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

Переводчик: Aleks Teri Редактор: Ksenia Mosalova

So last year, on the Fourth of July,

В прошлом году, 4-го июля,

experiments at the Large Hadron Collider

в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК)

discovered the Higgs boson.

был открыт бозон Хиггса.

It was a historical day.

Это был исторический день.

There's no doubt that from now on,

Без сомнения, отныне 4 июля останется в памяти

the Fourth of July will be remembered

not as the day of the Declaration of Independence,

не только как День независимости США,

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

но и как день открытия бозона Хиггса.

Well, at least, here at CERN.

По крайней мере, здесь, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).

But for me, the biggest surprise of that day

Но лично для меня поразительное открытие того дня

was that there was no big surprise.

не стало таким уж большим сюрпризом.

In the eye of a theoretical physicist,

С точки зрения физика-теоретика,

бозон Хиггса — понятное объяснение того,

the Higgs boson is a clever explanation

of how some elementary particles gain mass,

как некоторые элементарные частицы набирают массу,

but it seems a fairly unsatisfactory

но, кажется, это объяснение неудовлетворительное и неполное.

and incomplete solution.

Too many questions are left unanswered.

Многие вопросы остаются без ответа.

The Higgs boson does not share the beauty,

Бозон Хиггса не обладает красотой, изяществом, симметрией

the symmetry, the elegance,

of the rest of the elementary particle world.

остального мира элементарных частиц.

For this reason, the majority of theoretical physicists

По этой причине большинство физиков-теоретиков считают,

believe that the Higgs boson could not

что бозон Хиггса не может быть окончанием этой истории.

be the full story.

We were expecting new particles and new phenomena

Мы ожидаем открытия новых частиц и новых явлений,

accompanying the Higgs boson.

сопровождающих открытие бозона Хиггса.

Instead, so far, the measurements

А пока что результаты исследований БАК

coming from the LHC show no signs of new particles

не отмечают новых частиц

or unexpected phenomena.

или непредвиденных явлений.

Of course, the verdict is not definitive.

Конечно, вердикт не окончательный.

In 2015, the LHC will almost double

В 2015 году БАК увеличит практически вдвое энергию столкновения протонов,

the energy of the colliding protons,

and these more powerful collisions

и эти усиленные столкновения позволят

will allow us to explore further the particle world,

продолжить изучение мира элементарных частиц,

and we will certainly learn much more.

и мы, безусловно, узнаем гораздо больше.

But for the moment, since we have found

Но сейчас, поскольку мы не нашли свидетельств о новых явлениях,

no evidence for new phenomena, let us suppose

давайте предположим,

that the particles that we know today,

что частицы, известные нам на сегодня, включая бозон Хиггса,

including the Higgs boson,

are the only elementary particles in nature,

являются единственными элементарными частицами в природе,

even at energies much larger

даже при большей энергии, чем та,

than what we have explored so far.

что была освоена нами к настоящему времени.

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

Давайте посмотрим, куда приведёт нас эта гипотеза.

We will find a surprising and intriguing result

Мы сделаем удивительное и интригующее открытие

about our universe, and to explain my point,

о нашей Вселенной, и чтобы объяснить свою точку зрения,

let me first tell you what the Higgs is about,

позвольте мне сначала рассказать вам, что из себя представляет хиггсон.

and to do so, we have to go back

А для этого мы вернёмся

to one tenth of a billionth of a second

к одной десятой миллиардной секунды после Большого взрыва.

after the Big Bang.

And according to the Higgs theory,

Cогласно теории Хиггса,

at that instant, a dramatic event took place

в этот момент произошло яркое событие во Вселенной.

in the universe.

Space-time underwent a phase transition.

Пространственно-временной континуум претерпел фазовое превращение.

It was something very similar to the phase transition

Это было очень похоже на фазовый переход,

that occurs when water turns into ice

происходящий, когда вода становится льдом при температуре ниже нуля.

below zero degrees.

But in our case, the phase transition

Но в нашем случае этот переход —

is not a change in the way the molecules

не изменение расположения молекул в структуре вещества,

are arranged inside the material,

but is about a change

а изменение материи временного континуума.

of the very fabric of space-time.

During this phase transition, empty space

В процессе этого перехода пустое пространство

became filled with a substance

было заполнено субстанцией, которую мы теперь называем полем Хиггса.

that we now call Higgs field.

And this substance may seem invisible to us,

Эта субстанция может быть невидима для нас,

but it has a physical reality.

но она обладает физическими свойствами.

It surrounds us all the time,

Она окружает нас всё время,

just like the air we breathe in this room.

