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

Gian Giudice: Tại sao vũ trụ của chúng ta có thể tồn tại trên một lưỡi dao ?

Translator: Nelson Dinh Reviewer: nguyen hieu

So last year, on the Fourth of July,

Vào ngày mùng 4 của tháng 7 năm ngoái,

experiments at the Large Hadron Collider

những cuộc thí nghiệm ở máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider)

discovered the Higgs boson.

đã khám phá ra hạt Higgs.

It was a historical day.

Và đó là một ngày lịch sử.

There's no doubt that from now on,

Không còn nghi ngờ gì nữa kể từ đây,

the Fourth of July will be remembered

ngày mùng 4 của tháng 7 sẽ được ghi nhớ

not as the day of the Declaration of Independence,

không phải ngày Tuyên Ngôn Độc Lập,

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

mà là ngày hạt Higgs được khám phá.

Well, at least, here at CERN.

Ah ít nhất là ở đây, tại CERN.

But for me, the biggest surprise of that day

Còn đối với tôi, sự bất ngờ lớn nhất trong ngày đó

was that there was no big surprise.

là chẳng có bất ngờ lớn nào cả.

In the eye of a theoretical physicist,

Trong mắt của một nhà vật lý lý thuyết,

the Higgs boson is a clever explanation

hạt Higgs là một cách giải thích thông minh

of how some elementary particles gain mass,

cho khối lượng của các hạt cơ bản,

but it seems a fairly unsatisfactory

nhưng nó dường như chưa thõa đáng

and incomplete solution.

và là một cách giải thích chưa hoàn chỉnh.

Too many questions are left unanswered.

Quá nhiều câu hỏi chưa được giải đáp.

The Higgs boson does not share the beauty,

Hạt Higgs không có chung vẻ đẹp,

the symmetry, the elegance,

sự cân đối, tao nhã

of the rest of the elementary particle world.

với phần còn lại của thế giới các hạt cơ bản.

For this reason, the majority of theoretical physicists

Bởi lý do đó, phần lớn những nhà vật lý lý thuyết

believe that the Higgs boson could not

tin rằng hạt Higgs không thể là

be the full story.

cách giải thích chu toàn.

We were expecting new particles and new phenomena

Chúng ta đang chờ một hiện tượng mới, một hạt mới

accompanying the Higgs boson.

đến cùng hạt Higgs.

Instead, so far, the measurements

Thay vào đó cho đến nay, các phép đo đạt

coming from the LHC show no signs of new particles

từ máy gia tốc hạt lớn chưa cho thấy những dấu hiệu của các hạt mới

or unexpected phenomena.

hay những hiện tượng ngoài mong đợi.

Of course, the verdict is not definitive.

Tất nhiên, những công bố chưa phải là cuối cùng.

In 2015, the LHC will almost double

Vào năm 2015, máy gia tốc hạt lớn sẽ tăng gần gấp đôi

the energy of the colliding protons,

năng lượng va chạm các hạt proton,

and these more powerful collisions

và những va chạm mạnh hơn

will allow us to explore further the particle world,

sẽ cho phép chúng ta khám phá xa hơn về thế giới hạt cơ bản,

and we will certainly learn much more.

và chúng ta chắc chắn sẽ học được nhiều hơn

But for the moment, since we have found

Nhưng hiện tại, chúng ta vẫn chưa tìm ra

no evidence for new phenomena, let us suppose

những bằng chứng về hiện tượng mới, giúp chúng ta công nhận

that the particles that we know today,

rằng những hạt cơ bản mà chúng ta biết ngày nay,

including the Higgs boson,

kể cả hạt Higgs,

are the only elementary particles in nature,

là những hạt cơ bản duy nhất trong tự nhiên,

even at energies much larger

ngay cả ở mức năng lượng lớn hơn nhiều

than what we have explored so far.

những gì chúng ta đã khám phá cho đến nay.

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

Hãy xem những giả thuyết sẽ đưa ta đến đâu.

