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?
Existe algo na física que tem realmente me incomodado desde que eu era criança. E está relacionado a uma pergunta que os cientistas vêm fazendo há quase 100 anos, sem achar uma resposta. Como as menores coisas da natureza, as partículas do mundo quântico, estão relacionadas às maiores coisas da natureza, planetas, estrelas, galáxias mantidas juntas 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.
Quando criança, eu ficava intrigado com questões como essa. Eu ficava dando voltas com microscópios e eletromagnetos, e lia sobre as forças das pequenas coisas e sobre mecânica quântica e me maravilhava com como aquela descrição coincidia com nossa observação. Então eu olhava para as estrelas e lia sobre como entendíamos bem a gravidade, e eu tinha certeza que devia haver uma forma elegante de esses dois sistemas coincidirem. Mas não há. E os livros diziam: "Sim, entendemos muito sobre esses dois domínios separadamente, mas quando tentamos conectá-los matematicamente, tudo se desfaz.
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 por 100 anos nenhuma das nossas ideias para solucionar esse desastre físico foi apoiada por evidências. E para a criança que eu era, o pequeno, curioso e cético James, essa era uma resposta extremamente não satisfatória.
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.
Então, ainda sou uma criança cética. Vamos avançar para dezembro de 2015, quando me vi revolucionando o mundo da física. Tudo começou quando vimos algo intrigante em nossos dados, no CERN: o indício de uma nova partícula, uma insinuação de uma possível e extraordinária resposta a essa questão.
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.
Então ainda sou uma criança cética, mas agora também sou um caçador de partículas. Sou físico no Grande Colisor de Hádrons do CERN, o LHC, o maior experimento científico já construído. Um túnel de 27 km, na fronteira entre a França e a Suíça, 100 metros abaixo do solo. E nesse túnel usamos ímãs supercondutores mais frios que o espaço sideral para acelerar prótons até quase a velocidade da luz e fazê-los colidir uns nos outros milhões de vezes por segundo, coletando os vestígios dessas colisões em busca partículas fundamentais ainda não descobertas. Seu projeto e construção consumiu décadas de trabalho de milhares de físicos de todo o mundo, e em meados de 2015, trabalhamos incansavelmente para conectar o LHC à maior energia que humanos já usaram em um experimento 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.
Energia máxima é importante porque, para as partículas, há uma equivalência entre a energia e a massa das partículas, e a massa é só um número colocado lá pela natureza. Para descobrir novas partículas, precisamos atingir números maiores. Para isso precisamos construir um colisor de energia maior e mais potente, e o maior e mais potente colisor do mundo é o Grande Colisor de Hádrons. Então colidimos prótons quadrilhões de vezes e coletamos esses dados, lentamente, por vários meses. Então novas partículas podem aparecer em nossos dados como saliências, pequenos desvios do que se espera, pequenos agrupamentos de pontos de dados que tornam uma linha tênue não tão tênue. Por exemplo, esta saliência, que depois de meses de coleta de dados em 2012, levou à descoberta da partícula de Higgs, o bóson de Higgs, e a um Prêmio 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.
Esta subida brusca de energia em 2015 representou a melhor chance que já tivemos, como espécie, de descobrir novas partículas, novas respostas a questões tão antigas, porque era quase duas vezes a quantidade de energia que usamos quando descobrimos o bóson de Higgs. Muitos dos meus colegas trabalharam toda sua carreira por este momento, e, sinceramente, para o pequeno e curioso James, este foi o momento que esperei por toda minha vida. Então esse foi 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.
Em junho de 2015, o LHC foi acionado novamente. Meus colegas e eu prendemos a respiração e roemos as unhas, e finalmente vimos a primeira colisão de prótons à mais alta energia já utilizada. Aplausos, espumante, comemoração. Esse foi um marco para a ciência, e não tínhamos ideia do que encontraríamos nesses novos dados. E algumas semanas depois, encontramos uma saliência. Não era uma saliência enorme, mas era grande o suficiente para franzir a sombrancelha. Numa escala de um a dez para sombrancelhas franzidas, se dez indica a descoberta de uma nova partícula, era um franzido de nível 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, argumentando com meus colegas sobre essa pequena saliência, cutucando-a e espetando-a com nossas varetas experimentais para ver se resistiria a um escrutínio. Mas mesmo depois de meses de trabalho febril, dormindo no trabalho, sem ir para casa, jantando barras de chocolate e tomando baldes de café -- físicos são máquinas de transformar 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.
essa pequena saliência não sumiu. Então depois de alguns meses apresentamos nossa pequena saliência ao mundo, com uma mensagem bem clara: essa pequena saliência é interessante, mas não é definitiva, então vamos ficar de olho nela, enquanto coletamos mais dados. Estávamos tentando pegar leve com ela.
