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?
Кое-что в физике не давало мне покоя с самого детства. Речь идёт о вопросе, которым учёные задаются почти 100 лет и не получают ответа. Как мельчайшие природные объекты, частицы квантового мира, соотносятся с крупнейшими объектами в природе — планетами, звёздами и галактиками, которые удерживает гравитация?
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.
В детстве я ломал голову над подобными вопросами, возился с микроскопами и электромагнитами, читал о слабых взаимодействиях и квантовой механике. Я изумлялся, как прекрасно это описание соответствовало нашим наблюдениям. Я смотрел на звёзды и читал о том, насколько хорошо мы понимаем гравитацию; уверенно полагал, что должен быть изящный способ объединить эти две системы. Однако это не так. В книгах говорилось, что мы многое понимаем в каждой из этих систем по отдельности, но при попытке связать их математически всё рушится.
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.
В течение 100 лет ни одна из наших идей решения этой главной физической катастрофы не была подкреплена доказательствами. Для меня прежнего — маленького любопытного скептика Джеймса — этот ответ был в высшей степени неудовлетворительным.
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.
Так что я всё тот же малыш-скептик. Теперь перенесёмся в декабрь 2015 года, когда я в непосредственной близости наблюдал, как мир физики переворачивается с ног на голову. Дело в том, что мы в ЦЕРН увидели нечто занимательное в наших данных: намёк на новую частицу, которая может стать исключительным ответом на этот вопрос.
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.
Оставаясь ребёнком-скептиком, я также являюсь охотником на частицы. Я физик, работающий в ЦЕРН с Большим адронным коллайдером — крупнейшим научным экспериментом из когда-либо построенных. Это 27-километровый тоннель на границе Франции и Швейцарии, расположенный на глубине 100 метров. В этом тоннеле мы используем сверхпроводящие магниты, которые холоднее космического пространства, чтобы разогнать протоны почти до скорости света и заставить их сталкиваться друг с другом миллионы раз в секунду. Затем мы собираем осколки от этих столкновений для поиска новых, неоткрытых фундаментальных частиц. Тысячи физиков со всего мира десятки лет трудились над его разработкой и строительством. Летом 2015 года мы работали без устали, чтобы включить БАК на самой высокой в истории работы с коллайдерами мощности.
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.
Высокая мощность важна, потому что для частиц существует равнозначность между энергией и массой частицы, а масса является лишь числом, присвоенным природой. Чтобы открыть новые частицы, необходимо достигнуть этих бо́льших чисел. Для этого мы построили коллайдер, который быстрее и мощнее предшественников, и теперь крупнейшим и мощнейшим коллайдером в мире является Большой адронный коллайдер. Там мы сталкиваем протоны квадриллионы раз и очень медленно, в течение нескольких месяцев, собираем данные. Новые частицы могут появиться в данных в виде неровностей — небольших отклонений от ожидаемых данных, маленьких кластеров, из-за которых линия становится менее плавной. Например, эта неровность: после месяцев сбора данных в 2012 году она привела к обнаружению частицы Хиггса — бозона Хиггса — и к Нобелевской премии за подтверждение его существования.
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.
Этот энергетический скачок в 2015 году предоставил лучшую в истории человечества возможность для открытия новых частиц — это новый ответ на давние вопросы, потому что нынешняя мощность почти в два раза больше той, на которой был открыт бозон Хиггса. Многие мои коллеги посвятили этому моменту всю свою карьеру, и, если честно, для меня — любопытного малыша — это был момент, которого я ждал всю жизнь. Итак, в 2015 году пришла пора действовать.
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.
В июне 2015 года БАК снова запустили. Я вместе с коллегами затаил дыхание и кусал ногти, а затем мы увидели первое столкновение протонов, на крупнейшей в истории мощности. Аплодисменты, шампанское, празднование. Это было важным событием для науки, и мы понятия не имели, что обнаружим в новейших данных. Через несколько недель мы обнаружили неровность. Она была не очень большой, но достаточной, чтобы заинтересовать нас. По 10-балльной шкале удивительности, где 10 означает открытие новой частицы, наше событие тянет на четвёрочку.
(Laughter)
(Смех)
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 --
Я провёл часы, дни, недели на секретных собраниях, споря с коллегами по поводу маленькой неровности, подвергая её самым жёстким экспериментам, чтобы выяснить, выдержит ли она критику. Однако после месяцев лихорадочной работы, когда мы не выбирались домой и спали в офисах, ужинали шоколадными батончиками и вёдрами глушили кофе — физики являются машинами по преобразованию кофе в диаграммы —
(Laughter)
(Смех)
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.