We will find a surprising and intriguing result

Chúng ta sẽ tìm được những kết quả bất ngờ và thú vị

about our universe, and to explain my point,

về vũ trụ của chúng ta, và để giải thích quan điểm của tôi,

let me first tell you what the Higgs is about,

hãy để tôi kể cho bạn về hạt Higgs,

and to do so, we have to go back

và để làm điều đó, chúng ta hãy quay trở lại

to one tenth of a billionth of a second

một phần mười của một phần tỷ của một giây

after the Big Bang.

sau vụ nổ Big Bang.

And according to the Higgs theory,

Và theo nhưng lý thuyết của hạt Higgs,

at that instant, a dramatic event took place

ngay lúc đó, một sự kiện kịch tính đã diễn ra

in the universe.

trong vũ trụ.

Space-time underwent a phase transition.

Không gian - thời gian đã trải qua giai đoạn chuyển tiếp.

It was something very similar to the phase transition

Có một điều rất giống với giai đoạn chuyển tiếp

that occurs when water turns into ice

xảy ra khi nước hóa thành băng

below zero degrees.

dưới 0 độ C.

But in our case, the phase transition

Nhưng trong trường hợp này, giai đoạn chuyển tiếp

is not a change in the way the molecules

không phải là sự thay đổi trong cách mà các phân tử

are arranged inside the material,

được sắp xếp bên trong các vật liệu,

but is about a change

mà là sự thay đổi

of the very fabric of space-time.

trong từng kết cấu của không-thời gian.

During this phase transition, empty space

Trong suốt giai đoạn này, không gian trống

became filled with a substance

sẽ được phủ đầy một chất

that we now call Higgs field.

mà ngày nay chúng ta gọi là trường Higgs.

And this substance may seem invisible to us,

Và chất này dường như vô hình với chúng ta

but it has a physical reality.

nhưng nó là vật chất thực.

It surrounds us all the time,

Chúng luôn vây quanh ta,

just like the air we breathe in this room.

giống nhưng không khí mà chúng ta hít thở trong căn phòng này.

And some elementary particles interact

Và một vài hạt cơ bản tương tác

with this substance, gaining energy in the process.

với vật chất này, đạt được năng lượng trong quá trình này.

And this intrinsic energy is what we call

Và năng lực nội tại này chúng ta gọi là

the mass of a particle,

khối lượng của các hạt,

and by discovering the Higgs boson, the LHC

and với sự khám phát ra hạt Higgs, máy gia tốc hạt lớn

has conclusively proved that this substance is real,

đã chắc chắn chứng minh chất này là có thật,

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

bởi vì đó là vật chất làm nên hạt Higgs.

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

Và tóm lại, đó là bản chất câu chuyện về hạt Higgs.

But this story is far more interesting than that.

Nhưng câu truyện còn thú vị hơn thế nữa.

By studying the Higgs theory,

Bằng việc nghiên cứu lý thuyết hạt Higgs,

theoretical physicists discovered,

những nhà vật lý lý thuyết đã phát hiện,

not through an experiment

không phải bằng một thí nghiệm

but with the power of mathematics,

mà bằng sức mạnh của toán học,

that the Higgs field does not necessarily exist

trường Higgs không nhất thiết chỉ tồn tại

only in the form that we observe today.

ở trang thái mà chúng ta quan sát ngày nay.

Just like matter can exist as liquid or solid,

Giống như vật chất có thể tồn tại ở thể lỏng hoặc thể rắn,

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

nên trường Higgs, chất tràn ngập cả không-thời gian,

could exist in two states.

có thể tồn tại ở 2 trạng thái.

Besides the known Higgs state,

Bên cạnh trạng thái được biết đến,

there could be a second state in which the Higgs field

có thể tồn tại trạng thái thứ 2 nơi mà trường Higgs

is billions and billions times denser

dày đặc hơn hàng tỉ tỉ lần

than what we observe today,

những gì chúng ta quan sát được ngày nay,

and the mere existence of another state

và chỉ sự tồn tại ở một trạng thái khác

of the Higgs field poses a potential problem.

của trường Higgs đã đưa ra một vấn đề tiềm tàng.