как воздух, которым мы дышим в этом зале.

And some elementary particles interact

И некоторые элементарные частицы взаимодействуют с этим веществом,

with this substance, gaining energy in the process.

получая энергию во время процесса.

And this intrinsic energy is what we call

И эта свойственная энергия — то, что мы называем

the mass of a particle,

массой частицы.

and by discovering the Higgs boson, the LHC

А с помощью открытия бозона Хиггса

БАК доказал, что это вещество существует,

has conclusively proved that this substance is real,

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

потому что бозоны Хиггса состоят из него.

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

Это вкратце смысл истории Хиггса.

But this story is far more interesting than that.

На самом деле, эта история намного интереснее.

By studying the Higgs theory,

Изучая теорию Хиггса, физики-теоретики открыли

theoretical physicists discovered,

not through an experiment

не через эксперимент, а с помощью математики,

but with the power of mathematics,

that the Higgs field does not necessarily exist

что поле Хиггса существует не только

only in the form that we observe today.

в том виде, в котором мы наблюдаем его сегодня.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Так же как и вещество может пребывать в жидком или твёрдом состоянии,

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

поле Хиггса, субстанция, заполняющая весь пространственный континуум,

could exist in two states.

может пребывать в двух состояниях.

Besides the known Higgs state,

Помимо уже известного состояния Хиггса,

there could be a second state in which the Higgs field

может быть и второе состояние, в котором поле Хиггса

is billions and billions times denser

в миллиарды и миллиарды раз плотнее того,

than what we observe today,

что мы наблюдаем сегодня.

and the mere existence of another state

Сама возможность другого состояния

of the Higgs field poses a potential problem.

поля Хиггса создаёт потенциальную проблему.

This is because, according to the laws

Согласно законам квантовой механики, возможность перехода

of quantum mechanics, it is possible

to have transitions between two states,

между двумя состояниями,

even in the presence of an energy barrier

даже при наличии энергетического барьера,

separating the two states,

отделяющего два этих состояния,

and the phenomenon is called,

называется вполне уместно —

quite appropriately, quantum tunneling.

квантовое туннелирование.

Because of quantum tunneling,

Вследствие квантового туннелирования, я мог бы исчезнуть из этой комнаты

I could disappear from this room

and reappear in the next room,

и появиться в другой комнате, фактически пройдя сквозь стену.

practically penetrating the wall.

But don't expect me to actually perform the trick

Но не ждите от меня исполнения этого трюка прямо сейчас

in front of your eyes, because the probability

перед вами, потому что вероятность

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

проникновения сквозь стену смехотворно мала.

You would have to wait a really long time

Вам придётся ждать довольно долго,

before it happens, but believe me,

прежде чем это случится, но поверьте мне,

quantum tunneling is a real phenomenon,

квантовое туннелирование — это реальное явление,

and it has been observed in many systems.

наблюдаемое во многих системах.

For instance, the tunnel diode,

К примеру, туннельный диод,

a component used in electronics,

компонент используемый в электронике,

works thanks to the wonders

работает благодаря чуду квантового туннелирования.

of quantum tunneling.

But let's go back to the Higgs field.

Давайте вернёмся к полю Хиггса.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Если сверхплотное состояние Хиггса существует,

then, because of quantum tunneling,

то вследствие квантового туннелирования

a bubble of this state could suddenly appear

пузырь этой субстанции может внезапно появиться

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

в определённом месте Вселенной в определённое время,

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

и это аналогично процессу кипячения воды.

Bubbles of vapor form inside the water,

Пузырьки пара на поверхности воды

then they expand, turning liquid into gas.

при расширении переходят из жидкого состояния в газ.

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

Подобным образом пузырь сверхплотной субстанции Хиггса

could come into existence because of quantum tunneling.

может начать существование вследствие квантового туннелирования.

The bubble would then expand at the speed of light,

Затем пузырь может расшириться со скоростью света,

invading all space, and turning the Higgs field

захватив всё пространство, и перевести поле Хиггса

from the familiar state into a new state.

из известного состояния в новое.

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

Является ли это проблемой? Да, это большая проблема.

We may not realize it in ordinary life,

Мы не можем понять этого в обычной жизни,

but the intensity of the Higgs field is critical

но плотность поля Хиггса обладает критическим значением

for the structure of matter.

для структуры вещества.

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

Если поле Хиггса было бы лишь в несколько раз плотнее,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

мы могли бы увидеть сокращение атомов, распад нейтронов внутри атомного ядра,

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

дробление ядра, а водород мог бы стать

and hydrogen would be

the only possible chemical element in the universe.

единственно возможным химическим элементом во Вселенной.

