Thank you for putting up these pictures of my colleagues over here. (Laughter) We'll be talking about them. Now, I'm going try an experiment. I don't do experiments, normally. I'm a theorist. But I'm going see what happens if I press this button. Sure enough. OK. I used to work in this field of elementary particles. What happens to matter if you chop it up very fine? What is it made of? And the laws of these particles are valid throughout the universe, and they're very much connected with the history of the universe.
Merci d'avoir accroché là des photos de mes collègues. (Rires). On va parler d'eux. Bon, je vais tenter une expérience. Je ne fais pas d'expériences normalement. Je suis théoricien. Mais je vais voir ce qui arrive si j'appuie sur ce bouton. Voilà. OK. Je travaillais autrefois dans ce domaine des particules élémentaires. Qu'est-ce qui arrive à la matière si on la découpe en tout petits morceaux ? De quoi c'est fait ? Et les lois qui régissent ces particules sont valides dans tout l'Univers, et elles sont profondément connectées à l'histoire de l'Univers.
We know a lot about four forces. There must be a lot more, but those are at very, very small distances, and we haven't really interacted with them very much yet. The main thing I want to talk about is this: that we have this remarkable experience in this field of fundamental physics that beauty is a very successful criterion for choosing the right theory. And why on earth could that be so?
On en sait beaucoup sur quatre forces. Il doit y en avoir plus, mais à des distances très, très courtes, et on n'a encore pas vraiment interagi beaucoup avec elles. Ce que je veux dire principalement, c'est ceci : on a fait la remarquable expérience dans ce domaine de la physique fondamentale que la beauté est un excellent critère pour choisir la bonne théorie. Et pourquoi diable en serait-il ainsi ?
Well, here's an example from my own experience. It's fairly dramatic, actually, to have this happen. Three or four of us, in 1957, put forward a partially complete theory of one of these forces, this weak force. And it was in disagreement with seven -- seven, count them, seven experiments. Experiments were all wrong.
Bon, voici un exemple tiré de ma propre expérience. En fait, c'est assez spectaculaire que ça arrive. Trois ou quatre d'entre nous, en 1957, ont avancé une théorie presque complète sur l'une de ces forces, la force faible. Et elle était en désaccord avec sept -- sept, vous pouvez les compter, sept expériences. Les expériences étaient toutes fausses.
And we published before knowing that, because we figured it was so beautiful, it's gotta be right! The experiments had to be wrong, and they were. Now our friend over there, Albert Einstein, used to pay very little attention when people said, "You know, there's a man with an experiment that seems to disagree with special relativity. DC Miller. What about that?" And he would say, "Aw, that'll go away." (Laughter)
Et on avait publié avant de savoir ça, parce qu'on s'était dit c'est si joli, ça doit être correct ! Les expériences devaient être fausses, et elles l'étaient. Bon, notre ami là-bas, Albert Einstein, portait très peu d'attention quand les gens disaient : « Vous savez, quelqu'un a fait une expérience qui semble être en désaccord avec la relativité restreinte. D. C. Miller. Alors ? » Et lui, il répondait : « Oh ! Ça va passer. » (Rires)
Now, why does stuff like that work? That's the question. Now, yeah, what do we mean by beautiful? That's one thing. I'll try to make that clear -- partially clear. Why should it work, and is this something to do with human beings? I'll let you in on the answer to the last one that I offer, and that is, it has nothing to do with human beings. Somewhere in some other planet, orbiting some very distant star, maybe in a another galaxy, there could well be entities that are at least as intelligent as we are, and are interested in science. It's not impossible; I think there probably are lots.
Alors, pourquoi ce genre de truc marche ? C'est ça, la question. Alors, qu'est-ce qu'on entend par « joli » ? C'est une chose. Je vais essayer de faire clair... quasiment clair. Pourquoi ça devrait marcher et est-ce que cela a à voir avec les êtres humains ? Je vais vous révéler la réponse à cette dernière question. C'est que ça n'a rien à voir avec les êtres humains. Quelque part sur une autre planète, en orbite autour d'une étoile très lointaine, peut-être dans une autre galaxie, il pourrait très bien y avoir des êtres au moins aussi intelligents que nous, et qui s'intéressent à la science. Ce n'est pas impossible ; je pense qu'il y en a probablement des tas.
