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

Tłumaczenie: Tomasz Swolany Korekta: Rysia Wand

So last year, on the Fourth of July,

4 lipca zeszłego roku

experiments at the Large Hadron Collider

eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów

discovered the Higgs boson.

umożliwiły odkrycie bozonu Higgsa.

It was a historical day.

Ten dzień przeszedł do historii.

There's no doubt that from now on,

Od tamtego momentu

the Fourth of July will be remembered

4 lipca będzie nie tylko

not as the day of the Declaration of Independence,

dniem Deklaracji Niepodległości w USA,

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

ale też dniem odkrycia bozonu Higgsa.

Well, at least, here at CERN.

Przynajmniej tutaj, w CERN-ie.

But for me, the biggest surprise of that day

Dla mnie największą niespodzianką

was that there was no big surprise.

był brak niespodzianek.

In the eye of a theoretical physicist,

Dla fizyków teoretycznych

the Higgs boson is a clever explanation

bozon Higgsa to sprytne wyjaśnienie pochodzenia

of how some elementary particles gain mass,

masy niektórych cząstek elementarnych.

but it seems a fairly unsatisfactory

Jest to jednak wyjaśnienie

and incomplete solution.

średnio zadowalające i niepełne.

Too many questions are left unanswered.

Pozostało zbyt wiele pytań bez odpowiedzi.

The Higgs boson does not share the beauty,

W bozonie Higgsa nie ma piękna,

the symmetry, the elegance,

symetrii i elegancji,

of the rest of the elementary particle world.

pozostałych cząstek elementarnych.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Dlatego większość fizyków teoretycznych

believe that the Higgs boson could not

uważa, że bozon Higgsa to tylko

be the full story.

fragment większej układanki.

We were expecting new particles and new phenomena

Oczekiwaliśmy nowych cząstek i zjawisk,

accompanying the Higgs boson.

towarzyszących bozonowi Higgsa.

Instead, so far, the measurements

Jednak na razie pomiary ze Zderzacza

coming from the LHC show no signs of new particles

nie wskazują na obecność nowych cząstek

or unexpected phenomena.

albo nieoczekiwanych zjawisk.

Of course, the verdict is not definitive.

Wyrok nie jest, oczywiście, ostateczny.

In 2015, the LHC will almost double

W 2015 r. w Zderzaczu zwiększy się dwukrotnie

the energy of the colliding protons,

energia zderzanych protonów.

and these more powerful collisions

To pozwoli

will allow us to explore further the particle world,

jeszcze dogłębniej poznać świat cząstek

and we will certainly learn much more.

i na pewno dowiemy się dużo więcej.

But for the moment, since we have found

Ale skoro dotąd nie znaleźliśmy dowodów

no evidence for new phenomena, let us suppose

na nowe zjawiska, załóżmy na chwilę,

that the particles that we know today,

że znane cząstki,

including the Higgs boson,

w tym bozon Higgsa,

are the only elementary particles in nature,

to jedyne cząstki elementarne w przyrodzie,

even at energies much larger

nawet przy energiach dużo wyższych

than what we have explored so far.

niż te, które do tej pory zbadaliśmy.

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

Zobaczmy, dokąd zaprowadzi takie założenie.

We will find a surprising and intriguing result

Znajdziemy zaskakujące i intrygujące rezultaty

about our universe, and to explain my point,

dotyczące wszechświata.

let me first tell you what the Higgs is about,

Na początek powiem, o co chodzi z Higgsem.

and to do so, we have to go back

W tym celu musimy cofnąć się

to one tenth of a billionth of a second

do 1/10 miliardowej części sekundy

after the Big Bang.

po Wielkim Wybuchu.

And according to the Higgs theory,

Teoria Higgsa głosi,

at that instant, a dramatic event took place

że w tym momencie we wszechświecie

in the universe.

wydarzyło się coś dramatycznego.

Space-time underwent a phase transition.

W czasoprzestrzeni zaszła przemiana fazowa,

It was something very similar to the phase transition

Podobna do tej, jaka ma miejsce,

that occurs when water turns into ice

gdy woda zamienia się w lód

below zero degrees.

w temperaturze poniżej zera stopni.

But in our case, the phase transition

Jednak w tym przypadku przemiana fazowa

is not a change in the way the molecules

nie polegała na zmianie ułożenia

are arranged inside the material,

cząstek w materii,

but is about a change

ale na zmianie

of the very fabric of space-time.

samej tkanki czasoprzestrzeni.

During this phase transition, empty space

W wyniku tej przemiany

became filled with a substance

pusta przestrzeń wypełniła się substancją,

that we now call Higgs field.

którą dziś nazywamy polem Higgsa.

And this substance may seem invisible to us,

Chociaż jej nie widzimy,

but it has a physical reality.

to fizycznie istnieje.

