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

Por que o nosso universo pode existir de modo tão instável

Tradutor: Frida Sterenberg Revisor: Wanderley Jesus

So last year, on the Fourth of July,

No ano passado, no dia 4 de julho,

experiments at the Large Hadron Collider

experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC)

discovered the Higgs boson.

revelaram o bóson de Higgs.

It was a historical day.

Foi um dia histórico.

There's no doubt that from now on,

Não há dúvida de que daqui em diante

the Fourth of July will be remembered

o 4 de julho será lembrado,

not as the day of the Declaration of Independence,

não como o dia da Declaração da Independência,

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

mas como o dia da descoberta do bóson de Higgs.

Well, at least, here at CERN.

Bom, pelo menos aqui, no CERN.

But for me, the biggest surprise of that day

Mas, para mim, a maior surpresa daquele dia

was that there was no big surprise.

foi que não houve nenhuma grande surpresa.

In the eye of a theoretical physicist,

Na visão do físico teórico

the Higgs boson is a clever explanation

o bóson de Higgs é uma explicação inteligente

of how some elementary particles gain mass,

de como algumas partículas elementares ganham massa,

but it seems a fairly unsatisfactory

mas parece uma solução bastante

and incomplete solution.

insatisfatória e incompleta.

Too many questions are left unanswered.

São muitas as perguntas que continuam sem respostas.

The Higgs boson does not share the beauty,

O bóson de Higgs não tem a mesma beleza,

the symmetry, the elegance,

simetria e elegância

of the rest of the elementary particle world.

que o resto do mundo das partículas elementares.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Por essa razão, a maioria dos físicos teóricos

believe that the Higgs boson could not

acredita que o bóson de Higgs não poderia ser

be the full story.

a história completa.

We were expecting new particles and new phenomena

Nós esperávamos encontrar novas partículas e novos fenômenos

accompanying the Higgs boson.

acompanhando o bóson de Higgs.

Instead, so far, the measurements

Em vez disso, até agora, as medições

coming from the LHC show no signs of new particles

vindas do LHC não dão sinais de partículas novas

or unexpected phenomena.

ou de fenômenos inesperados.

Of course, the verdict is not definitive.

É claro que o veredito não é definitivo.

In 2015, the LHC will almost double

Em 2015, O LHC vai quase dobrar

the energy of the colliding protons,

a energia dos prótons em colisão,

and these more powerful collisions

e essas colisões mais potentes

will allow us to explore further the particle world,

irão nos permitir explorar ainda mais o mundo das partículas,

and we will certainly learn much more.

e, com certeza, nós vamos aprender muito mais.

But for the moment, since we have found

Mas, por enquanto, já que não encontramos

no evidence for new phenomena, let us suppose

evidências de novos fenômenos, vamos supor

that the particles that we know today,

que as partículas que conhecemos hoje,

including the Higgs boson,

incluindo o bóson de Higgs,

are the only elementary particles in nature,

são as únicas partículas elementares na natureza,

even at energies much larger

mesmo em energias bem maiores

than what we have explored so far.

do que aquelas que estudamos até agora.

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

Vejamos onde essa hipótese nos levará.

We will find a surprising and intriguing result

Nós vamos encontrar um resultado surpreendente e intrigante

about our universe, and to explain my point,

sobre o nosso universo e, para esclarecer o meu ponto,

let me first tell you what the Higgs is about,

deixem-me, primeiramente, dizer-lhes do que se trata o Higgs,

and to do so, we have to go back

e para isso precisamos retornar

to one tenth of a billionth of a second

a um décimo de bilhão de segundo

after the Big Bang.

após o Big Bang.

And according to the Higgs theory,

E de acordo com a teoria de Higgs,

at that instant, a dramatic event took place

naquele instante, um evento radical aconteceu

in the universe.

no universo.

Space-time underwent a phase transition.

O espaço-tempo passou por uma transição de fase.

It was something very similar to the phase transition

Foi algo bem parecido à transição de fase

that occurs when water turns into ice

que ocorre quando água se transforma em gelo

below zero degrees.

abaixo de zero grau.

But in our case, the phase transition

Mas, em nosso caso, a transição de fase

is not a change in the way the molecules

não é uma mudança no jeito que as moléculas

are arranged inside the material,

se organizam dentro do material,

but is about a change

mas trata-se de uma mudança

of the very fabric of space-time.

da própria matéria do espaço-tempo.

During this phase transition, empty space

Durante essa transição de fase, o espaço vazio

became filled with a substance

se encheu de uma substância

that we now call Higgs field.

que agora chamamos de campo de Higgs.

And this substance may seem invisible to us,

E essa substância pode parecer invisível para nós,

but it has a physical reality.

mas ela possui uma realidade física.