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.
E ainda assim o mundo se apropriou dela. Os noticiários amaram. As pessoas disseram que ela lembrava a pequena saliência mostrada durante o processo de descoberta do bóson de Higgs. Melhor do que isso, meus colegas teóricos, amo meus colegas teóricos, meus colegas teóricos escreveram 500 artigos sobre essa pequena saliência.
(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.
Isso revolucionou o mundo da física das partículas. Mas o que havia com essa saliência em especial que fez com que milhares de físicos coletivamente saíssem do sério? Essa pequena saliência era única. Ela indicava que estávamos vendo um enorme e inesperado número de colisões, cujos vestígios consistiam em apenas dois fótons, 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 --
Colisões de partículas não são como colisões de automóveis. Elas têm regras diferentes: quando duas partículas colidem, quase na velocidade da luz, o controle passa ao mundo quântico. E no mundo quântico essas duas partículas podem criar brevemente uma nova partícula, que dura uma pequena fração de segundo antes de se dividir em outras partículas que atingem nosso detetor. Imaginem uma colisão de automóvel na qual os carros somem com o impacto, uma bicicleta aparece em seu lugar...
(Laughter)
(Risos)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
e então essa bicicleta explode em dois skates, que atingem nosso detetor.
(Laughter)
(Risos)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Espero que não literalmente. Eles 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.
Eventos em que apenas dois fótons atingem nosso detetor são muito raros. E devido a essa propriedade quântica especial dos fótons, há um número muito pequeno de novas partículas possíveis, essas bicicletas míticas, que podem originar apenas dois fótons. Mas uma dessas opções é enorme, e tem a ver com aquela antiga questão que me incomodava quando eu era uma pequena criança, 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 superforte para vocês, mas na verdade ela é incrivelmente fraca, comparada com outras forças da natureza. Posso ganhar da gravidade brevemente, quando pulo, mas não posso tirar um próton da minha mão. A força da gravidade comparada a outras forças da natureza? É 10 elevado a menos 39. É um decimal com 39 zeros depois da vírgula.
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 do que isso, todas as outras forças conhecidas da natureza são perfeitamente descritas pelo chamado Modelo Padrão, que é a melhor descrição que temos da natureza em pequena escala, e, francamente, uma das conquistas de maior sucesso da humanidade; a não ser pela gravidade, que não consta no Modelo Padrão. É uma loucura. É como se a maior parte da gravidade estivesse faltando. Nós 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 selvagem. Todos nós, mesmo vocês no fundo, vivemos em um espaço tridimensional. Espero que essa colocação não seja 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 também existem em um espaço tridimensional. De fato, partícula é só um outro nome para uma agitação em um campo tridimensional; uma oscilação localizada no espaço. E, mais importante, toda a matemática usada para descrever essas coisas assume que só existem três dimensões. Mas matemática é matemática, podemos flertar com ela o quanto quisermos. E as pessoas vêm brincando com dimensões extras no espaço há muito tempo, mas esse sempre tem sido um conceito matemático abstrato. Quero dizer, olhem ao redor... você aí no fundo, olhe ao redor... claramente existem apenas três dimensões de espaço.
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 faltante estiver vazando para uma dimensão extraespacial invisível para nós? E se a gravidade for tão forte quanto as outras forças, se for vista nessa dimensão extraespacial, e o que nós experienciamos é uma pequena parcela da gravidade que faz ela parecer muito fraca? Se isso fosse verdade, teríamos que expandir nosso Modelo Padrão das partículas para incluir uma partícula extra, uma partícula hiperdimensional de gravidade, um gráviton especial que existe em dimensões extraespaciais.
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 --
Vejo a expressão nos rostos de vocês. Vocês deveriam estar me perguntando: "Como diabos vamos testar essa ideia maluca de ficção científica, presos como estamos em três dimensões?" Da forma que sempre fazemos, colidindo dois prótons...
(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.
Forte o suficiente para a colisão reverberar em alguma dimensão extraespacial que possa estar ali, criando momentaneamente esse gráviton hiperdimensional que depois retorna rapidamente para as três dimensões do LHC e libera dois fótons, duas partículas de luz. E esse gráviton extradimensional hipotético é uma das poucas novas partículas hipotéticas possíveis com as propriedades quânticas especiais que podem originar a nossa pequena saliência de dois fótons.
