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?
Există ceva în fizică care mă preocupă de când eram copil. Și este legat de o întrebare pe care oamenii de știință și-o pun de aproape 100 de ani, dar fără răspuns. Cum se face că cele mai mici corpuri din natură, particulele lumii cuantice, se potrivesc cu cele mai mari obiecte din natură: planete, stele și galaxii ținute laolaltă de forța gravitațională?
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.
Copil fiind, cugetam exact la întrebări de genul acesta. Mă jucam cu microscoape și electromagneți și citeam despre forțele corpurilor mici și despre mecanică cuantică și mă minunam la cât de bine se potrivea acea descriere cu observațiile noastre. Apoi mă uitam la stele și citeam despre cât de bine înțelegem gravitația și eram sigur că trebuie să existe un fel elegant în care aceste două sisteme se potrivesc. Dar nu există. Și cărțile ar spune, da, separat înțelegem mult despre aceste două lumi, dar când încercăm să le legăm matematic, nimic nu mai merge.
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.
Și pentru 100 de ani, niciuna din ideile noastre despre cum să rezolvăm acest dezastru al fizicii nu a fost susținută de dovezi. Pentru mine ca și copil – micuțul, curiosul, scepticul James -- ăsta era un răspuns extrem de nesatisfăcător.
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.
Încă sunt un copil sceptic. Să sărim acum la decembrie 2015, cănd m-am trezit în mijlocul lumii fizicii fiind dată peste cap. Totul a început când noi cei de la CERN am văzut ceva ciudat în date: un semn al unei noi particule, o bănuială a unui răspuns posibil extraordinar la această întrebare.
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.
Cred că încă sunt un copil sceptic, dar acum sunt și un vânător de particule. Sunt fizician la Large Hadron Collider al CERN, cel mai mare experiment științific montat vreodată. E un tunel de 27 de km la granița dintre Franța și Elveția la 100 de metri adâncime. În acest tunel folosim magneți superconductori mai reci decât spațiul cosmic pentru a accelera protoni până aproape de viteza luminii și a-i izbi unul de altul de milioane de ori per secundă, colectând detritul acestor coliziuni pentru a căuta noi particule fundamentale, nedescoperite. Design-ul și construcția au costat decenii de muncă a mii de fizicieni din toată lumea, iar în vara anului 2015, am lucrat neobosiți pentru a porni LHC-ul la cea mai mare energie pe care oamenii au folosit-o vreodată într-un experiment.
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 mai mare este importantă, fiindcă la particule există o echivalență între energia și masa particulei, și masa e doar un număr pus acolo de către natură. Pentru a descoperi particule noi trebuie să ajungem la aceste numere mari. Pentru asta, trebuie să construim un accelerator cu energie mai mare, iar cel mai mare și mai puternic din lume este Large Hadron Collider. Apoi, ciocnim protoni între ei de milioane de ori, și colectăm aceste date foarte încet, luni de zile. Astfel noi particule ar putea apărea în datele noastre ca umflături, ușoare deviații de la ce ne așteptăm, mici adunături de puncte care fac o linie să nu fie chiar așa dreaptă. De exemplu, această proeminență, după luni de adunat date în 2012, a dus la descoperirea particulei Higgs – bosonul Higgs – și la un premiu Nobel pentru confirmarea existenței lui.
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.
Această creștere în energie în 2015 a reprezentat cea mai mare șansă din istoria speciei noastre de a descoperi noi particule, noi răspunsuri la aceste întrebări vechi, fiindcă era energie aproape dublă față de cât folosisem când am descoperit bosonul Higgs. Mulți dintre colegii mei lucraseră întreaga carieră pentru acest moment și sincer, pentru curiosul de mine, acesta a fost momentul pe care îl așteptasem întreaga viață. Deci 2015 a fost momentul așteptat.
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.
În iunie 2015, LHC-ul este pornit la loc. Eu și colegii mei ne țineam respirația și ne rodeam unghiile și apoi am văzut primele coliziuni între protoni la cea mai mare energie de până atunci. Aplauze, șampanie, sărbătoare. Aceasta a fost o realizare pentru știință, și habar n-aveam ce urma să descoperim în aceste date noi. Câteva săptămâni mai târziu am găsit o umflătură. Nu era una foarte mare, dar era suficient de mare cât să te intrige. Dar pe o scară de la 1 la 10, dacă 10 înseamnă că ai descoperit o particulă nouă, ăsta ar fi un 4.
(Laughter)
(Râsete)
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 --
Am petrecut ore, zile, săptămâni în întâlniri secrete, în dezbateri cu colegii asupra acestei umflături, probând-o cu cele mai nemiloase instrumente ale noastre ca să vedem dacă rezistă cercetărilor. Dar chiar după luni de muncă asiduă, dormind în birouri, fără să mergem acasă, dulciuri la cină, cafea cu găleata... Fizicienii sunt mașinării de transformare a cafelei în diagrame.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Această mică umflătură era tot acolo. Deci, după câteva luni, am prezentat-o lumii cu un mesaj foarte clar: umflătura asta e foarte interesantă dar nu e definitivă, așa că să fim atenți la ea cât timp mai adunăm informații. Încercam să fim foarte calmi în legătură cu ea.
