Why our universe might exist on a knife-edge | Gian Giudice

Překladatel: Marta Gysel Korektor: Jan Vesely

So last year, on the Fourth of July,

4. července minulého roku

experiments at the Large Hadron Collider

experimenty ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC)

discovered the Higgs boson.

objevily Higgsův boson.

It was a historical day.

Byl to historický moment.

There's no doubt that from now on,

Není pochyb, že 4. červenec

the Fourth of July will be remembered

nadále nebude připomínán

not as the day of the Declaration of Independence,

jako den Vyhlášení nezávislosti,

but as the day of the discovery of the Higgs boson.

ale jako den objevení Higgsova bosonu.

Well, at least, here at CERN.

Tedy alespoň zde v CERNu.

But for me, the biggest surprise of that day

Pro mě ale největším překvapením toho dne bylo,

was that there was no big surprise.

že to žádné překvapení nebylo.

In the eye of a theoretical physicist,

Z pohledu teoretického fyzika

the Higgs boson is a clever explanation

je Higgsův boson chytrým vysvětlením,

of how some elementary particles gain mass,

jak některé elementární částice získávají hmotnost,

but it seems a fairly unsatisfactory

ale zdá se, že to je poněkud neuspokojivé

and incomplete solution.

a neúplné řešení.

Too many questions are left unanswered.

Příliš mnoho otázek zůstává nezodpovězeno.

The Higgs boson does not share the beauty,

Higgsův boson nesdílí krásu,

the symmetry, the elegance,

symetrii ani eleganci

of the rest of the elementary particle world.

zbylého světa elementárních částic.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Proto většina teoretických fyziků věří,

believe that the Higgs boson could not

že Higgsův boson nemohl

be the full story.

být konečným vysvětlením.

We were expecting new particles and new phenomena

Očekávali jsme nové částice a nové jevy

accompanying the Higgs boson.

doprovázející Higgsův boson.

Instead, so far, the measurements

A zatím, měření pocházející z LHC

coming from the LHC show no signs of new particles

nenaznačují objevy nových částic

or unexpected phenomena.

nebo nečekaných jevů.

Of course, the verdict is not definitive.

Verdikt není samozřejmě ještě definitivní.

In 2015, the LHC will almost double

V roce 2015 LHC téměř zdvojnásobí

the energy of the colliding protons,

energii srážejících se protonů

and these more powerful collisions

a tyto silnější kolize

will allow us to explore further the particle world,

nám umožní lépe zkoumat svět částic

and we will certainly learn much more.

a jistě se dozvíme mnohem více.

But for the moment, since we have found

Ale prozatím, jelikož jsme neobjevili

no evidence for new phenomena, let us suppose

důkazy nových jevů, předpokládejme,

that the particles that we know today,

že nyní známé částice

including the Higgs boson,

včetně Higgsova bosonu

are the only elementary particles in nature,

jsou jedinými základními částicemi přírody,

even at energies much larger

dokonce v mnohem větších energiích,

than what we have explored so far.

než jaké jsme dosud prozkoumali.

Let's see where this hypothesis is going to lead us.

Podívejme se, kam nás tato hypotéza zavede.

We will find a surprising and intriguing result

Zjistíme překvapivý a záhadný důsledek

about our universe, and to explain my point,

pro náš vesmír, a abych to vysvětlil,

let me first tell you what the Higgs is about,

povím vám nejprve, co je Higgs.

and to do so, we have to go back

Kvůli tomu se musíme vrátit

to one tenth of a billionth of a second

do chvíle jedné desetiny miliardtiny vteřiny

after the Big Bang.

po Velkém třesku.

And according to the Higgs theory,

Podle Higgsovy teorie

at that instant, a dramatic event took place

se v tom okamžiku ve vesmíru

in the universe.

odehrála dramatická událost.

Space-time underwent a phase transition.

Časoprostor prošel fázovým přechodem.