Very likely, none is close enough to interact with us. But they could be out there, very easily. And suppose they have, you know, very different sensory apparatus, and so on. They have seven tentacles, and they have 14 little funny-looking compound eyes, and a brain shaped like a pretzel. Would they really have different laws? There are lots of people who believe that, and I think it is utter baloney. I think there are laws out there, and we of course don't understand them at any given time very well -- but we try. And we try to get closer and closer.
Il n'y en a sûrement pas d'assez proches pour interagir avec nous. Mais ils pourraient très bien être quelque part là haut. Et supposons qu'ils aient, disons, un dispositif sensoriel très différent, etc. Qu'ils aient sept tentacules, de drôles de petits yeux à facettes, et un cerveau en forme de pretzel. Est-ce qu' ils auraient vraiment des lois différentes ? Il y a beaucoup de gens qui le croient, et je pense que c'est des balivernes. Je pense qu'il y a des lois dans ce monde, et qu'on ne les connaîtra jamais très bien à quelque moment que ce soit -- mais on essaie. Et on essaie de s'en approcher de plus en plus.
And someday, we may actually figure out the fundamental unified theory of the particles and forces, what I call the "fundamental law." We may not even be terribly far from it. But even if we don't run across it in our lifetimes, we can still think there is one out there, and we're just trying to get closer and closer to it. I think that's the main point to be made. We express these things mathematically. And when the mathematics is very simple -- when in terms of some mathematical notation, you can write the theory in a very brief space, without a lot of complication -- that's essentially what we mean by beauty or elegance.
Et un jour, on pourrait en fait découvrir la théorie fondamentale unifiée des particules et des forces, que j'appelle la « loi fondamentale. » On n'en est peut-être même pas très loin. Mais même si on ne tombe pas sur la durant cette vie, on peut quand même penser qu'il y en a une, et on essaie juste de s'en rapprocher de plus en plus. C'est ça, je crois, le point principal. On exprime ces choses en termes mathématiques. Et quand les mathématiques sont très simples, quand, à l'aide d'une certaine notation mathématique, on peut écrire la théorie dans très peu de place, sans trop de complications, c'est essentiellement ce qu'on entend par « beauté » ou « élégance ».
Here's what I was saying about the laws. They're really there. Newton certainly believed that. And he said, here, "It is the business of natural philosophy to find out those laws." The basic law, let's say -- here's an assumption. The assumption is that the basic law really takes the form of a unified theory of all the particles. Now, some people call that a theory of everything. That's wrong because the theory is quantum mechanical. And I won't go into a lot of stuff about quantum mechanics and what it's like, and so on. You've heard a lot of wrong things about it anyway. (Laughter) There are even movies about it with a lot of wrong stuff.
Voici ce que je disais sur les lois. Elles sont vraiment là. Newton le croyait certainement. Et il a dit, voici : « c'est l'affaire de la philosophie naturelle de découvrir ces lois. » La loi de base, disons... Voici une supposition. La supposition, c'est que la loi de base a la forme d'une théorie unifiée de toutes les particules. Alors, il y en a qui appellent ça une théorie de tout. C'est faux ; parce que la théorie est quantique. Et je ne vais pas m'attarder sur la mécanique quantique, comment c'est, et ainsi de suite. Vous avez déjà entendu beaucoup de choses fausses là-dessus, de toutes façons. (Rires). Il y a même des films là-dessus plein de trucs faux.
But the main thing here is that it predicts probabilities. Now, sometimes those probabilities are near certainties. And in a lot of familiar cases, they of course are. But other times they're not, and you have only probabilities for different outcomes. So what that means is that the history of the universe is not determined just by the fundamental law. It's the fundamental law and this incredibly long series of accidents, or chance outcomes, that are there in addition.
Mais le point principal ici, c'est qu'elle prédit des probabilités. Alors, quelques fois, ces probabilités sont presque certaines. Et dans un bon nombre de cas familiers, elles sont certaines, bien sûr. Mais d'autres fois, elles ne le sont pas, et vous avez juste des probabilités pour les différents résultats. Donc, ce que ça veut dire, c'est que l'histoire de l'Univers n'est pas déterminée seulement par la loi fondamentale. Il y a la loi fondamentale et cette incroyablement longue série d'accidents, ou coups du hasard, qui sont là en plus.