This is because, according to the laws

Đó là vì, theo những định luật

of quantum mechanics, it is possible

của cơ học lượng tử, hoàn toàn có thể

to have transitions between two states,

tồn tại quá trình chuyển đổi giữa 2 trạng thái,

even in the presence of an energy barrier

ngay cả khi có một hàng rào năng lượng

separating the two states,

chia cắt 2 trạng thái,

and the phenomenon is called,

và hiện tượng này được gọi,

quite appropriately, quantum tunneling.

khá chính xác là, đường hầm lượng tử.

Because of quantum tunneling,

Bởi đường hầm lượng tử,

I could disappear from this room

tôi có thể biến mất khỏi căn phòng này

and reappear in the next room,

và xuất hiện ở căn phòng bên cạnh,

practically penetrating the wall.

như xuyên qua bức tường.

But don't expect me to actually perform the trick

Nhưng đừng mong tôi có thể biểu diễn

in front of your eyes, because the probability

trước mặt mọi người, vì xác suất

for me to penetrate the wall is ridiculously small.

mà tôi có thể xuyên qua bức tường là rất rất nhỏ.

You would have to wait a really long time

Bạn phải đợi một thời gian rất dài

before it happens, but believe me,

trước khi điều đó diễn ra, nhưng tin tôi đi,

quantum tunneling is a real phenomenon,

đường hầm lượng tử là một hiện tượng có thật,

and it has been observed in many systems.

và đã được nhận thấy ở nhiều hệ thống.

For instance, the tunnel diode,

Ví dụ, đường hầm điốt,

a component used in electronics,

một thành phần được sử dụng trong các thiết bị điện tử,

works thanks to the wonders

hoạt động nhờ vào sự kỳ diệu

of quantum tunneling.

của đường hầm lượng tử.

But let's go back to the Higgs field.

Nhưng hãy quay trở lại trường Higgs.

If the ultra-dense Higgs state existed,

Nếu trạng thái cực kỳ dày đặc của trường Higgs tồn tại,

then, because of quantum tunneling,

sau đó, bởi vì đường hầm lượng tử,

a bubble of this state could suddenly appear

một bong bóng của trạng thái có thể đột ngột xuất hiện

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

ở một nơi nào đó trong vũ trụ vào thời điểm nào đó,

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

và nó xảy ra tương tự như việc bạn đun sối nước

Bubbles of vapor form inside the water,

Bong bóng bốc hơi ngay bên trong nước,

then they expand, turning liquid into gas.

sau đó chúng mở rộng, hóa lỏng thành khí.

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

Cũng theo cách đó, một bong bóng trong trạng thái dày đặc của hạt Higgs

could come into existence because of quantum tunneling.

có thể tồn tại vì đường hầm lượng tử

The bubble would then expand at the speed of light,

Và bọt khí sẽ mở rộng theo tốc độ ánh sáng,

invading all space, and turning the Higgs field

thâm nhập tới nơi, và biến trường Higgs

from the familiar state into a new state.

từ trạng thái này sang một trang thái mới.

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

Đây có phải là một vấn đề? Vâng, nó là một vấn đề nghiêm trọng.

We may not realize it in ordinary life,

Chúng ta có thể không nhận ra nó trong cuộc sống thường ngày,

but the intensity of the Higgs field is critical

nhưng cường độ của trường Higgs là rất quan trọng

for the structure of matter.

đối với cấu trúc của vật chất.

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

Nếu trường Higgs chỉ mạnh lên vài lần,

we would see atoms shrinking, neutrons decaying

chúng ta sẽ thấy các phân tử thu hẹp lại, các neutrons phân rã

inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,

bên trong hạt nhân phân tử, hạt nhân phân rã,

and hydrogen would be

và hidro có thể sẽ

the only possible chemical element in the universe.

là nguyên tố hóa học duy nhất tồn tại trong vũ trụ.