It was something very similar to the phase transition

Bylo to něco velmi podobného fázovému přechodu,

that occurs when water turns into ice

který proběhne při přeměně vody na led

below zero degrees.

pod bodem mrazu.

But in our case, the phase transition

V našem případě není fázový přechod

is not a change in the way the molecules

změna způsobu, jakým jsou molekuly

are arranged inside the material,

uspořádány uvnitř materiálu,

but is about a change

ale změna

of the very fabric of space-time.

samotné podstaty časoprostoru.

During this phase transition, empty space

Během tohoto fázového přechodu je prázdný prostor

became filled with a substance

vyplněn něčím,

that we now call Higgs field.

co nyní nazýváme Higgsovým polem.

And this substance may seem invisible to us,

Tato látka se nám může zdát neviditelná,

but it has a physical reality.

ale je fyzikálně reálná.

It surrounds us all the time,

Neustále nás obklopuje,

just like the air we breathe in this room.

stejně jako vzduch, který zde dýcháme.

And some elementary particles interact

Některé elementární částice vstupují do interakce

with this substance, gaining energy in the process.

s touto látkou a přitom získávají energii.

And this intrinsic energy is what we call

Tuto vnitřní energii nazýváme

the mass of a particle,

hmotností částice.

and by discovering the Higgs boson, the LHC

LHC objevením Higgsova bosonu

has conclusively proved that this substance is real,

nezvratně prokázal, že tato látka je skutečná,

because it is the stuff the Higgs bosons are made of.

protože z této látky je stvořen Higgsův boson.

And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.

Toto je v kostce podstata Higgsova příběhu.

But this story is far more interesting than that.

Ale příběh je mnohem zajímavější.

By studying the Higgs theory,

Studiem Higgsovy teorie

theoretical physicists discovered,

teoretičtí fyzikové objevili,

not through an experiment

ne experimentálně,

but with the power of mathematics,

ale silou matematiky,

that the Higgs field does not necessarily exist

že Higgsovo pole neexistuje nutně

only in the form that we observe today.

jen ve formě, kterou nyní pozorujeme.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Stejně jako hmota může být tekutá nebo pevná,

so the Higgs field, the substance that fills all space-time,

tak i Higgsovo pole, látka vyplňující celý časoprostor,

could exist in two states.

může existovat ve dvou stavech.

Besides the known Higgs state,

Kromě známého Higgsova stavu

there could be a second state in which the Higgs field

by mohl být druhý stav, kdy je Higgsovo pole

is billions and billions times denser

mnoho miliardkrát hustší,

than what we observe today,

než pozorujeme nyní,

and the mere existence of another state

a pouhá existence jiného stavu

of the Higgs field poses a potential problem.

Higgsova pole představuje potenciální problém.

This is because, according to the laws

A to proto, že podle zákonů

of quantum mechanics, it is possible

kvantové mechaniky jsou možné

to have transitions between two states,

přechody mezi dvěma stavy,

even in the presence of an energy barrier

dokonce i v přítomnosti energetické bariéry

separating the two states,

oddělující oba stavy.

and the phenomenon is called,

Tento jev je nazýván,

quite appropriately, quantum tunneling.

docela patřičně, kvantové tunelování.

Because of quantum tunneling,

Díky kvantovému tunelování

I could disappear from this room

bych mohl zmizet z této místnosti

and reappear in the next room,

a znovu se objevit v místnosti vedlejší,

practically penetrating the wall.

prakticky bych prošel zdí.

But don't expect me to actually perform the trick

Ale nečekejte, že tento trik opravdu předvedu

in front of your eyes, because the probability

před vašima očima, protože pravděpodobnost,

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

že bych prošel zdí, je směšně malinká.

You would have to wait a really long time

Museli byste čekat opravdu hodně dlouho,

before it happens, but believe me,

než by se to stalo, ale věřte,

quantum tunneling is a real phenomenon,

že kvantové tunelování je skutečný jev,

and it has been observed in many systems.

který byl pozorován v mnoha systémech.

