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

Gian Giudice: Warum unser Universum auf Messers Schneide steht

Übersetzung: Kay Kraemer Lektorat: Regina Geisler

So last year, on the Fourth of July,

Letztes Jahr, am 4. Juli,

experiments at the Large Hadron Collider

wurde beim Experiment am Large Hadron Collider

discovered the Higgs boson.

das Higgs-Boson entdeckt.

It was a historical day.

Es war ein historischer Tag.

There's no doubt that from now on,

Zweifellos wird man sich von nun an,

the Fourth of July will be remembered

an den 4. Juli

not as the day of the Declaration of Independence,

nicht als den Unabhängigkeitstag der Vereinigten Staaten erinnern,

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

sondern als den der Entdeckung des Higgs-Bosons.

Well, at least, here at CERN.

Zumindest hier am CERN.

But for me, the biggest surprise of that day

Aber die größte Überraschung für mich an diesem Tag war,

was that there was no big surprise.

dass es eigentlich keine große Überraschung war.

In the eye of a theoretical physicist,

In den Augen eines theoretischen Physikers

the Higgs boson is a clever explanation

ist das Higgs-Boson eine kluge Erklärung,

of how some elementary particles gain mass,

wie einige Elementarteilchen Masse erhalten,

but it seems a fairly unsatisfactory

aber es scheint eine wenig zufriedenstellende

and incomplete solution.

und unvollständige Lösung zu sein.

Too many questions are left unanswered.

Zu viele Frage bleiben unbeantwortet.

The Higgs boson does not share the beauty,

Das Higgs-Boson teilt nicht die Schönheit,

the symmetry, the elegance,

die Symmetrie und die Eleganz

of the rest of the elementary particle world.

der übrigen Welt der Elementarteilchen.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Daher glaubt die Mehrheit der theoretischen Physiker,

believe that the Higgs boson could not

dass das Higgs-Boson nicht

be the full story.

alles sein kann.

We were expecting new particles and new phenomena

Wir erwarteten neue Partikel und neue Phänomene

accompanying the Higgs boson.

in Begleitung des Higgs-Bosons.

Instead, so far, the measurements

Stattdessen haben die Messungen

coming from the LHC show no signs of new particles

vom LHC bislang weder Anzeichen neuer Partikel erkennen lassen,

or unexpected phenomena.

noch sonstige unerwartete Phänomene offengelegt.

Of course, the verdict is not definitive.

Natürlich ist das Urteil nicht endgültig.

In 2015, the LHC will almost double

2015 wird der LHC die Energie

the energy of the colliding protons,

kollidierender Protonen nahezu verdoppeln

and these more powerful collisions

und diese mächtigeren Kollisionen

will allow us to explore further the particle world,

erlauben uns die weitere Ergründung der Partikelwelt

and we will certainly learn much more.

und wir werden sicher viel mehr lernen.

But for the moment, since we have found

Aber da wir für den Moment nichts gefunden haben,

no evidence for new phenomena, let us suppose

das neue Phänomene belegt, nehmen wir einmal an,

that the particles that we know today,

dass die Partikel, die wir heute kennen,

including the Higgs boson,

das Higgs-Boson eingeschlossen,

are the only elementary particles in nature,

die einzigen Elementarteilchen in der Natur sind,

even at energies much larger

sogar bei viel höherer Energie,

than what we have explored so far.

als wir bislang erforscht haben.

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

Schauen wir mal, wo uns diese Hypothese hinführt.

We will find a surprising and intriguing result

Wir werden ein überraschendes und fesselndes Ergebnis

about our universe, and to explain my point,

über unser Universum bekommen. Zum besseren Verständnis

let me first tell you what the Higgs is about,

lassen Sie mich zunächst das Higgs erklären.

and to do so, we have to go back

Dazu müssen wir zu

to one tenth of a billionth of a second

einem Zehntel einer Milliardstel Sekunde

after the Big Bang.

nach dem Urknall zurückkehren.

And according to the Higgs theory,

Nach der Higgs Theorie

at that instant, a dramatic event took place

fand im Universum zu jenem Zeitpunkt

in the universe.

ein dramatisches Ereignis statt.

Space-time underwent a phase transition.