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

А поле Хиггса в сверхплотном состоянии —

is not just a few times more intense than today,

не в несколько раз плотнее, чем сегодня,

but billions of times,

оно плотнее в миллиарды раз.

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

Если пространственно-временной континуум заполнится этим состоянием Хиггса,

all atomic matter would collapse.

то с атомным веществом может случиться коллапс.

No molecular structures would be possible, no life.

Молекулярные структуры будут невозможны, а значит не будет и жизни.

So, I wonder, is it possible

Мне интересно, существует ли возможность,

that in the future, the Higgs field

что в будущем поле Хиггса пройдёт фазовый переход,

will undergo a phase transition and,

through quantum tunneling, will be transformed

и, вследствие квантового туннелирования,

трансформируется в это опасное сверхплотное состояние?

into this nasty, ultra-dense state?

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

Другими словами, я спрашиваю себя,

какое предназначение у поля Хиггса в нашей Вселенной?

of the Higgs field in our universe?

And the crucial ingredient necessary

Важнейший компонент,

необходимый для ответа на этот вопрос, — это масса бозона Хиггса.

to answer this question is the Higgs boson mass.

And experiments at the LHC found that the mass

Эксперименты в коллайдере показали,

что масса бозона Хиггса равна около 126 ГэВ.

of the Higgs boson is about 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Она сверхмала при выражении в известных единицах,

because it's equal to something like

потому что равна примерно 10 в минус 22 степени грамма,

10 to the minus 22 grams,

but it is large in particle physics units,

но она большая при выражении в единицах физики элементарных частиц,

because it is equal to the weight

потому что равна весу целой молекулы,

of an entire molecule

of a DNA constituent.

составляющей ДНК.

So armed with this information from the LHC,

Вооружившись этой информацией из Большого адронного коллайдера,

together with some colleagues here at CERN,

вместе с некоторыми коллегами в ЦЕРНе

we computed the probability

мы вычислили вероятность,

that our universe could quantum tunnel

что наша Вселенная может квантово туннеллировать

into the ultra-dense Higgs state,

в сверхплотное состояние Хиггса,

and we found a very intriguing result.

и мы сделали весьма захватывающее открытие.

Our calculations showed

Наши расчёты показали,

that the measured value of the Higgs boson mass

что вычисленное значение массы бозона Хиггса —

is very special.

весьма особое.

It has just the right value

Оно имеет совершенно точное значение, чтобы разрушить Вселенную,

to keep the universe hanging

находящуюся в нестабильном положении.

in an unstable situation.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Поле Хиггса находится в неустойчивой пространственной связи между атомами,

that has lasted so far

которая до сих пор сохраняется, но может разрушиться в конечном счёте.

but that will eventually collapse.

So according to these calculations,

Согласно этим расчётам, мы похожи на туристов,

we are like campers

who accidentally set their tent

которые случайно установили палатку на краю скалы.

at the edge of a cliff.

And eventually, the Higgs field

В конце концов поле Хиггса пройдёт фазовый переход,

will undergo a phase transition

and matter will collapse into itself.

и материя разрушит сама себя.

So is this how humanity is going to disappear?

Значит, вот как исчезнет всё человечество?

I don't think so.

Я так не думаю.

Our calculation shows that quantum tunneling

Наши расчёты показывают, что квантовое туннелирование

of the Higgs field is not likely to occur

поля Хиггса не может произойти в ближайшие 10 в 100-й степени лет,

in the next 10 to the 100 years,

and this is a very long time.

а это довольно долго.

It's even longer than

Это даже дольше, чем время,

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

которое понадобится Италии для создания стабильного правительства.

(Laughter)

(Смех)

Even so, we will be long gone by then.

А если так, то к тому времени нас уже давно не будет.

In about five billion years,

Через пять миллиардов лет наше Солнце станет красным гигантом,

our sun will become a red giant,

as large as the Earth's orbit,

таким же огромным, как и орбита Земли,

and our Earth will be kaput,

Земле наступит конец, а через тысячу миллиардов лет,

and in a thousand billion years,

if dark energy keeps on fueling

если тёмная энергия будет подпитывать

space expansion at the present rate,

расширение пространства в нынешнем темпе,

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

вы не сможете видеть дальше ваших пальцев на ногах,

because everything around you

ведь всё вокруг вас

expands at a rate faster than the speed of light.

будет расширяться с большей скоростью, чем скорость света.

So it is really unlikely

Поэтому маловероятно,

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

что мы окажемся поблизости и увидим коллапс поля Хиггса.