For instance, the tunnel diode,

Například tunelová dioda,

a component used in electronics,

součástka používaná v elektronice,

works thanks to the wonders

funguje díky zázraku

of quantum tunneling.

kvantového tunelování.

But let's go back to the Higgs field.

Ale zpět k Higgsovu poli.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Kdyby ultrahustý Higgsův stav existoval,

then, because of quantum tunneling,

pak by se díky kvantovému tunelování

a bubble of this state could suddenly appear

mohla bublina tohoto stavu náhle objevit

in a certain place of the universe at a certain time,

na určitém místě vesmíru v určité chvíli,

and it is analogous to what happens when you boil water.

analogicky asi tak, jako když se vaří voda.

Bubbles of vapor form inside the water,

Uvnitř vody se vytvářejí bublinky páry,

then they expand, turning liquid into gas.

zvětšují se, přetvářejí kapalinu na plyn.

In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state

Stejně tak by mohla vzniknout bublina ultrahustého

could come into existence because of quantum tunneling.

Higgsova stavu díky kvantovému tunelování.

The bubble would then expand at the speed of light,

Bublina by pak rostla rychlostí světla,

invading all space, and turning the Higgs field

zabrala celý prostor a změnila by Higgsovo pole

from the familiar state into a new state.

ze známého stavu do stavu nového.

Is this a problem? Yes, it's a big a problem.

Je to nějaký problém? Ano, je to velký problém.

We may not realize it in ordinary life,

Možná si to v běžném životě neuvědomujeme,

but the intensity of the Higgs field is critical

ale intenzita Higgsova pole je zásadní

for the structure of matter.

pro strukturu hmoty.

If the Higgs field were only a few times more intense,

Kdyby bylo Higgsovo pole jen několikrát silnější,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

atomy by se smrštily, neutrony uvnitř atomových jader

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

by zeslábly, jádra by se rozpadla,

and hydrogen would be

a vodík by se stal

the only possible chemical element in the universe.

jediným možným chemickým prvkem v celém vesmíru.

And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state,

Higgsovo pole v ultrahustém Higgsově stavu

is not just a few times more intense than today,

není jen několikrát silnější než nyní,

but billions of times,

ale miliardkrát,

and if space-time were filled by this Higgs state,

a kdyby byl časoprostor vyplněn tímto Higgsovým stavem,

all atomic matter would collapse.

veškerá hmota atomů by se zhroutila.

No molecular structures would be possible, no life.

Nebyly by možné žádné molekulární struktury, žádný život.

So, I wonder, is it possible

Takže si říkám, zda je možné,

that in the future, the Higgs field

že v budoucnosti Higgsovo pole

will undergo a phase transition and,

projde fázovým přechodem

through quantum tunneling, will be transformed

a díky kvantovému tunelování bude přeměněno

into this nasty, ultra-dense state?

na tento ošklivý, ultrahustý stav?

In other words, I ask myself, what is the fate

Jinými slovy, ptám se, jaký bude osud

of the Higgs field in our universe?

Higgsova pole v našem vesmíru?

And the crucial ingredient necessary

Klíčovým jevem, nezbytným

to answer this question is the Higgs boson mass.

k zodpovězení této otázky, je hmotnost Higgsova bosonu.

And experiments at the LHC found that the mass

Experimenty v LHC ukázaly, že hmotnost

of the Higgs boson is about 126 GeV.

Higgsova bosonu je asi 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Vyjádřeno ve známých jednotkách je to malinko,

because it's equal to something like

rovná se to asi tak

10 to the minus 22 grams,

10 na mínus 22 gramů,

but it is large in particle physics units,

ale je to hodně v jednotkách částicové fyziky,

because it is equal to the weight

protože se to rovná váze

of an entire molecule

celé molekuly

of a DNA constituent.

stavební součásti DNA.