Die Raumzeit durchlief einen Phasenübergang.

It was something very similar to the phase transition

Er war dem Phasenübergang sehr ähnlich,

that occurs when water turns into ice

der sich beim Wandel von Wasser zu Eis

below zero degrees.

unterhalb Null Grad vollzieht.

But in our case, the phase transition

Aber jener Phasenübergang

is not a change in the way the molecules

war keine Änderung des Zustands

are arranged inside the material,

der in der Materie angeordneten Moleküle,

but is about a change

sondern eine Änderung

of the very fabric of space-time.

im Gewebe der Raumzeit selbst.

During this phase transition, empty space

Während des Phasenübergangs wurde leerer Raum

became filled with a substance

mit einer Substanz gefüllt,

that we now call Higgs field.

die wir jetzt Higgs-Feld nennen.

And this substance may seem invisible to us,

Diese Substanz mag für uns unsichtbar erscheinen,

but it has a physical reality.

doch sie ist von physischer Realität.

It surrounds us all the time,

Sie umgibt uns immer,

just like the air we breathe in this room.

wie die Luft, die wir in diesem Raum atmen.

And some elementary particles interact

Einige Elementarteilchen interagieren

with this substance, gaining energy in the process.

mit dieser Substanz, gewinnen Energie im Prozess.

And this intrinsic energy is what we call

Diese intrinsische Energie bezeichnen wir

the mass of a particle,

als die Masse eines Teilchens

and by discovering the Higgs boson, the LHC

und mit der Entdeckung des Higgs-Bosons wurde am LHC

has conclusively proved that this substance is real,

eindeutig bewiesen, dass diese Substanz real ist,

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

denn sie ist der Stoff, aus dem die Higgs-Bosonen bestehen.

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

Dies ist, kurzum, das Wesentliche über das Higgs.

But this story is far more interesting than that.

Aber es geht um viel mehr als das.

By studying the Higgs theory,

Bei Untersuchungen der Higgs-Theorie

theoretical physicists discovered,

entdeckten theoretische Physiker,

not through an experiment

nicht durch ein Experiment,

but with the power of mathematics,

aber dank der Kraft der Mathematik,

that the Higgs field does not necessarily exist

dass das Higgs-Feld nicht unbedingt nur

only in the form that we observe today.

in der Form existiert, die wir heute kennen.

Just like matter can exist as liquid or solid,

So wie Materie flüssig oder gasförmig sein kann,

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

könnte das Higgs-Feld, die Substanz in der Raumzeit,

could exist in two states.

in zwei Zuständen existieren.

Besides the known Higgs state,

Neben dem bekannten Higgs-Zustand

there could be a second state in which the Higgs field

könnte ein zweiter existieren, in dem das Higgs-Feld

is billions and billions times denser

Milliarden milliardenfach dichter ist,

than what we observe today,

als wir es heute beobachten,

and the mere existence of another state

und die bloße Existenz eines anderen Zustands

of the Higgs field poses a potential problem.

des Higgs-Feldes stellt ein potenzielles Problem dar.

This is because, according to the laws

Denn laut den Gesetzen

of quantum mechanics, it is possible

der Quantenmechanik ist es möglich,

to have transitions between two states,

einen Übergang zwischen den Zuständen

even in the presence of an energy barrier

auch bei einer Energiebarriere zu schaffen,

separating the two states,

die die Zustände trennt.

and the phenomenon is called,

Dieses Phänomen nennt sich,

quite appropriately, quantum tunneling.

sehr zutreffend, "Quantentunneln".

Because of quantum tunneling,

Durch Quantentunneln

I could disappear from this room

könnte ich aus diesem Raum verschwinden

and reappear in the next room,

und im nächsten wieder erscheinen,

practically penetrating the wall.

indem ich einfach die Wand durchdringe.

But don't expect me to actually perform the trick

Aber erwarten Sie nicht, dass ich den Trick

in front of your eyes, because the probability

hier vor Ihren Augen vorführe, denn die Wahrscheinlichkeit

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

die Wand zu durchdringen, ist lächerlich gering.

