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

Vertaald door: Valérie Boor Nagekeken door: Rik Delaet

So last year, on the Fourth of July,

Afgelopen jaar, op 4 juli,

experiments at the Large Hadron Collider

hebben experimenten met de Large Hadron Collider

discovered the Higgs boson.

het higgsboson ontdekt.

It was a historical day.

Het was een historische dag.

There's no doubt that from now on,

Het lijdt geen twijfel dat we ons vanaf nu

the Fourth of July will be remembered

4 juli niet zullen herinneren

not as the day of the Declaration of Independence,

als de dag van de Amerikaanse Onafhankelijkheidsverklaring,

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

maar als de dag van de ontdekking van het higgsboson.

Well, at least, here at CERN.

Tenminste, wel bij CERN.

But for me, the biggest surprise of that day

Maar de grootste verrassing van die dag vond ik

was that there was no big surprise.

dat er geen grote verrassing was.

In the eye of a theoretical physicist,

Voor een theoretisch natuurkundige

the Higgs boson is a clever explanation

verklaart het higgsboson handig

of how some elementary particles gain mass,

hoe sommige elementaire deeltjes massa verkrijgen.

but it seems a fairly unsatisfactory

Het lijkt echter een vrij onbevredigende

and incomplete solution.

en incomplete oplossing.

Too many questions are left unanswered.

Te veel vragen zijn nog onbeantwoord.

The Higgs boson does not share the beauty,

Het higgsboson heeft niet de schoonheid,

the symmetry, the elegance,

de symmetrie, de elegantie

of the rest of the elementary particle world.

van de rest van de wereld van de elementaire deeltjes.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Daarom geloven de meeste theoretisch natuurkundigen

believe that the Higgs boson could not

dat het higgsboson niet het hele verhaal kan zijn.

be the full story.

dat het higgsboson niet het hele verhaal kan zijn.

We were expecting new particles and new phenomena

We verwachtten nieuwe deeltjes en nieuwe fenomenen

accompanying the Higgs boson.

bij het higgsboson.

Instead, so far, the measurements

Maar tot nu toe vertonen de metingen

coming from the LHC show no signs of new particles

van de LHC geen tekenen van nieuwe deeltjes

or unexpected phenomena.

of onverwachte fenomenen.

Of course, the verdict is not definitive.

Natuurlijk is het vonnis niet definitief.

In 2015, the LHC will almost double

In 2015 zal de LHC protonen

the energy of the colliding protons,

met twee keer zoveel energie laten botsen,

and these more powerful collisions

en deze krachtigere botsingen

will allow us to explore further the particle world,

helpen ons de deeltjeswereld verder te verkennen.

and we will certainly learn much more.

We zullen ongetwijfeld nog veel meer leren.

But for the moment, since we have found

Maar aangezien er op dit moment

no evidence for new phenomena, let us suppose

geen bewijs is voor nieuwe fenomenen, nemen we aan

that the particles that we know today,

dat de deeltjes die we momenteel kennen,

including the Higgs boson,

inclusief het higgsboson,

are the only elementary particles in nature,

de enige elementaire deeltjes in de natuur zijn,

even at energies much larger

zelfs bij veel grotere energieën

than what we have explored so far.

dan we tot nu toe hebben verkend.

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

Laten we eens kijken waar deze hypothese ons heen leidt.

We will find a surprising and intriguing result

We zullen een verrassende en intrigerende vondst doen

about our universe, and to explain my point,

over ons heelal. Om dat uit te leggen,

let me first tell you what the Higgs is about,

vertel ik je eerst waar het higgsveld over gaat.

and to do so, we have to go back

Om dat te doen, moeten we teruggaan

to one tenth of a billionth of a second

naar één tienmiljardste seconde

after the Big Bang.

na de oerknal.

And according to the Higgs theory,

Volgens Higgs' theorie

at that instant, a dramatic event took place

gebeurde op dat moment iets dramatisch

in the universe.

in het heelal.

Space-time underwent a phase transition.

