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?
У фізиці є одна проблема, якою я дуже переймаюся із самого дитинства. Вона пов'язана з питанням, що його задають науковці вже майже 100 років і не знаходять відповіді. Яким чином найдрібніші об'єкти природи - частинки квантового світу - співвідносяться з найбільшими об'єктами в природі - планетами, зірками і галактиками, яких тримає разом сила гравітації?
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.
У дитинстві я намагався розібратися з цим питанням наступним чином. Я вовтузився з мікроскопами й електромагнітами, читав про різновиди взаємодії між частинками, про квантову механіку і дивувався тому, наскільки точно ті пояснення збігалися з моїми спостереженнями. А ще я цікавився зірками, читав про те, наскільки добре ми розуміємо гравітацію, і вірив, що має існувати якесь просте і досконале рішення того, як ці дві системи співвідносяться. Але рішення не існує. Книжки демонструють, що ми багато розуміємо про ці два світи окремо один від одного, але коли ми намагаємося поєднати їх математично, нічого не виходить.
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.
І вже протягом 100 років жодна з пропонованих ідей щодо вирішення цієї, по суті фізичної, проблеми не отримала найменшого підтвердження. І для маленького мене - допитливого, скептичного Джеймса - це було вкрай незадовільною відповіддю.
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.
Я досі залишаюся скептичним хлопчаком. А зараз перенесемося у грудень 2015 року, коли я опинився у самому вирі подій світової фізики, які перевернули існуючі до того уявлення. Лабораторія фізики високих енергій (ЦЕРН) отримала надзвичайні дані - натяк на існування нової частинки, надію на унікальне розв'язання цього питання.
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.
Я досі той самий скептичний хлопчак, але відтепер я ще й мисливець за частинками. Я - фізик, працюю на Великому адронному колайдері у ЦЕРН. Це наймасштабніший науковий експеримент у світі. Колайдер знаходиться у 27-кілометровому тунелі на кордоні Франції зі Швейцарією під землею на глибині 100 метрів. У цьому тунелі ми помістили надпровідні магніти, температура яких нижча, ніж в абсолютному космосі. Вони розганяють протони майже до швидкості світла і зіштовхують їх мільйони разів на секунду, реєструючи наслідки таких зіштовхувань у пошуках нових, ще не відкритих фундаментальних частинок. Над проектуванням і створенням колайдера кілька десятиліть працювали тисячі фізиків з усього світу. І ось влітку 2015 року ми безупинно працювали над тим, щоби Великий адронний колайдер прискорював частинки до енергій, які досі були недосяжними в експериментах.
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.
Висока енергія розгону дуже важлива, тому що у випадку елементарних частинок енергія і маса - еквівалентні, маса - лише кількісний показник, даний від природи. Щоби відкрити нові частинки, нам потрібно досягнути вищих показників. Для цього необхідно побудувати більший колайдер з вищими енергіями розгону, а найбільший у світі колайдер із найвищими енергіями є Великий адронний колайдер (ВАК). Далі ми розганяємо протони у квадрильйони разів і повільно - місяць за місяцем - збираємо дані. Нові частинки виявляють себе, коли на графіку з'являються опуклості - невеликі відхилення від очікуваного результату, або кластери показників, через які крива вже не утворює плавної лінії. Наприклад, ця опуклість на графіку, що відображає дані кількох місяців 2012 р., призвела до відкриття частинки Хіггса - бозона Хіггса - і до отримання Нобелівської премії за підтвердження її існування.
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.
Високі енергії розгону, що їх ми намагалися досягти в 2015 р., стали найкращим шансом в історії людства відкрити нові частинки і новою можливістю відповісти на старі питання, тому що тепер потужність експерименту мала вдвічі перевищити енергію, використану під час відкриття частинки Хіггса. Багато моїх колег чекали на цей момент протягом усієї наукової кар'єри, і, чесно кажучи, допитливий хлопчак усередині мене чекав на це все своє життя. Отже, 2015 рік мав стати вирішальним.
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.
У червні 2015-го ВАК запустили знову. Ми з колегами затамували подих і нервово гризли нігті на руках. Нарешті ми засвідчили перші зіштовхування протонів на надвисоких швидкостях розгону. Оплески, шампанське, святкування! Подія стало віхою в науці, а ми жодного уявлення не мали, що знайдемо в принципово нових даних. І ось кілька тижнів потому ми побачили відхилення. Воно не було дуже великим, але достатнім для того, щоби зробити великі очі. Але якщо ті "великі очі" міряти за шкалою від 1 до 10, де 10 означає відкриття нової частинки, то наші "великі очі" тягнуть десь на 4.
(Laughter)
(Сміх)
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 провів години, дні й тижні в таємних зустрічах, сперечаючись із колегами щодо природи цих відхилень, вивчаючи їх за допомогою точних експериментальних інструментів, піддаючи їх найсуворішій критиці. Але навіть після кількох місяців напруженої роботи - коли ми спали в кабінетах, не ходили додому, їли шоколадки на обід, пили каву відрами (фізики - це такі собі машини з перетворення кави на графіки), -
(Laughter)
(Сміх)
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.
