Im späten 19. Jahrhundert versuchten Wissenschaftler ein Rätsel zu lösen. Wenn Sie eine Vakuumröhre wie diese unter Hochspannung setzten, passierte etwas Merkwürdiges. Sie nannten sie Kathodenstrahlen. Aber die Frage war: woraus bestehen sie?
In the late 19th century, scientists were trying to solve a mystery. They found that if they had a vacuum tube like this one and applied a high voltage across it, something strange happened. They called them cathode rays. But the question was: What were they made of?
J.J. Thompson, ein englischer Physiker des 19. Jahrhunderts, führte mit Magneten und Elektrizität Experimente wie diese durch. Und er entdeckte etwas Unglaubliches. Diese Strahlen bestanden aus negativ geladenen Teilchen, die etwa 2.000 mal leichter waren als ein Wasserstoffatom, das kleinste damals bekannte Teilchen. Damit hatte Thompson das erste subatomare Teilchen entdeckt, das wir heute Elektron nennen.
In England, the 19th-century physicist J.J. Thompson conducted experiments using magnets and electricity, like this. And he came to an incredible revelation. These rays were made of negatively charged particles around 2,000 times lighter than the hydrogen atom, the smallest thing they knew. So Thompson had discovered the first subatomic particle, which we now call electrons.
Nun damals erschien das wie eine komplett unnütze Entdeckung. Damit meine ich, dass Thompson keine Anwendungen für Elektronen sah. Auf sein Labor in Cambridge brachte er gerne folgenden Trinkspruch aus: "Auf das Elektron. Möge es nie Jemandem von Nutzen sein."
Now, at the time, this seemed to be a completely impractical discovery. I mean, Thompson didn't think there were any applications of electrons. Around his lab in Cambridge, he used to like to propose a toast: "To the electron. May it never be of use to anybody."
(Gelächter)
(Laughter)
Er war ein großer Verfechter davon, Forschung aus reiner Neugier zu betreiben, um damit zu einem tieferen Verständis der Welt zu gelangen. Und was er entdeckte, löste eine wissenschaftliche Revolution aus. Aber es brachte auch einen unerwarteten technologischen Fortschritt. Heute möchte ich ein Plädoyer halten für Forschung, die auf Neugier basiert, denn ohne sie, wäre keine der Technologien, über die ich heute rede, überhaupt möglich.
He was strongly in favor of doing research out of sheer curiosity, to arrive at a deeper understanding of the world. And what he found did cause a revolution in science. But it also caused a second, unexpected revolution in technology. Today, I'd like to make a case for curiosity-driven research, because without it, none of the technologies I'll talk about today would have been possible.
Thompsons Entdeckung hat wirklich unsere Sicht auf die Welt verändert. Ich denke, ich stehe hier auf einer Bühne, und Sie denken, Sie sitzen in einem Sitz. Aber das sind nur die Elektronen in Ihrem Körper, die gegen die Elektronen in Ihrem Sitz drücken, und sich der Schwerkraft entgegensetzten. Sie berühren nicht einmal wirklich den Sitz. Sie schweben in der Tat immer ganz leicht darüber. In vieler Hinsicht basiert unsere moderne Gesellschaft auf dieser Entdeckung. Diese Bildröhren waren der Beginn aller Elektronik. Und dann für viele Jahre, hatten die meisten von uns sogar eine im Wohnzimmer, als Bestandteil von Bildröhrenfernsehern. Aber wie jämmerlich wäre unser Leben, wenn Fernseher das einzige Produkt dieser Entdeckung geblieben wären.
Now, what Thompson found here has actually changed our view of reality. I mean, I think I'm standing on a stage, and you think you're sitting in a seat. But that's just the electrons in your body pushing back against the electrons in the seat, opposing the force of gravity. You're not even really touching the seat. You're hovering ever so slightly above it. But in many ways, our modern society was actually built on this discovery. I mean, these tubes were the start of electronics. And then for many years, most of us actually had one of these, if you remember, in your living room, in cathode-ray tube televisions. But -- I mean, how impoverished would our lives be if the only invention that had come from here was the television?
(Gelächter)
(Laughter)
Glücklicherweise war die Bildröhre nur der Beginn, denn es passiert noch etwas anderes, wenn Elektronen hier auf das Metall in der Röhre auftreffen. Ich zeige es Ihnen. Das erst wieder Einschalten. Wenn die Elektronen also plötzlich im Metall abbremsen, wird ihre Energie freigesetzt als hochenergetische Strahlung, sogenannte Röntgenstrahlen.
Thankfully, this tube was just a start, because something else happens when the electrons here hit the piece of metal inside the tube. Let me show you. Pop this one back on. So as the electrons screech to a halt inside the metal, their energy gets thrown out again in a form of high-energy light, which we call X-rays.