It surrounds us all the time,

Cały czas nas otacza

just like the air we breathe in this room.

jak powietrze, którym tu oddychamy.

And some elementary particles interact

Niektóre cząstki elementarne reagują z nią,

with this substance, gaining energy in the process.

nabierając w ten sposób energii.

And this intrinsic energy is what we call

Właśnie tę wewnętrzną energię

the mass of a particle,

nazywamy masą cząstki.

and by discovering the Higgs boson, the LHC

Dzięki odkryciu bozonu Higgsa w Zderzaczu

has conclusively proved that this substance is real,

udowodniono ostatecznie istnienie tej substancji,

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

bo z niej zrobione są bozony Higgsa.

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

Tak, w skrócie, wygląda sprawa z Higgsem.

But this story is far more interesting than that.

Ale to, o czym mówimy jest dużo ciekawsze.

By studying the Higgs theory,

Podczas badań nad teorią Higgsa

theoretical physicists discovered,

fizycy teoretyczni odkryli,

not through an experiment

nie przez eksperymenty,

but with the power of mathematics,

ale dzięki sile matematyki,

that the Higgs field does not necessarily exist

że pole Higgsa istnieje również

only in the form that we observe today.

w innej formie niż ta, którą obserwujemy.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Jak materia może być w stanie ciekłym lub stałym,

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

tak pole Higgsa, substancja wypełniająca czasoprzestrzeń,

could exist in two states.

może istnieć w dwóch stanach.

Besides the known Higgs state,

Oprócz znanego stanu pola Higgsa

there could be a second state in which the Higgs field

może istnieć drugi, w którym pole

is billions and billions times denser

jest miliardy miliardów razy gęstsze

than what we observe today,

od obserwowanego dzisiaj.

and the mere existence of another state

Samo istnienie innego stanu pola Higgsa

of the Higgs field poses a potential problem.

stwarza potencjalny problem.

This is because, according to the laws

Otóż godnie z prawami mechaniki kwantowej

of quantum mechanics, it is possible

istnieje możliwość

to have transitions between two states,

przechodzenia z jednego stanu w drugi,

even in the presence of an energy barrier

nawet pomimo bariery potencjału,

separating the two states,

oddzielającej oba stany.

and the phenomenon is called,

Zjawisko to jest całkiem słusznie nazywane

quite appropriately, quantum tunneling.

efektem tunelowym.

Because of quantum tunneling,

Zjawisko tunelowe może sprawić,

I could disappear from this room

że zniknę stąd

and reappear in the next room,

i pojawię się w sali obok,

practically penetrating the wall.

właściwie przeszedłszy przez ścianę.

But don't expect me to actually perform the trick

Nie liczcie, że to teraz zrobię,

in front of your eyes, because the probability

bo prawdopodobieństwo zajścia

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

tego zjawiska jest śmiesznie małe.

You would have to wait a really long time

Musielibyśmy na to długo czekać

before it happens, but believe me,

ale słowo daję,

quantum tunneling is a real phenomenon,

że zjawisko tunelowe istnieje

and it has been observed in many systems.

i zaobserwowano je w wielu układach.

For instance, the tunnel diode,

Na przykład dioda tunelowa,

a component used in electronics,

element układów elektronicznych,

works thanks to the wonders

działa dzięki

of quantum tunneling.

zjawisku tunelowemu.

But let's go back to the Higgs field.

Wróćmy do pola Higgsa.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Jeżeli istniałby hiper-gęsty stan pola Higgsa,

then, because of quantum tunneling,

to przez zjawisko tunelowania

a bubble of this state could suddenly appear

bańka takiego stanu mógłaby pojawić się

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

nagle gdzieś we wszechświecie.

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

To zjawisko analogiczne do wrzenia wody.

Bubbles of vapor form inside the water,

W masie wody tworzą się bąbelki pary wodnej,

then they expand, turning liquid into gas.

potem rosną, zmieniając ciecz w gaz.

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

Podobnie dzięki zjawisku tunelowania

could come into existence because of quantum tunneling.

mógłby powstać bąbel hiper-gęstego pola Higgsa.

The bubble would then expand at the speed of light,

Bąbel rósłby z prędkością światła,

invading all space, and turning the Higgs field

zajmując całą przestrzeń

i zmieniając stan pola Higgsa.

from the familiar state into a new state.

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

Czy to źle? Bardzo.

We may not realize it in ordinary life,

Zwykle nie zwracamy na to uwagi,

but the intensity of the Higgs field is critical

ale natężenie pola Higgsa

ma kluczowe znaczenie dla struktury materii.

for the structure of matter.

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

Gdyby natężenie pola Higgsa zwiększyło się kilkukrotnie,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

obserwowalibyśmy kurczenie atomów,

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

zanik neutronów wewnątrz jąder, rozpad jąder atomowych,

and hydrogen would be

a wodór byłby jedynym możliwym

the only possible chemical element in the universe.

pierwiastkiem we wszechświecie.