You would have to wait a really long time

Sie müssten wirklich lange warten,

before it happens, but believe me,

bevor das geschieht, aber glauben Sie mir,

quantum tunneling is a real phenomenon,

Quantentunneln ist ein reales Phänomen,

and it has been observed in many systems.

und es ist in vielen Systemen beobachtet worden.

For instance, the tunnel diode,

Zum Beispiel, die Tunneldiode,

a component used in electronics,

eine Komponente in der Elektronik

works thanks to the wonders

funktioniert dank des Wunders

of quantum tunneling.

des Quantentunnelns.

But let's go back to the Higgs field.

Aber zurück zum Higgs-Feld.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Wenn der ultradichte Higgs-Zustand existierte,

then, because of quantum tunneling,

könnte eine Blase dieses Zustands

a bubble of this state could suddenly appear

aufgrund des Qantentunnelns plötzlich

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

in einem bestimmten Raum des Universums zu einer bestimmter Zeit erscheinen,

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

ähnlich zu dem, was beim Kochen von Wasser geschieht.

Bubbles of vapor form inside the water,

Dampfblasen bilden sich im Wasser,

then they expand, turning liquid into gas.

expandieren und wandeln Flüssigkeit zu Gas.

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

So könnten auch Blasen des ultradichten Higgs-Zustands

could come into existence because of quantum tunneling.

durch Quantentunneln entstehen.

The bubble would then expand at the speed of light,

Die Blase würde mit Lichtgeschwindigkeit expandieren,

invading all space, and turning the Higgs field

den Raum einnehmen und das Higgs-Feld

from the familiar state into a new state.

den bekannten in einen neuen Zustand umwandeln.

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

Ist das ein Problem? Ja, ein großes Problem.

We may not realize it in ordinary life,

Wir mögen im täglichen Leben nichts davon merken,

but the intensity of the Higgs field is critical

aber die Intensität des Higgs-Feldes ist entscheidend

for the structure of matter.

für die Struktur von Materie.

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

Wäre das Higgs-Feld nur ein bisschen stärker,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

sähen wir Atome schrumpfen,

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

Neutronen in den Kernen zerfallen, Kerne sich auflösen,

and hydrogen would be

und Wasserstoff wäre

the only possible chemical element in the universe.

das einzig mögliche Element im Universum.

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

Das Higgs-Feld im ultradichten Higgs-Zustand ist

is not just a few times more intense than today,

nicht nur um einige Male stärker als heute,

but billions of times,

sondern milliardenfach,

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

und in einer Raumzeit, in diesem Higgs-Zustand,

all atomic matter would collapse.

kollabierte alle atomare Materie.

No molecular structures would be possible, no life.

Keine molekularen Strukturen wären möglich, kein Leben.

So, I wonder, is it possible

Daher frage ich mich, ob es möglich ist,

that in the future, the Higgs field

dass das Higgs-Feld in der Zukunft

will undergo a phase transition and,

einen Phasenübergang durchlaufen,

through quantum tunneling, will be transformed

und durch Quantentunneln

into this nasty, ultra-dense state?

in diesen schlimmen, ultradichten Zustand umgewandelt wird?

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

Anders gesagt: Was ist das Schicksal

of the Higgs field in our universe?

des Higgs-Felds in unserem Universum?

And the crucial ingredient necessary

Der Kernbestandteil zur Beantwortung

to answer this question is the Higgs boson mass.

dieser Frage ist die Masse des Higgs-Bosons.

And experiments at the LHC found that the mass

Die Experimente am LHC zeigten, dass die Masse

of the Higgs boson is about 126 GeV.

des Higgs-Bosons ungefähr 126 GeV beträgt.

This is tiny when expressed in familiar units,

Das ist winzig, in herkömmlichen Einheiten ausgedrückt,

because it's equal to something like

weil es in etwa

10 to the minus 22 grams,

10 hoch minus 22 Gramm entspricht,

but it is large in particle physics units,

aber in den Einheiten der Teilchenphysik ist es viel,

because it is equal to the weight

weil es dem Gewicht

of an entire molecule

eines ganzen Moleküls

of a DNA constituent.

eines DNA-Bestandteils entspricht.