It surrounds us all the time,

Ela nos cerca o tempo todo,

just like the air we breathe in this room.

como o ar que respiramos nesta sala.

And some elementary particles interact

E algumas partículas elementares interagem

with this substance, gaining energy in the process.

com esta substância, ganhando energia durante o processo,

And this intrinsic energy is what we call

E esta energia intrínseca é o que chamamos de

the mass of a particle,

a massa de uma partícula,

and by discovering the Higgs boson, the LHC

e ao descobrir o bóson de Higgs, o LHC

has conclusively proved that this substance is real,

provou de maneira conclusiva que essa substância é real,

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

porque é dela que o bóson de Higgs é feito.

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

E, resumidamente, é essa a essência da história de Higgs.

But this story is far more interesting than that.

Mas essa história é ainda muito mais interessante.

By studying the Higgs theory,

Ao estudar a teoria de Higgs

theoretical physicists discovered,

os físicos teóricos descobriram,

not through an experiment

não através de um experimento,

but with the power of mathematics,

mas com o poder da matemática,

that the Higgs field does not necessarily exist

que o campo de Higgs não existe necessariamente

only in the form that we observe today.

apenas na forma que observamos hoje.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Da mesma forma que matéria pode existir em estado líquido ou sólido

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

o campo de Higgs, a substância que preenche todo o espaço-tempo,

could exist in two states.

poderia existir em dois estados.

Besides the known Higgs state,

Além do já conhecido estado de Higgs,

there could be a second state in which the Higgs field

pode ser que haja um segundo estado em que o campo de Higgs

is billions and billions times denser

é bilhões e bilhões de vezes mais denso

than what we observe today,

do que o que observamos hoje,

and the mere existence of another state

e a mera existência de um segundo estado

of the Higgs field poses a potential problem.

do campo de Higgs cria um problema em potencial.

This is because, according to the laws

Isso porque, de acordo com as leis

of quantum mechanics, it is possible

da mecânica quântica, é possível

to have transitions between two states,

haver transições entre dois estados,

even in the presence of an energy barrier

mesmo na presença de uma barreira de energia

separating the two states,

separando os dois estados,

and the phenomenon is called,

e o fenômeno chama-se,

quite appropriately, quantum tunneling.

muito apropriadamente, tunelamento quântico.

Because of quantum tunneling,

Por causa do tunelamento quântico,

I could disappear from this room

eu poderia desaparecer desta sala

and reappear in the next room,

e reaparecer na sala ao lado,

practically penetrating the wall.

praticamente penetrando pela parede.

But don't expect me to actually perform the trick

Mas não esperem que eu faça esse truque ao vivo

in front of your eyes, because the probability

porque a probabilidade

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

de eu penetrar a parede é absurdamente pequena.

You would have to wait a really long time

Vocês teriam que esperar um tempão

before it happens, but believe me,

para isso acontecer, mas acreditem,

quantum tunneling is a real phenomenon,

o tunelamento quântico é um fenômeno real,

and it has been observed in many systems.

e já foi observado em vários sistemas.

For instance, the tunnel diode,

Por exemplo, o diodo túnel,

a component used in electronics,

um componente usado em eletrônica,

works thanks to the wonders

funciona graças às maravilhas

of quantum tunneling.

do tunelamento quântico.

But let's go back to the Higgs field.

Mas, voltemos ao campo de Higgs.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Se o estado ultradenso de Higgs existisse,

then, because of quantum tunneling,

então, por causa do tunelamento quântico,

a bubble of this state could suddenly appear

uma bolha deste estado poderia surgir de repente,

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

em algum lugar do universo, em algum momento.

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

E isso é análogo ao que ocorre quando fervemos água.

Bubbles of vapor form inside the water,

Bolhas de vapor se formam dentro da água,

then they expand, turning liquid into gas.

e daí elas se expandem, transformando líquido em gás.

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

Da mesma forma, uma bolha do estado ultradenso de Higgs

could come into existence because of quantum tunneling.

poderia vir a existir por causa do tunelamento quântico.

The bubble would then expand at the speed of light,

A bolha iria se expandir na velocidade da luz,

invading all space, and turning the Higgs field

invadindo todo o espaço, e transformando o campo de Higgs

from the familiar state into a new state.

do estado conhecido num estado novo.

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

Será que isso é um problema? Sim, isto é um grande problema.

We may not realize it in ordinary life,

Podemos não percebê-lo na vida diária,

but the intensity of the Higgs field is critical

mas a intensidade do campo de Higgs é crítica

for the structure of matter.

para a estrutura da matéria.

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

Se o campo de Higgs fosse só algumas vezes mais intenso,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

poderíamos ver átomos diminuindo, nêutrons decaindo

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

dentro de núcleos atômicos, núcleos se desintegrando,

and hydrogen would be

e o hidrogênio seria

the only possible chemical element in the universe.

o único elemento químico possível no universo.