це невеличке відхилення даних не зникло. Отже, через кілька місяців ми представили його світу з дуже чітким поясненням: це відхилення у потоці даних є цікавим, але не визначеним, отже, ми будемо спостерігати далі і збирати більше даних. Ми повідомили про це дуже стримано,
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.
але новина швидко розлетілася світом. Вона була хітом новин. Люди говорили, що ситуація нагадує їм те невеличке відхилення, що призвело до відкриття бозона Хіггса. І навіть більше - мої колеги теоретики (я люблю теоретиків!) написали 500 наукових робіт про це маленьке відхилення.
(Laughter)
(Сміх)
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.
Світ фізики елементарних частинок перевернувся з ніг на голову. Але що ж такого в цьому відхиленні даних, що тисячі фізиків одномоментно втратили спокій? Це відхилення унікальне. Воно вказує на те, що відбулася неочікувано велика кількість зіштовхувань частинок, чиї уламки складаються лише з двох фотонів, двох частинок світла. Це рідкісне явище.
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 --
Зіштовхування частинок не схоже на зіткнення автомобілів. Там діють інші правила. Коли зіштовхуються дві частинки майже на швидкості світла, працюють закони квантової фізики. У квантовому світі ці дві частинки можуть швидко утворити нову частинку, яка існуватиме мізерну частину секунди, а потім розпадеться на інші частинки, які ми й зареєструємо. Уявіть, як два автомобілі зіштовхуються й щезають, а на їхньому місці з'являється велосипед.
(Laughter)
(Сміх)
And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.
Потім цей велосипед вибухає, і з'являються два скейтборди, які влучають у наші детектори.
(Laughter)
(Сміх)
Hopefully, not literally. They're very expensive.
Сподіваюся, такого не станеться. Вони дуже дорогі.
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.
Випадки, коли два фотони "влучали" в наші детектори, були нечастими. А через особливі квантові характеристики фотонів існує мала ймовірність утворення нових частинок - цих уявних велосипедів - які б могли дати життя лише двом фотонам. Проте існує велика ймовірність зареєструвати інше явище, яке пов'язане з тим старим як світ питанням, що мучить мене з дитинства, - питанням про гравітацію.
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.
Ви вважаєте гравітацію потужною силою, але насправді вона неймовірно слабка у порівнянні з іншими силами природи. Я легко долаю гравітацію, підстрибнувши, але я не можу вирвати протон з руки. Якою є сила гравітації в порівнянні з іншими силами природи? Це 10 у мінус 39 ступені. Тобто, десятковий дріб із 39-ма нулями після коми.
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.
Треба ще додати, що всі інші відомі сили природи чудово описані у Стандартній моделі - теорії, яку сьогодні вважають найкращим поясненням природних явищ на рівні елементарних частинок, і яка, на мою думку, є одним із найвидатніших досягнень людства. Так от гравітації у Стандартній моделі немає. Це божевілля! Виглядає так, ніби здебільшого силу гравітації не враховано. Невеличку частину її ми відчуваємо, але де поділася решта? Ніхто не знає.
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.
Але існує одне теоретичне припущення, що пропонує сміливе рішення. Ви і я - навіть ви на задніх рядах - живемо у тривимірному просторі. Сподіваюся, це доводити не треба.
(Laughter)
(Сміх)
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.
Усі відомі частинки також існують у тривимірному просторі. По суті, "частинка" - лише інший термін на позначення збудження тривимірного поля, або локального коливання в космосі. Що важливо, використання математичного інструментарію для опису цих явищ базується на переконанні, що у простору є лише три виміри. Але математика така наука, що дозволяє, за потреби, "гратися" з ідеями. Отже, люди граються з ідеєю додаткових вимірів простору вже давно. Але ця ідея завжди була абстрактною математичною концепцією. Я маю на увазі, якщо роздивитися навколо - ось ви на задніх рядах, озирніться - ми чітко бачимо лише три виміри простору.
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.
А що, якщо це не є істиною? Якщо та неврахована гравітація просочується у якійсь понадпросторовий вимір, невидимий мені і вам? А раптом гравітація виявилася б такою ж потужною, як інші сили, якщо б нам вдалося заглянути у цей понадпросторовий вимір, а те, що ми з вами відчуваємо, є всього лише дрібною її часткою, що примушує нас вірити, що гравітація слабка. Якщо це так, нам доведеться розширити Стандартну модель елементарних частинок і включити в неї додаткову частинку - "гіпервимірну" частинку гравітації, такий собі гравітон, що існує у понадпросторових вимірах.
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 бачу вирази ваших облич. Ви ніби запитуєте: "Як, скажіть на милість, перевірити цю ідею з області наукової фантастики, коли ми не можемо вийти за межі тривимірного простору?" Так, як ми завжди робимо - зіштовхнути два протони
(Laughter)
(Сміх)
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.