Ruimtetijd onderging een faseovergang.

It was something very similar to the phase transition

Het was iets dat sterk lijkt op de faseovergang

that occurs when water turns into ice

die plaatsvindt wanneer water in ijs verandert

below zero degrees.

onder nul graden.

But in our case, the phase transition

Maar in ons geval is de faseovergang

is not a change in the way the molecules

geen verandering in de manier waarop moleculen

are arranged inside the material,

gerangschikt zijn in het materiaal,

but is about a change

maar een verandering

of the very fabric of space-time.

van de structuur van ruimtetijd zelf.

During this phase transition, empty space

Gedurende deze faseovergang werd lege ruimte

became filled with a substance

gevuld met een substantie

that we now call Higgs field.

die we nu het higgsveld noemen.

And this substance may seem invisible to us,

Deze substantie is weliswaar onzichtbaar voor ons,

but it has a physical reality.

maar heeft een fysieke werkelijkheid.

It surrounds us all the time,

Het omringt ons voortdurend,

just like the air we breathe in this room.

net als de lucht die we inademen in deze zaal.

And some elementary particles interact

Sommige elementaire deeltjes

with this substance, gaining energy in the process.

krijgen energie in interactie met deze substantie.

And this intrinsic energy is what we call

Deze intrinsieke energie noemen we

the mass of a particle,

de massa van een deeltje.

and by discovering the Higgs boson, the LHC

Door het higgsboson te ontdekken, heeft de LHC

has conclusively proved that this substance is real,

onomstotelijk bewezen dat deze substantie echt is,

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

want dat is waar higgsbosonen van gemaakt zijn.

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

Dit is, in een notendop, waar het Higgsverhaal om draait.

But this story is far more interesting than that.

Maar het wordt nog veel interessanter.

By studying the Higgs theory,

Door de Higgs-theorie te bestuderen

theoretical physicists discovered,

hebben theoretisch natuurkundigen ontdekt,

not through an experiment

niet door een experiment,

but with the power of mathematics,

maar met de kracht van wiskunde,

that the Higgs field does not necessarily exist

dat het higgsveld niet alleen bestaat

only in the form that we observe today.

in de vorm die we vandaag de dag waarnemen.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Net als materie vloeibaar of vast kan zijn,

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

kan het higgsveld, de substantie die de ruimtetijd vult,

could exist in two states.

ook bestaan in twee toestanden.

Besides the known Higgs state,

Naast de bekende higgstoestand,

there could be a second state in which the Higgs field

kan er nog een toestand zijn waarin het higgsveld

is billions and billions times denser

miljarden en miljarden keren dichter is

than what we observe today,

dan wat we vandaag de dag waarnemen.

and the mere existence of another state

Het bestaan van een andere toestand

of the Higgs field poses a potential problem.

van het higgsveld vormt een potentieel probleem.

This is because, according to the laws

Dit komt omdat volgens de wetten

of quantum mechanics, it is possible

van de kwantummechanica

to have transitions between two states,

faseovergangen mogelijk zijn,

even in the presence of an energy barrier

zelfs ondanks een energiebarrière

separating the two states,

die de twee toestanden scheidt.

and the phenomenon is called,

Dit fenomeen heet,

quite appropriately, quantum tunneling.

vrij toepasselijk, het tunneleffect.

Because of quantum tunneling,

Door het tunneleffect

I could disappear from this room

kan ik verdwijnen uit deze ruimte,

and reappear in the next room,

en weer verschijnen in de ruimte hiernaast,

practically penetrating the wall.

recht door de muur heen.

But don't expect me to actually perform the trick

Verwacht niet dat ik dat hier

in front of your eyes, because the probability

gelijk ga doen, want de kans

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

dat ik door de muur heen ga, is belachelijk klein.

You would have to wait a really long time

Je zou heel lang moeten wachten

before it happens, but believe me,

voordat het gebeurt, maar geloof me,

quantum tunneling is a real phenomenon,

het tunneleffect bestaat echt

and it has been observed in many systems.

en is in veel systemen waargenomen.