(Summen)
(Buzzing)
(Summen)
(Buzzing)
Innerhalb von 15 Jahren nach Entdeckung des Elektrons wurden Röntgenstrahlen zum Blick in das Körperinnere verwendet, was Chirurgen half, das Leben von Soldaten zu retten, denn sie konnten nun Projektil- und Schrapnell-Splitter im Körper auffinden. Wir hätten diese Technologie niemals gefunden, wenn wir nur nach neuen chirurgischen Instrumenten geforscht hätten. Allein eine Forschung getrieben von Neugier und ohne Nutzen im Sinn, erlaubte uns die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlen.
And within 15 years of discovering the electron, these X-rays were being used to make images inside the human body, helping soldiers' lives being saved by surgeons, who could then find pieces of bullets and shrapnel inside their bodies. But there's no way we could have come up with that technology by asking scientists to build better surgical probes. Only research done out of sheer curiosity, with no application in mind, could have given us the discovery of the electron and X-rays.
Diese Röhre hat uns auch die Türen zum Verständis unseres Universums geöffnet und die Teilchenphysik begründet, denn dies ist auch der erste, sehr einfache Teilchenbeschleuniger. Ich selbst bin Beschleunigerphysikerin und entwickle Teilchenbeschleuniger, und ich erforsche das Verhalten von Strahlen. Mein Fachgebiet ist etwas anders, da es von Neugier getriebene Forschung und Technologie mit praktischen Anwendungen vereint. Es ist die Kombination dieser beiden Aspekte, die mich an meiner Arbeit wirklich begeistert. In den letzten 100 Jahren gab es zu viele Beispiele, um sie alle aufzulisten. Darum nenne ich nur einige Ausgewählte.
Now, this tube also threw open the gates for our understanding of the universe and the field of particle physics, because it's also the first, very simple particle accelerator. Now, I'm an accelerator physicist, so I design particle accelerators, and I try and understand how beams behave. And my field's a bit unusual, because it crosses between curiosity-driven research and technology with real-world applications. But it's the combination of those two things that gets me really excited about what I do. Now, over the last 100 years, there have been far too many examples for me to list them all. But I want to share with you just a few.
1928 fand der Physiker Paul Dirac etwas Ungewöhnliches in seinen Gleichungen. Allein auf seinem mathematischen Verständnis basierend, sagte er voraus, dass eine zweite Form von Materie existieren müsste, das Gegenstück zu normaler Materie, und beide sollten sich bei Kontakt gegenseitig auslöschen: Antimaterie. Das hörte sich zunächst unvorstellbar an. Aber vier Jahre später war sie gefunden. Heute nutzen wir sie täglich in Krankenhäusern zum Finden von Krankheiten mit Positronen- Emissions-Tomographie, oder PET-Scans.
In 1928, a physicist named Paul Dirac found something strange in his equations. And he predicted, based purely on mathematical insight, that there ought to be a second kind of matter, the opposite to normal matter, that literally annihilates when it comes in contact: antimatter. I mean, the idea sounded ridiculous. But within four years, they'd found it. And nowadays, we use it every day in hospitals, in positron emission tomography, or PET scans, used for detecting disease.
Oder die Röntgenstrahlen. Wenn wir die Energie dieser Elektronen erhöhen, in etwa um das Tausendfache im Vergleich zu dieser Röhre, dann würden die entstehenden Röntgenstrahlen genug ionisierende Strahlung liefern, um menschliche Zellen zu zerstören. Und wenn wir Form und Richtung dieser Röntgenstrahlen lenken können, ermöglicht uns das etwas Großartiges: Die Behandlung von Krebs ohne Medikamente oder Operation durch Strahlentherapie. In Australien und Großbritannien wird etwa die Hälfte aller Krebspatienten mit Strahlentherapie behandelt. Damit sind Elektronenbeschleuniger tatsächlich Standardausstattung in den meisten Kliniken.
Or, take these X-rays. If you can get these electrons up to a higher energy, so about 1,000 times higher than this tube, the X-rays that those produce can actually deliver enough ionizing radiation to kill human cells. And if you can shape and direct those X-rays where you want them to go, that allows us to do an incredible thing: to treat cancer without drugs or surgery, which we call radiotherapy. In countries like Australia and the UK, around half of all cancer patients are treated using radiotherapy. And so, electron accelerators are actually standard equipment in most hospitals.
Oder schauen wir doch mal in Ihr Zuhause: Sie haben ein Smartphone oder einen Computer -- und da wir hier bei TEDx sind, haben Sie vermutlich beides dabei, oder? Nun, in diesen Geräten sitzen Prozessoren, hergestellt durch den Einbau einzelner Ionen in Silikon. Dieses Verfahren heißt Ionen-Implantation und basiert auf einem Teilchenbeschleuniger.
