o que não fiz — se não descobri uma partícula, porque estou aqui a falar? Porque não fico cabisbaixo, envergonhado, e volto para casa?
Particle physicists are explorers. And very much of what we do is cartography. Let me put it this way: forget about the LHC for a second. Imagine you are a space explorer arriving at a distant planet, searching for aliens. What is your first task? To immediately orbit the planet, land, take a quick look around for any big, obvious signs of life, and report back to home base. That's the stage we're at now. We took a first look at the LHC for any new, big, obvious-to-spot particles, and we can report that there are none. We saw a weird-looking alien bump on a distant mountain, but once we got closer, we saw it was a rock.
Os físicos de partículas são exploradores. E muito do que fazemos é cartografia. Ponhamos as coisas assim: esqueçam por agora o GCH. Imaginem que são exploradores espaciais num planeta distante, à procura de extraterrestres. Qual seria a vossa primeira tarefa? Andar à volta do planeta, aterrar, olhar à volta procurando sinais óbvios de vida, e reportar de volta à base-mãe. É aí que estamos agora. Procurámos no GCH alguma partícula óbvia, nova e grande, e podemos reportar que não há nenhuma. Vimos um alienígena estranho numa montanha distante, mas quando nos aproximámos, vimos que era uma pedra.
But then what do we do? Do we just give up and fly away? Absolutely not; we would be terrible scientists if we did. No, we spend the next couple of decades exploring, mapping out the territory, sifting through the sand with a fine instrument, peeking under every stone, drilling under the surface. New particles can either show up immediately as big, obvious-to-spot bumps, or they can only reveal themselves after years of data taking.
Então que fazemos? Desistimos e vamos embora? De modo nenhum; seriamos cientistas terríveis se o fizéssemos. Vamos passar as próximas décadas a explorar, a mapear o terreno, a peneirar a areia com um bom instrumento, a espreitar por baixo de cada pedra, a perfurar a superfície. Novas partículas podem aparecer imediatamente como bossas grandes e óbvias, ou podem-se revelar depois de anos de aquisição de dados.
Humanity has just begun its exploration at the LHC at this big high energy, and we have much searching to do. But what if, even after 10 or 20 years, we still find no new particles? We build a bigger machine.
A Humanidade só agora começou a exploração no GCH com a sua energia alta, e temos muito para pesquisar. Mas e se, depois de 10 ou 20 anos, não descobrimos mais partículas novas? Construímos uma máquina maior.
(Laughter)
(Risos)
We search at higher energies. We search at higher energies. Planning is already underway for a 100-kilometer tunnel that will collide particles at 10 times the energy of the LHC. We don't decide where nature places new particles. We only decide to keep exploring. But what if, even after a 100-kilometer tunnel or a 500-kilometer tunnel or a 10,000-kilometer collider floating in space between the Earth and the Moon, we still find no new particles? Then perhaps we're doing particle physics wrong.
Procuramos com energias ainda mais altas. Procuramos com energias ainda mais altas. Já estão a ser feitos planos para um túnel de 100 km que irá colidir partículas com 10 vezes mais energia que o GCH. Não decidimos onde a natureza coloca novas partículas. Só podemos decidir continuar a explorar. E se, mesmo com um túnel de 100 quiilómetros ou com um túnel com 500 km, ou um colisor com 10 000 km a flutuar no espaço entre a Terra e a Lua, não encontrarmos novas partículas? Então talvez estejamos a fazer mal a física de partículas.
(Laughter)
(Risos)
Perhaps we need to rethink things. Maybe we need more resources, technology, expertise than what we currently have. We already use artificial intelligence and machine learning techniques in parts of the LHC, but imagine designing a particle physics experiment using such sophisticated algorithms that it could teach itself to discover a hyperdimensional graviton.
Talvez tenhamos de repensar as coisas. Talvez precisemos de mais recursos, mais tecnologia e conhecimentos do que temos neste momento. Já usamos inteligência artificial e aprendizagem automática em partes do GCH, mas imaginem uma experiência de física de partículas usando algoritmos sofisticados que podem ensinar a si mesmos a descobrir gravitões hiper-dimensionais.
But what if? What if the ultimate question: What if even artificial intelligence can't help us answer our questions? What if these open questions, for centuries, are destined to be unanswered for the foreseeable future? What if the stuff that's bothered me since I was a little kid is destined to be unanswered in my lifetime? Then that ... will be even more fascinating.
Mas e se... uma última pergunta: E se a inteligência artificial não puder ajudar a responder às nossas perguntas? E se estas perguntas, velhas de séculos, estão destinadas a não terem resposta num futuro próximo? E se o que me tem incomodado desde a minha infancia não tiver respostas durante a minha vida? Então... ainda será mais fascinante.
We will be forced to think in completely new ways. We'll have to go back to our assumptions, and determine if there was a flaw somewhere. And we'll need to encourage more people to join us in studying science since we need fresh eyes on these century-old problems. I don't have the answers, and I'm still searching for them. But someone -- maybe she's in school right now, maybe she's not even born yet -- could eventually guide us to see physics in a completely new way, and to point out that perhaps we're just asking the wrong questions. Which would not be the end of physics, but a novel beginning.
Seremos forçados a pensar de formas diferentes. Voltaremos às nossas premissas, e determinar se houve uma falha algures. Teremos de encorajar mais pessoas para se juntarem a nós a estudar ciência pois precisamos de olhos novos para estas questões centenárias. Não tenho as respostas e ainda as procuro. Mas alguém — talvez esteja na escola agora, talvez ainda não tenha nascido — talvez nos possa guiar para ver a física de forma diferente, para mostrar que talvez estejamos a fazer as perguntas erradas. O que não seria o fim da física, mas um novo começo.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)