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

Tradutor: Alexandre Castagna Revisora: Afonso Monteiro

So last year, on the Fourth of July,

No ano passado, no dia 4 de julho,

experiments at the Large Hadron Collider

experiências no Grande Colisionador de Hadrões [GCH]

discovered the Higgs boson.

descobriram o bosão de Higgs.

It was a historical day.

Foi um dia histórico.

There's no doubt that from now on,

Não há dúvida de que, de agora em diante,

the Fourth of July will be remembered

o dia 4 de julho será lembrado

not as the day of the Declaration of Independence,

não como o dia da Declaração da Independência (EUA),

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

mas como o dia da descoberta do bosão de Higgs.

Well, at least, here at CERN.

Bem, pelo menos aqui no CERN.

But for me, the biggest surprise of that day

Mas para mim, a maior surpresa desse dia

was that there was no big surprise.

foi não ter havido nenhuma grande surpresa.

In the eye of a theoretical physicist,

Na perspetiva de um físico teórico

the Higgs boson is a clever explanation

o bosão 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.

Demasiadas perguntas são deixadas sem resposta.

The Higgs boson does not share the beauty,

O bosão de Higgs não partilha a beleza,

the symmetry, the elegance,

a simetria, a elegância,

of the rest of the elementary particle world.

do resto do mundo das partículas elementares.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Por esta razão, a maioria dos físicos teóricos

believe that the Higgs boson could not

acredita que o bosão de Higgs não poderia

be the full story.

ser a história toda.

We were expecting new particles and new phenomena

Estávamos à espera de novas partículas e novos fenómenos

accompanying the Higgs boson.

associados ao bosão 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 GCH não mostram sinais de novas partículas

or unexpected phenomena.

ou fenómenos inesperados.

Of course, the verdict is not definitive.

Claro, o veredicto não é definitivo.

In 2015, the LHC will almost double

Em 2015, o GCH quase que duplicará

the energy of the colliding protons,

a energia dos protões em colisão,

and these more powerful collisions

e estas colisões mais poderosas

will allow us to explore further the particle world,

permitir-nos-ão explorar ainda mais o mundo das partículas,

and we will certainly learn much more.

e nós certamente vamos aprender muito mais.

But for the moment, since we have found

Mas para já, uma vez que nós não encontramos

no evidence for new phenomena, let us suppose

nenhuma evidência para os novos fenómenos, vamos supor

that the particles that we know today,

que as partículas que conhecemos hoje,

including the Higgs boson,

incluindo o bosão de Higgs,

are the only elementary particles in nature,

são as únicas partículas elementares na Natureza,

even at energies much larger

mesmo a energias mais altas

than what we have explored so far.

do que o que temos explorado até agora.

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

Vamos ver onde esta hipótese nos vai levar.

We will find a surprising and intriguing result

Vamos encontrar um resultado surpreendente e intrigante

about our universe, and to explain my point,

sobre o nosso universo, e para explicar aonde quero chegar,

let me first tell you what the Higgs is about,

deixem-me primeiro dizer-vos o que é o bosão de Higgs,

and to do so, we have to go back

e para isso, teremos que voltar

to one tenth of a billionth of a second

a um décimo de um bilionésimo 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, ocorreu um evento dramático

in the universe.

no universo.

Space-time underwent a phase transition.

O espaço-tempo passou por uma fase de transição.

It was something very similar to the phase transition

Foi algo muito parecido com a transição de fase

that occurs when water turns into ice

que ocorre quando a água se transforma em gelo

below zero degrees.

abaixo de zero graus.

But in our case, the phase transition

Mas no nosso caso, a transição de fase

is not a change in the way the molecules

não é uma alteração na forma de como as moléculas

are arranged inside the material,

estão organizadas dentro do material,

but is about a change

mas sim de uma mudança

of the very fabric of space-time.

do próprio tecido do espaço-tempo.

During this phase transition, empty space

Durante esta fase de transição, o espaço vazio

became filled with a substance

tornou-se repleto de uma substância

that we now call Higgs field.

que hoje chamamos de campo de Higgs.