So armed with this information from the LHC,

Mit diesen Informationen des LHC

together with some colleagues here at CERN,

machten wir uns mit einigen Kollegen am CERN daran,

we computed the probability

die Wahrscheinlichkeit zu berechnen,

that our universe could quantum tunnel

dass unser Universum sich durch Quantentunneln

into the ultra-dense Higgs state,

in den ultradichten Higgs-Zustand umwandelt,

and we found a very intriguing result.

und wir bekamen ein sehr verblüffendes Ergebnis.

Our calculations showed

Unsere Berechnungen zeigten,

that the measured value of the Higgs boson mass

dass der gemessene Wert der Higgs-Boson-Masse

is very special.

sehr besonders ist.

It has just the right value

Sie hat gerade den richtigen Wert,

to keep the universe hanging

das Universum am Rande einer

in an unstable situation.

instabilen Situation zu halten.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Das Higgs-Feld ist in einer wackeligen Konfiguration,

that has lasted so far

die bislang gehalten hat,

but that will eventually collapse.

aber letztendlich kollabieren wird.

So according to these calculations,

Nach diesen Berechnungen

we are like campers

sind wir also wie Camper,

who accidentally set their tent

die ihr Zelt versehentlich

at the edge of a cliff.

auf der Kante einer Klippe aufgestellt haben.

And eventually, the Higgs field

Das Higgs-Feld wird schlussendlich,

will undergo a phase transition

einen Phasenübergang durchlaufen

and matter will collapse into itself.

und die Materie wird in sich zusammenfallen.

So is this how humanity is going to disappear?

Wird so die Menschheit verschwinden?

I don't think so.

Ich glaube nicht.

Our calculation shows that quantum tunneling

Unsere Berechnungen zeigen, dass das Quantentunneln

of the Higgs field is not likely to occur

des Higgs-Felds wahrscheinlich erst

in the next 10 to the 100 years,

in den nächsten 10 hoch hundert Jahren stattfindet,

and this is a very long time.

und das ist eine sehr lange Zeit.

It's even longer than

Es ist sogar noch länger hin,

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

als die Zeit, die Italien zur Bildung einer stabilen Regierung braucht.

(Laughter)

(Lachen)

Even so, we will be long gone by then.

Selbst dann sind wir längst verschwunden.

In about five billion years,

In etwa fünf Milliarden Jahren

our sun will become a red giant,

wird unsere Sonne zu einem roten Riesen,

as large as the Earth's orbit,

bis hin zur Erdumlaufbahn reichen,

and our Earth will be kaput,

und die Erde wird kaputt sein,

and in a thousand billion years,

und in tausend Milliarden Jahren,

if dark energy keeps on fueling

wenn die dunkle Energie die Raumexpansion

space expansion at the present rate,

weiterhin mit der jetzigen Geschwindigkeit antreibt,

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

können Sie nicht einmal bis zu Ihren Zehen sehen,

because everything around you

weil alles um Sie herum expandiert,

expands at a rate faster than the speed of light.

und das schneller als die Lichtgeschwindigkeit.

So it is really unlikely

Daher ist es sehr unwahrscheinlich,

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

dass wir den Kollaps des Higgs-Felds erleben werden.

But the reason why I am interested

Die Übergang des Higgs-Felds

in the transition of the Higgs field

interessiert mich deshalb so sehr,

is because I want to address the question,

weil ich die Frage aufwerfen möchte,

why is the Higgs boson mass so special?

was die Higgs-Boson-Masse so besonders macht?

Why is it just right to keep the universe

Warum sie gerade richtig ist, um das Universum

at the edge of a phase transition?

an der Grenze zum Phasenübergang zu halten?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Theoretische Physiker fragen immer "Warum?".

More than how a phenomenon works,

Mehr noch wie ein Phänomen funktioniert,

theoretical physicists are always interested in

interessiert theroetische Physiker immer,

why a phenomenon works in the way it works.

"warum" es funktioniert, "wie" es funktioniert.

We think that this these "why" questions

Wir glauben, dass uns diese "Warum"-Fragen

can give us clues

Hinweise über

about the fundamental principles of nature.

die grundlegenden Prinzipien der Natur geben können.

And indeed, a possible answer to my question

Denn eine mögliche Antwort auf meine Frage

opens up new universes, literally.

eröffnet buchstäblich neue Universen.

