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.
Obrigado por terem colocado aqui estas imagens de colegas meus. (Risos) Havemos de falar neles. Vou tentar fazer uma experiência. Usualmente não faço experiências. Sou um teórico. Mas vou descobrir o que sucede se carregar neste botão. OK. Eu trabalhei neste campo das partículas elementares. O que acontece à matéria se a dividirmos em pedaços muitos pequenos? De que é feita a matéria? As leis que governam estas partículas são universalmente válidas, e estão intimamente ligadas à história do universo.
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?
Sabemos muita coisa sobre quatro forças. Mas deve haver muitas mais, a distâncias muito, muito pequenas. Ainda não interagimos muito com elas. O fundamental desta palestra é o seguinte: Temos uma experiência notável neste campo da física fundamental, ou seja, a beleza é um critério bem-sucedido para escolher a teoria certa. Porque é que será?
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.
Vou dar-vos um exemplo da minha experiência. É realmente surpreendente que isto tenha acontecido. Em 1957, três ou quatro de nós, formulámos uma teoria parcial de uma destas forças, a força fraca. Estava em desacordo com sete — sete, contem-nas — sete experiências. As experiências estavam todas erradas.
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)
Nós publicámos a teoria antes de o saber, porque achámos que era tão bela que tinha que estar correta! As experiências tinham que estar erradas, e estavam mesmo. O nosso amigo que ali está, Albert Einstein, não prestava grande atenção quando as pessoas diziam: "Há um cientista que realizou uma experiência "que parece estar em desacordo com a relatividade restrita. "É DC Miller. O que é que diz a isto?" E ele respondia, "Ah, isso há de passar." (Risos)
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.
Porque é que este tipo de teorias funciona? A questão é esta. O que é queremos dizer quando falamos em beleza? Vou tentar esclarecer este ponto — esclarecê-lo em parte. Porque é que funciona? O que tem a ver com os seres humanos? Vou-vos fornecer já a resposta à última pergunta: não tem nada a ver com os seres humanos. Algures num outro planeta, na órbita de qualquer estrela muito distante, provavelmente noutra galáxia, poderá haver seres que sejam, pelo menos, tão inteligentes como nós, e estejam interessados na ciência.
Very likely, none is close enough to interact with us.
Não é impossível, penso que provavelmente há muitos.
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.
Muito provavelmente, nenhum está suficientemente perto para interagir connosco. Mas podem estar por aí, muito provavelmente. Suponham que eles têm um aparelho sensorial muito diferente. Têm sete tentáculos, têm 14 olhos compostos muito engraçados e um cérebro com a forma de um "pretzel". Será que eles têm leis diferentes? Há muitas pessoas que acreditam nisso, mas eu penso que estão totalmente enganados. Penso que há leis neste mundo, e claro, não as compreendemos muito bem, neste momento, mas tentamos.
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.
Tentamos aproximarmo-nos delas cada vez mais. Um dia, talvez possamos descobrir a teoria unificada fundamental das partículas e forças, a que eu chamo "lei fundamental". Podemos até não estar muito longe de o conseguir. Mesmo que não cheguemos lá durante a nossa vida, podemos continuar a pensar que ela existe. Estamos apenas a tentar chegar lá cada vez mais perto. Penso que esta é a questão fundamental. Nós exprimimos estas coisas matematicamente. Quando a matemática é muito simples, quando, em termos de qualquer notação matemática, conseguimos escrever a teoria de modo sintético, sem grandes complicações, é essencialmente a isso que chamamos beleza ou elegância.
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.
Foi isso que eu quis dizer sobre as leis. Elas existem mesmo. Certamente que Newton acreditava nisso e disse: "O propósito da filosofia natural é descobrir essas leis." A lei fundamental — isto é uma suposição. A suposição é que a lei fundamental assume a forma de uma teoria unificada de todas as partículas. Há pessoas que lhe chamam "teoria de tudo". Isso é incorreto, porque esta teoria é mecânica quântica. Não vou discorrer sobre mecânica quântica, qual o seu significado, etc. Aliás, já devem ter ouvido muitas coisas erradas sobre mecânica quântica. (Risos) Até há filmes sobre ela com muitas coisas erradas.
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.
Mas o principal é que ela prevê probabilidades. Por vezes essas probabilidades são quase certezas. E em muitos casos familiares, claro que o são. Outras vezes não são, e só temos probabilidades para diferentes resultados. Isso significa que a história do universo não é determinada apenas pela lei fundamental. É a lei fundamental mais uma série incrivelmente longa de acasos, ou de resultados aleatórios, por acréscimo.
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.
