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?
Постоји нешто везано за физику што ме је стварно мучило још од времена када сам био дете. Везано је за питање које научници постављају већ скоро 100 година без одговора. Како се најмање ствари у природи, честице квантног света, уклапају уз највеће ствари у природи - планете, звезде и галаксије које на окупу држи гравитација?
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.
Као дете сам пуно размишљао о оваквим питањима. Проводио сам време са микроскопима и електромагнетима, читао о силама малих честица и квантној механици и дивио се томе колико су се добро ти описи уклапали у наша запажања. Затим сам гледао у звезде, читао о томе колико добро разумемо гравитацију и мислио да сигурно постоји некакав елегантан начин да се ова два система уклопе. Међутим, није га било, а књиге су говориле: „Да, веома добро разумемо ова два света одвојено, али када покушамо да их повежемо математички, све се распадне.“
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.
Током 100 година, ниједна од идеја везаних за решавање ове катастрофе у физици, у основи, није подупрта доказима. За моју малену, стару верзију, за малог, радозналог, скептичног Џејмса, ово је био крајње незадовољавајући одговор.
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.
Дакле, и даље сам скептично детенце. Хајде да брзо прескочимо период до децембра 2015. године, када сам се нашао усред света физике који се окренуо наглавачке. Све је кренуло када смо у ЦЕРН-у видели нешто интригантно у подацима - наговештај нове честице, наговештај могућег невероватног одговора на ово питање.
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.
Тако, и даље сам скептично дете, мислим, али сада сам ловац на честице. Физичар сам у ЦЕРН-овом Великом хадронском сударачу, највећем научном експерименту који је икада покренут. То је тунел од 27 километара на граници Француске и Швајцарске, закопан 100 метара испод земље. У овом тунелу користимо суперпроводне магнете хладније од свемира да бисмо убрзали протоне до скоро брзине светлости и сударамо их милион пута у секунди, а затим прикупљамо остатке ових судара да бисмо трагали за новим, неоткривеним елементарним честицама. Биле су потребне деценије рада на његовом дизајну и конструкцији од стране хиљаде физичара са свих страна света, а лета 2015. године морали смо непрестано да радимо да бисмо покренули сударача уз највећу енергију коју су људи икада користили у експерименту сударања.
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.
Велика енергија је важна јер за честице постоји еквиваленција између масе и енергије честице, а маса је само број који је тамо поставила природа. Да бисмо открили нове честице, морамо да стигнемо до ових већих бројева, а да бисмо то учинили, морамо да изградимо већи сударач са већом енергијом, а највећи сударач са највећом енергијом је Велики хадронски сударач. Затим сударамо протоне неколико трилиона пута и веома полако прикупљамо податке месецима и месецима. Затим се нове честице могу појавити међу нашим подацима као испупчења, мале девијације од онога што се очекује, мали скупови података који чине да глатка линија више није тако глатка. На пример, ово испупчење, након вишемесечног прикупљања података 2012. године, водило је ка открићу Хигсове честице, Хигсовог бозона, и ка Нобеловој награди за потврду о његовом постојању.
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.
Овак скок у енергији 2015. године био је најбољa шансa коју смо као врста икада имали за откривање нових честица; нових одговора на стара, отворена питања, јер смо користили скоро два пута већу енергију него када смо открили Хигсов бозон. Многе моје колеге су радиле током читаве каријере за овај тренутак и, искрено, за моју малу, радозналу верзију, ово је био тренутак који сам чекао читав свој живот. Значи, 2015. година је била година акције.
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.
Тако је јуна 2015. године сударач поново укључен. Моје колеге и ја смо престали да дишемо и грицкали смо нокте, а онда смо коначно видели прве сударе протона уз највећу енергију икада искоришћену. Аплауз, шампањац, славље. Ово је била прекретница за науку, а нисмо имали појма шта ћемо наћи у овим потпуно новим подацима. Неколико недеља касније нашли смо ново испупчење. Није то било велико испупчење, али је било довољно велико да се заинтригирате. Међутим, на скали заинтригираности од један до десет, ако 10 указује на то да сте пронашли нову честицу, ова заинтригираност је била четворка.
(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 --
Провео сам сате, дане, недеље на тајним састанцима, расправљајући се са колегама о овом малом испупчењу, док смо га чачкали и боцкали најокрутнијим експерименталним штапићима да бисмо видели да ли може да издржи испитивање. Међутим, чак и након грозничавог рада од неколико месеци, а спавали смо у канцеларијама и нисмо одлазили кући, вечерали смо чоколадице, испијали огромне количине кафе - физичари су машине које претварају кафу у дијаграме -
(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.