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

Và trường Higgs, trong trạng thái siêu đặc,

is not just a few times more intense than today,

không chỉ một vài lần dày đặc hơn ngày nay,

but billions of times,

mà là hàng tỉ lần,

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

and nếu không-thời gian bị lấp đầy bởi trạng thái hạt Higgs này,

all atomic matter would collapse.

tất cả dạng nguyên tử sẽ sụp đổ.

No molecular structures would be possible, no life.

Không cấu trúc phân tử nào tồn tại, không sự sống

So, I wonder, is it possible

Vì thế, tôi tự hỏi, có thể như vậy không

that in the future, the Higgs field

rằng trong tương lại, trường Higgs

will undergo a phase transition and,

sẽ trải qua một giai đoạn chuyển tiếp và,

through quantum tunneling, will be transformed

thông qua đường hầm lượng tử, sẽ được chuyển đổi

into this nasty, ultra-dense state?

sang trạng thái xấu này, trạng thái dày đặc?

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

Nói cách khác, tôi tự hỏi, đâu là số phận

of the Higgs field in our universe?

của trường Higgs trong vũ trụ chúng ta?

And the crucial ingredient necessary

Và những điều cốt yếu cần thiết

to answer this question is the Higgs boson mass.

để trả lời câu hỏi này là khối lượng của hạt Higgs.

And experiments at the LHC found that the mass

Và những thí nghiệm ở LHC tìm ra

of the Higgs boson is about 126 GeV.

khối lượng của hạt Higgs vào khoảng 126 GeV.

This is tiny when expressed in familiar units,

Nó thật sự rất nhỏ khi thể hiện trong đơn vị thông thường

because it's equal to something like

bởi vì nó bằng với thứ gì đó cỡ

10 to the minus 22 grams,

2x10 mũ -22 grams,

but it is large in particle physics units,

nhưng nó lớn trong những đơn vị hạt cơ bản

because it is equal to the weight

bởi vì nó bằng với trọng lượng

of an entire molecule

của cả một phân tử

of a DNA constituent.

trong thành phần ADN

So armed with this information from the LHC,

Vậy với thông tin này từ LHC,

together with some colleagues here at CERN,

cùng với các đồng nghiệp ở CERN,

we computed the probability

chúng tôi đã tính toán xác suất

that our universe could quantum tunnel

mà vũ trụ chúng ta có thể dùng đường hầm lượng tử

into the ultra-dense Higgs state,

chuyển thành trạng thái Higgs siêu đặc,

and we found a very intriguing result.

và chúng tôi đã tìm thấy một kết quả rất thú vị

Our calculations showed

Những tính toán của chúng tôi cho thấy

that the measured value of the Higgs boson mass

rằng giá trị đo được của khối lượng hạt Higgs

is very special.

rất đặc biệt.

It has just the right value

Đó là một giá trị vừa đủ

to keep the universe hanging

để giữ cả vũ trụ treo trong

in an unstable situation.

một trạng thái không ổn định.

The Higgs field is in a wobbly configuration

Trường Higgs là một cấu trúc dễ bị lung lay

that has lasted so far

đã tồn tại cho đến ngày nay

but that will eventually collapse.

nhưng cuối cùng nó sẽ sụp đổ.

So according to these calculations,

Dựa trên những tính toán đó,

we are like campers

chúng tôi giống như những người cắm trại

who accidentally set their tent

những người vô tình đặt lều của họ

at the edge of a cliff.

trên một bờ vực.

And eventually, the Higgs field

Và cuối cùng, trường Higgs

will undergo a phase transition

sẽ trải qua một giai đoạn chuyển tiếp

and matter will collapse into itself.

và vật chất sẽ sụp đổ vào chính nó.

So is this how humanity is going to disappear?

Vậy đây có phải là cách mà nhân loại biến mất?

I don't think so.