For instance, the tunnel diode,

Zo is de tunneldiode bijvoorbeeld

a component used in electronics,

een onderdeel dat gebruikt wordt in de elektronica.

works thanks to the wonders

Het werkt dankzij de wonderen van het tunneleffect.

of quantum tunneling.

Het werkt dankzij de wonderen van het tunneleffect.

But let's go back to the Higgs field.

Laten we teruggaan naar het higgsveld.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Als die ultradichte higgstoestand zou bestaan,

then, because of quantum tunneling,

dan zou er door het tunneleffect

a bubble of this state could suddenly appear

plotseling zo'n bel kunnen verschijnen

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

op een bepaalde plek in het heelal, op een bepaald moment.

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

Het is analoog aan water laten koken.

Bubbles of vapor form inside the water,

Dampbellen vormen zich in het water,

then they expand, turning liquid into gas.

daarna zetten ze uit, de vloeistof wordt gas.

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

Op dezelfde manier kan er een bel van die ultradichte higgstoestand

could come into existence because of quantum tunneling.

ontstaan door het tunneleffect.

The bubble would then expand at the speed of light,

De bel zou dan uitzetten met de lichtsnelheid,

invading all space, and turning the Higgs field

alle ruimte gaan innemen en het higgsveld doen omslaan

from the familiar state into a new state.

van de bekende toestand naar een nieuwe toestand.

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

Is dat een probleem? Ja, een groot probleem.

We may not realize it in ordinary life,

We realiseren het ons niet in het dagelijks leven,

but the intensity of the Higgs field is critical

maar de higgsveld-intensiteit is doorslaggevend

for the structure of matter.

voor de structuur van de materie.

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

Als het higgsveld maar een paar keer sterker was,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

zouden atomen krimpen, neutronen vervallen,

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

atoomkernen ontbinden.

and hydrogen would be

Waterstof zou

the only possible chemical element in the universe.

het enige chemische element zijn in het heelal.

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

Het higgsveld is in die ultradichte higgstoestand

is not just a few times more intense than today,

niet maar een paar keer sterker dan nu,

but billions of times,

maar miljarden keren.

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

Als de ruimtetijd onderworpen zou zijn aan deze higgstoestand

all atomic matter would collapse.

zou alle atomaire materie instorten.

No molecular structures would be possible, no life.

Geen molecuulstructuren zouden kunnen bestaan. Geen leven.

So, I wonder, is it possible

Is het nu mogelijk

that in the future, the Higgs field

dat het higgsveld in de toekomst

will undergo a phase transition and,

een faseovergang ondergaat

through quantum tunneling, will be transformed

en door het tunneleffect transformeert

into this nasty, ultra-dense state?

tot deze akelige, ultradichte toestand?

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

Met andere woorden: wat is het lot

of the Higgs field in our universe?

van het higgsveld in ons heelal?

And the crucial ingredient necessary

Het cruciale ingrediënt dat nodig is

to answer this question is the Higgs boson mass.

om deze vraag te beantwoorden, is de massa van het higgsboson.

And experiments at the LHC found that the mass

Experimenten met de LHC duiden erop dat de massa

of the Higgs boson is about 126 GeV.

van het higgsboson ongeveer 126 GeV is.

This is tiny when expressed in familiar units,

In onze vertrouwde eenheden is dat weinig,

because it's equal to something like

want het is ongeveer 10 tot de macht min 22 gram,

10 to the minus 22 grams,

want het is ongeveer 10 tot de macht min 22 gram,

but it is large in particle physics units,

maar het is groot in eenheden van deeltjesfysica,

because it is equal to the weight

want het is gelijk aan het gewicht

of an entire molecule

van een heel molecuul

of a DNA constituent.

van een DNA-bestanddeel.