It has been speculated that our universe

Es wird spekuliert, dass unser Universum

is only a bubble in a soapy multiverse

nur eine Blase in einem seifigen Multiversum ist,

made out of a multitude of bubbles,

das aus Millionen von Blasen besteht,

and each bubble is a different universe

und jede Blase ist ein anderes Universum

with different fundamental constants

mit anderen fundamentalen Konstanten

and different physical laws.

und anderen physikalischen Gesetzen.

And in this context, you can only talk about

In diesem Kontext kann man nur Aussagen darüber treffen,

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

wie wahrscheinlich ein bestimmter Wert des Higgs-Bosons ist.

Then the key to the mystery

Dann könnte des Rätsels Lösung

could lie in the statistical properties

in den statistischen Eigenschaften

of the multiverse.

des Multiversums liegen.

It would be something like what happens

Es würde so sein

with sand dunes on a beach.

wie mit den Sanddünen am Strand.

In principle, you could imagine to find sand dunes

Im Prinzip ist es vorstellbar,

of any slope angle in a beach,

Sanddünen in beliebigen Neigungswinkeln am Strand zu finden,

and yet, the slope angles of sand dunes

doch betragen die Neigungswinkel von Dünen

are typically around 30, 35 degrees.

üblicherweise etwa 30-35°.

And the reason is simple:

Der Grund dafür ist einfach:

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

Wind baut den Sand auf, die Schwerkraft lässt ihn sinken.

As a result, the vast majority of sand dunes

Demzufolge haben die meisten Dünen

have slope angles around the critical value,

eine Neigung um den kritischen Wert,

near to collapse.

nahe am Einsturz.

And something similar could happen

Etwas Ähnliches könnte

for the Higgs boson mass in the multiverse.

mit der Higgs-Bosson-Masse im Multiversum geschehen.

In the majority of bubble universes,

Bei der Mehrheit der Blasen-Universen

the Higgs mass could be around the critical value,

könnte die Higgs-Masse um den kritischen Wert liegen,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

nahe am kosmischen Kollaps des Higgs-Feldes,

because of two competing effects,

und das aufgrund zweier konkurrierender Effekte,

just as in the case of sand.

wie bei Sand.

My story does not have an end,

Meine Geschichte hat kein Ende,

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

denn wir kennen das Ende dieser Geschichte noch nicht.

This is science in progress,

Dies ist lebendige Wissenschaft,

and to solve the mystery, we need more data,

um das Geheimnis zu ergünden, brauchen wir mehr Daten

and hopefully, the LHC will soon add new clues

und hoffentlich steuert der LHC bald neue Anhaltspunkte

to this story.

zu dieser Geschichte bei.

Just one number, the Higgs boson mass,

Nur eine Zahl, die Higgs-Boson-Masse,

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

und doch lernen wir so viel aus dieser Zahl.

I started from a hypothesis, that the known particles

Ich begann mit der Hypothese, dass die bekannten Teilchen

are all there is in the universe,

alles im Universum darstellen würden,

even beyond the domain explored so far.

sogar die bereits erforschten Bereiche.

From this, we discovered that the Higgs field

So entdeckten wir, dass das Higgs-Feld,

that permeates space-time may be standing

mit der Raumzeit verwoben ist, möglicherweise

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

auf Messers Schneide steht, bereit zum kosmischen Kollaps,

and we discovered that this may be a hint

und wir entdeckten dies als möglichen Hinweis darauf,

that our universe is only a grain of sand

dass unser Universum nur ein Sandkorn

in a giant beach, the multiverse.

an einem riesigen Strand, dem Multiversum, ist.

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

Aber ich weiß nicht, ob meine Hypothese stimmt.

That's how physics works: A single measurement

Das ist Physik: Eine einzige Messung

can put us on the road to a new understanding

kann uns den Weg zu einem neuen Verständnis

of the universe

des Universums weisen

or it can send us down a blind alley.

oder uns in eine Sackgasse führen.

But whichever it turns out to be,

Aber was es auch sein wird,

there is one thing I'm sure of:

eines weiß ich sicher:

The journey will be full of surprises.

Die Reise wird voller Überraschungen sein.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)