Or, a little closer to home: if you have a smartphone or a computer -- and this is TEDx, so you've got both with you right now, right? Well, inside those devices are chips that are made by implanting single ions into silicon, in a process called ion implantation. And that uses a particle accelerator.
Allerdings würde ohne Forschung aus Neugier keines dieser Dinge überhaupt existieren. Über die Jahre haben wir gelernt, dass Innere des Atoms zu erforschen. Und dafür mussten wir lernen, wie man Teilchenbeschleiniger baut. Die ersten Geräte ermöglichten uns, das Atom zu spalten. Und dann mit immer höherer Energie kamen kreisförmige Beschleuniger, die uns Zugang zum Atomkern ermöglichten, und uns dann sogar erlaubten, neue Elemente zu erschaffen. Ab diesem Punkt erforschten wir nicht mehr nur das Atominnere. Wir hatten gelernt, diese Partikel zu kontrollieren. Wir hatten gelernt mit unserer Welt zu interagieren auf einer Ebene, die so winzig ist, das wir Menschen sie weder sehen, anfassen oder wahrnehmen können.
Without curiosity-driven research, though, none of these things would exist at all. So, over the years, we really learned to explore inside the atom. And to do that, we had to learn to develop particle accelerators. The first ones we developed let us split the atom. And then we got to higher and higher energies; we created circular accelerators that let us delve into the nucleus and then create new elements, even. And at that point, we were no longer just exploring inside the atom. We'd actually learned how to control these particles. We'd learned how to interact with our world on a scale that's too small for humans to see or touch or even sense that it's there.
Dann bauten wir immer größere Beschleuniger, aus Neugier über die Beschaffenheit des Universums. Als wir dann immer tiefer bohrten, fanden wir immer neue Teilchen. Jetzt haben wir diese riesigen, ringförmigen Maschinen, die zwei entgegengesetzte Teilchenstrahlen nehmen, sie auf etwa Haaresbreite komprimieren und dann miteinander kollidieren. Und auf Basis von Einsteins's E=mc2 kann die frei werdende Energie, in neue Materie umgewandelt werden, neue Teilchen, die wir dem Stoff, der unser Universum bildet, entreißen.
And then we built larger and larger accelerators, because we were curious about the nature of the universe. As we went deeper and deeper, new particles started popping up. Eventually, we got to huge ring-like machines that take two beams of particles in opposite directions, squeeze them down to less than the width of a hair and smash them together. And then, using Einstein's E=mc2, you can take all of that energy and convert it into new matter, new particles which we rip from the very fabric of the universe.
Heute gibt es etwa 35.000 Teilchenbeschleuniger weltweit, ohne Fernseher mitzuzählen. In jeder dieser unglaublichen Maschinen, finden sich Hunderte und Milliarden winziger Teilchen, die Tanzen und Wirbeln in Systemen, die weitaus komplexer sind als die Geburt von Galaxien. Mir fehlen die Worte zu beschreiben, wie fantastisch es ist, dass wir dazu in der Lage sind.
Nowadays, there are about 35,000 accelerators in the world, not including televisions. And inside each one of these incredible machines, there are hundreds of billions of tiny particles, dancing and swirling in systems that are more complex than the formation of galaxies. You guys, I can't even begin to explain how incredible it is that we can do this.
(Lachen)
(Laughter)
(Applaus)
(Applause)
Ich möchte sie heute dazu ermutigen, ihre Zeit und Energie in Menschen zu investieren, die aus Neugier forschen. Es war Jonathan Swift, der einst sagte: "Vorstellungskraft ist die Fähigkeit, das Unsichtbare zu sehen." Und genau das hat J.J. Thompson vor über 100 Jahren getan, als er den Schleier von der subatomaren Welt lüftete.
So I want to encourage you to invest your time and energy in people that do curiosity-driven research. It was Jonathan Swift who once said, "Vision is the art of seeing the invisible." And over a century ago, J.J. Thompson did just that, when he pulled back the veil on the subatomic world.
Wir müssen jetzt in Forschung investieren, die von Neugier getrieben ist, denn wir haben so viele Probleme zu lösen. Und wir brauchen Geduld. Wir müssen Wissenschaftlern die Zeit, den Freiraum und die Mittel geben, ihre Suche fortzusetzen, denn die Geschichte lehrt uns, wenn wir neugierig und offen bleiben können, in Bezug auf die Ergebnisse unserer Forschung, werden unsere Entdeckungen umso mehr die Welt verändern.
And now we need to invest in curiosity-driven research, because we have so many challenges that we face. And we need patience; we need to give scientists the time, the space and the means to continue their quest, because history tells us that if we can remain curious and open-minded about the outcomes of research, the more world-changing our discoveries will be.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)