How we explore unanswered questions in physics | James Beacham

Translator: Leslie Gauthier Reviewer: Camille Martínez

Переводчик: Nataliia Pysemska Редактор: Yekaterina Jussupova

Кое-что в физике

There is something about physics

that has been really bothering me since I was a little kid.

не давало мне покоя с самого детства.

Речь идёт о вопросе,

And it's related to a question

that scientists have been asking for almost 100 years,

которым учёные задаются почти 100 лет

и не получают ответа.

with no answer.

Как мельчайшие природные объекты,

How do the smallest things in nature,

частицы квантового мира,

the particles of the quantum world,

match up with the largest things in nature --

соотносятся с крупнейшими объектами в природе —

planets and stars and galaxies held together by gravity?

планетами, звёздами и галактиками, которые удерживает гравитация?

As a kid, I would puzzle over questions just like this.

В детстве я ломал голову над подобными вопросами,

возился с микроскопами и электромагнитами,

I would fiddle around with microscopes and electromagnets,

and I would read about the forces of the small

читал о слабых взаимодействиях

and about quantum mechanics

и квантовой механике.

and I would marvel at how well that description matched up

Я изумлялся, как прекрасно это описание соответствовало

нашим наблюдениям.

to our observation.

Я смотрел на звёзды и читал о том,

Then I would look at the stars,

and I would read about how well we understand gravity,

насколько хорошо мы понимаем гравитацию;

and I would think surely, there must be some elegant way

уверенно полагал, что должен быть изящный способ

that these two systems match up.

объединить эти две системы.

Однако это не так.

But there's not.

And the books would say,

В книгах говорилось,

yeah, we understand a lot about these two realms separately,

что мы многое понимаем в каждой из этих систем по отдельности,

но при попытке связать их математически

but when we try to link them mathematically,

everything breaks.

всё рушится.

And for 100 years,

В течение 100 лет

ни одна из наших идей решения этой главной физической катастрофы

none of our ideas as to how to solve this basically physics disaster,

не была подкреплена доказательствами.

has ever been supported by evidence.

And to little old me --

Для меня прежнего —

little, curious, skeptical James --

маленького любопытного скептика Джеймса —

this was a supremely unsatisfying answer.

этот ответ был в высшей степени неудовлетворительным.

Так что я всё тот же малыш-скептик.

So, I'm still a skeptical little kid.

Flash-forward now to December of 2015,

Теперь перенесёмся в декабрь 2015 года,

когда я в непосредственной близости наблюдал,

when I found myself smack in the middle

of the physics world being flipped on its head.

как мир физики переворачивается с ног на голову.

It all started when we at CERN saw something intriguing in our data:

Дело в том, что мы в ЦЕРН увидели нечто занимательное в наших данных:

a hint of a new particle,

намёк на новую частицу,

an inkling of a possibly extraordinary answer to this question.

которая может стать исключительным ответом на этот вопрос.

So I'm still a skeptical little kid, I think,

Оставаясь ребёнком-скептиком,

but I'm also now a particle hunter.

я также являюсь охотником на частицы.

Я физик, работающий в ЦЕРН с Большим адронным коллайдером —

I am a physicist at CERN's Large Hadron Collider,

the largest science experiment ever mounted.

крупнейшим научным экспериментом из когда-либо построенных.

It's a 27-kilometer tunnel on the border of France and Switzerland

Это 27-километровый тоннель на границе Франции и Швейцарии,

buried 100 meters underground.

расположенный на глубине 100 метров.

And in this tunnel,

В этом тоннеле

we use superconducting magnets colder than outer space

мы используем сверхпроводящие магниты,

которые холоднее космического пространства,

to accelerate protons to almost the speed of light

чтобы разогнать протоны почти до скорости света

and slam them into each other millions of times per second,

и заставить их сталкиваться друг с другом миллионы раз в секунду.

collecting the debris of these collisions

Затем мы собираем осколки от этих столкновений

to search for new, undiscovered fundamental particles.

для поиска новых, неоткрытых фундаментальных частиц.

Its design and construction took decades of work

Тысячи физиков со всего мира десятки лет трудились

by thousands of physicists from around the globe,

над его разработкой и строительством.

and in the summer of 2015,

Летом 2015 года

we had been working tirelessly to switch on the LHC

мы работали без устали, чтобы включить БАК

at the highest energy that humans have ever used in a collider experiment.