So armed with this information from the LHC,

Gewapend met deze informatie van de LHC,

together with some colleagues here at CERN,

hebben we met enkele collega's bij CERN

we computed the probability

de kans berekend

that our universe could quantum tunnel

dat ons heelal het tunneleffect ondergaat

into the ultra-dense Higgs state,

tot die ultradichte higgstoestand.

and we found a very intriguing result.

We hebben een zeer intrigerende vondst gedaan.

Our calculations showed

Onze berekeningen lieten zien

that the measured value of the Higgs boson mass

dat de gemeten waarde van de massa van het higgsboson

is very special.

heel speciaal is.

It has just the right value

Het heeft precies de goede waarde

to keep the universe hanging

om het heelal in een instabiel evenwicht te houden.

in an unstable situation.

om het heelal in een instabiel evenwicht te houden.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Het higgsveld is in een wankele toestand

that has lasted so far

die tot nu toe heeft aangehouden,

but that will eventually collapse.

maar ooit zal instorten.

So according to these calculations,

Volgens deze berekeningen zijn we net kampeerders,

we are like campers

Volgens deze berekeningen zijn we net kampeerders,

who accidentally set their tent

die per ongeluk hun tent

at the edge of a cliff.

op de rand van een klif hebben opgezet.

And eventually, the Higgs field

Uiteindelijk zal het higgsveld

will undergo a phase transition

een faseovergang ondergaan,

and matter will collapse into itself.

en zal materie instorten.

So is this how humanity is going to disappear?

Is dit hoe de mensheid gaat verdwijnen?

I don't think so.

Ik denk het niet.

Our calculation shows that quantum tunneling

Uit onze berekening blijkt dat het tunneleffect

of the Higgs field is not likely to occur

van het higgsveld waarschijnlijk niet zal optreden

in the next 10 to the 100 years,

in de komende 10 tot de macht 100 jaar.

and this is a very long time.

Dat is een heel lange tijd.

It's even longer than

Het is zelfs langer dan

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

de tijd die het Italië kost om een stabiele regering te vormen.

(Laughter)

(Gelach)

Even so, we will be long gone by then.

Maar toch, we zullen er allang niet meer zijn.

In about five billion years,

Over vijf miljard jaar

our sun will become a red giant,

zal onze zon een rode reus worden,

as large as the Earth's orbit,

net zo groot als de baan van de Aarde,

and our Earth will be kaput,

en onze Aarde gaat dan kapot.

and in a thousand billion years,

Over duizend miljard jaar,

if dark energy keeps on fueling

als donkere energie dan nog even snel

space expansion at the present rate,

de uitdijing van het heelal aandrijft,

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

zul je niet eens je tenen kunnen zien,

because everything around you

omdat alles om je heen

expands at a rate faster than the speed of light.

dan uitdijt met hogere snelheid dan die van licht.

So it is really unlikely

Het is dus heel onwaarschijnlijk

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

dat we er nog zullen zijn als het higgsveld instort.

But the reason why I am interested

De reden dat ik geïnteresseerd ben

in the transition of the Higgs field

in de overgang van het higgsveld,

is because I want to address the question,

is omdat ik de vraag wil beantwoorden:

why is the Higgs boson mass so special?

waarom is de massa van het higgsboson zo speciaal?

Why is it just right to keep the universe

Waarom is het precies goed om het heelal

at the edge of a phase transition?

op de rand van een faseovergang te houden?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Theoretisch natuurkundigen stellen altijd 'waarom'-vragen.

More than how a phenomenon works,

Nog meer dan hóé een fenomeen werkt,

theoretical physicists are always interested in

zijn theoretisch natuurkundigen altijd geïnteresseerd in

why a phenomenon works in the way it works.

waarom een fenomeen werkt zoals het werkt.

We think that this these "why" questions

We denken dat deze 'waarom'-vragen

can give us clues

ons aanwijzingen kunnen geven

about the fundamental principles of nature.

over de fundamentele principes van de natuur.

And indeed, a possible answer to my question

Een mogelijk antwoord op mijn vraag

opens up new universes, literally.

stelt nieuwe universa open, letterlijk.

