Готовый перевод TED / TED: James Beacham: How we explore unanswered questions in physics

James Beacham
Как мы ищем ответы на вопросы без ответов в физике
Опубликовано - декабрь 2016
Категория: Воодушевляющий, Познавательный

0:12

Существует нечто в физике, что действительно беспокоит меня с детства. Это вопрос, заданный учеными 100 лет назад, на который нет ответа: как мельчайшие объекты в природе, частицы квантового мира, образуя самые большие объекты в природе - планеты и звезды и галактики, удерживаются вместе под действием силы тяжести?

0:42

В детстве, я ломал голову над вопросами подобно этому. Я возился с микроскопами и электромагнитами, читал о силах микримира и о квантовой механике и я поражался, насколько хорошо описание совпадали с нашим наблюдением. Одновременно я смотрел на звезды, и я читал о том, как хорошо мы понимаем гравитацию, и я думал , безусловно, должен быть какой - то элегантный способ, объединяющий эти две системы. Но это не так. И книги говорят, что да, мы понимаем, многое в этих двух областях по отдельности, но когда пытаемся связать их математически, все рушится.

1:19

И вот уже 100 лет, нет и никогда не было ни одной идеи, подкрепленной доказательствами, о том, как решить основную проблему физики. И для маленького старого меня - маленького, любопытного, скептика Джеймса - это остаётся в высшей степени неудовлетворительным ответом.

1:37

Так что , я все еще скептический маленький ребенок. Давайте перенесемся из прошлого в декабрь 2015 года, где я оказался прямо в центре этого физического мира который переворачивается с ног на голову. Все началось, когда мы в ЦЕРНе увидели нечто интригующее в полученых данных: намек на новую частицу, намек на возможность экстраординарного решения этого вопроса.

2:02

Хотя я до сих пор маленький скептически настроенный ребенок, я надеюсь, но уже и охотник за частицами. Я физик ЦЕРНа Большого Адронного Коллайдера, самого крутого научного эксперимента из когда - либо проводимого. Это 27-километровый туннель на границе Франции и Швейцарии погребенный на 100 метров под землю. И в этом туннеле, мы используем сверхпроводящие магниты при сверхнизких температурах, холоднее, чем космическое пространство, для ускорения протонов до скорости света, чтобы их столкнуть друг с другом миллионы раз в секунду, собирая обломки этих столкновений для поиска новых, неизведанные фундаментальных частиц. Для его проектирования и строительства потребовались десятилетия работы тысячи физиков со всего земного шара, а летом 2015 года, мы работали не покладая рук, чтобы максимально увеличить энергию Большого Адронного Коллайдера, чем когда-либо, до этого использовалось людьми в эксперименте с коллайдером.

2:56

Сейчас, увеличение энергии имеет важное значение, так как для частиц, существует эквивалентность между энергией и массой частиц, а масса просто число, размеренность по своей природе. Для того, чтобы обнаружить новые частицы, мы должны достичь этих больших чисел. А для этого, мы должны строить больше, коллайдер с более высокой энергией, и самая большая, самая высокая энергия коллайдеров в мире это у Большого адронного коллайдера. А потом, мы сталкиваем протоны квадриллионы раз, и собираем данные этих столкновений очень медленно, в течение нескольких месяцев и месяцев. А далее новые частицы могут проявляться в наших данных, как бугорки - незначительные отклонения от того, что вы ожидаете, маленькие скопления точек данных, которые слегка искривляют линию. Например, этот бугорок, после нескольких месяцев сбора данных в 2012 году, привел к открытию бозона частицы - бозона Хиггса - и к Нобелевской премии за подтверждение ее существования.

3:54

Этот скачёк энергии в 2015 году означает что мы как вид имеем наилучшие шансы, на то что сейчас, как никогда мы сможем обнаружить новые частицы - новые ответы на давние вопросы, так как имеем почти в два раза больше энергии, чем тогда, когда обнаружили бозон Хиггса. Многие из моих коллег посвятили всю свою карьеру этому моменту и, честно говоря, для малекого любопытного меня, это был момент, который я ждал всю свою жизнь. Итак, 2015 год был переломным моментом.

4:23

И так июнь 2015 г. БАК снова в работе. Мои коллеги и я затаили дыхание и перекрестили пальцы, а затем, наконец, мы увидели первые столкновения протонов на этой высочайшей энергии. Аплодисменты, шампанское, праздник. Это было вехой для науки, и мы понятия не имели, какие новые данные мы здесь обнаружим. А потом, спустя недели, мы нашли бугорок. Он был не очень большой, но достаточно большим, чтобы вызвать поднятие брови. По шкале поднятия брови от одного до 10, если 10 указывает на то, что вы обнаружили новую частицу, это будет около четырех.