And this substance may seem invisible to us,

E esta substância pode parecer invisível para nós,

but it has a physical reality.

mas tem uma realidade física.

It surrounds us all the time,

Ela rodeia-nos em todos os momentos,

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 no processo.

And this intrinsic energy is what we call

E essa energia intrínseca é o que chamamos

the mass of a particle,

de massa de uma partícula,

and by discovering the Higgs boson, the LHC

e ao descobrir o bosão de Higgs, o GCH

has conclusively proved that this substance is real,

provou conclusivamente que esta substância é real,

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

porque é o material de que são feitos os bosões de Higgs.

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

E isto, em poucas palavras, é a essência da história de Higgs.

But this story is far more interesting than that.

Mas esta história é muito mais interessante do que isto.

By studying the Higgs theory,

Ao estudar a teoria de Higgs,

theoretical physicists discovered,

os físicos teóricos descobriram,

not through an experiment

não por meio de uma experiência

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,

Assim como a matéria pode existir como líquida ou sólida,

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

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

could exist in two states.

poderia existir em dois estados.

Besides the known Higgs state,

Além do conhecido estado de Higgs,

there could be a second state in which the Higgs field

pode haver um segundo estado no qual o campo de Higgs

is billions and billions times denser

é milhares e milhares de milhões 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 outro estado

of the Higgs field poses a potential problem.

do campo de Higgs representa um potencial problema.

This is because, according to the laws

Isto acontece porque, de acordo com as leis

of quantum mechanics, it is possible

da mecânica quântica, é possível

to have transitions between two states,

ter transições entre dois estados,

even in the presence of an energy barrier

mesmo na presença de uma barreira energética

separating the two states,

a separar os dois estados,

and the phenomenon is called,

e o fenómeno é chamado,

quite appropriately, quantum tunneling.

muito apropriadamente, de Tunelamento Quântico.

Because of quantum tunneling,

Por causa de 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 na parede.

But don't expect me to actually perform the trick

Mas não esperem que eu realmente execute o truque

in front of your eyes, because the probability

diante dos vossos olhos, porque a probabilidade

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

de eu penetrar na parede é ridiculamente pequena.

You would have to wait a really long time

Vocês teriam que esperar muito tempo

before it happens, but believe me,

antes que isso acontecesse, mas acreditem em mim,

quantum tunneling is a real phenomenon,

o Tunelamento Quântico é um fenómeno real,

and it has been observed in many systems.

e tem sido observado em muitos sistemas.

For instance, the tunnel diode,

Por exemplo, o diodo túnel [diodo Esaki],

a component used in electronics,

um componente usado em eletrónica,

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 vamos voltar para o campo de Higgs.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Se o estado de Higgs ultra denso existiu,

then, because of quantum tunneling,

então, por causa de Tunelamento Quântico,

a bubble of this state could suddenly appear

uma bolha deste estado poderia aparecer de repente

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

num determinado lugar do universo e num determinado momento,

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

e isso é análogo ao que acontece quando se ferve água.

Bubbles of vapor form inside the water,

Bolhas de vapor formam-se dentro da água,

then they expand, turning liquid into gas.

então elas expandem-se, transformando o líquido em gás.

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

Da mesma forma, uma bolha do estado ultra denso de Higgs

could come into existence because of quantum tunneling.

poderia reaparecer devido ao Tunelamento Quântico.

The bubble would then expand at the speed of light,

A bolha ir-se-ia então expandir à 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 familiar para um novo estado.

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

Isto é um problema? Sim, é um grande problema.

We may not realize it in ordinary life,

Nós podemos não perceber isso no dia-a-dia,

but the intensity of the Higgs field is critical

mas a intensidade do campo de Higgs é fundamental

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 apenas algumas vezes mais intenso,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

veríamos átomos encolhendo, neutrões decaindo

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

dentro de núcleos atómicos, núcleos a desintegrarem-se

and hydrogen would be

e o hidrogénio 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 de Higgs ultra denso,

is not just a few times more intense than today,

não é só algumas vezes mais intenso do que hoje,

but billions of times,

mas sim biliões de vezes,

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

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

all atomic matter would collapse.

toda a matéria atómica entraria em colapso.