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

Gęstość hiper-gęstego pola Higgsa

is not just a few times more intense than today,

jest większa od obecnej nie kilka,

but billions of times,

ale miliardy razy.

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

W wypełnionej nim czasoprzestrzeni

all atomic matter would collapse.

zapadłaby się cała materia.

No molecular structures would be possible, no life.

Nie byłyby możliwe

struktury cząsteczkowe ani życie.

So, I wonder, is it possible

Zastanawiam się, czy to możliwe,

that in the future, the Higgs field

że w przyszłości pole Higgsa

will undergo a phase transition and,

przejdzie przemianę fazową

through quantum tunneling, will be transformed

i poprzez efekt tunelowy przejdzie

into this nasty, ultra-dense state?

w ten paskudny hipergęsty stan?

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

Innymi słowy, zadaję pytanie o los

of the Higgs field in our universe?

pola Higgsa w naszym wszechświecie.

And the crucial ingredient necessary

Niezbędnym elementem odpowiedzi

to answer this question is the Higgs boson mass.

jest masa bozonu Higgsa.

And experiments at the LHC found that the mass

Z eksperymentów w Zderzaczu wynika,

of the Higgs boson is about 126 GeV.

że masa ta wynosi około 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Jest to niewiele w znanych ogólnie jednostkach,

because it's equal to something like

bo tylko 10 do minus 22 potęgi grama.

10 to the minus 22 grams,

but it is large in particle physics units,

Jednak w fizyce cząsteczkowej to dużo,

because it is equal to the weight

bo tyle samo wynosi masa

of an entire molecule

całej cząsteczki

of a DNA constituent.

składnika DNA.

So armed with this information from the LHC,

Mając dane z Wielkiego Zderzacza,

together with some colleagues here at CERN,

obliczyliśmy z kolegami z CERN-u

we computed the probability

prawdopodobieństwo tego,

that our universe could quantum tunnel

że efekt tunelowy przeniesie nasz wszechświat

into the ultra-dense Higgs state,

w hiper-gęste pole Higgsa.

and we found a very intriguing result.

Wynik był niezwykle intrygujący.

Our calculations showed

Z naszych obliczeń wynika,

that the measured value of the Higgs boson mass

że zmierzona masa bozonu Higgsa

is very special.

to bardzo niezwykła wartość.

It has just the right value

Wynosi ona dokładnie tyle, ile trzeba,

to keep the universe hanging

by wszechświat pozostał niestabilny.

in an unstable situation.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Konfiguracja pola Higgsa jest chwiejna.

that has lasted so far

Przetrwała do tej pory,

but that will eventually collapse.

ale w końcu się zapadnie.

So according to these calculations,

Jeśli wierzyć naszym obliczeniom,

we are like campers

jesteśmy jak turyści,

who accidentally set their tent

którzy przez przypadek rozbili namiot

at the edge of a cliff.

na skraju urwiska.

And eventually, the Higgs field

Pole Higgsa w końcu

will undergo a phase transition

przejdzie przemianę fazową

and matter will collapse into itself.

i materia zapadnie się sama w siebie.

So is this how humanity is going to disappear?

Czy tak właśnie wyginie rodzaj ludzki?

I don't think so.

Raczej nie.

Our calculation shows that quantum tunneling

Według naszych obliczeń efekt tunelowy

of the Higgs field is not likely to occur

pola Higgsa prawdopodobnie nie wystąpi

in the next 10 to the 100 years,

w ciągu najbliższych 10 do setnej potęgi lat,

and this is a very long time.

a to dosyć długo.

It's even longer than

To nawet więcej, niż potrzebują Włochy

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

na utworzenie stabilnego rządu.

(Laughter)

(Śmiech)

Even so, we will be long gone by then.

Do tego czasu już nas nie będzie.

In about five billion years,

Za 5 miliardów lat

our sun will become a red giant,

Słońce stanie się czerwonym gigantem,

as large as the Earth's orbit,

wielkim jak orbita Ziemi

and our Earth will be kaput,

i nic po niej nie zostanie.

and in a thousand billion years,

A za tysiąc miliardów lat,

if dark energy keeps on fueling

jeśli ciemna energia będzie napędzać

space expansion at the present rate,

rozszerzanie wszechświata w obecnym tempie,

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

nie uda nam się nawet dojrzeć własnych stóp,

because everything around you

bo wszystko wokół będzie się rozszerzać

expands at a rate faster than the speed of light.

szybciej niż wynosi prędkość światła.

So it is really unlikely

Jest więc mało prawdopodobne,

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

że zobaczymy rozpad pola Higgsa.