And the fundamental theory doesn't include those chance outcomes; they are in addition. So it's not a theory of everything. And in fact, a huge amount of the information in the universe around us comes from those accidents, and not just from the fundamental laws. Now, it's often said that getting closer and closer to the fundamental laws by examining phenomena at low energies, and then higher energies, and then higher energies, or short distances, and then shorter distances, and then still shorter distances, and so on, is like peeling the skin of an onion. And we keep doing that, and build more powerful machines, accelerators for particles. We look deeper and deeper into the structure of particles, and in that way we get probably closer and closer to this fundamental law.
Et la théorie fondamentale n'inclut pas ces coups du hasard ; ils s'y ajoutent. Donc ce n'est pas une théorie de tout. Et en fait, une énorme part de l'information dans l'Univers autour de nous vient de ces accidents, et pas seulement des lois fondamentales. Alors, on dit souvent que s'approcher de plus en plus des lois fondamentales en examinant des phénomènes aux basses énergies, puis à des énergies plus hautes, et puis à des énergies encore plus hautes, ou à de courtes distances, puis à des distances plus courtes, et à des distances encore plus courtes, ainsi de suite, c'est comme peler un oignon. Et on continue de le faire, et on construit des machines plus puissantes, des accélérateurs de particules. On regarde de plus en plus profondément dans la structure des particules, et de cette manière, on s'approche probablement de plus en plus de cette loi fondamentale.
Now, what happens is that as we do that, as we peel these skins of the onion, and we get closer and closer to the underlying law, we see that each skin has something in common with the previous one, and with the next one. We write them out mathematically, and we see they use very similar mathematics. They require very similar mathematics. That is absolutely remarkable, and that is a central feature of what I'm trying to say today. Newton called it -- that's Newton, by the way -- that one.
Alors, ce qui arrive quand on fait ça, quand on retire les couches de l'oignon, et quand on se rapproche de la loi qui les sous-tend, on voit que chaque couche a quelque chose en commun avec la précédente, et avec la suivante. On les écrit en termes mathématiques, et on voit qu'elles utilisent des mathématiques très similaires. Elles requièrent des mathématiques très similaires. C'est absolument remarquable, et c'est un point central de ce que je veux dire aujourd'hui. Newton appelait ça -- c'est Newton, au fait, celui-là.
This one is Albert Einstein. Hi, Al! And anyway, he said, "nature conformable to herself" -- personifying nature as a female. And so what happens is that the new phenomena, the new skins, the inner skins of the slightly smaller skins of the onion that we get to, resemble the slightly larger ones. And the kind of mathematics that we had for the previous skin is almost the same as what we need for the next skin. And that's why the equations look so simple. Because they use mathematics we already have.
Celui-ci c'est Albert Einstein. Salut Al ! Enfin, il parlait de « la Nature conforme à elle-même » -- en la personnifiant. Et donc ce qui arrive, c'est que les nouveaux phénomènes, les nouvelles couches, sous les couches un petit peu plus minces de l'oignon, et qu'on finit par atteindre, ressemblent aux couches un peu plus épaisses. Et le type de mathématiques qu'on avait pour la couche précédente est presque le même que ce qu'on a besoin pour la prochaine couche. Et c'est pour ça que les équations ont l'air si simple. Parce qu'elles utilisent des mathématiques qu'on a déjà.
A trivial example is this: Newton found the law of gravity, which goes like one over the square of the distance between the things gravitated. Coulomb, in France, found the same law for electric charges. Here's an example of this similarity. You look at gravity, you see a certain law. Then you look at electricity. Sure enough. The same rule. It's a very simple example. There are lots of more sophisticated examples. Symmetry is very important in this discussion. You know what it means. A circle, for example, is symmetric under rotations about the center of the circle. You rotate around the center of the circle, the circle remains unchanged. You take a sphere, in three dimensions, you rotate around the center of the sphere, and all those rotations leave the sphere alone. They are symmetries of the sphere. So we say, in general, that there's a symmetry under certain operations if those operations leave the phenomenon, or its description, unchanged.