But the reason why I am interested

Но причина моего интереса к переходу поля Хиггса

in the transition of the Higgs field

is because I want to address the question,

заключается в том, что я хочу узнать,

why is the Higgs boson mass so special?

почему масса бозона Хиггса настолько особенная?

Why is it just right to keep the universe

Почему она держит Вселенную на краю фазового перехода?

at the edge of a phase transition?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Физики-теоретики всегда чаще спрашивают «Почему?»,

More than how a phenomenon works,

чем «Как явление работает?».

theoretical physicists are always interested in

Физикам-теоретикам всегда интересно,

why a phenomenon works in the way it works.

почему явление работает так, как оно работает.

We think that this these "why" questions

Мы думаем, что эти «почему» могут дать нам подсказки

can give us clues

about the fundamental principles of nature.

о фундаментальных принципах природы.

And indeed, a possible answer to my question

Действительно, возможный ответ на мой вопрос

opens up new universes, literally.

открывает новые вселенные. В буквальном смысле этого слова.

It has been speculated that our universe

Есть предположение, что наша Вселенная —

is only a bubble in a soapy multiverse

лишь пузырь в мультивселенной, созданной из множества пузырьков,

made out of a multitude of bubbles,

and each bubble is a different universe

а каждый пузырь — это иная вселенная

с иными фундаментальными физическими постоянными

with different fundamental constants

and different physical laws.

и иными законами физики.

And in this context, you can only talk about

В этом контексте вы можете говорить

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

только о возможности найти определённое значение массы Хиггса.

Then the key to the mystery

Затем ключ к тайне

could lie in the statistical properties

может лежать в статистических свойствах мультивселенной.

of the multiverse.

It would be something like what happens

Это могло бы быть похоже на то, как это происходит

with sand dunes on a beach.

с песчаными дюнами на пляже.

In principle, you could imagine to find sand dunes

Представьте, что существуют песчаные дюны

of any slope angle in a beach,

с любым углом наклона.

and yet, the slope angles of sand dunes

Но в реальном мире углы наклона песчаных дюн

are typically around 30, 35 degrees.

обычно составляют около 30–35°.

And the reason is simple:

И причина проста:

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

ветер поднимает песок вверх, а гравитация заставляет его падать вниз.

As a result, the vast majority of sand dunes

Как следствие, подавляющее большинство песчаных дюн

have slope angles around the critical value,

имеют углы наклона, близкие к критическому значению,

near to collapse.

а значит, близкие к разрушению.

And something similar could happen

Что-то подобное могло случиться

for the Higgs boson mass in the multiverse.

с массой бозона Хиггса в мультивселенной.

In the majority of bubble universes,

В большинстве пузырчатых вселенных

the Higgs mass could be around the critical value,

масса Хиггса может быть близка к критическому значению,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

недалеко от космического коллапса поля Хиггса,

because of two competing effects,

вследствие двух конкурирующих эффектов, как и в случае с песком.

just as in the case of sand.

My story does not have an end,

У моей истории нет конца,

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

потому что мы до сих пор не знаем конца этой истории.

This is science in progress,

Наука ещё развивается.

and to solve the mystery, we need more data,

Чтобы разгадать тайну, нам нужно больше данных,

and hopefully, the LHC will soon add new clues

и мы надеемся, что БАК скоро даст новые подсказки

to this story.

к разгадке этой истории.

Just one number, the Higgs boson mass,

Мы знаем только одно число — массу бозона Хиггса,

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

это единственное число, которое даёт нам столько данных.

I started from a hypothesis, that the known particles

Я начал с гипотезы, что известные нам частицы находятся внутри нашей Вселенной,

are all there is in the universe,

even beyond the domain explored so far.

хотя так нами и не изучены.

From this, we discovered that the Higgs field

Исходя из этого, мы обнаружили, что поле Хиггса, пронизывающее

that permeates space-time may be standing

пространственно-временной континуум, может находиться

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

на острие ножа, на грани космического коллапса.

and we discovered that this may be a hint

Мы обнаружили, что это может быть намёком на то,

that our universe is only a grain of sand

что наша Вселенная — лишь песчинка

in a giant beach, the multiverse.

на огромном пляже мультивселенной.

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

Но я не знаю, является ли моя гипотеза правильной.

That's how physics works: A single measurement

Вот так физики работают: единственное измерение

can put us on the road to a new understanding

может привести нас к новому пониманию Вселенной.

of the universe

or it can send us down a blind alley.

Или он может завести нас в тупик.

But whichever it turns out to be,

Но чтобы ни случилось, в одном я точно уверен:

there is one thing I'm sure of:

The journey will be full of surprises.

путешествие будет полно сюрпризов.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)