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

E o campo de Higgs, no estado ultradenso,

is not just a few times more intense than today,

não é apenas algumas vezes mais intenso do que é hoje,

but billions of times,

mas bilhões de vezes mais intenso,

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

e se o espaço-tempo fosse preenchido por esse estado de Higgs,

all atomic matter would collapse.

toda matéria atômica entraria em colapso.

No molecular structures would be possible, no life.

Nenhuma estrutura molecular seria possível, nenhuma vida.

So, I wonder, is it possible

Portanto, eu me pergunto, será possível

that in the future, the Higgs field

que no futuro, o campo de Higgs

will undergo a phase transition and,

irá passar por uma transição de fase e,

through quantum tunneling, will be transformed

através do tunelamento quântico, irá se transformar

into this nasty, ultra-dense state?

nesse terrível estado ultradenso?

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

Em outras palavras, eu me pergunto, qual será o destino

of the Higgs field in our universe?

do campo de Higgs em nosso universo?

And the crucial ingredient necessary

E o ingrediente crucial necessário para

to answer this question is the Higgs boson mass.

responder a essa questão é a massa do bóson de Higgs.

And experiments at the LHC found that the mass

E experimentos no LHC reveleram que a massa

of the Higgs boson is about 126 GeV.

do bóson de Higgs é cerca de 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Isso é muito pequeno quando expresso em unidades conhecidas,

because it's equal to something like

porque é equivalente a algo como

10 to the minus 22 grams,

10 elevado a menos 22 gramas.

but it is large in particle physics units,

mas é grande em termos de unidades das partículas físicas,

because it is equal to the weight

pois é equivalente ao peso

of an entire molecule

de uma molécula inteira

of a DNA constituent.

de um constituinte do DNA.

So armed with this information from the LHC,

Então, armados com essa informação do LHC,

together with some colleagues here at CERN,

junto com alguns colegas daqui do CERN,

we computed the probability

nós computamos a probabilidade

that our universe could quantum tunnel

de que o nosso universo pudesse se transformar, através do tunelamento quântico,

into the ultra-dense Higgs state,

no estado ultradenso de Higgs,

and we found a very intriguing result.

e encontramos um resultado bastante intrigante.

Our calculations showed

Nossos cálculos demonstraram

that the measured value of the Higgs boson mass

que o valor medido da massa do bóson de Higgs

is very special.

é muito especial.

It has just the right value

Ele tem o valor certinho

to keep the universe hanging

para manter o universo suspenso

in an unstable situation.

numa situação instável.

The Higgs field is in a wobbly configuration

O campo de Higgs está numa configuração bamba

that has lasted so far

que vem se mantendo até agora

but that will eventually collapse.

mas que eventualmente irá desmoronar.

So according to these calculations,

Portanto, de acordo com estes cálculos,

we are like campers

somos como campistas

who accidentally set their tent

que montaram suas barracas

at the edge of a cliff.

à beira de um rochedo,

And eventually, the Higgs field

E eventualmente, o campo de Higgs

will undergo a phase transition

vai passar por uma transição de fase

and matter will collapse into itself.

e a matéria se desintegrará em si mesma.

So is this how humanity is going to disappear?

Então... é assim que a humanidade irá desaparecer?

I don't think so.

Acredito que não.

Our calculation shows that quantum tunneling

Nossos cálculos mostram que o tunelamento quântico

of the Higgs field is not likely to occur

do campo de Higgs não deve ocorrer

in the next 10 to the 100 years,

entre os próximos 10 elevado a 100 anos,

and this is a very long time.

e isso é um tempo bem longo.

It's even longer than

É até mais longo do que

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

o tempo que demora para a Itália formar um governo estável.

(Laughter)

(Risos)

Even so, we will be long gone by then.

Mesmo assim, até lá nós já não estaremos mais por aqui.

In about five billion years,

Em cerca de cinco bilhões de anos,

our sun will become a red giant,

o nosso sol se transformará em um gigante vermelho,

as large as the Earth's orbit,

tão grande quanto a órbita da Terra

and our Earth will be kaput,

e a nossa Terra ficará kaput,

and in a thousand billion years,

e em milhares de bilhões de anos,

if dark energy keeps on fueling

se a energia escura continuar a abastecer

space expansion at the present rate,

a expansão do espaço na medida atual,

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

você não vai conseguir nem mesmo ver os seus dedos dos pés

because everything around you

porque tudo ao seu redor

expands at a rate faster than the speed of light.

se expandirá mais rápido do que a velocidade da luz.

So it is really unlikely

Portanto é mesmo bastante improvável

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

que estejamos por aqui para ver o campo de Higgs entrar em colapso.