Ова малена избочина није хтела да нестане. Тако, након неколико месеци, представили смо нашу малу избочину свету уз веома јасну поруку - ова мала избочина је интересантна, али није дефинитивна, па хајде да је пратимо док прикупљамо још података. Дакле, покушавали смо да будемо изузетно опуштени у вези са овим,
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.
а свет је ово прихватио. Новинарима се ово свидело. Људи су говорили да их подсећа на малу избочину која се указала на путу ка откривању Хигсовог бозона. Боље од тога, моје колеге теоретичари - волим моје колеге теоретичаре - моје колеге теоретичари су написали 500 радова о овој малој избочини.
(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.
Свет физике честица окренуо се наглавачке. Ипак, шта је то везано за ову посебну избочину што је проузроковало да хиљаде физичара постане узнемирено? Ова мала избочина је била јединствена. Ова мала избочина је указивала на то да видимо неочекивано велики број судара чији су се остаци састојали од само два фотона, две честице светлости, а то је ретко.
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 --
Судари честица нису као судари аутомобила. Подлежу другачијим правилима. Када се две честице сударе приближно брзином светлости, сцену преузима квантни свет, а у квантном свету ове две честице накратко могу да створе нову честицу која живи мајушни део секунде пре него што се разложи на честице које погађају наш детектор. Замислите судар аутомобила при ком двоја кола нестану након судара, бицикл се појављује на њиховом месту -
(Laughter)
(Смех)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
а затим бицикл у експлозији створи два скејтборда који погоде наш детектор.
(Laughter)
(Смех)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Надамо се, не и буквално. Веома су скупи.
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.
Појава да само два фотона погоде наш детектор је веома ретка. А због посебних квантних својстава фотона, постоји веома мали број могућих нових честица, ових митских бицикала, које могу створити само два фотона. Али једна од ове две опције је огромна, а у вези је са старим отвореним питањем које ме је мучило док сам био мајушно дете, о гравитацији.
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.
Можда вам гравитација делује невероватно снажно, али је заправо блесаво слаба ако се упореди са другим природним силама. Накратко могу да победим гравитацију док скачем, али не могу да покупим протон са длана. Снага гравитације у поређењу са другим природним силама? Десет на минус тридесет девет. То је децимала коју прати 39 нула.
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.
Још горе од тога, све друге познате природне силе су савршено описане кроз нешто што називамо „стандардним моделом“, што је тренутно наш најбољи опис природе у најмањим размерама, а искрено, то је и једно од најуспешнијих људских достигнућа, осим гравитације, која није присутна у стандардном моделу. Лудо је. Као да је већи део гравитације нестао. Осећамо њене делиће, али где је њен остатак? Нико не зна.
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.
Ипак, једно теоретско објашњење предлаже лудо решење. Ви и ја, чак и ви у задњим редовима, живимо у три просторне димензије. Надам се да то није спорна изјава.
(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.
Све познате честице, такође, живе у три просторне димензије. Заправо, „честица“ је само други назив за ексцитацију у тродимензионалном пољу; локализовано померање у простору. Још важније је да сва математика коју користимо да опишемо све ове ствари претпоставља да постоји само три просторне димензије, али математика је математика и можемо се њоме играти како хоћемо. Људи су се дуго и поигравали додатним просторним димензијама, али је то увек био апстрактни математички концепт. Мислим, само погледајте око себе - ви у задњим редовима, погледајте около - јасно је да постоје само три просторне димензије.
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.
Међутим, шта ако то није истина? Шта ако гравитација која недостаје истиче у неку додатну просторну димензију коју ви и ја не можемо видети? Шта ако је гравитација подједнако снажна као и друге силе ако бисте је посматрали у овој додатној просторној димензији, а заправо осећамо само мајушни део гравитације, због чега делује као да је веома слаба? Ако би ово било тачно, морали бисмо да проширимо наш стандардни модел честица да бисмо укључили додатну честицу, хипердимензионалну честицу гравитације, специјални гравитон који живи у додатним просторним димензијама.
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 --
Видим вам изразе лица. Требало би да ме питате: „Како ћемо, забога, тестирати ову луду научно-фантастичну идеју, када смо заглављени, као што јесмо, у три димензије?“ На начин на који то увек радимо, сударањем 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.
довољно јако да судар одјекне у било којој додатној просторној димензији која постоји, моментално стварајући овај хипердимензионални гравитон који се онда брзо врати у три димензије сударача и избаци два фотона, две честице светлости. Овај хипотетички гравитон из додатне димензије једина је могућа хипотетичка нова честица која има специјална квантна својства која би могла изродити избочину од два фотона.