But the reason why I am interested

Powodem, dla którego interesuje mnie

in the transition of the Higgs field

przemiana fazowa pola Higgsa

is because I want to address the question,

jest próba odpowiedzi na pytanie

why is the Higgs boson mass so special?

czemu masa bozonu Higgsa jest tak niezwykła.

Why is it just right to keep the universe

Czemu wynosi akurat tyle, że wszechświat

at the edge of a phase transition?

stoi na skraju przemiany fazowej?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Fizycy teoretyczni zawsze pytają "dlaczego?".

More than how a phenomenon works,

Bardziej od mechanizmu działania zjawska

theoretical physicists are always interested in

interesuje ich zawsze,

why a phenomenon works in the way it works.

dlaczego dzieje się tak, jak się dzieje.

We think that this these "why" questions

Uważamy, że odpowiedzi na pytania "dlaczego"

can give us clues

mogą dać nam wskazówki

about the fundamental principles of nature.

dotyczące podstawowych zasad natury.

And indeed, a possible answer to my question

Potencjalna odpowiedź na moje pytanie

opens up new universes, literally.

całkiem dosłownie tworzy nowe wszechświaty.

It has been speculated that our universe

Są opinie, że nasz wszechświat

is only a bubble in a soapy multiverse

to tylko bańka w mydlanym wieloświecie,

made out of a multitude of bubbles,

zbudowanym z niezliczonych baniek,

and each bubble is a different universe

z których każda to inny wszechświat,

with different fundamental constants

z różnymi podstawowymi stałymi

and different physical laws.

i różnymi prawami fizyki.

And in this context, you can only talk about

W tym kontekście mowa tylko o prawdopodobieństwie

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

odkrycia pewnej wartości masy bozonu Higgsa.

Then the key to the mystery

Klucz do tej tajemnicy

could lie in the statistical properties

może leżeć w statystycznych właściwościach

of the multiverse.

takiego wieloświata.

It would be something like what happens

Byłaby to sytuacja podobna

with sand dunes on a beach.

do wydm piaskowych.

In principle, you could imagine to find sand dunes

W teorii stoki wydm

of any slope angle in a beach,

powinny mieć różne kąty nachylenia.

and yet, the slope angles of sand dunes

Jednak te nachylenia wynoszą

are typically around 30, 35 degrees.

zazwyczaj 30, 35 stopni.

And the reason is simple:

A przyczyna jest prosta:

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

wiatr rozdmuchuje piasek, a grawitacja ciągnie go w dół.

As a result, the vast majority of sand dunes

W rezultacie stoki większości wydm

have slope angles around the critical value,

są nachylone pod kątem granicznym

near to collapse.

bliskim załamania.

And something similar could happen

Podobnie może się dziać

for the Higgs boson mass in the multiverse.

z masą bozonu Higgsa w wieloświecie.

In the majority of bubble universes,

W większości bańkowych wszechświatów

the Higgs mass could be around the critical value,

masa bozonu Higgsa

jest bliska wartości krytycznej,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

blisko kosmicznej zapaści,

because of two competing effects,

przez dwa przeciwstawne czynniki,

just as in the case of sand.

tak jak w przypadku piasku.

My story does not have an end,

Moja opowieść nie ma końca,

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

bo nadal go nie znamy.

This is science in progress,

Badania są w toku

and to solve the mystery, we need more data,

Do rozwiązania potrzeba więcej danych,

and hopefully, the LHC will soon add new clues

a mam nadzieję, że wkrótce

Zderzacz dostarczy nam nowych.

to this story.

Just one number, the Higgs boson mass,

Jedna wartość: masa bozonu Higgsa,

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

a możemy się tak wiele dowiedzieć.

I started from a hypothesis, that the known particles

Wyszedłem z założenia, że znane cząstki

are all there is in the universe,

są obecne w całym wszechświecie,

even beyond the domain explored so far.

nawet poza granicami poznania.

From this, we discovered that the Higgs field

Następnie odkryliśmy, że pole Higgsa,

that permeates space-time may be standing

przenikające czasoprzestrzeń,

stoi być może na granicy zapaści,

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

and we discovered that this may be a hint

co może wskazywać,

that our universe is only a grain of sand

że nasz wszechświat to tylko ziarenko piasku

in a giant beach, the multiverse.

na ogromnej plaży wieloświata.

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

Nie wiem, czy moje założenie jest słuszne.

That's how physics works: A single measurement

Tak właśnie działa fizyka: jeden pomiar

can put us on the road to a new understanding

może zasugerować

of the universe

nowe zrozumienie wszechświata

or it can send us down a blind alley.

albo wyprowadzić w pole.

But whichever it turns out to be,

Bez względu na wynik

there is one thing I'm sure of:

jednego jestem pewien:

The journey will be full of surprises.

podróż będzie pełna niespodzianek.

Thank you.

Dziękuję.

(Applause)

(Oklaski)