5:07

(Смех)

5:09

Я проводил часы, дни, недели на секретных встречах, споря с коллегами по поводу этого небольшого бугорка, тыкая и подталкивая его нашими самыми безжалостными экспериментальными палками, чтобы увидеть, насколько он выдерживает критику. Но даже после нескольких месяцев лихорадочной работы - сон в офисах не уходя домой, конфеты на обед, кофе ведрами - физики являются машинами по переработке кофе в диаграммы -

5:36

(Смех)

5:38

Этот маленький бугорок не уходил. Так что через несколько месяцев, мы представили его миру с очень четким посланием: этот маленький бугорок интересен , но не является окончательным, так что давайте следить за ним, соберем больше данных. Таким образом, мы пытаемся быть очень критичными к этому.

5:58

Но в любом случае он вошел в мир. Новостям он понравился. Люди говорили, он напомнает тот бугорок, который был на пути к открытию бозона Хиггса. И более того, мои коллеги-теоретики - я люблю своих коллег-теоретиков - мои коллеги-теоретики написали 500 статей об этом маленьком бугорке.

6:19

(Смех)

6:21

Мир физики элементарных частиц перевернулся с ног на голову. Но что конкретно это за бугорок, от которого тысячи физиков коллективно потеряли хладнокровие? Этот маленький бугорок был уникален. Этот маленький бугорок показал, что, неожиданно, мы видим большое число столкновений, чьи осколки состоят только из двух фотонов, двух частиц света. И это редкость.

6:50

Столкновения частиц не похожи на автомобильные. У них разные правила. Когда две частицы сталкиваются почти со скоростью света, квантовый мир меняется. И в квантовом мире эти две частицы могут за короткое время создать новую частицу, которая живет крошечную долю секунды перед разделением на другие частицы, попадающие в наш детектор. Представьте себе столкновение автомобилей, где две машины исчезают при ударе, а на этом месте появляется велосипед-

7:14

(Смех)

7:15

А потом, велосипед взрывается и появляются два скейтборда, попадающие в наш детектор.

7:19

(Смех)

7:20

Надеюсь, не в буквальном смысле. Они очень дорогие.

7:25

Вероятность регистрации детектором только двух фотонов очень мала. И из-за особых квантовых свойств фотонов число возможных новых частиц - этих мифических велосипедов - которые могут дать рождение только двум фотонам очень мало. Но один из этих вариантов огромен, и он должен решить давнишний вопрос, что не даёт покоя мне, с раннего детства, о силе тяжести.

7:52

Гравитация может показаться вам супер сильной, но на самом деле она безумно слаба по сравнению с другими силами природы. Я могу справится с гравитацией, когда прыгаю, но я не могу забрать протон из моей руки. Сила тяжести по сравнению с другими силами природы? Это 10 в минус 39 степени. Десятичное число с 39 нулями после запятой.

8:16

Хуже всего, что все другие известные силы природы прекрасно описывается тем, что мы называем Стандартной Моделью, которая, в настоящий момент является лучшим описанием природы в малых масштабах, и , откровенно говоря, одно из самых успешных достижений человечества - - за исключением гравитации, которая отсутствует в Стандартной Модели. Это безумие. Это почти как если бы бОльшая часть тяжести без вести пропала. Мы чувствуем немного её, но где же остальное? Никто не знает.

8:47

Но одна из теорий, объясняя, предлагает дикое решение. Вы и я - и вы там на галёрке - живем в трех измерениях пространства. Я надеюсь, что это неоспоримое утверждение.

9:00

(Смех)

9:02

Все известные частицы живут в трехмерном пространстве. На самом деле, частица это просто другое название для возбуждения в трехмерном поле; локализованное колебание в пространстве. Что еще более важно, вся математика, используемая для описания всего этого материала, предполагает, что есть только три измерения пространства. Но математика на то и математика, и мы можем играть с нашей математикой если захотим. И люди играли с дополнительными измерениями пространства в течение очень долгого времени, но они всегда были абстрактными математическими понятиями. Я имею в виду, просто оглядитесь вокруг - и вы на галёрке, оглядитесь вокруг - очевидны только три измерения пространства.

9:37

Но что, если это не так? А что если потерянная гравитация уходит в экстра-пространственное измерение, невидимое для нас? А что если гравитация так же сильна, как и другие силы, если вы сможете увидеть её в этом экстра-пространственном измерении, а то, что мы ощущаем, это крошечная часть гравитации, кажущаяся очень слабой? Если это правда, нам придётся расширить нашу Стандартную Модель частиц, чтобы включить дополнительную частицу, частицу гравитации в экстра-пространстве, специальный гравитон, который живет в экстра-пространственных измерениях.

10:14

Я вижу по вашим лицам. Вы должны задать мне вопрос, "Как, застряв в трехмерном мире, мы будем тестировать эту сумасшедшую идею научной фантастики?" Так же, как мы всегда делаем - столкнув вместе два протона -

10:27

(Смех)

10:28

достаточно твердых, что-бы отголоски столкновений в каких-либо дополнительных пространственных измерениях, которые могут быть там, на мгновение создавали этот гиперпространственный гравитон, который затем, вклиниваясь обратно в три измерения БАКа, выдаёт два фотона, две частицы света. И этот гипотетический, экстра-мерный гравитон является одной из единственно возможных, гипотетических новых частиц, которые имеют особые квантовые свойства и могли бы дать рождение нашему маленькому, двухфотонному бугорку.