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 --
Дакле, могућност да се објасне мистерије гравитације и откривање додатне просторне димензије - можда сада почињете да схватате зашто је хиљаде штреберских физичара колективно изгубило главу због наше мале избочине од два фотона. Овакво откриће би исписало нове уџбенике. Ипак, сетите се, порука нас експериментатора који смо заправо радили на овоме у то време била је јасна: треба нам још података. Са више података, мала избочина ће се или претворити у фину, свежу Нобелову награду - (Смех)
(Laughter)
или ће додатни подаци попунити простор око избочине
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
и претворити је у фину, глатку линију.
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.
Тако, узели смо још података и уз пет пута више података неколико месеци касније, наша мала избочина претворила се у глатку линију. Новине су извештавале о „огромном разочарењу“, „пропалим надама“ и о томе да су физичари који се баве честицама тужни. Судећи по тону насловница, помислили бисте да смо одлучили да искључимо сударач и одемо кући.
(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?
Међутим, то није оно што смо учинили. Ипак, зашто нисмо? Мислим, ако нисам открио честицу, а нисам, ако нисам открио честицу, зашто сам овде и причам са вама? Зашто нисам само постиђено погнуо главу и отишао кући?
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.
Физичари који се баве честицама су истраживачи, а велики део нашег рада је картографија. Да то овако формулишем - заборавите сударач на тренутак. Замислите да сте истраживач свемира који стиже на удаљену планету, у потрази за ванземаљцима. Шта је ваш први задатак? Да истог тренутка направите круг око планете, приземите се, баците поглед да видите упечатљиве, очигледне знаке живота и да известите натраг у базу. То је фаза у којој смо сада. Бацили смо први поглед на сударач да бисмо уочили нове, упечатљиве, лако приметне честице и можемо да кажемо да их нема. Видели смо чудну, страну избочину на удаљеној планини, али када смо се приближили, видели смо да је камен.
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.
Онда, шта ћемо следеће урадити? Да ли ћемо само одустати и отићи? Сигурно је да нећемо; били бисмо грозни научници да то учинимо. Не, провешћемо неколико деценија у истраживању, у мапирању територије, просејавајући песак помоћу финог инструмента, загледајући испод сваког камена, бушећи испод површине. Нове честице се могу појавити одмах као велике, очигледне избочине или их можемо открити након година прикупљања података.
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.
Човечанство је тек сад почело истраживање у сударачу помоћу велике енергије и чека нас много истраживања. Међутим, шта ако чак и после 10 или 20 година не нађемо нове честице? Изградићемо веће машине.
(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.
Тражићемо уз већу енергију. Тражићемо уз већу енергију. Планирање тунела од 100 километара се већ дешава, а у њему ће се сударати честице уз 10 пута већу енергију у сударачу. Не одлучујемо где ће природа сместити нове честице. Ми једино одлучујемо да наставимо да истражујемо. Шта ако и након изградње сударача од 100 километара, 500 километара или сударача од 10 000 километара који лебди у свемиру између Земље и Месеца и даље не нађемо нове честице? Онда можда погрешно приступамо физици честица.
(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.
Можда треба поново да размотримо ствари. Можда нам је потребно више ресурса, технологије, стручног кадра од онога што тренутно имамо. Већ користимо вештачку интелигенцију и технике учења помоћу машина у деловима сударача, али замислите стварање експеримента у физици честица који користи толико софистициране алгоритме да сам може да открије хипердимензионални 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.
Шта би било кад би било? То је најзначајније питање. Шта ако чак и вештачка интелигенција не може помоћи да одговоримо на питања? Шта ако је суђено да ова вековима отворена питања остану без одговора у догледној будућности? Шта ако је стварима које ме муче откако сам био дете суђено да остану без одговора у току мог животног века? Онда ће то... бити још фасцинантније.
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.
Бићемо приморани да размишљамо на потпуно нове начине. Мораћемо да се вратимо на наше претпоставке и одлучимо да ли негде постоји пропуст. Мораћемо и да охрабримо више људи да се прикључе научном раду јер нам треба нова перспектива за ове проблеме старе један век. Немам одговоре и још увек трагам за њима. Ипак, неко - можда је тренутно у школи, можда још увек није рођена - на крају би могла да нас наведе да видимо физику на потпуно нови начин и да укаже на то да можда само постављамо погрешна питања, што не би био крај физике, већ нови почетак.
Thank you.
Хвала вам.
(Applause)
(Аплауз)