It has been speculated that our universe

Er is over gespeculeerd dat ons heelal

is only a bubble in a soapy multiverse

slechts een zeepbel is in een schuimend multiversum,

made out of a multitude of bubbles,

bestaand uit talloze zeepbellen.

and each bubble is a different universe

Elke zeepbel is dan een ander heelal

with different fundamental constants

met verschillende fundamentele constanten en natuurwetten.

and different physical laws.

met verschillende fundamentele constanten en natuurwetten.

And in this context, you can only talk about

In deze context kun je alleen spreken over

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

de kans op het vinden van een bepaalde waarde voor de higgsmassa.

Then the key to the mystery

Dan kan de sleutel tot het mysterie

could lie in the statistical properties

liggen in de statistische eigenschappen

of the multiverse.

van het multiversum.

It would be something like what happens

Het zou net zoiets zijn als

with sand dunes on a beach.

wat met zandduinen op het strand gebeurt.

In principle, you could imagine to find sand dunes

In principe zou je zandduinen kunnen vinden

of any slope angle in a beach,

met alle mogelijke hellingen.

and yet, the slope angles of sand dunes

Toch zijn de hellingen van de zandduinen

are typically around 30, 35 degrees.

doorgaans ongeveer 30 à 35 graden.

And the reason is simple:

De reden is simpel:

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

wind hoopt zand op, zwaartekracht laat het vallen.

As a result, the vast majority of sand dunes

Daardoor hebben de meeste zandduinen

have slope angles around the critical value,

hellingen rond de kritische waarde,

near to collapse.

waardoor ze bijna instorten.

And something similar could happen

Zoiets zou ook kunnen gebeuren

for the Higgs boson mass in the multiverse.

met de massa van het higgsboson in het multiversum.

In the majority of bubble universes,

In de meeste zeepbel-universa

the Higgs mass could be around the critical value,

zou de higgsmassa kunnen liggen rond de kritische waarde,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

in de buurt van kosmische instorting van het higgsveld,

because of two competing effects,

vanwege twee tegengestelde effecten,

just as in the case of sand.

net als bij het zand.

My story does not have an end,

Mijn verhaal is niet af,

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

want we weten nog niet hoe het afloopt.

This is science in progress,

Dit is een lopend onderzoek.

and to solve the mystery, we need more data,

Om het mysterie op te lossen, hebben we meer data nodig.

and hopefully, the LHC will soon add new clues

Hopelijk geeft de LHC snel nieuwe aanwijzingen

to this story.

voor dit verhaal.

Just one number, the Higgs boson mass,

Slechts één getal, de massa van het higgsboson,

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

en toch leren we daar al zoveel uit.

I started from a hypothesis, that the known particles

Ik begon met een hypothese, dat de bekende deeltjes

are all there is in the universe,

de enige zijn in het heelal,

even beyond the domain explored so far.

zelfs buiten het verkende domein.

From this, we discovered that the Higgs field

Hieruit ontdekten we dat het higgsveld

that permeates space-time may be standing

dat de ruimtetijd doordringt, misschien wel

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

aan een zijden draadje hangt, klaar voor kosmische instorting.

and we discovered that this may be a hint

We ontdekten dat dit een aanwijzing kan zijn

that our universe is only a grain of sand

dat ons heelal slechts een zandkorrel is

in a giant beach, the multiverse.

op een gigantisch strand, het multiversum.

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

Maar ik weet niet of mijn hypothese klopt.

That's how physics works: A single measurement

Zo werkt natuurkunde: één meting

can put us on the road to a new understanding

kan ons op weg helpen naar een nieuw begrip

of the universe

van het heelal,

or it can send us down a blind alley.

of het zet ons op het verkeerde been.

But whichever it turns out to be,

Welke het ook blijkt te zijn,

there is one thing I'm sure of:

er is één ding dat ik zeker weet:

The journey will be full of surprises.

het zal een reis vol verrassingen zijn.

Thank you.

Hartelijk bedankt.

(Applause)

(Applaus)