на самой высокой в истории работы с коллайдерами мощности.

Now, higher energy is important

Высокая мощность важна,

because for particles, there is an equivalence

потому что для частиц существует равнозначность

between energy and particle mass,

между энергией и массой частицы,

and mass is just a number put there by nature.

а масса является лишь числом, присвоенным природой.

Чтобы открыть новые частицы,

To discover new particles,

we need to reach these bigger numbers.

необходимо достигнуть этих бо́льших чисел.

And to do that, we have to build a bigger, higher energy collider,

Для этого мы построили коллайдер, который быстрее и мощнее предшественников,

and the biggest, highest energy collider in the world

и теперь крупнейшим и мощнейшим коллайдером в мире

is the Large Hadron Collider.

является Большой адронный коллайдер.

And then, we collide protons quadrillions of times,

Там мы сталкиваем протоны квадриллионы раз

and we collect this data very slowly, over months and months.

и очень медленно, в течение нескольких месяцев, собираем данные.

And then new particles might show up in our data as bumps --

Новые частицы могут появиться в данных в виде неровностей —

небольших отклонений от ожидаемых данных,

slight deviations from what you expect,

little clusters of data points that make a smooth line not so smooth.

маленьких кластеров, из-за которых линия становится менее плавной.

For example, this bump,

Например, эта неровность:

после месяцев сбора данных в 2012 году

after months of data-taking in 2012,

led to the discovery of the Higgs particle --

она привела к обнаружению частицы Хиггса —

the Higgs boson --

бозона Хиггса —

and to a Nobel Prize for the confirmation of its existence.

и к Нобелевской премии за подтверждение его существования.

This jump up in energy in 2015

Этот энергетический скачок в 2015 году

represented the best chance that we as a species had ever had

предоставил лучшую в истории человечества возможность

of discovering new particles --

для открытия новых частиц —

new answers to these long-standing questions,

это новый ответ на давние вопросы,

because it was almost twice as much energy as we used

потому что нынешняя мощность почти в два раза больше той,

when we discovered the Higgs boson.

на которой был открыт бозон Хиггса.

Many of my colleagues had been working their entire careers for this moment,

Многие мои коллеги посвятили этому моменту всю свою карьеру, и, если честно,

and frankly, to little curious me,

для меня — любопытного малыша —

this was the moment I'd been waiting for my entire life.

это был момент, которого я ждал всю жизнь.

So 2015 was go time.

Итак, в 2015 году пришла пора действовать.

So June 2015,

В июне 2015 года

the LHC is switched back on.

БАК снова запустили.

Я вместе с коллегами затаил дыхание и кусал ногти,

My colleagues and I held our breath and bit our fingernails,

and then finally we saw the first proton collisions

а затем мы увидели первое столкновение протонов,

at this highest energy ever.

на крупнейшей в истории мощности.

Applause, champagne, celebration.

Аплодисменты, шампанское, празднование.

This was a milestone for science,

Это было важным событием для науки,

и мы понятия не имели, что обнаружим в новейших данных.

and we had no idea what we would find in this brand-new data.

And then a few weeks later, we found a bump.

Через несколько недель мы обнаружили неровность.

It wasn't a very big bump,

Она была не очень большой,

but it was big enough to make you raise your eyebrow.

но достаточной, чтобы заинтересовать нас.

По 10-балльной шкале удивительности,

But on a scale of one to 10 for eyebrow raises,

if 10 indicates that you've discovered a new particle,

где 10 означает открытие новой частицы,

наше событие тянет на четвёрочку.

this eyebrow raise is about a four.

(Смех)

(Laughter)

I spent hours, days, weeks in secret meetings,

Я провёл часы, дни, недели на секретных собраниях,

arguing with my colleagues over this little bump,

споря с коллегами по поводу маленькой неровности,

подвергая её самым жёстким экспериментам,

poking and prodding it with our most ruthless experimental sticks

to see if it would withstand scrutiny.

чтобы выяснить, выдержит ли она критику.