Voici un exemple trivial : Newton a découvert la loi de la gravité, qui varie comme l'inverse du carré de la distance séparant les objets pesants. Coulomb, en France, a découvert la même loi pour les charges électriques. Voilà un exemple de cette similarité. Vous observez la gravité, vous voyez une certaine loi. Puis vous observez l'électricité. Et voilà. La même règle. C'est un exemple très simple. Il y a plein d'exemples plus sophistiqués. La symétrie est très importante dans cette discussion. Vous savez ce que ça veut dire. Un cercle, par exemple, est symétrique sous les rotations autour de son centre. Vous faites une rotation autour du centre du cercle, le cercle reste inchangé. Vous prenez une sphère, en trois dimensions ; vous faites une rotation autour du centre de la sphère, et toutes ces rotations laissent la sphère tranquille. Ce sont des symétries de la sphère. Donc on dit, en général, qu'il y a une symétrie sous certaines opérations si ces opérations laissent le phénomène, ou sa description, inchangé.
Maxwell's equations are of course symmetrical under rotations of all of space. Doesn't matter if we turn the whole of space around by some angle, it doesn't leave the -- doesn't change the phenomenon of electricity or magnetism. There's a new notation in the 19th century that expressed this, and if you use that notation, the equations get a lot simpler. Then Einstein, with his special theory of relativity, looked at a whole set of symmetries of Maxwell's equations, which are called special relativity. And those symmetries, then, make the equations even shorter, and even prettier, therefore.
Les équations de Maxwell sont bien sûr symétriques sous les rotations de tout l'espace. Ça ne fait rien si on tourne tout l'espace d'un angle quelconque, ça ne laisse pas le -- ne change pas le phénomène électrique ou magnétique. Il y a eu une nouvelle notation au XIXe siècle qui exprimait ceci, et si vous utilisez cette notation, les équations deviennent bien plus simples. Et puis Einstein, avec sa théorie de la relativité restreinte, a étudié tout un groupe de symétries des équations de Maxwell, ce qu'on appelle la relativité restreinte. Et ces symétries rendent donc les équations encore plus courtes, et même plus jolies.
Let's look. You don't have to know what these things mean, doesn't make any difference. But you can just look at the form. (Laughter) You can look at the form. You see above, at the top, a long list of equations with three components for the three directions of space: x, y and z. Then, using vector analysis, you use rotational symmetry, and you get this next set. Then you use the symmetry of special relativity and you get an even simpler set down here, showing that symmetry exhibits better and better. The more and more symmetry you have, the better you exhibit the simplicity and elegance of the theory.
Voyons-les. Vous n'avez pas besoin de savoir ce qu'elles signifient, ça ne fait pas de différence. Mais vous pouvez juste regarder la forme. (Rires). Vous pouvez regarder la forme. Vous voyez au-dessus, tout en haut, une longue liste d'équations avec trois composantes pour les trois directions de l'espace : x, y et z. Puis, avec l'analyse vectorielle, vous utilisez la symétrie de rotation, et vous obtenez cet ensemble suivant. Puis vous utilisez la symétrie de la relativité restreinte et vous obtenez un ensemble encore plus simple là en bas, qui illustre de mieux en mieux la symétrie. Plus vous avez de symétries, plus vous pouvez illustrer la simplicité et l'élégance de la théorie.
The last two, the first equation says that electric charges and currents give rise to all the electric and magnetic fields. The next -- second -- equation says that there is no magnetism other than that. The only magnetism comes from electric charges and currents. Someday we may find some slight hole in that argument. But for the moment, that's the case.
Sur les deux dernières équations, la première exprime que les charges électriques et les courants engendrent tous les champs électriques et magnétiques. L'équation suivante, la seconde, exprime qu'il n'y a pas d'autre magnétisme que celui-là. Le magnétisme vient seulement des charges électriques et des courants. Un jour on pourrait trouver une petite brèche dans cet argument. Mais pour le moment, c'est comme ça.
Now, here is a very exciting development that many people have not heard of. They should have heard of it, but it's a little tricky to explain in technical detail, so I won't do it. I'll just mention it. (Laughter) But Chen Ning Yang, called by us "Frank" Yang -- (Laughter) -- and Bob Mills put forward, 50 years ago, this generalization of Maxwell's equations, with a new symmetry. A whole new symmetry. Mathematics very similar, but there was a whole new symmetry. They hoped that this would contribute somehow to particle physics -- didn't. It didn't, by itself, contribute to particle physics.