A teoria fundamental não inclui esses resultados aleatórios, eles vêm por acréscimo. Por isso não é uma teoria de tudo. Na realidade, há uma quantidade gigantesca de informações no universo à nossa volta que resultam desses acasos, e não apenas da lei fundamental. Diz-se, com frequência, que estamos cada vez mais perto das leis fundamentais ao examinarmos fenómenos a baixas energias e, de seguida, a energias mais altas, e ainda mais altas, ou distâncias mais curtas e, a seguir, ainda mais curtas e de novo distâncias ainda mais curtas, etc., É como descascar as camadas de uma cebola. Continuamos a fazê-lo, e construímos máquinas mais poderosas, aceleradores de partículas. Procuramos a estrutura das partículas a um nível cada vez mais profundo. Desse modo, ficaremos provavelmente cada vez mais próximos da lei fundamental.
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.
Sucede que, quando fazemos isto, consoante vamos descascando as camadas da cebola e nos aproximamos cada vez mais da lei de base, verificamos que cada camada tem algo em comum com a anterior, e com a seguinte. Podemos escrevê-lo matematicamente, e verificamos que a matemática é muito semelhante. As diferentes camadas requerem uma matemática semelhante. Isto é absolutamente notável, e é um aspeto principal daquilo que estou a tentar dizer. A propósito, aquele ali é Newton.
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.
Este é Albert Einstein. Olá, Al! (Risos) Newton disse: "A natureza é semelhante a si mesma" — personificando a natureza no feminino. O que sucede é que os novos fenómenos, as novas camadas, as camadas interiores das camadas ligeiramente menores da cebola que atingimos, parecem-se com as ligeiramente maiores. O tipo de matemática de que necessitámos para a camada anterior é quase o mesmo de que necessitamos para a camada seguinte. É por isso que as equações parecem tão simples. Porque usam a matemática que já temos.
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.
Um exemplo trivial é este. Newton descobriu a lei da gravitação, que é proporcional ao inverso do quadrado da distância entre coisas que se atraem. Coulomb, em França, descobriu a mesma lei para as cargas elétricas. Este é um exemplo dessa semelhança. Analisamos a gravidade e vemos uma certa lei. A seguir analisamos a eletricidade e obtemos a mesma regra. Este é um exemplo muito simples Há muitos outros exemplos mais complexos. A simetria é muito importante nesta análise. Sabem o que significa. Por exemplo, uma circunferência é simétrica segundo as rotações em torno do seu centro. Roda-se a circunferência em torno do centro, a circunferência permanece na mesma. Em três dimensões, se rodarmos uma esfera em torno do centro, todas as rotações deixam a esfera na mesma. São simetrias da esfera. Em geral, dizemos que há uma simetria perante certas operações, se essas operações deixam o fenómeno, ou a sua descrição, inalterada.
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.
Obviamente, as equações de Maxwell são simétricas quanto às rotações de todo o espaço. Nada altera se rodarmos todo o espaço segundo um certo ângulo, não altera o fenómeno da eletricidade ou do magnetismo. No século XIX surge uma nova notação para exprimir isto. Se usarmos essa notação, as equações ficam muito mais simples. A seguir Einstein, com a sua teoria da relatividade restrita, debruçou-se sobre um novo conjunto de simetrias das equações de Maxwell, que se designam por relatividade restrita. Assim, essas simetrias tornam as equações ainda mais curtas e mais belas.
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.
Vamos ver. Não precisam de saber o significado de tudo isto, não faz nenhuma diferença. (Risos) Podem ver a forma. Vemos em cima uma longa lista de equações com três componentes para as três direções do espaço: x, y e z. Usando a análise vetorial, usamos a simetria de rotação, e obtemos este novo conjunto. A seguir usamos a simetria da relatividade restrita e obtemos um conjunto ainda mais simples, aqui em baixo, mostrando que a simetria se revela cada vez melhor. Quanto mais simetria tivermos, melhor se revela a simplicidade e a elegância da teoria.
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.
Nas últimas duas, a primeira equação diz-nos que as cargas elétricas e as correntes originam todos os campos elétricos e magnéticos. A última equação diz-nos que esse é o único magnetismo que existe. Todo o magnetismo resulta das cargas e das correntes elétricas. Talvez um dia encontremos alguma falha neste argumento. Mas por enquanto, isto é o que vale.
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.
