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.
Спасибо, что повесили там портреты моих коллег. (Смех). Мы поговорим о них. Я вот сейчас эксперимент проведу. Обычно я не провожу экспериментов. Я теоретик. Но всё же посмотрим, что случится, когда я нажму эту кнопку. Ожидаемо. ОК. Я занимался элементарными частицами. Что случится с материей, если нарубить её мелко-мелко? Из чего она сделана? Законы, которым подчиняются элементарные частицы, действуют во всей вселенной, и они тесно связаны с историей вселенной.
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?
Мы изрядно знаем о четырёх видах взаимодействия. Их должно быть значительно больше, но остальные происходят на очень-очень маленьких расстояниях, и мы с ним пока практически не сталкивались. Главная тема моей речи такая: в фундаментальной физике наблюдается замечательный факт, красота — очень хороший критерий выбора верной теории. Как же такое может быть?
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.
Вот пример из моего опыта. Производит, надо заметить, сильное впечатление, когда такое случается. В 1957 году мы втроём или вчетвером представили неполную теорию одного из этих взаимодействий, слабого. И она противоречила семи -- семи! -- экспериментам. Все эксперименты оказались ошибочными.
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)
Мы опубликовали статью, ещё не зная этого, потому что решили: раз теория такая красивая, она обязана быть верной. Ошибочными должны были быть эксперименты, и они такими и оказались. Вот тут у нас портрет Альберта Эйнштейна, Так Эйнштейн вообще не обращал особого внимания на то, что говорят другие, "Тут вот один физик провёл эксперимент, который, кажется, противоречит специальной теории относительности. Д.К. Миллер. Что вы скажете?" А он отвечал: "Ничего страшного, это пройдёт". (Смех).
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.
Вот и возникает вопрос, как же это может так работать. Во-первых, конечно, надо определиться, что значит "красивая" теория. Попробую, отчасти, это объяснить. Почему этот принцип должен работать, и связано ли это с природой человека? Я скажу вам свой ответ на второй вопрос: Нет, это не связано с природой человека. Где-то на другой планете, вращающейся вокруг отдалённой звезды, в какой-нибудь другой галактике, могут обитать существа не менее разумные, чем мы, и также заинтересованные в науке. Это не невозможно, мне так кажется, что таких уйма.
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.
Весьма вероятно, что все они слишком далеко от нас, чтобы как-то с нами взаимодействовать, Но они, тем не менее, легко могут быть где-то там. И предположим, что у них совсем другие органы чувств, и так далее. У них по семь щупалец, 14 маленьких составных глаз, и мозг в форме кренделя. Будут ли у них при этом другие законы природы? Многие люди так и считают, но по-моему это — полная чепуха. Я считаю, что природа подчинена законам, и мы, конечно, не то что бы хорошо их в каждый конкретный момент времени понимаем, но мы стараемся. И стараемся всё ближе подойти к пониманию.
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.
И когда-нибудь мы, возможно, создадим фундаментальную единую теорию частиц и сил, которую я называю "фундаментальный закон". Может быть, мы даже не безумно далеки от него. Но даже если на нашем веку мы на него не наткнёмся, всё равно можно думать, что он такой есть, и мы просто стараемся подойти ближе к нему. По-моему, вот основная идея, требующая осознания. Мы выражаем такие законы математически. И когда математика очень проста — то есть, когда какая-нибудь математическая нотация позволяет записать теорию компактно и без особых сложностей — мы и считаем такую теорию красивой или элегантной.
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.
Вот что я хочу cказать про эти законы. Они существуют объективно. Ньютон определённо в это верил. И он сказал, что "Задача естественных наук состоит в нахождении этих законов". Основной закон — про него есть предположение. Предположение это в том, что основной закон представляет собой объединённую теорию всех частиц. Некоторые называют это теорией всего. Такое название неверно, потому что теория относится к квантовой механике. Я не буду сейчас вдаваться в подробности о квантовой механике, что она такое, и так далее. Вы и так слышали про неё кучу неверных вещей. (Смех). Про неё даже снимали фильмы с разной ерундой.
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.
Главное в ней то, что она предсказывает вероятности. Иногда эти вероятности близки к наверняка. И в большинстве знакомых случаев это, конечно, так. Но иногда это неверно, и есть только вероятности различных исходов. Из этого следует, что история вселенной определяется не только фундаментальным законом. Она определяется фундаментальным законом и невероятно длинной последовательностью случайностей, или случайных исходов, впридачу.