Alors, il y a eu un développement très excitant dont beaucoup de gens n'ont pas entendu parler. Ils auraient dû en entendre parler mais c'est un peu ardu d'en expliquer les détails techniques, donc je ne vais pas le faire. Je vais juste le mentionner. (Rires). Chen Ning Yang, que nous appelions « Frank » Yang -- (Rires) -- et Bob Mills ont avancé, il y a 50 ans, une généralisation des équations de Maxwell, avec une nouvelle symétrie. Une toute nouvelle symétrie. Des mathématiques très similaires, mais il y avait une toute nouvelle symétrie. Ils espéraient que ça pourrait contribuer d'une manière ou d'une autre à la physique des particules Mais non. Ça n'a pas contribué en soi à physique des particules.
But then some of us generalized it further. And then it did! And it gave a very beautiful description of the strong force and of the weak force. So here we say, again, what we said before: that each skin of the onion shows a similarity to the adjoining skins. So the mathematics for the adjoining skins is very similar to what we need for the new one. And therefore it looks beautiful because we already know how to write it in a lovely, concise way.
Mais ensuite, certains d'entre nous l'ont généralisée un peu plus. Et là, ça a contribué ! Et ça a donné une très belle description de la force forte et de la force faible. Donc là nous répétons ce que nous avons dit tout à l'heure : que chaque couche de l'oignon montre une similarité avec les couches adjointes. Donc les mathématiques des couches adjointes sont très similaires aux mathématiques de la nouvelle couche. Et par conséquent, c'est beau. Parce qu'on sait déjà comment l'écrire d'une façon agréable et concise.
So here are the themes. We believe there is a unified theory underlying all the regularities. Steps toward unification exhibit the simplicity. Symmetry exhibits the simplicity. And then there is self-similarity across the scales -- in other words, from one skin of the onion to another one. Proximate self-similarity. And that accounts for this phenomenon. That will account for why beauty is a successful criterion for selecting the right theory.
Donc voici les principes. Nous pensons qu'il y a une théorie unifiée qui sous-tend toutes les régularités. Les étapes vers l'unification illustrent la simplicité. La symétrie illustre la simplicité. Et puis il y a une auto-similarité à travers les échelles -- autrement dit, d'une couche de l'oignon à l'autre. Une auto-similarité de proximité. Et c'est ce qui explique ce phénomène. Ça explique pourquoi la beauté est un bon critère pour choisir la bonne théorie.
Here's what Newton himself said: "Nature is very consonant and conformable to her self." One thing he was thinking of is something that most of us take for granted today, but in his day it wasn't taken for granted. There's the story, which is not absolutely certain to be right, but a lot of people told it. Four sources told it. That when they had the plague in Cambridge, and he went down to his mother's farm -- because the university was closed -- he saw an apple fall from a tree, or on his head or something. And he realized suddenly that the force that drew the apple down to the earth could be the same as the force regulating the motions of the planets and the moon.
Voici ce que Newton en personne a dit : « La Nature est très consonante et conforme à elle-même. » Une chose à laquelle il pensait, que la plupart d'entre nous aujourd'hui prend pour acquise, mais en son temps, ça n'était pas évident. Il y a cette histoire, qui n'est peut-être pas complètement vraie, mais beaucoup l'ont racontée. Quatre sources la relatent. Quand il y avait la peste à Cambridge, et qu'il était descendu à la ferme de sa mère, parce que l'université était fermée, il a vu une pomme tomber d'un arbre, ou sur sa tête, ou quelque chose comme ça. Et il a réalisé soudain que la force qui attirait la pomme vers la Terre pouvait être la même que la force qui régit le mouvement des planètes et de la lune.
That was a big unification for those days, although today we take it for granted. It's the same theory of gravity. So he said that this principle of nature, consonance: "This principle of nature being very remote from the conceptions of philosophers, I forbore to describe it in that book, lest I should be accounted an extravagant freak ... " That's what we all have to watch out for, (Laughter) especially at this meeting. " ... and so prejudice my readers against all those things which were the main design of the book."