But even after months of working feverishly --

Однако после месяцев лихорадочной работы,

sleeping in our offices and not going home,

когда мы не выбирались домой и спали в офисах,

candy bars for dinner,

ужинали шоколадными батончиками

и вёдрами глушили кофе —

coffee by the bucketful --

physicists are machines for turning coffee into diagrams --

физики являются машинами по преобразованию кофе в диаграммы —

(Laughter)

(Смех)

This little bump would not go away.

эта маленькая неровность не исчезла.

So after a few months,

Так что через несколько месяцев

we presented our little bump to the world with a very clear message:

мы представили её миру и ясно дали понять:

эта неровность интересная, но неоднозначная,

this little bump is interesting but it's not definitive,

so let's keep an eye on it as we take more data.

поэтому давайте понаблюдаем за ней, пока не получим больше данных.

So we were trying to be extremely cool about it.

Мы старались вести себя предельно спокойно.

And the world ran with it anyway.

В любом случае новость облетела весь мир.

The news loved it.

СМИ она очень понравилась.

People said it reminded them of the little bump

Людям это напомнило небольшую неровность,

that was shown on the way toward the Higgs boson discovery.

которую представили перед открытием бозона Хиггса.

Better than that, my theorist colleagues --

Более того, мои коллеги-теоретики —

I love my theorist colleagues --

я их просто обожаю —

my theorist colleagues wrote 500 papers about this little bump.

написали 500 научных статей об этой маленькой неровности.

(Laughter)

(Смех)

The world of particle physics had been flipped on its head.

Мир физики элементарных частиц перевернулся с ног на голову.

But what was it about this particular bump

Но что же в этой маленькой неровности

заставило тысячи физиков потерять самообладание?

that caused thousands of physicists to collectively lose their cool?

This little bump was unique.

Она была уникальной

This little bump indicated

и указывала на то,

that we were seeing an unexpectedly large number of collisions

что мы наблюдали неожиданно большое число столкновений,

whose debris consisted of only two photons,

осколки которых состояли лишь из двух фотонов —

two particles of light.

двух частиц света.

And that's rare.

А это редкость.

Cоударение частиц не похоже на столкновение автомобилей.

Particle collisions are not like automobile collisions.

They have different rules.

У них разные правила.

When two particles collide at almost the speed of light,

Столкновение двух частиц почти на скорости света переносит их в квантовый мир.

the quantum world takes over.

And in the quantum world,

И в квантовом мире

these two particles can briefly create a new particle

эти две частицы могут быстро создать новую частицу,

that lives for a tiny fraction of a second

которая живёт крошечную долю секунды перед распадом

before splitting into other particles that hit our detector.

на другие частицы, которые улавливает наш датчик.

Imagine a car collision where the two cars vanish upon impact,

Представьте, что при столкновении две машины исчезают,

а на их месте возникает велосипед.

a bicycle appears in their place --

(Laughter)

(Смех)

And then that bicycle explodes into two skateboards,

А затем велосипед распадается на два скейтборда,

which hit our detector.

врезающиеся в датчики.

(Laughter)

(Смех)

Hopefully, not literally.

Надеюсь, не в буквальном смысле.

They're very expensive.

Датчики очень дорогие.

Events where only two photons hit out detector are very rare.

Случаи, когда детектор фиксирует лишь два фотона, очень редки.

And because of the special quantum properties of photons,

Из-за особых квантовых свойств фотонов

there's a very small number of possible new particles --

существует очень мало вариантов потенциальных новых частиц —

these mythical bicycles --

мифических велосипедов, —

которые могут породить лишь два фотона.

that can give birth to only two photons.

But one of these options is huge,

Но один из этих вариантов грандиозный,

and it has to do with that long-standing question

он связан с давним вопросом о гравитации,

that bothered me as a tiny little kid,

который волновал меня с самого детства.

about gravity.

Gravity may seem super strong to you,

Гравитация может показаться вам очень сильной,

but it's actually crazily weak compared to the other forces of nature.

однако она гораздо слабее других сил природы.

I can briefly beat gravity when I jump,

Я могу ненадолго преодолеть гравитацию во время прыжка,

but I can't pick a proton out of my hand.

но не могу вынуть протон из своей руки.

The strength of gravity compared to the other forces of nature?

Какова сила гравитации по сравнению с другими силами природы?