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.
Эти случайные исходы — приложение к фундаментальному закону, а не его часть. Так что это не теория всего. На самом деле, огромное количество информации о вселенной вокруг нас происходит от этих случайностей, а не только от фундаментальных законов. Часто постепенное приближение к фундаментальному закону через изучение явлений при низких энергиях, затем при высоких, затем при ещё более высоких, или на малых расстояниях, а потом ещё более коротких, и ещё более коротких, и так далее, сравнивают с чисткой лука. И мы продолжаем этим заниматься, и строим всё более мощные установки — ускорители частиц. Мы всё глубже всматриваемся в структуру частиц, и за счёт этого вероятно приближаемся к фундаментальному закону.
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.
И вот, пока мы чистим понемногу луковицу, и приближаемся постепенно к закону в её основе, мы замечаем, что каждый слой имеет что-то общее с предыдущим и со следующим. Мы записываем их в виде формул, и замечаем, что они математически похожи. Для их описания используется очень похожая математика. Это совершенно замечательное наблюдение, и оно — главное, о чём я сегодня пытаюсь вам рассказать. Ньютон говорил про это — кстати, Ньютон — он на вот том портрете.
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.
На этом — Альберт Эйнштейн. Привет, Ал! Возвращаясь, он говорил "Природа весьма согласна и подобна в себе самой" В итоге получается, что новые явления, новые слои, внутренние чуть меньшие слои луковицы, до которых мы добираемся, похожи на чуть большие. И математика, описывающая предыдущий слой, почти такая же, как требуется для следующего. Вот потому уравнения и выглядят такими простыми: мы используем уже имеющуюся математику.
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.
Тривиальный пример: Ньютон открыл закон всемирного тяготения, где сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими объектами. Во Франции Кулон открыл тот же закон для электрических зарядов. Вот вам пример сходства. Смотрим на гравитацию, замечаем некий закон. Потом смотрим на электричество. Кто бы сомневался, видим тот же самый закон Это — очень простой пример. Есть уйма более сложных примеров. В этой дискуссии очень важна симметрия. Вы знаете что это такое. Круг, например, симметричен по отношению к поворотам вокруг своего центра. Сколько бы вы ни вертели круг относительно его центра, круг от этого не меняется. В трёхмерном пространстве возьмите сферу. Её тоже можно как угодно вертеть вокруг её центра, И она остаётся неизменной. Это — симметрии сферы. В общем случае мы говорим о симметрии по отношению к каким-то преобразованиям, если эти преобразования сохраняют явление или его описание неизменными.
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.
Уравнения Максвелла, разумеется, симметричны по отношению к любому повороту пространства в целом. Как бы мы ни поворачивали пространство на какой-нибудь угол, это не изменит явление электричества или магнетизма. В XIX веке появилась новая нотация для выражения этой мысли, и с использованием этой нотации уравнения становятся значительно проще. Затем Эйнштейн, с его специальной теорией относительности, охватил все симметрии уравнений Максвелла, которые называются специальной относительностью. И все эти симметрии делают уравнения ещё короче и, как следствие, ещё симпатичнее.
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.
Давайте посмотрим. Совершенно необязательно понимать, что эти формулы значат. Это не имеет значения. Достаточно просто посмотреть на форму. (Смех). Посмотрите на форму. Там, наверху, длинный список уравнений с тремя компонентами для трёх направлений пространства: x, y и z. Применяя векторный анализ, мы учитываем симметрию вращения, и получаем вот этот набор уравнений. Затем мы используем симметрию СТО и получаем ещё более простой набор, как вот здесь, внизу, показывающий, что симметрия проявляется всё лучше и лучше. Чем больше симметрии, тем лучше выражается простота и элегантность теории.
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.
Из последних двух первое уравнение говорит о том, что все электрические заряды и токи порождают электрические и магнитные поля. Следующее, второе, уравнение утверждает, что никакого другого магнетизма в природе нет. Весь магнетизм порождается электрическими зарядами и токами. Когда-нибудь мы, возможно, обнаружим какую-нибудь дыру в этой теории. Но на данный момент это так.
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.