But the reason why I am interested

Mas a razão do meu interesse

in the transition of the Higgs field

na transição do campo de Higgs

is because I want to address the question,

é porque eu quero abordar a questão:

why is the Higgs boson mass so special?

Por que a massa do bóson de Higgs é tão especial?

Why is it just right to keep the universe

Por que é tão exato manter o universo

at the edge of a phase transition?

à beira de uma transição de fase?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Os físicos teóricos sempre perguntam "por quê?"

More than how a phenomenon works,

Mais do que como funciona um fenômeno,

theoretical physicists are always interested in

os físicos teóricos estão sempre interessados

why a phenomenon works in the way it works.

por que um fenômeno funciona do jeito que funciona.

We think that this these "why" questions

Nós acreditamos que questionar o porquê

can give us clues

pode nos dar pistas

about the fundamental principles of nature.

sobre os princípios fundamentais da natureza.

And indeed, a possible answer to my question

E, realmente, uma resposta possível para a minha pergunta

opens up new universes, literally.

abre novos universos. Literalmente.

It has been speculated that our universe

Especula-se que o nosso universo

is only a bubble in a soapy multiverse

é apenas uma bolha num multiverso espumoso

made out of a multitude of bubbles,

formado de uma multitude de bolhas,

and each bubble is a different universe

e que cada bolha é um universo diferente

with different fundamental constants

com constantes fundamentais diferentes

and different physical laws.

e diferentes leis da física.

And in this context, you can only talk about

E nesse contexto, só se pode falar sobre

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

a probabilidade de se encontrar um certo valor da massa de Higgs.

Then the key to the mystery

Então, a chave do mistério

could lie in the statistical properties

poderia recair nas propriedades estatísticas

of the multiverse.

do multiverso.

It would be something like what happens

Seria algo como o que acontece

with sand dunes on a beach.

com dunas de areia na praia.

In principle, you could imagine to find sand dunes

Em princípio, você poderia imaginar encontrar dunas de areia

of any slope angle in a beach,

de qualquer ângulo de inclinação na praia,

and yet, the slope angles of sand dunes

mas, os ângulos de inclinação das dunas de areia

are typically around 30, 35 degrees.

estão geralmente em torno de 30 - 35 graus.

And the reason is simple:

E a razão é simples:

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

porque o vento levanta a areia, e a gravidade a faz cair.

As a result, the vast majority of sand dunes

Como resultado, a grande maioria das dunas de areia

have slope angles around the critical value,

tem ângulos de inclinação em torno do valor crítico,

near to collapse.

próximo do colapso.

And something similar could happen

E algo similar poderia acontecer

for the Higgs boson mass in the multiverse.

para a massa do bóson de Higgs no multiverso.

In the majority of bubble universes,

Na maioria dos universos borbulhantes,

the Higgs mass could be around the critical value,

a massa de Higgs poderia estar em torno do valor crítico,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

próximo de um colapso cósmico do campo de HIggs,

because of two competing effects,

por causa de dois efeitos que estão competindo,

just as in the case of sand.

exatamente como no caso da areia.

My story does not have an end,

Minha história não tem um fim,

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

porque nós ainda não sabemos o final da história.

This is science in progress,

Isso é ciência em andamento,

and to solve the mystery, we need more data,

e para resolver o mistério, nós precisamos de mais dados,

and hopefully, the LHC will soon add new clues

e esperamos que logo o LHC irá adicionar novas pistas,

to this story.

a essa história.

Just one number, the Higgs boson mass,

Apenas um número, o da massa do bóson de Higgs,

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

e ainda assim, a partir deste número aprendemos tanto...

I started from a hypothesis, that the known particles

Eu comecei por uma hipótese, de que as partículas conhecidas

are all there is in the universe,

são tudo o que existe no universo,

even beyond the domain explored so far.

mesmo além dos domínios explorados até agora.

From this, we discovered that the Higgs field

Daí, nós descobrimos que o campo de Higgs

that permeates space-time may be standing

que permeia espaço-tempo, pode estar

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

numa situação perigosa, à beira de um colapso cósmico,

and we discovered that this may be a hint

e descobrimos que isto pode ser uma dica

that our universe is only a grain of sand

de que o nosso universo é apenas um grão de areia

in a giant beach, the multiverse.

numa praia gigantesca - o multiverso.

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

Mas eu não sei se a minha hipótese está correta.

That's how physics works: A single measurement

É assim que a física trabalha: uma simples medição

can put us on the road to a new understanding

pode nos colocar no caminho para uma nova compreensão

of the universe

do universo

or it can send us down a blind alley.

ou pode nos levar a um beco sem saída.

But whichever it turns out to be,

Mas o que quer que seja

there is one thing I'm sure of:

eu tenho certeza de uma coisa:

The journey will be full of surprises.

A viagem vai ser cheia de surpresas.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)