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 --
Então, a possibilidade de explicar os mistérios da gravidade e de descobrir dimensões extras do espaço... talvez agora vocês entendam por que milhares de físicos tenham ficado coletivamente empolgados com nossa pequena saliência de dois fótons. Uma descoberta desse tipo faria com que os compêndios fossem reescritos. Mas lembrem-se, a mensagem dos experimentalistas que realmente estavam trabalhando naquele momento, foi bem clara: precisamos de mais dados. Com mais dados, ou a pequena saliência vai se tornar um lindo e delicioso Prêmio 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 irão preencher o espaço ao redor da saliência e transformá-la em uma linha linda e 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.
Então coletamos mais dados, e muitos meses depois, com cinco vezes a quantidade de dados, nossa pequena saliência se transformou em uma linha suave. As notícias relataram um "enorme desapontamento", "esperanças desvanecidas" e físicos de partículas "tristes". Com o tom da cobertura, vocês pensariam que tínhamos decidido desligar o LHC e ir pra 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 fizemos isso. Mas por que não? Quer dizer, se não descobri uma partícula, e não descobri, por que estou aqui falando com vocês? Por que simplesmente não baixo minha cabeça de vergonha e vou pra 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.
Físicos de partículas são exploradores. E muito do que fazemos é cartografia. Vamos colocar desta forma: esqueçam o LHC por um segundo. Imaginem que são exploradores do espaço chegando a um planeta distante, em busca de alienígenas. Qual é a primeira tarefa de vocês? Orbitar imediatamente o planeta, aterrissar, dar uma rápida olhada ao redor em busca de algum grande e óbvio sinal de vida e relatar para a base. É nesse estágio que estamos, agora. Demos uma primeira olhada no LHC em busca de alguma partícula nova, grande e facilmente visível, e podemos relatar que não há nenhuma. Vimos uma estranha saliência em uma montanha distante, mas quando chegamos perto 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.
O que fazemos, então? Simplesmente desistimos e vamos embora? Claro que não; seríamos péssimos cientistas se fizéssemos isso. Não, passaremos as próximas décadas explorando, mapeando o território, peneirando a areia com um instrumento de precisão, olhando embaixo de cada pedra, perfurando abaixo da superfície. Novas partículas podem surgir imediatamente, como saliências grandes e visíveis, ou podem se revelar apenas depois de anos de coleta 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 começou agora a explorar com o LHC a esse nível de energia, e temos muita pesquisa a fazer. Mas e se depois de 10 ou 20 anos ainda não tivermos encontrado nenhuma partícula? 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.
Pesquisamos em níveis mais altos de energia. Pesquisamos em níveis ainda mais altos de energia. Já está sendo planejado um túnel de 100 km que vai colidir partículas a um nível de energia dez vezes maior que o LHC. Nós não decidimos onde a natureza coloca novas partículas. Só decidimos continuar explorando. Mas e se mesmo com um túnel de 100 km ou de 500 km ou um colisor de 10 mil km flutuando no espaço entre a Terra e a Lua, ainda não tivermos encontrado novas partículas? Então talvez estejamos fazendo a física das partículas de forma errada.
(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 seja preciso repensar algumas coisas. Talvez sejam necessários mais recursos, tecnologia e expertise do que temos atualmente. Já usamos inteligência artificial e aprendizado de máquina em partes do LHC, mas imaginem projetar um experimento de física das partículas com algoritmos tão sofisticados que ensinassem a si próprios como descobrir um gráviton hiperdimensional.
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.
E se? A última pergunta: e se nem a inteligência artificial ajudar a responder nossas perguntas? E se essas perguntas, há séculos sem resposta, estiverem destinadas a continuarem assim no futuro? E se as coisas que me incomodam desde que eu era pequeno estiverem destinadas a continuarem sem resposta por toda minha vida? Então... isso será ainda 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 completamente novas. Teremos que retornar a nossas hipóteses, e determinar se houve alguma falha em algum ponto. Precisaremos encorajar mais pessoas a unirem-se a nós no estudo da ciência, pois precisaremos de novos olhares sobre esses problemas seculares. Eu não tenho as respostas e ainda estou buscando por elas. Mas alguém que talvez esteja no ensino médio, agora, que talvez ainda nem tenha nascido, pode por fim nos levar a ver a física de uma forma completamente nova, e mostrar que talvez só estejamos fazendo as perguntas erradas. O que não seria o fim da física, mas um novo começo.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)