So armed with this information from the LHC,

Vyzbrojeni touto informací z LHC

together with some colleagues here at CERN,

jsme spolu s dalšími kolegy zde v CERNu

we computed the probability

spočítali pravděpodobnost,

that our universe could quantum tunnel

že by se náš vesmír mohl kvantově protunelovat

into the ultra-dense Higgs state,

do ultrahustého Higgsova stavu

and we found a very intriguing result.

a došli jsme k velmi úchvatnému závěru.

Our calculations showed

Naše výpočty ukazují,

that the measured value of the Higgs boson mass

že změřená hodnota hmotnosti Higgsova bosonu

is very special.

je velmi neobyčejná.

It has just the right value

Je to ta správná hodnota,

to keep the universe hanging

která vesmír udržuje

in an unstable situation.

v nestabilní situaci.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Higgsovo pole je ve vratké konfiguraci,

that has lasted so far

která doposud vydržela,

but that will eventually collapse.

ale jednou se zhroutí.

So according to these calculations,

Podle těchto výpočtů

we are like campers

jsme jako turisté,

who accidentally set their tent

kteří si náhodou postavili stan

at the edge of a cliff.

na okraji útesu.

And eventually, the Higgs field

Higgsovo pole časem

will undergo a phase transition

projde fázovým přechodem

and matter will collapse into itself.

a hmota se zhroutí sama do sebe.

So is this how humanity is going to disappear?

Takže takto lidstvo zanikne?

I don't think so.

Myslím, že ne.

Our calculation shows that quantum tunneling

Naše výpočty ukazují, že kvantové vytunelování

of the Higgs field is not likely to occur

Higgsova pole zřejmě neproběhne

in the next 10 to the 100 years,

v příštích 10^100 letech,

and this is a very long time.

což je hodně dlouho.

It's even longer than

To je dokonce déle, než

the time it takes for Italy to form a stable government.

trvá sestavení stabilní vlády v Itálii.

(Laughter)

(Smích)

Even so, we will be long gone by then.

I tak, v té době tady dávno nebudeme.

In about five billion years,

Asi za 5 miliard let

our sun will become a red giant,

se naše Slunce stane červeným obrem,

as large as the Earth's orbit,

dosáhne k zemské orbitě

and our Earth will be kaput,

a naše Země bude kaput

and in a thousand billion years,

a za tisíc miliard let,

if dark energy keeps on fueling

pokud bude černá energie nadále pohánět

space expansion at the present rate,

rozpínání vesmíru současnou rychlostí,

you will not even be able to see as far as your toes,

si neuvidíte ani na špičky prstů,

because everything around you

protože vše kolem vás

expands at a rate faster than the speed of light.

se bude rozpínat nadsvětelnou rychlostí.

So it is really unlikely

Takže je opravdu nepravděpodobné,

that we will be around to see the Higgs field collapse.

že zde budeme a uvidíme kolaps Higgsova pole.

But the reason why I am interested

Důvodem mého zájmu

in the transition of the Higgs field

o změny Higgsova pole je,

is because I want to address the question,

že chci položit otázku,

why is the Higgs boson mass so special?

proč je hmotnost Higgsova pole tak zvláštní?

Why is it just right to keep the universe

Proč právě tak udržuje vesmír

at the edge of a phase transition?

na pokraji fázového přechodu?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Teoretičtí fyzikové se vždy tážou "proč".

More than how a phenomenon works,

Spíše než jak něco funguje,

theoretical physicists are always interested in

teoretičtí fyzikové se vždy zajímají,

why a phenomenon works in the way it works.

proč nějaký jev funguje tak, jak funguje.

We think that this these "why" questions

Domníváme se, že tyto otázky "proč"

can give us clues

nás mohou přivést

about the fundamental principles of nature.

k základním principům přírody.

And indeed, a possible answer to my question

Opravdu, možná odpověď na mou otázku

opens up new universes, literally.

doslova otvírá nové vesmíry.