эта маленькая неровность не исчезла. Так что через несколько месяцев мы представили её миру и ясно дали понять: эта неровность интересная, но неоднозначная, поэтому давайте понаблюдаем за ней, пока не получим больше данных. Мы старались вести себя предельно спокойно.
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.
В любом случае новость облетела весь мир. СМИ она очень понравилась. Людям это напомнило небольшую неровность, которую представили перед открытием бозона Хиггса. Более того, мои коллеги-теоретики — я их просто обожаю — написали 500 научных статей об этой маленькой неровности.
(Laughter)
(Смех)
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.
Мир физики элементарных частиц перевернулся с ног на голову. Но что же в этой маленькой неровности заставило тысячи физиков потерять самообладание? Она была уникальной и указывала на то, что мы наблюдали неожиданно большое число столкновений, осколки которых состояли лишь из двух фотонов — двух частиц света. А это редкость.
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 --
Cоударение частиц не похоже на столкновение автомобилей. У них разные правила. Столкновение двух частиц почти на скорости света переносит их в квантовый мир. И в квантовом мире эти две частицы могут быстро создать новую частицу, которая живёт крошечную долю секунды перед распадом на другие частицы, которые улавливает наш датчик. Представьте, что при столкновении две машины исчезают, а на их месте возникает велосипед.
(Laughter)
(Смех)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
А затем велосипед распадается на два скейтборда, врезающиеся в датчики.
(Laughter)
(Смех)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Надеюсь, не в буквальном смысле. Датчики очень дорогие.
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.
Случаи, когда детектор фиксирует лишь два фотона, очень редки. Из-за особых квантовых свойств фотонов существует очень мало вариантов потенциальных новых частиц — мифических велосипедов, — которые могут породить лишь два фотона. Но один из этих вариантов грандиозный, он связан с давним вопросом о гравитации, который волновал меня с самого детства.
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.
Гравитация может показаться вам очень сильной, однако она гораздо слабее других сил природы. Я могу ненадолго преодолеть гравитацию во время прыжка, но не могу вынуть протон из своей руки. Какова сила гравитации по сравнению с другими силами природы? Десять в минус тридцать девятой степени. Это десятичное число, за которым следуют 39 нулей.
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.
Кроме того, все другие известные силы природы прекрасно характеризует так называемая Стандартная модель, которая сейчас является лучшим описанием мельчайших объектов природы, и, честно говоря, одним из самых успешных достижений человечества — всё портит гравитация, которая отсутствует в Стандартной модели. Сумасшествие. Словно бо́льшая часть гравитации пропала без вести. Мы слегка ощущаем её, но где всё остальное? Никто не знает.
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.
Однако есть теоретическое объяснение, которое предлагает безумное решение. Я и вы — даже сидящие в конце зала — живём в трёх измерениях. Надеюсь, это неоспоримое заявление.
(Laughter)
(Смех)
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.
Все известные частицы также существуют в трёх измерениях пространства. По сути, «частица» — это лишь синоним возбуждения в трёхмерном пространстве; локализованное колебание в пространстве. Куда важнее, что математика, с помощью которой мы всё это описываем, предполагает существование лишь трёх измерений пространства. Но это ведь математика, и мы можем играть с ней, как пожелаем. Люди забавлялись с дополнительными измерениями пространства долгое время, но это всегда было абстрактной математической концепцией. Все вы, оглянитесь: несомненно, существует только три измерения пространства.
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.
Но что, если это не правда? Что, если часть гравитации просачивается в дополнительное пространственное измерение, которое невидимо для нас с вами? Что, если бы вы смогли заглянуть в это дополнительное измерение и обнаружить, что гравитация не слабее других сил, а слабой она кажется только потому, что на нас воздействует лишь малая её часть? Будь это правдой, нам пришлось бы расширить Стандартную модель частиц, чтобы включить дополнительную, гиперпространственную частицу гравитации, особый гравитон, существующий в дополнительных измерениях.
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 --
Я вижу, что выражают ваши лица. Вам следует спросить меня: «Каким образом мы проверим эту безумную научно-фантастическую идею, если мы застряли в трёх измерениях?» Так же, как и всегда — столкнём два протона
(Laughter)
(Смех)
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.