It's 10 to the minus 39.

Десять в минус тридцать девятой степени.

That's a decimal with 39 zeros after it.

Это десятичное число, за которым следуют 39 нулей.

Worse than that,

Кроме того,

all of the other known forces of nature are perfectly described

все другие известные силы природы прекрасно характеризует

by this thing we call the Standard Model,

так называемая Стандартная модель,

which is our current best description of nature at its smallest scales,

которая сейчас является лучшим описанием мельчайших объектов природы,

и, честно говоря,

and quite frankly,

одним из самых успешных достижений человечества —

one of the most successful achievements of humankind --

except for gravity, which is absent from the Standard Model.

всё портит гравитация,

которая отсутствует в Стандартной модели.

It's crazy.

Сумасшествие.

Словно бо́льшая часть гравитации пропала без вести.

It's almost as though most of gravity has gone missing.

We feel a little bit of it,

Мы слегка ощущаем её,

но где всё остальное?

but where's the rest of it?

No one knows.

Никто не знает.

Однако есть теоретическое объяснение, которое предлагает безумное решение.

But one theoretical explanation proposes a wild solution.

Я и вы —

You and I --

even you in the back --

даже сидящие в конце зала —

живём в трёх измерениях.

we live in three dimensions of space.

I hope that's a non-controversial statement.

Надеюсь, это неоспоримое заявление.

(Laughter)

(Смех)

All of the known particles also live in three dimensions of space.

Все известные частицы также существуют в трёх измерениях пространства.

По сути, «частица» —

In fact, a particle is just another name

for an excitation in a three-dimensional field;

это лишь синоним возбуждения в трёхмерном пространстве;

a localized wobbling in space.

локализованное колебание в пространстве.

More importantly, all the math that we use to describe all this stuff

Куда важнее, что математика, с помощью которой мы всё это описываем,

assumes that there are only three dimensions of space.

предполагает существование лишь трёх измерений пространства.

But math is math, and we can play around with our math however we want.

Но это ведь математика, и мы можем играть с ней, как пожелаем.

Люди забавлялись с дополнительными измерениями пространства

And people have been playing around with extra dimensions of space

долгое время,

for a very long time,

но это всегда было абстрактной математической концепцией.

but it's always been an abstract mathematical concept.

I mean, just look around you -- you at the back, look around --

Все вы, оглянитесь:

there's clearly only three dimensions of space.

несомненно, существует только три измерения пространства.

But what if that's not true?

Но что, если это не правда?

Что, если часть гравитации

What if the missing gravity is leaking into an extra-spatial dimension

просачивается в дополнительное пространственное измерение,

that's invisible to you and I?

которое невидимо для нас с вами?

What if gravity is just as strong as the other forces

Что, если бы вы смогли заглянуть в это дополнительное измерение

if you were to view it in this extra-spatial dimension,

и обнаружить, что гравитация не слабее других сил,

and what you and I experience is a tiny slice of gravity

а слабой она кажется только потому, что на нас воздействует

make it seem very weak?

лишь малая её часть?

Будь это правдой,

If this were true,

we would have to expand our Standard Model of particles

нам пришлось бы расширить Стандартную модель частиц,

чтобы включить дополнительную, гиперпространственную частицу гравитации,

to include an extra particle, a hyperdimensional particle of gravity,

a special graviton that lives in extra-spatial dimensions.

особый гравитон, существующий в дополнительных измерениях.

I see the looks on your faces.

Я вижу, что выражают ваши лица.

You should be asking me the question,

Вам следует спросить меня:

«Каким образом мы проверим эту безумную научно-фантастическую идею,

"How in the world are we going to test this crazy, science fiction idea,

stuck as we are in three dimensions?"

если мы застряли в трёх измерениях?»

The way we always do,

Так же, как и всегда —

столкнём два протона

by slamming together two protons --

(Laughter)

(Смех)

Hard enough that the collision reverberates

с такой силой, что столкновение отразится

в любом дополнительном пространственном измерении,

into any extra-spatial dimensions that might be there,

momentarily creating this hyperdimensional graviton

на мгновение создав этот гиперспространственный гравитон,

that then snaps back into the three dimensions of the LHC

который затем снова защёлкнется в трёх измерениях БАК

and spits off two photons,

и оставит два фотона,

two particles of light.