It has been speculated that our universe

Jsou úvahy, že náš vesmír

is only a bubble in a soapy multiverse

je jen bublinou v bublinatém multivesmíru,

made out of a multitude of bubbles,

tvořeném spoustou bublin

and each bubble is a different universe

a každá bublina je jiný vesmír

with different fundamental constants

s jinými základními konstantami

and different physical laws.

a jinými fyzikálními zákony.

And in this context, you can only talk about

V tomto smyslu můžeme jen hovořit o pravděpodobnosti

the probability of finding a certain value of the Higgs mass.

zjištění určité hodnoty Higgsovy hmotnosti.

Then the key to the mystery

Klíčem k záhadě

could lie in the statistical properties

by mohly být statistické vlastnosti

of the multiverse.

multivesmíru.

It would be something like what happens

Bylo by to asi jako

with sand dunes on a beach.

písečné duny na pláži.

In principle, you could imagine to find sand dunes

V podstatě si můžete představit, že na pláži najdeme

of any slope angle in a beach,

písečné duny s nejrůznějšími úhly sklonu,

and yet, the slope angles of sand dunes

ale přesto je úhel sklonu písečných dun

are typically around 30, 35 degrees.

typicky asi 30 - 35 stupňů.

And the reason is simple:

Důvod je jednoduchý:

because wind builds up the sand, gravity makes it fall.

vítr duny vytváří, gravitace je ničí.

As a result, the vast majority of sand dunes

Následkem toho má většina písečných dun

have slope angles around the critical value,

úhel sklonu okolo kritické hodnoty,

near to collapse.

poblíž kolapsu.

And something similar could happen

Něco podobného by se mohlo stát

for the Higgs boson mass in the multiverse.

hmotnosti Higsova bosonu v multivesmíru.

In the majority of bubble universes,

Ve většině bublinatých vesmírů

the Higgs mass could be around the critical value,

by hmotnost Higgsova bosonu mohla být okolo kritické hodnoty,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

blížící se kosmickému kolapsu Higgsova pole,

because of two competing effects,

kvůli dvěma protichůdným efektům,

just as in the case of sand.

stejně jako je tomu s pískem.

My story does not have an end,

Můj příběh je bez konce,

because we still don't know the end of the story.

protože stále neznáme konec příběhu.

This is science in progress,

Toto je věda na pochodu,

and to solve the mystery, we need more data,

potřebujeme více údajů, abychom tu záhadu vyřešili.

and hopefully, the LHC will soon add new clues

Doufejme, že LHC brzy přidá další nové nitky

to this story.

tohoto příběhu.

Just one number, the Higgs boson mass,

Jediné číslo, hmotnost Higgsova bosonu,

and yet, out of this number we learn so much.

a z tohoto čísla se tolik dozvíme.

I started from a hypothesis, that the known particles

Začal jsem hypotézou, že známé částice

are all there is in the universe,

je vše, co ve vesmíru je,

even beyond the domain explored so far.

dokonce i za dosud prozkoumanou oblastí.

From this, we discovered that the Higgs field

Pak jsme objevili, že Higgsovo pole,

that permeates space-time may be standing

pronikající časoprostorem, se může nacházet

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

na ostří nože, připravené k vesmírnému kolapsu,

and we discovered that this may be a hint

a objevili jsme, že toto může napovídat,

that our universe is only a grain of sand

že náš vesmír jen jen zrníčkem písku

in a giant beach, the multiverse.

na gigantické pláži multivesmíru.

But I don't know if my hypothesis is right.

Nevím, zda je má hypotéza správná.

That's how physics works: A single measurement

Tak to ve fyzice chodí: jediné měření

can put us on the road to a new understanding

nás může zavést na cestu k novému chápání

of the universe

vesmíru

or it can send us down a blind alley.

nebo nás zavede do slepé uličky.

But whichever it turns out to be,

Tak nebo tak,

there is one thing I'm sure of:

jednou věcí jsem si jist:

The journey will be full of surprises.

Cesta bude plná překvapení.

Thank you.

Děkuji vám.

(Applause)

(Potlesk)