із такою силою, щоби наслідки зіткнення проявилися в якомусь із імовірних понадпросторових вимірів, моментально створюючи "гіперпросторовий" гравітон, а потім проявилися вже у тривимірному просторі ВАК і викинули два фотони - дві частинки світла. Наразі цей гіпотетичний понадпросторовий гравітон є єдино можливою, гіпотетичною новою частинкою, що має особливі квантові характеристики, які б могли породити наші маленькі двофотонні сплески.
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 --
Отже, з'явилася можливість пояснити таємницю гравітації і відкрити додаткові виміри простору - зараз, напевно, ви розумієте, чому тисячі "схиблених" фізиків одночасно втратили спокій через наш маленький двофотонний сплеск. Через відкриття такого штибу переписують підручники. Але пам'ятаймо, що ми, експериментатори, які реально провели таку роботу в свій час, висловилися досить чітко: нам потрібно більше даних. З більшим масивом даних той маленький сплеск або перетвориться на чудову "хрустку" Нобелівку,
(Laughter)
(Сміх)
Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.
або додаткові дані перетворять наше відхилення на графіку у чудову гладеньку криву.
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.
Отже, ми накопичували дані, і коли кілька місяців потому обсяг даних виріс вп'ятеро, наш маленький сплеск на графіку перетворився у гладеньку криву. У новинах писали про "велике розчарування" та про "згаслі надії", а ще про те, що фізики "дуже засмутилися". Зважаючи на тон публікацій, хтось, можливо, подумав, що ми вирішили вирубати ВАК та роз'їхатися по домівках.
(Laughter)
(Сміх)
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?
Але ми цього не зробили. Чому ні? Ну, якщо я не відкрив нову частинку - а я таки нічого не відкрив, якщо я не відкрив частинку, про що я тут взагалі розмовляю? Чому я не знітився від сорому і не пішов додому?
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.
Фізики, що працюють із частинками, є дослідниками. І левову частку нашої роботи складає картографія. Іншими словами - на секунду забудьте про ВАК - уявіть, що ви дослідник космосу, який прибув на віддалену планету у пошуках інопланетян. Яким буде ваше перше завдання? Вийти на орбіту планети, приземлитися, швидко роззирнутися навколо, реєструючи очевидні ознаки життя, і відзвітувати на базу. Ми зараз на подібній стадії. За допомогою ВАК ми шукали будь-які нові великі помітні частинки, і можемо відзвітувати, що таких немає. Ми побачили дивну незрозумілу опуклість на віддаленій горі, але підійшовши ближче, ми побачили, що то камінь.
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.
І що ж нам робити? Здатися і полетіти геть? Аж ніяк! Нікчемними були б ми науковцями! Ні, наступні кілька десятиліть ми проведемо у дослідженнях, ми будемо картографувати, просіювати пісок, заглядати під кожен камінець, бурити поверхню. Нови частинки або негайно проявлять себе як великі й очевидні опуклості на графіках, або ми їх відкриємо лише через роки накопичення даних.
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.
Людство тільки розпочало свої розвідки за допомогою ВАК із такими високими енергіями, і ще треба багато зробити. А якщо, скажімо, ми так і не знайдемо нових частинок ані через 10, ані через 20 років? Ми побудуємо більший пристрій.
(Laughter)
(Сміх)
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.
Ми застосуємо потужніші енергії. Ми застосуємо потужніші енергії. Вже планується побудова 100-км тунелю, який розганятиме частинки з енергією у 10 разів вищою за енергію ВАК. Ми не можемо вирішувати, де розміщено нові частинки. Ми можемо вирішити продовжити шукати. Що буде, якщо ані 100-кілометровий тунель, ані 500-кілометровий тунель, ані 10 000-кілометровий колайдер, що ширятиме у космосі між Землею та Місяцем, не допоможе відкрити нові частинки? Тоді можна припустити, що фізика елементарних частинок не працює.
(Laughter)
(Сміх)
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.
І нам доведеться думати по-новому. Можливо, знадобиться більше ресурсів, технологій, досвіду у порівнянні і з тим, що маємо зараз. Ми вже використовуємо штучний інтелект і технології машинного навчання у деяких відділах ВАК, а лишень уявіть експеримент у галузі елементарних частинок із використанням таких надскладних алгоритмів, що ВАК сам зможе навчитися шукати гіперпросторовий гравітон.
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.
Задамо вічне питання: А якщо навіть штучний інтелект не допоможе знайти відповідь? І ці питання, що їх задають століттями, приречені залишитися в майбутньому без відповіді? А якщо проблема, яка не дає мені спокою з дитинства, так і залишиться нерозв'язаною за моє життя? Тоді... буде ще цікавіше.
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.
Це нас змусить думати абсолютно по-новому. Нам доведеться повернутися до старих припущень і визначити, де були помилки. Доведеться заохочувати більше людей займатися наукою, адже буде потрібен свіжий погляд на старі як світ проблеми. Я не маю відповідей, я все ще їх шукаю. Але хтось (можливо, це дитя ще вчиться в школі, або ще й не народилося) зможе вказати нам новий шлях у фізиці і показати, що ми, можливо, ставимо не ті питання. І це не буде кінцем фізики, а стане її новітнім початком.
Thank you.
Дякую.
(Applause)
(Оплески)