две частицы света.

And this hypothetical, extra-dimensional graviton

Этот гипотетический межпространственный гравитон

is one of the only possible, hypothetical new particles

является одной из немногих возможных гипотетических новых частиц,

обладающих особыми квантовыми свойствами,

that has the special quantum properties

that could give birth to our little, two-photon bump.

которые могут породить нашу маленькую неровность из двух фотонов.

Итак, перед нами появилась перспектива объяснения тайн гравитации

So, the possibility of explaining the mysteries of gravity

and of discovering extra dimensions of space --

и открытия дополнительных измерений пространства —

perhaps now you get a sense

возможно, теперь вы понимаете,

as to why thousands of physics geeks collectively lost their cool

почему тысячи помешанных на работе физиков потеряли самообладание перед этой

маленькой 2-фотонной неровностью.

over our little, two-photon bump.

Подобное открытие заставит переписать учебники.

A discovery of this type would rewrite the textbooks.

But remember,

Но помните сообщение

the message from us experimentalists

от нас, экспериментаторов,

that actually were doing this work at the time,

которые постоянно этим занимаются:

was very clear:

нужно больше данных.

we need more data.

With more data,

Большое число данных

the little bump will either turn into a nice, crisp Nobel Prize --

может либо превратить маленькую неровность в новенькую Нобелевскую премию,

(Laughter)

(Смех)

Or the extra data will fill in the space around the bump

либо заполнить пространство вокруг этой неровности

and turn it into a nice, smooth line.

и вернуть линии плавность.

So we took more data,

Поэтому мы собрали в 5 раз больше данных,

and with five times the data, several months later,

и спустя несколько месяцев

our little bump

наша маленькая неровность

превратилась в плавную линию.

turned into a smooth line.

The news reported on a "huge disappointment," on "faded hopes,"

В новостях сообщили об «огромном разочаровании»,

and on particle physicists "being sad."

о «потере надежды» и «опечаленных» ядерных физиках.

Given the tone of the coverage,

После таких заявлений

можно подумать, что мы решили закрыть БАК и разойтись по домам.

you'd think that we had decided to shut down the LHC and go home.

(Laughter)

(Смех)

But that's not what we did.

Однако мы этого не сделали.

Но почему нет?

But why not?

I mean, if I didn't discover a particle -- and I didn't --

Ведь если я не открыл частицу,

if I didn't discover a particle, why am I here talking to you?

почему я сейчас выступаю перед вами?

Почему я не пошёл домой,

Why didn't I just hang my head in shame

and go home?

понурив голову?

Ядерные физики являются исследователями.

Particle physicists are explorers.

And very much of what we do is cartography.

В основном мы занимаемся картографией.

Позвольте мне сказать следующее: забудьте о БАК на секунду.

Let me put it this way: forget about the LHC for a second.

Представьте: вы космический исследователь, прибывший на далёкую планету

Imagine you are a space explorer arriving at a distant planet,

searching for aliens.

в поисках инопланетян.

Что вы делаете в первую очередь?

What is your first task?

To immediately orbit the planet, land, take a quick look around

Захо́дите на орбиту планеты, приземляетесь, осматриваетесь

в поисках очевидных признаков жизни

for any big, obvious signs of life,

and report back to home base.

и докладываете на базу.

That's the stage we're at now.

Мы сейчас находимся на этой стадии.

We took a first look at the LHC

Мы впервые заглянули в БАК

for any new, big, obvious-to-spot particles,

в поисках новых, больших и заметных частиц

и теперь можем сообщить, что таких нет.

and we can report that there are none.

We saw a weird-looking alien bump on a distant mountain,

Мы увидели подозрительный инородный выступ на горе,

but once we got closer, we saw it was a rock.

но, подойдя ближе, увидели, что это просто камень.

But then what do we do? Do we just give up and fly away?

Но что же делать дальше? Просто сдаться и улететь?

Absolutely not;

Однозначно нет;

we would be terrible scientists if we did.

мы были бы ужасными учёными, поступив так.