Tôi không nghĩ vậy.

Our calculation shows that quantum tunneling

Tính toán của chúng tôi đã cho thấy đường hầm lượng tử

of the Higgs field is not likely to occur

của trường Higgs không có khả năng xảy ra

in the next 10 to the 100 years,

trong 10 hay 100 năm tới,

and this is a very long time.

và đây là một khoảng thời gian rất dài

It's even longer than

Thậm chí còn dài hơn cả

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

thời gian mà Ý cần đề thành lập nên một chính phủ ổn định.

(Laughter)

(tiếng cười)

Even so, we will be long gone by then.

Dù vậy thì chúng ta cũng chết trước đó từ lâu rồi.

In about five billion years,

Trong khoảng 5 tỉ năm,

our sun will become a red giant,

mặt trời của chúng ta đã thành kẻ khổng lồ màu đỏ

as large as the Earth's orbit,

lớn bằng cả quỹ đạo của Trái Đất,

and our Earth will be kaput,

và trái đất của chúng ta sẽ bị thiêu rụi,

and in a thousand billion years,

và trong một ngàn tỉ năm,

if dark energy keeps on fueling

nếu năng lượng tối tiếp tục cung cấp năng lượng

space expansion at the present rate,

cho sự giãn nở của không gian với tỷ lệ như hiện tại,

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

bạn thậm chí sẽ không thể nhìn được xa hơn ngón chân mình,

because everything around you

bởi vì mọi thứ xung quanh bạn

expands at a rate faster than the speed of light.

mở rộng với tốc độ nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng.

So it is really unlikely

Nên thực tế không có khả năng

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

là chúng ta sẽ ở đó để chứng kiến trường Higgs sụp đổ.

But the reason why I am interested

Nhưng lý do khiến tôi cảm thấy hứng thú

in the transition of the Higgs field

vào sự chuyển đổi của trường Higgs

is because I want to address the question,

là vì tôi muốn giải quyết câu hỏi,

why is the Higgs boson mass so special?

tại sao khối lượng hạt Higgs lại đặc biệt?

Why is it just right to keep the universe

Tại sao nó lại vừa đủ để giữ cả vũ trụ

at the edge of a phase transition?

ở mép của giai đoạn chuyển đổi?

Theoretical physicists always ask "why" questions.

Những nhà vật lý lý thuyết hỏi "tại sao".

More than how a phenomenon works,

Nhiều hơn hỏi một hiện tượng hoạt động như thế nào,

theoretical physicists are always interested in

những nhàvật lý lý thuyết luôn hứng thú với việc

why a phenomenon works in the way it works.

tại sao một hiện tượng lại hoạt động theo cách đó.

We think that this these "why" questions

Chúng tôi nghĩ những câu hỏi "tại sao" ấy

can give us clues

có thể cho chúng tôi những manh mối

about the fundamental principles of nature.

về những nguyên lý cơ bản của tự nhiên.

And indeed, a possible answer to my question

Và thực sự, một câu trả lời cho câu hỏi của tôi có thể

opens up new universes, literally.

mở ra những vũ trụ mới, theo nghĩa đen.

It has been speculated that our universe

Vũ trụ của chúng ta được suy đoán

is only a bubble in a soapy multiverse

là bong bóng duy nhất trong một đa vũ trụ kiểu xà phòng

made out of a multitude of bubbles,

được tạo nên bởi vô số bong bóng,

and each bubble is a different universe

và mỗi bong bóng là một vũ trụ khác

with different fundamental constants

với hằng số cơ bản khác nhau

and different physical laws.

và quy luật vật lý khác nhau.

And in this context, you can only talk about

Và trong bối cảnh này, bạn chỉ có thể bàn về

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

xác suất tìm ra một giá trị cụ thể của khối lượng hạt Higgs.

Then the key to the mystery

Thì chìa khóa giải mã bí ẩn

could lie in the statistical properties

có thể nằm trong các thuộc tính thống kê

of the multiverse.

của đa vũ trụ.