C'était une grande unification à l'époque, bien qu'aujourd'hui on prenne ça pour acquis. C'est la même théorie de la gravité. Donc il a dit que ce principe de la nature, la consonance : « Ce principe de la nature étant très éloigné des conceptions des philosophes, je me suis abstenu de le décrire dans ce livre, de peur d'être tenu pour un original extravagant... » On doit tous faire attention à ça. (Rires). Surtout à cette rencontre. « ... et ainsi influencer mes lecteurs contre toutes ces choses qui sont le principal dessein de ce livre. »
Now, who today would claim that as a mere conceit of the human mind? That the force that causes the apple to fall to the ground is the same force that causes the planets and the moon to move around, and so on? Everybody knows that. It's a property of gravitation. It's not something in the human mind. The human mind can, of course, appreciate it and enjoy it, use it, but it's not -- it doesn't stem from the human mind. It stems from the character of gravity. And that's true of all the things we're talking about. They are properties of the fundamental law. The fundamental law is such that the different skins of the onion resemble one another, and therefore the math for one skin allows you to express beautifully and simply the phenomenon of the next skin.
Alors, qui aujourd'hui irait dire que c'est juste de la suffisance de la part de l'esprit humain ? Que la force qui provoque la chute de la pomme vers le sol est la même force qui fait tourner les planètes et la lune, et ainsi de suite ? Tout le monde sait ça. C'est une propriété de la gravitation. Ce n'est pas quelque chose dans l'esprit humain. L'esprit humain peut l'apprécier, bien sûr, en profiter, l'utiliser, mais ce n'est pas -- Ça ne provient pas de l'esprit humain. Ça vient du caractère de la gravité. Et c'est vrai pour tout ce dont je parle ici. Ce sont des propriété de la loi fondamentale. La loi fondamentale est telle que les différentes couches de l'oignon se ressemblent, et donc les mathématiques d'une couche permettent d'exprimer joliment et simplement le phénomène de la prochaine couche.
I say here that Newton did a lot of things that year: gravity, the laws of motion, the calculus, white light composed of all the colors of the rainbow. And he could have written quite an essay on "What I Did Over My Summer Vacation." (Laughter) So we don't have to assume these principles as separate metaphysical postulates. They follow from the fundamental theory. They are what we call emergent properties. You don't need -- you don't need something more to get something more. That's what emergence means.
Je vous le dis, Newton a fait beaucoup cette année-là : la gravité, les lois du mouvement, l'analyse et la lumière composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Et il aurait pu écrire une sacrée dissertation sur « Ce que j'ai fait pendant les vacances d'été. » (Rires). Donc on n'est pas obligé de présumer que ces principes sont des postulats métaphysiques séparés. Ils découlent de la théorie fondamentale. Ce sont ce qu'on appelle des propriétés émergentes. Vous n'avez pas besoin... Vous n'avez pas besoin de plus pour obtenir plus. C'est ça que « émergence » veut dire.
Life can emerge from physics and chemistry, plus a lot of accidents. The human mind can arise from neurobiology and a lot of accidents, the way the chemical bond arises from physics and certain accidents. It doesn't diminish the importance of these subjects to know that they follow from more fundamental things, plus accidents. That's a general rule, and it's critically important to realize that. You don't need something more in order to get something more. People keep asking that when they read my book, "The Quark and the Jaguar," and they say, "Isn't there something more beyond what you have there?" Presumably, they mean something supernatural. Anyway, there isn't. (Laughter) You don't need something more to explain something more. Thank you very much. (Applause)
La vie peut émerger de la physique et de la chimie, plus beaucoup d'accidents. L'esprit humain peut provenir de la neurobiologie et beaucoup d'accidents, la façon dont la liaison chimique découle de la physique et certains accidents. Ça ne diminue pas l'importance de ces sujets de savoir qu'ils proviennent de choses plus fondamentales, plus des accidents. C'est une règle générale et c'est d'une importance critique de le comprendre. Vous n'avez pas besoin de plus pour obtenir plus. Les gens n'arrêtent pas de me demander ça quand ils lisent mon livre « le Quark et le jaguar ». Il disent : « N'y a-t-il pas quelque chose au-delà de ce que vous avez là ? » Je suppose qu'ils pensent à quelque chose de surnaturel. De toutes façons, il n'y a rien. (Rires). Vous n'avez pas besoin de plus pour expliquer quelque chose de plus. Merci beaucoup. (Applaudissements).