с такой силой, что столкновение отразится в любом дополнительном пространственном измерении, на мгновение создав этот гиперспространственный гравитон, который затем снова защёлкнется в трёх измерениях БАК и оставит два фотона, две частицы света. Этот гипотетический межпространственный гравитон является одной из немногих возможных гипотетических новых частиц, обладающих особыми квантовыми свойствами, которые могут породить нашу маленькую неровность из двух фотонов.
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 --
Итак, перед нами появилась перспектива объяснения тайн гравитации и открытия дополнительных измерений пространства — возможно, теперь вы понимаете, почему тысячи помешанных на работе физиков потеряли самообладание перед этой маленькой 2-фотонной неровностью. Подобное открытие заставит переписать учебники. Но помните сообщение от нас, экспериментаторов, которые постоянно этим занимаются: нужно больше данных. Большое число данных может либо превратить маленькую неровность в новенькую Нобелевскую премию,
(Laughter)
(Смех)
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
либо заполнить пространство вокруг этой неровности и вернуть линии плавность.
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.
Поэтому мы собрали в 5 раз больше данных, и спустя несколько месяцев наша маленькая неровность превратилась в плавную линию. В новостях сообщили об «огромном разочаровании», о «потере надежды» и «опечаленных» ядерных физиках. После таких заявлений можно подумать, что мы решили закрыть БАК и разойтись по домам.
(Laughter)
(Смех)
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?
Однако мы этого не сделали. Но почему нет? Ведь если я не открыл частицу, почему я сейчас выступаю перед вами? Почему я не пошёл домой, понурив голову?
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.
Ядерные физики являются исследователями. В основном мы занимаемся картографией. Позвольте мне сказать следующее: забудьте о БАК на секунду. Представьте: вы космический исследователь, прибывший на далёкую планету в поисках инопланетян. Что вы делаете в первую очередь? Захо́дите на орбиту планеты, приземляетесь, осматриваетесь в поисках очевидных признаков жизни и докладываете на базу. Мы сейчас находимся на этой стадии. Мы впервые заглянули в БАК в поисках новых, больших и заметных частиц и теперь можем сообщить, что таких нет. Мы увидели подозрительный инородный выступ на горе, но, подойдя ближе, увидели, что это просто камень.
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.
Но что же делать дальше? Просто сдаться и улететь? Однозначно нет; мы были бы ужасными учёными, поступив так. Нет, следующие пару десятилетий мы будем исследовать, составим карту территории, просеем песок качественными инструментами, заглянем под каждый камень, пробурим поверхность. Новые частицы могут возникнуть внезапно, в виде больших, очевидных неровностей, но они также могут обнаружиться спустя годы сбора данных.
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.
Человечество лишь начало исследования в БАК на высокой мощности, и нам предстоят долгие поиски. Но что если через 10 или 20 лет мы так и не обнаружим новую частицу? Мы построим машину побольше.
(Laughter)
(Смех)
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.
Мы будем искать на бо́льших мощностях. Уже идёт планирование 100-километрового тоннеля, который будет в 10 раз мощнее БАК. Природа решает, где разместить новые частицы, а не мы. Мы только решаем продолжать поиски. Но что, если даже после строительства туннеля на 100 и 500 километров, или создания 10 000-километрового коллайдера в космосе между Землёй и Луной, мы так и не обнаружим новые частицы? Тогда, возможно, мы неверно занимаемся физикой частиц.
(Laughter)
(Смех)
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.
Возможно, нам нужно многое переосмыслить. Возможно, нам нужно больше ресурсов, технологий и опыта, чем есть сейчас. Мы уже частично используем в БАК искусственный интеллект и техники обучения машин, но представьте эксперимент в физике частиц с такими сложными алгоритмами, что они сами научатся обнаруживать гиперпространственный гравитон.
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.
Но что, если? Главный вопрос: что, если даже искусственный интеллект не сможет помочь ответить на наши вопросы? Что, если открытые столетиями вопросы обречены остаться без ответа в обозримом будущем? Что, если проблемы, которые с детства не давали мне покоя, обречены остаться без ответа до конца моей жизни? Тогда... это будет даже более захватывающе.
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.
Нам придётся думать в совершенно новых направлениях, придётся вернуться к своим предположениям и поискать в них ошибку. Также необходимо привлекать в науку больше людей, которые смогут взглянуть на эти вековые проблемы свежим взглядом. У меня нет ответов, но я продолжаю их искать. Но кто-то — возможно, сейчас она учится в школе или даже ещё не родилась — сможет в итоге заставить нас по-новому взглянуть на физику и указать, что, возможно, мы просто задаём неправильные вопросы. Это будет не концом физики, а только новым началом.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)