It would be something like what happens

Nó giống như điều xảy ra

with sand dunes on a beach.

với cồn cát trên bãi biển.

In principle, you could imagine to find sand dunes

Về nguyên tắc, bạn có thể tưởng tượng để thấy những cồn cát

of any slope angle in a beach,

ở bất kỳ độ dốc nào trên bãi biển,

and yet, the slope angles of sand dunes

tuy nhiên góc dốc của cồn cát

are typically around 30, 35 degrees.

thường nằm trong khoảng 30 - 35 độ.

And the reason is simple:

Và lý do rất đơn giản:

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

vì gió đã xây lên cồn cát và trọng lực đã làm nó ngã

As a result, the vast majority of sand dunes

Kết quả là, phần lớn các cồn cát

have slope angles around the critical value,

có độ dốc nằm trong giá trị tới hạn,

near to collapse.

gần giá trị sụp đổ..

And something similar could happen

Và điều tương tự có thể xảy ra

for the Higgs boson mass in the multiverse.

đối với khối lượng hạt Higgs trong đa vũ trụ.

In the majority of bubble universes,

Trong phần lớn các bong bóng vũ trụ,

the Higgs mass could be around the critical value,

khối lượng hạt Higgs có thể nằm gần giá trị tới hạn,

near to a cosmic collapse of the Higgs field,

gần với sự sự sụp đổ vũ trụ của trường Higgs,

because of two competing effects,

bởi vì 2 tác động cạnh tranh,

just as in the case of sand.

giống trong trường hợp của cát.

My story does not have an end,

Chuyện của tôi không có hồi kết,

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

bởi vì chúng tôi vẫn chưa biết kết cục của chuyện.

This is science in progress,

Đây là tiến trình khoa học,

and to solve the mystery, we need more data,

và để giải quyết những bí ẩn, chúng tôi cần nhiều dữ liệu hơn

and hopefully, the LHC will soon add new clues

và mong rằng, máy gia tốc hạt lớn sẽ có thêm manh mối

to this story.

cho câu chuyện.

Just one number, the Higgs boson mass,

Chỉ một con số, khối lượng hạt Higgs,

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

tuy nhiên qua con số này, chúng ta học được rất nhiều.

I started from a hypothesis, that the known particles

Tôi đã bắt đầu từ một giả thuyết, rằng tất cả những hạt đã biết

are all there is in the universe,

đều ở cả ngoài kia,trong vũ trụ,

even beyond the domain explored so far.

thậm chí xa hơn những phạm vi đã khám phá cho đến nay.

From this, we discovered that the Higgs field

Từ đó, chúng tôi đã khám phá ra trường Higgs

that permeates space-time may be standing

tràn ngập không-thời giang có thể đứng trên

on a knife edge, ready for cosmic collapse,

một lưỡi dao, sẵn sàng cho sự sụp đổ vũ trụ,

and we discovered that this may be a hint

và chúng tôi đã khám phá rằng đây có thể là một gợi ý

that our universe is only a grain of sand

rằng vũ trụ của chúng ta chỉ là một hạt cát

in a giant beach, the multiverse.

trong một bãi biển khổng lồ, đa vũ trụ.

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

Nhưng tôi không biết liệu giả thuyết của tôi là đúng.

That's how physics works: A single measurement

Đó là cách mà vật lý vận hành: Một phép đo

can put us on the road to a new understanding

có thể đưa chúng ta lên con đường mới để hiểu biết

of the universe

về vũ trụ

or it can send us down a blind alley.

hoặc nó có thể đưa chúng ta vào ngõ cụt.

But whichever it turns out to be,

Nhưng dù điều gì xảy ra,

there is one thing I'm sure of:

thì có một điều tôi chắc chắn là:

The journey will be full of surprises.

Hành trình sẽ đầy những bất ngờ.

Thank you.

Cảm ơn các bạn.

(Applause)

(tiếng vỗ tay)