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.
Și lumea i-a acordat atenție oricum. Știrile au iubit-o. Oamenii au spus că le amintea de mica umflătură care a fost arătată pe calea spre descoperirea bosonului Higgs. Mai mult de atât, colegii mei teoreticieni – îmi iubesc colegii teoreticieni – ei au scris 500 de documente despre ea.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Lumea fizicii particulelor a fost întoarsă pe dos. Dar ce era cu această protuberanță care făcea mii de fizicieni să-și piardă calmul? Această mică umflătură era unică. Ea indica că vedeam un număr neașteptat de mare de coliziuni al căror detrit consta în doar doi fotoni, două particule de lumină. Și acest lucru e rar.
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 --
Ciocnirile particulelor nu sunt ca cele ale mașinilor. Au reguli diferite. Când două particule se ciocnesc aproape la viteza luminii, lumea cuantică domină. Și în lumea cuantică, aceste două particule pot crea o nouă particulă care trăiește pentru o mică fracțiune de secundă înainte să se desfacă în altele care lovesc detectorul. Imaginați-vă o coliziune între mașini, în care mașinile dispar după impact, o bicicletă apare în locul lor...
(Laughter)
(Râsete)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
Și apoi bicicleta explodează în două skateboard-uri care lovesc detectorul.
(Laughter)
(Râsete)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Nu la propriu, sper. Sunt foarte costisitoare.
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.
Evenimentele în care doar doi fotoni lovesc detectorul sunt foarte rare. Și datorită proprietăților cuantice speciale ale fotonilor, există un număr foarte mic de noi particule posibile – aceste biciclete mitice – care pot da naștere la doar doi fotoni. Dar una dintre aceste opțiuni este imensă și are de a face cu acea întrebare care mă nedumerea când eram copil, despre gravitație.
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.
Gravitația poate părea foarte puternică, dar de fapt este extrem de slabă comparativ cu alte forțe ale naturii. Pot învinge ușor gravitația când sar, dar nu pot să îmi iau un proton din mână. Puterea gravitației comparată cu celelalte forțe ale naturii? Este 10 la puterea minus 39. Adică o zecimală cu 39 de zero după ea.
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.
Mai mult de atât, toate celelalte forțe cunoscute ale naturii sunt descrise precis de acest lucru numit Modelul Standard care e cea mai bună descriere actuală a naturii la cele mai mici scări, și sincer, una dintre cele mai de succes realizări ale rasei umane. Cu excepția gravitației, care lipsește din Modelul Standard. E o nebunie. E ca și când cea mai mare parte a gravitației a dispărut. Simțim puțin din ea, dar unde e restul? Nimeni nu știe.
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.
Dar o explicație teoretică propune o soluție nebunească. Voi și cu mine, chiar și voi cei din spate, toți trăim în trei dimensiuni ale spațiului. Sper că afirmația asta nu vă contrariază.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Toate particulele cunoscute trăiesc în trei dimensiuni spațiale. De fapt, o particulă este doar un alt nume pentru o excitație într-un câmp tri-dimensional; un tremur localizat în spațiu. Mai important, toată matematica pe care o folosim pentru a descrie asta presupune că există doar trei dimensiuni ale spațiului. Dar matematica e matematică și ne putem juca cu ea cum vrem. Și oamenii se joacă de mult timp, cu dimensiuni în plus ale spațiului dar a fost mereu un concept matematic abstract. Uitați-vă în jur – voi din spate, priviți – e clar că există doar trei dimensiuni.
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.
Dar dacă nu e adevărat? Dacă gravitația care lipsește se scurge într-o dimensiune extra-spațială care e invizibilă pentru noi? Dacă gravitația e la fel de puternică ca și celelalte forțe dacă ar fi să o privim în această dimensiune extra-spațială, și ce simțim noi e o parte mică a gravitației care o face să pară foarte slabă? Dacă ar fi adevărat, ar trebui să extindem Modelul Standard al particulelor ca să includem una nouă, o particulă hiperdimensională a gravitației, un graviton special care trăiește în dimensiuni extra-spațiale.
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 --
Vă văd expresiile. Ar trebui să mă întrebați: „Cum să testăm ideea asta științifico-fantastică, fiind blocați în trei dimensiuni?" Așa cum facem mereu: prin ciocnirea a doi protoni
(Laughter)
(Râsete)
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.
suficient de tare, încât coliziunea să reverbereze în ce dimensiuni ar mai putea exista, producând pe moment acest graviton hiperdimensional care apoi revine la cele trei dimensiuni ale LHC-ului și scuipă doi fotoni, două particule de lumină. Și acest graviton ipotetic este una din singurele noi particule ipotetice posibile care are proprietățile cuantice care ar putea da naștere la mica noastră umflătură de doi fotoni.