Há, agora, uma evolução excitante de que muitos ainda não ouviram falar. Deviam ouvir falar disso, mas é um pouco complicado para explicar com pormenor técnico, por isso não o vou fazer, vou apenas referi-lo. (Risos) Foram Chen Ning Yang, a quem chamamos "Frank" Yang ... (Risos) ... e Bob Mills que a formularam, há 50 anos, É uma generalização das equações de Maxwell, com uma nova simetria. Uma simetria completamente nova. Uma matemática muito similar, mas com uma simetria totalmente nova. Eles esperavam que isso contribuísse, de algum modo, para a física de partículas, mas não.
But then some of us generalized it further. And then it did!
Não contribuiu, por si só, para a física de partículas.
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.
Mas, depois disso, outros generalizaram essa simetria. E aí sim. Resultou numa descrição muito bela da força forte e da força fraca. Por isso dizemos, de novo, o que já dissemos antes. Cada camada da cebola mostra uma semelhança com as camadas adjacentes. A matemática para as camadas adjacentes é muito semelhante à que necessitamos para a nova camada. Por isso é muito bela. Porque já a sabemos escrever de modo conciso e sedutor.
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.
Os temas são estes. Acreditamos que há uma teoria unificada na base de todas as regularidades. Os passos na direção da unificação mostram a simplicidade. A simetria demonstra a simplicidade. Há também uma auto-semelhança entre escalas, por outras palavras, de uma camada da cebola para outra. Auto-semelhança de proximidade. Isso também vale para este fenómeno. Isso justifica porque é que a beleza é um critério bem-sucedido para escolher a teoria correta.
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.
Newton disse: "A Natureza é muito semelhante e consonante consigo mesma." Ele estava a pensar numa coisa que a maioria de nós nem discute mas, no tempo dele, não era uma coisa que fosse reconhecida. Há uma história — não sabemos se é verdadeira — que muitas pessoas contam. Vem referida em quatro fontes. Quando a praga atingiu Cambridge, Newton foi para a quinta da mãe — porque a universidade foi encerrada — e viu uma maçã a cair de uma árvore, ou em cima da cabeça ou algo do género. Repentinamente percebeu que a força que fizera cair a maçã no chão podia ser a mesma força que regulava os movimentos dos planetas e da lua.
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."
Isso foi uma unificação enorme para aquele tempo, embora atualmente a consideremos como um dado adquirido. É a mesma teoria da gravidade. Por isso ele disse que este princípio da natureza, a consonância: "Como este princípio da natureza está muito distante das conceções dos filósofos, "evitei descrevê-lo neste livro, "porque, no mínimo, eu seria considerado como um lunático extravagante ..." — todos temos que ter cuidado com isso... (Risos) ... sobretudo nesta reunião — " ... e desse modo predispor os meus leitores contra todas as coisas
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.
"que são o propósito fundamental do livro." Quem é que hoje pode argumentar que isto é um mero conceito do espírito humano? Que a força que faz com que a maçã caia no chão é a mesma força que origina as órbitas dos planetas e da lua? Toda a gente sabe. É uma propriedade da gravitação. Não é uma coisa que exista no espírito do homem. Obviamente, o espírito humano pode apreciá-la e tirar prazer dela, utilizá-la, mas não resulta do espírito humano. Resulta do carácter da gravidade. Isso é verdade para todas as coisas de que temos estado a falar. Há propriedades da lei fundamental. A lei fundamental é tal que as diversas camadas da cebola são parecidas umas com as outras. Por esse motivo a matemática para uma camada permite que se exprima, de modo simples e belo, o fenómeno da camada seguinte.
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.
Já disse que nesse ano, Newton fez uma série de coisas: a teoria da gravitação, as leis do movimento, o cálculo, a luz branca composta por todas as cores do arco-íris. Podia ter escrito um ensaio sobre "O que fiz nas minhas férias de verão." (Risos). Não devemos assumir estes princípio como postulados metafísicos separados. Eles resultam da teoria fundamental. São aquilo que designamos por propriedades emergentes. Não precisamos de mais uma coisa para obter mais outra coisa. É esse o significado de emergência.
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)
A vida pode emergir da física e da química, acrescidas de um conjunto enorme de acasos. O espírito humano pode surgir da neurobiologia acrescida de um conjunto de acasos, a ligação química resulta da física, e de alguns acasos. A importância destes assuntos não diminui por sabermos que eles resultam de coisas mais fundamentais, mais os acasos. Esta é uma regra geral, e é muito importante termos consciência disso. Não necessitamos de mais coisas para obter mais coisas. Quando as pessoas leem o meu livro, "O Quark e o Jaguar", perguntam sempre: "Não existe mais nada para além do que lá está?" Provavelmente, estão a pensar numa coisa sobrenatural. De qualquer modo, não há. (Risos) Não precisamos de mais coisas para explicar mais coisas.