Нет, следующие пару десятилетий мы будем исследовать,

No, we spend the next couple of decades exploring,

mapping out the territory,

составим карту территории,

sifting through the sand with a fine instrument,

просеем песок качественными инструментами,

peeking under every stone,

заглянем под каждый камень,

пробурим поверхность.

drilling under the surface.

Новые частицы могут возникнуть внезапно,

New particles can either show up immediately

as big, obvious-to-spot bumps,

в виде больших, очевидных неровностей,

or they can only reveal themselves after years of data taking.

но они также могут обнаружиться спустя годы сбора данных.

Человечество лишь начало исследования в БАК на высокой мощности,

Humanity has just begun its exploration at the LHC at this big high energy,

and we have much searching to do.

и нам предстоят долгие поиски.

But what if, even after 10 or 20 years, we still find no new particles?

Но что если через 10 или 20 лет мы так и не обнаружим новую частицу?

Мы построим машину побольше.

We build a bigger machine.

(Laughter)

(Смех)

We search at higher energies.

Мы будем искать на бо́льших мощностях.

We search at higher energies.

Planning is already underway for a 100-kilometer tunnel

Уже идёт планирование 100-километрового тоннеля,

that will collide particles at 10 times the energy of the LHC.

который будет в 10 раз мощнее БАК.

We don't decide where nature places new particles.

Природа решает, где разместить новые частицы, а не мы.

We only decide to keep exploring.

Мы только решаем продолжать поиски.

Но что, если даже после строительства

But what if, even after a 100-kilometer tunnel

or a 500-kilometer tunnel

туннеля на 100 и 500 километров,

or a 10,000-kilometer collider floating in space

или создания 10 000-километрового коллайдера в космосе

between the Earth and the Moon,

между Землёй и Луной,

we still find no new particles?

мы так и не обнаружим новые частицы?

Then perhaps we're doing particle physics wrong.

Тогда, возможно, мы неверно занимаемся физикой частиц.

(Laughter)

(Смех)

Возможно, нам нужно многое переосмыслить.

Perhaps we need to rethink things.

Возможно, нам нужно больше ресурсов, технологий и опыта,

Maybe we need more resources, technology, expertise

than what we currently have.

чем есть сейчас.

We already use artificial intelligence and machine learning techniques

Мы уже частично используем в БАК искусственный интеллект

in parts of the LHC,

и техники обучения машин,

но представьте эксперимент в физике частиц

but imagine designing a particle physics experiment

using such sophisticated algorithms

с такими сложными алгоритмами,

that it could teach itself to discover a hyperdimensional graviton.

что они сами научатся обнаруживать гиперпространственный гравитон.

But what if?

Но что, если?

What if the ultimate question:

Главный вопрос: что, если даже искусственный интеллект

What if even artificial intelligence can't help us answer our questions?

не сможет помочь ответить на наши вопросы?

Что, если открытые столетиями вопросы

What if these open questions, for centuries,

are destined to be unanswered for the foreseeable future?

обречены остаться без ответа в обозримом будущем?

What if the stuff that's bothered me since I was a little kid

Что, если проблемы, которые с детства не давали мне покоя,

is destined to be unanswered in my lifetime?

обречены остаться без ответа до конца моей жизни?

Then that ...

Тогда...

will be even more fascinating.

это будет даже более захватывающе.

Нам придётся думать в совершенно новых направлениях,

We will be forced to think in completely new ways.

We'll have to go back to our assumptions,

придётся вернуться к своим предположениям

and determine if there was a flaw somewhere.

и поискать в них ошибку.

And we'll need to encourage more people to join us in studying science

Также необходимо привлекать в науку больше людей,

since we need fresh eyes on these century-old problems.

которые смогут взглянуть на эти вековые проблемы свежим взглядом.

I don't have the answers, and I'm still searching for them.

У меня нет ответов, но я продолжаю их искать.

Но кто-то — возможно, сейчас она учится в школе

But someone -- maybe she's in school right now,

maybe she's not even born yet --

или даже ещё не родилась —

could eventually guide us to see physics in a completely new way,

сможет в итоге заставить нас по-новому взглянуть на физику

and to point out that perhaps we're just asking the wrong questions.

и указать, что, возможно, мы просто задаём неправильные вопросы.

Это будет не концом физики,

Which would not be the end of physics,

but a novel beginning.

а только новым началом.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)