11:01

Таким образом, реальна возможность объяснить тайны гравитации и обнаружить дополнительные измерения пространства, теперь вам, вероятно, понятно, почему тысячи вундеркиндов-физиков коллективно потеряли голову над нашим маленьким, двухфотонным бугорком. Открытие этого типа перепишет учебники. Но помните, сообщение от нас, экспериментаторов, кто на самом деле делал эту работу в то время, было совершенно четким: нам нужно больше данных. С большим количеством данных, маленький бугорок либо превратится в хорошую, хрустящую Нобелевскую премию -

11:34

(Смех)

11:36

Или дополнительные данные заполнят пространство вокруг бугорка и превратят его в хорошую, плавную линию.

11:42

И так, несколько месяцев спустя, мы получили больше данных, увеличив их в пять раз, наш маленький бугорок превратился в гладкую линию. Новости сообщили о "гигантском разочаровании" и "утрачены надежды", и физики элементарных частиц "в печали". Учитывая этот тон прессы, можно подумать, что мы решили закрыть БАК и вернуться домой.

12:05

(Смех)

12:07

Но это не то, что мы сделали. Но почему? Я имею в виду, если я не обнаружил частицу - не получилось - если я не обнаружил частицу, почему я здесь и говорю с вами? Почему я не могу просто повесить голову от стыда и вернуться домой?

12:30

Физики элементарных частиц - исследователи. И очень многое из того, что мы делаем, это картография. Позвольте мне сказать об этом следующим образом: забудем о БАК на секунду. Представьте, что вы - космический путешественник, прибывающий на далекой планете в поисках инопланетян. Какова ваша первая задача? Немедленно выйти на орбиту планеты, бросить быстрый взгляд вокруг для поиска каких-либо больших, очевидных признаков жизни и доложить на базу. Сейчас мы на этом этапе. Мы бросили первый взгляд, используя БАК, для поиска каких-либо новых, больших, очевидных частиц, и мы можем сообщить, что их нет. Мы видели странного вида инопланетный бугорок на далекой горе, но как только мы подошли ближе, мы увидели, это был камень.

13:09

Но что же нам делать в этом случае? Просто сдаться и улететь? Конечно нет; мы были бы ужасными учеными, поступив так. Нет, мы проводим следующие несколько десятилетий, исследуя, картируя территорию, анализируя песок прекрасным инструментом, заглядывая под каждый камень, вгрызаясь под поверхность. Новые частицы могут либо появиться сразу, как большие, очевидные бугорки, или же они могут проявить себя только после нескольких лет получения данных.

13:37

Человечество только начинает свое исследование на БАК при этой сверхвысокой энергии, нас ждет большой поиск. Но что если, даже после 10 или 20 лет, мы так и не найдем новые частицы? Мы построим большую машину.

13:51

(Смех)

13:53

Мы ищем при более высоких энергиях. Мы ищем при более высоких энергиях. Планируется уже 100-километровый туннель, который столкнет частицы в 10 раз большей энергией БАКа. Мы не принимаем решения, где природа хранит новые частицы. Мы только решили продолжить изучение. Но что, если даже после 100-километрового туннеля или 500-километрового тоннеля или 10000 километров коллайдера, плавающего в пространстве между Землей и Луной, мы так и не найдём новые частицы? Тогда, возможно физика элементарных частиц не права.

14:25

(Laughter)

14:27

Возможно, нам нужен новый подход. Может быть, нам нужно больше ресурсов, технологий, опыта, чего-то, что в настоящее время мы не имеем. Мы уже используем методы искусственного интеллекта и машинного обучения в БАК, но представьте себе физику элементарных частиц в экспериментах с использованием таких сложных алгоритмов, позволяющих самообучение в поисках гиперпространственного гравитона.

14:47

А вдруг? Что делать, если главный вопрос: что делать, если даже искусственный интеллект не поможет ответить на наши вопросы? Что делать, если этим, открытым на протяжении многих веков, вопросам суждено остаться без ответа в обозримом будущем? Что делать, если тому, что беспокоило меня с раннего детства, суждено остаться без ответа в моей жизни? Тогда , что ... будет еще более увлекательно.

15:11

Мы будем вынуждены мыслить совершенно по-новому. Мы должны вернуться к нашим предположениям и определить, есть ли где-то ошибка. И мы должны поощрять больше людей присоединяться к нам в изучении науки, поскольку нам нужен свежий взгляд на эти вековые проблемы. У меня нет ответов, и я до сих пор в поиске. Но кто-то - может быть, она еще в школе, может быть, она даже еще не родилась - в конечном счете приведет нас к новому видинию физики, совершенно по-новому, указывающему на то, что, вероятно, мы просто задаём неправильные вопросы. Что будет не концом физики, а новым началом.

15:48

Спасибо.

15:49

(Аплодисменты)

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/67437/348252

Переводчики: altay