No molecular structures would be possible, no life.

Nenhuma estrutura molecular seria possível, nenhuma vida.

So, I wonder, is it possible

Então, eu pergunto-me: "É possível

that in the future, the Higgs field

"que, no futuro, o campo de Higgs

will undergo a phase transition and,

"passe por uma fase de transição e,

through quantum tunneling, will be transformed

"através de Tunelamento Quântico, se transforme

into this nasty, ultra-dense state?

"neste nocivo estado ultra denso?"

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

Por outras palavras, eu pergunto-me: "Qual é o destino

of the Higgs field in our universe?

do campo de Higgs no nosso universo?"

And the crucial ingredient necessary

E o ingrediente crucial necessário

to answer this question is the Higgs boson mass.

para responder a esta pergunta é a massa do bosão de Higgs.

And experiments at the LHC found that the mass

E experiências no LHC descobriram que a massa

of the Higgs boson is about 126 GeV.

do bosão de Higgs é cerca de 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Isto é minúsculo se for expresso em unidades familiares,

because it's equal to something like

porque é igual a algo como

10 to the minus 22 grams,

10 elevado a - 22 gramas,

but it is large in particle physics units,

mas é grande em unidades de física de partículas,

because it is equal to the weight

porque é igual ao peso

of an entire molecule

de uma molécula inteira

of a DNA constituent.

de um componente de ADN.

So armed with this information from the LHC,

Então, armados com esta informação do GCH,

together with some colleagues here at CERN,

juntamente com alguns colegas aqui no CERN,

we computed the probability

nós calculámos a probabilidade

that our universe could quantum tunnel

de que nosso universo passe, devido a um túnel quântico,

into the ultra-dense Higgs state,

para o estado de Higgs ultra denso,

and we found a very intriguing result.

e encontrámos um resultado muito intrigante.

Our calculations showed

Os nossos cálculos mostraram

that the measured value of the Higgs boson mass

que o valor medido da massa do bosão de Higgs

is very special.

é muito especial.

It has just the right value

Ele tem exatamente o valor necessário

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 instável

that has lasted so far

que tem durado até agora

but that will eventually collapse.

mas que eventualmente entrará em colapso.

So according to these calculations,

Então, de acordo com esses cálculos,

we are like campers

nós somos como campistas

who accidentally set their tent

que acidentalmente armaram a sua tenda

at the edge of a cliff.

à beira de um precipício.

And eventually, the Higgs field

E, eventualmente, o campo de Higgs

will undergo a phase transition

passará por uma fase de transição

and matter will collapse into itself.

e a matéria vai entrar em colapso sobre si mesma.

So is this how humanity is going to disappear?

É assim que a humanidade vai desaparecer?

I don't think so.

Eu acho que não.

Our calculation shows that quantum tunneling

Os nossos cálculos mostram que não é provável ocorrer

of the Higgs field is not likely to occur

o Tunelamento Quântico do campo de Higgs

in the next 10 to the 100 years,

nos próximos 10 elevado a 100 anos,

and this is a very long time.

e isto é muito tempo.

It's even longer than

É mais do que

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

o tempo que a Itália leva a formar um governo estável.

(Laughter)

(Risos)

Even so, we will be long gone by then.

Mesmo assim, nós já teremos desaparecido há muito tempo.

In about five billion years,

Daqui a cerca de 5 biliões de anos,

our sun will become a red giant,

o nosso sol tornar-se-á uma gigante vermelha,

as large as the Earth's orbit,

tão grande como a órbita da Terra,

and our Earth will be kaput,

e a nossa Terra será destruída,

and in a thousand billion years,

e daqui a 1000 biliões de anos,

if dark energy keeps on fueling

se a energia escura continuar a alimentar a

space expansion at the present rate,

expansão de espaço no ritmo atual,

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

vocês nem serão capazes de ver os dedos dos pés,

because everything around you

porque tudo à vossa volta

expands at a rate faster than the speed of light.

vai estar a expandir-se a um ritmo mais rápido do que a velocidade da luz.