А вот очень интересное развитие этого подхода, о котором мало кто слышал. Слышать-то следовало, но технические подробности довольно сложно рассказать, поэтому я не буду. Только упомяну о нём. (Смех.) Но Чен Нин Янг, которого мы называни "Фрэнк" Янг — (Смех) — и Боб Миллз 50 лет назад предложили обобщение уравнений Максвелла, учитывающем новую симметрию. Совершенно новую симметрию. Математика почти та же, но симметрия совершенно новая. Они надеялись, что оно окажется вкладом в физику частиц — но нет. Оно, само по себе, не стало вкладом в физику частиц.
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.
Но потом нашлись те, кто расширил обобщение. И тут вдруг получилось! И вышло очень красивое описание сильного и слабого взаимодействий. Поэтому я повторю сказанное ранее: каждый слой луковицы обнаруживает сходство с соседними слоями. Поэтому математика прилегающих слоёв очень похожа на ту, которая нужна для нового слоя. И поэтому она выглядит красиво. Потому что мы уже знаем, как записать это в симпатичной и ёмкой форме.
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.
Итого по пунктам. Мы верим, что есть общая теория, лежащая за всеми закономерностями. Шаги к унификации выявляют простоту. Симметрия выявляет простоту. Кроме того, есть самоподобие на разных уровнях шкалы масштабов — другими словами, при переходе от одного слоя луковицы к другому. Близкое самоподобие. Им и объясняется это явление. Оно так же объясняет, почему красота — удачный критерий для выбора верной теории.
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.
Вот что говорил сам Ньютон: "Природа весьма согласна и подобна в себе самой" Среди прочего он имел в виду то, что сейчас большинство воспринимает как само собой разумеющееся, но в его время это было совсем не так. Рассказывают, не абсолютно надёжные источники, но многие. Четверо. Когда в Кембридже была чума, и он уехал на ферму к матери, потому что университет закрылся, он увидел, как яблоко упало с дерева, ему на голову, или что-то в этом роде. И он неожиданно понял, что сила, которая притягивает яблоко на землю, может быть той же силой, что управляет движением планет и лун.
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."
По тем временам это было огромное обобщение, хотя сегодня оно воспринимается как само собой разумеющееся. Это одна и та же теория гравитации. Вот что он сказал о гармонии как принципе природы: "Этот принцип природы очень далёк от представлений философов я не стану описывать его в этой книге, чтобы не прослыть экстравагантным психом..." Вот чего нам всем надо остерегаться. (Смех). Особенно на этом собрании. "... и не создать у моих читателей предвзятого отношения к основному содержанию книги".
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.
Кто сегодня стал бы утверждать, что это — всего лишь человеческое воображение? Что сила, заставляющая яблоко падать на землю — это та же сила, которая заставляет планеты и луны вращаться, и так далее? Все это знают. Это свойство силы тяготения. Это не просто игры человеческого разума. Человеческий разум может, конечно, оценить её порадоваться ей, и даже её использовать — но она не происходит из человеческого разума. Она происходит из свойств гравитации. И это верно для всех вещей, о которых мы сейчас говорим. Они — свойства фундаментального закона. Фундаментальный закон таков, что разные слои луковицы похожи друг на друга и, как следствие, математика, описывающая один слой, позволяет красиво и просто выразить явление следующего слоя.
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.
Замечу, что Ньютон в тот год открыл массу вещей: тяготение, законы движения, математический анализ, разложение белого света на цвета радуги. Он мог бы написать неслабое сочинение на тему "Как я провёл лето". (Смех). Поэтому нам не надо считать эти принципы отдельными метафизическими постулатами. Они следуют из фундаментальной теории. Их мы называем эмергентными свойствами. Для получения чего-то дополнительного не требуются дополнительные исходные материалы. Вот что такое эмергентность.
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)
Жизнь может произойти из физики, химии и длинной череды случайностей. Человеческий разум может возникнуть из нейробиологии и длинной череды случайностей, также, как химическая связь возникает из физики и некоторых случайностей. Важность темы не уменьшается от осознания того, что она состоит из более фундаментальной вещи с добавкой случайностей. Это общее правило, и его осознание критически важно. Для получения чего-то большего необязательно исходно иметь больше. Читатели моей книги "Кварк и ягуар" продолжают спрашивать, "Нет ли чего-то за пределами того, что вы здесь описываете?" Я предполагаю, они имеют в виду сверхъестественное. Как-бы то ни было, нет, нету. (Смех). Совершенно необязательно объяснять новые вещи новыми сущностями. Большое спасибо. (Аплодисменты).