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 --
Deci, posibilitatea de a explica misterele gravitației și de a descoperi noi dimensiuni -- poate că acum înțelegeți de ce mii de tocilari fizicieni și-au pierdut calmul pentru doi fotoni. O descoperire de genul ăsta ar rescrie manualele. Dar nu uitați, mesajul experimentaliștilor care făceam asta la momentul respectiv, a fost foarte clar: ne mai trebuie date. Cu mai multe informații, umflătura fie se va transforma într-un Premiu Nobel,
(Laughter)
(Râsete)
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
sau informațiile noi vor umple spațiul din jurul umflăturii, transformând-o într-o linie dreaptă.
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.
Așa că am mai adunat date și cu de 5 ori mai multe, câteva luni mai târziu, mica umflătură s-a transformat într-o linie dreaptă. Știrile vorbeau despre „dezamăgire uriașă", „speranțe pierdute" și despre fizicienii triști. Dat fiind tonul cu care se vorbea, ați crede că am decis să închidem LHC-ul și să mergem acasă.
(Laughter)
(Râsete)
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?
Dar nu asta am făcut. Dar de ce nu? Adică, dacă nu am găsit o particulă – și nu am găsit-o – atunci, de ce vă vorbesc acum, aici? De ce nu mi-am plecat capul de rușine și nu am plecat acasă?
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.
Fizicienii de particule sunt exploratori. Mare parte din ce facem e cartografie. Să o spun altfel: uitați de LHC un moment. Imaginați-vă că sunteți explorator spațial, ajuns pe o planetă îndepărtată, căutând extratereștri. Care e prima sarcină? Să orbitezi planeta imediat, să aterizezi, să te uiți în jur după semne evidente de viață și să raportezi la bază. La acest stadiu suntem acum. Am aruncat o primă privire la LHC pentru particule noi mari, ușor de observat, și putem raporta că nu există niciuna. Am văzut o umflătură ciudată pe un munte distant, dar când ne-am apropiat
But then what do we do? Do we just give up and fly away?
am văzut că era o piatră.
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.
Dar ce facem atunci? Renunțăm și plecăm? Bineînțeles că nu, am fi niște oameni de știință groaznici. Nu, vom petrece următoarele două decenii explorând, cercetând teritoriul, cernind nisipul cu un instrument fin, uitându-ne sub fiecare piatră, forând dedesubt. Noi particule ar putea să apară fie imediat ca și proeminențe ușor de observat, sau ar putea să se arate după ani de cercetări.
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.
Umanitatea abia și-a început explorarea la LHC cu energia asta mare și avem mult de cercetat. Dar dacă chiar și după 10, 20 de ani tot nu găsim nicio nouă particulă? Construim o mașinărie mai mare.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Căutăm la energii mai mari. Căutăm la energii mai mari. Deja se fac planuri pentru un tunel de 100 de kilometri care va ciocni particulele cu o energie de 10 ori mai mare. Noi nu decidem unde plasează natura noi particule. Noi decidem doar să continuăm explorarea. Dar dacă chiar și după ce un tunel de 100 de km sau unul de 500 de km sau unul de 10.000 de km, plutind în spațiu între Pământ și Lună, tot nu găsim particule? Atunci poate că facem greșit fizica particulelor.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Poate că trebuie să regândim lucrurile. Poate ne trebuie mai multe resurse, tehnologie, expertiză decât avem acum. Deja folosim inteligența artificială și învățarea automatizată în părți ale LHC-ului, dar imaginați-vă proiectarea unui experiment folosind astfel de algoritmi încât să se poată învăța singur cum să descopere un graviton.
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.
Dar dacă... Întrebarea supremă: Dacă nici inteligența artificială nu ne poate ajuta să aflăm răspunsul? Dacă aceste întrebări deschise de secole nu au răspuns în viitorul previzibil? Dacă lucrurile care mă nedumeresc de când eram copil sunt destinate a fi fără răspuns cât timp voi trăi? Atunci... va fi chiar mai fascinant.
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.
Vom fi forțați să gândim în moduri complet noi. Va trebui să ne întoarcem la presupuneri și să vedem dacă e o greșeală undeva. Va trebui să încurajăm oamenii să ni se alăture în studierea științei fiindcă e nevoie de noi perspective asupra acestor probleme seculare. Eu nu am răspunsurile și încă le mai caut. Dar cineva – poate e la școală acum, poate nici nu s-a născut încă – ar putea să ne facă să vedem fizica într-un fel complet nou și să ne arate că poate ne punem întrebările greșite. Asta nu ar fi sfârșitul fizicii, ci un nou început.
Thank you.
Vă mulțumesc.
(Applause)
(Aplauze)