So it is really unlikely

Então é realmente improvável

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

estarmos por cá para vermos o colapso do campo de Higgs.

But the reason why I am interested

Mas a razão por que estou interessado

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 é que a massa do bosão de Higgs é tão especial?"

Why is it just right to keep the universe

"Por que é exatamente o que é necessário para manter o universo

at the edge of a phase transition?

"à beira de uma fase de transição?"

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Os físicos teóricos perguntam sempre "porquê".

More than how a phenomenon works,

Mais do que como funciona um fenómeno,

theoretical physicists are always interested in

os físicos teóricos estão sempre interessados em

why a phenomenon works in the way it works.

por que é que um fenómeno funciona da forma que ele funciona.

We think that this these "why" questions

Nós pensamos que estas perguntas do "porquê",

can give us clues

podem dar-nos pistas

about the fundamental principles of nature.

sobre os princípios fundamentais da Natureza.

And indeed, a possible answer to my question

E, de facto, uma possível resposta para a minha pergunta

opens up new universes, literally.

abre novos universos, literalmente.

It has been speculated that our universe

Foi especulado que o nosso universo

is only a bubble in a soapy multiverse

é só uma bolha num multiverso-espuma

made out of a multitude of bubbles,

composto por uma infinidade de bolhas,

and each bubble is a different universe

e que cada bolha é um universo diferente

with different fundamental constants

com diferentes constantes fundamentais

and different physical laws.

e diferentes leis da física.

And in this context, you can only talk about

E neste contexto, apenas se pode falar sobre

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

a probabilidade de encontrar um determinado valor da massa de Higgs.

Then the key to the mystery

Então a chave para o mistério

could lie in the statistical properties

poderia residir 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 as dunas de areia numa praia.

In principle, you could imagine to find sand dunes

Em princípio, poderiam imaginar encontrar dunas de areia

of any slope angle in a beach,

de qualquer ângulo de inclinação numa praia,

and yet, the slope angles of sand dunes

e no entanto, os ângulos de inclinação das dunas de areia

are typically around 30, 35 degrees.

normalmente são cerca de 30 a 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 empilha a areia, 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.

perto do colapso.

And something similar could happen

E pode acontecer algo semelhante

for the Higgs boson mass in the multiverse.

para a massa do bosão Higgs no multiverso.

In the majority of bubble universes,

Na maioria dos universos-bolha,

the Higgs mass could be around the critical value,

a massa do Higgs pode 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 concorrentes,

just as in the case of sand.

tal como no caso da areia.

My story does not have an end,

A minha história não tem fim,

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

porque ainda não sabemos o final da história.

This is science in progress,

Isto é a ciência em progresso,

and to solve the mystery, we need more data,

e para resolver o mistério, precisamos de mais dados

and hopefully, the LHC will soon add new clues

e espero que o GCH adicione novas pistas em breve

to this story.

para esta história.

Just one number, the Higgs boson mass,

Um único número, a massa do bosão de Higgs,

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

e contudo, deste número aprendemos tanto.

I started from a hypothesis, that the known particles

Parti de uma hipótese, 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 para além do domínio explorado até agora.

From this, we discovered that the Higgs field

Com isso, descobrimos que o campo de Higgs

that permeates space-time may be standing

que permeia o espaço-tempo pode estar sobre

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

o fio da navalha, pronto para o colapso cósmico,

and we discovered that this may be a hint

e descobrimos que esta 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 gigante, o multiverso.

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

Mas não sei se a minha hipótese está correta.

That's how physics works: A single measurement

É assim que funciona a física: uma única 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 enviar para um beco sem saída.

But whichever it turns out to be,

Mas o que quer que venha a ser,

there is one thing I'm sure of:

há uma coisa de que tenho a certeza:

The journey will be full of surprises.

A viagem será cheia de surpresas.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)