Pewne zagadnienie w fizyce nie daje mi spokoju już od wczesnego dzieciństwa.
Ma związek z pytaniem, które naukowcy stawiają sobie od niemal stu lat
i wciąż nie znają odpowiedzi.
Co łączy najmniejsze elementy przyrody,
cząstki świata kwantowego,
z największymi obiektami w przyrodzie,
planetami, gwiazdami i galaktykami, związanymi siłą grawitacji?
Jako dziecko nieustannie się nad tym głowiłem.
Majstrowałem przy mikroskopie, bawiłem się elektromagnesami,
czytałem o siłach w mikroskali i o mechanice kwantowej,
zachwycałem się opisem naukowym, który tak dokładnie odpowiada obserwacjom.
Potem spoglądałem w gwiazdy, czytałem o tym, jak rozumiemy grawitację,
i myślałem, że z pewnością jest jakiś elegancki sposób, aby połączyć te systemy.
Ale takiego sposobu nie ma.
Książki mówią, że, owszem, wiemy wiele o każdej z tych dziedzin z osobna,
ale gdy tylko próbujemy połączyć je za pomocą matematycznych równań,
wszystko się rozlatuje.
Przez 100 lat żadna hipoteza proponująca rozwiązanie tej fizycznej katastrofy
nie została poparta dowodami.
Dla małego, dociekliwego, sceptycznego Jamesa, jakim wtedy byłem,
to była wysoce niezadowalająca odpowiedź.
Nadal jestem sceptycznym dzieciakiem.
Przenieśmy się błyskawicznie do grudnia 2015 roku,
gdy trafiłem w sam środek świata fizyki,
który właśnie został wywrócony do góry nogami.
Wszystko zaczęło się w CERN,
gdy w naszych danych pojawiło się coś intrygującego:
ślad nowej cząstki, podejrzenie istnienia niezwykłej odpowiedzi na to pytanie.
Nadal jestem sceptycznym dzieciakiem, ale jestem również łowcą cząstek.
Jestem fizykiem, pracuję w CERN przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC),
naukowym eksperymencie o największej skali w dziejach świata.
To 27-kilometrowy tunel zakopany 100 m pod granicą francusko-szwajcarską,
W tunelu używamy nadprzewodzących magnesów
zimniejszych od przestrzeni kosmicznej
do przyspieszania protonów do prędkości równej niemal prędkości światła
i zderzamy je ze sobą miliony razy na sekundę,
aby zebrać szczątki tych zderzeń
i na ich podstawie szukać
nowych, dotąd nieodkrytych cząstek fundamentalnych.
Projekt i konstrukcja LHC kosztowały dziesiątki lat pracy
tysięcy fizyków ze wszystkich krańców Ziemi.
W lecie 2015 roku pracowaliśmy bez wytchnienia nad rozruchem LHC
na najwyższej energii, z jaką kiedykolwiek przeprowadzano eksperymenty tego typu.
Wysoka energia jest istotna,
ponieważ istnieje równoważność między masą a energią cząstek.
Masa jest tylko liczbą nadaną cząstkom przez naturę.
Aby znaleźć nowe cząstki, musimy sięgać tych większych liczb.
Aby to zrobić trzeba budować większe zderzacze o większej mocy,
a największym i najpotężniejszym z nich jest Wielki Zderzacz Hadronów.
Potem zderzamy protony kwadryliony razy
i miesiącami gromadzimy dane.
Nowe cząstki mogą się pojawić na wykresach jako garbki,
niewielkie odstępstwa od oczekiwań,
małe grupy punktów, przez które gładka linia nie jest już taka gładka.
Na przykład ten garbek
po miesiącach gromadzenia danych w 2012 roku
doprowadził do odkrycia bozonu Higgsa
i Nagrody Nobla przyznanej za potwierdzenie jego istnienia.
Ten skok energetyczny
w 2015 roku dawał największe szanse,
jakie kiedykolwiek trafiły się naszemu gatunkowi,
na odkrycie nowych cząstek
i nowych odpowiedzi na odwieczne pytania,
bo użyto niemal dwa razy tyle energii
niż wtedy, gdy odkryliśmy bozon Higgsa.
Wielu moich kolegów pracowało na ten moment przez całe życie zawodowe,
i, szczerze mówiąc, ja również czekałem na ten moment całe życie.
2015 rok to był ten czas.
W czerwcu 2015 roku
LHC ponownie włączono.
Razem z kolegami wstrzymaliśmy oddech
i ujrzeliśmy pierwsze zderzenie protonów o niespotykanie wysokiej energii.
Brawa, szampan, świętowanie.
To był milowy krok w nauce.
Nie mieliśmy pojęcia, co znajdziemy w naszych najświeższych danych.
Po kilku tygodniach znaleźliśmy garbek.
Garbek był niewielki.
Ale na tyle duży, by unieść kilka brwi.
Na skali uniesień brwi od 1 do 10, gdzie 10 oznacza odkrycie nowej cząstki,
zdobył może 4.
(Śmiech)
Spędziłem godziny, dni, tygodnie na tajnych spotkaniach
spierając się o niego z kolegami,
trącając go i szturchając
najbezwzględniejszymi kijami eksperymentów,
patrząc uważnie czy wytrzyma badanie.
Mimo miesięcy gorączkowej pracy,
spania w biurze,
batoników na kolację
i hektolitrów kawy
- fizycy to maszyny do zamieniania kawy w wykresy -
(Śmiech)
garbek nie chciał zniknąć.
Po kilku miesiącach przedstawiliśmy go światu
z bardzo jasnym przekazem:
jest interesujący, ale nie jednoznaczny,
miejmy go na oku i zbierzmy więcej danych.
Staraliśmy się zachować spokój.
Ale machina i tak ruszyła.
Brzuszek stał się medialnym hitem.
Mówiono, że przypomina ten garbek,
który doprowadził do odkrycia bozonu Higgsa.
Co więcej, moi koledzy-teoretycy
- kocham moich kolegów-teoretyków -
koledzy-teoretycy napisali 500 artykułów na temat garbka.
(Śmiech)
Świat fizyki cząstek stanął na głowie.
Co sprawiło, że tysiące fizyków kolektywnie straciło dla niego głowę?
Garbek był wyjątkowy.
Jego obecność oznaczała widok niespodziewanie wielkiej liczby zderzeń,
których szczątki składały się tylko z dwóch fotonów, dwóch cząstek światła.
A to rzadko spotykane.
Zderzenia cząstek nie przypominają kolizji drogowych;
podlegają innym prawom.
Gdy cząstki zderzają się niemal z prędkości światła,
prawa mechaniki kwantowej biorą górę.
W świecie kwantów te dwie cząstki mogą na chwilę utworzyć nową cząstkę,
która istnieje przez ułamki sekund, a zaraz potem rozpada się na inne cząstki,
które uderzają w nasz detektor.
Wyobraźcie sobie kolizję drogową: w momencie zderzenia auta znikają,
a zamiast nich zjawia się rower,
(Śmiech)
który zaraz potem eksploduje i rozpada się na dwie deskorolki,
uderzające w nasz detektor.
(Śmiech)
Nie dosłownie, mam nadzieję; nasze detektory są bardzo drogie.
Przypadki, kiedy tylko dwa fotony uderzają w detektor są bardzo rzadkie.
Ze względu na specjalne własności kwantowe fotonów
istnieje bardzo niewiele hipotetycznych cząstek,
- tych mitycznych rowerów -
które mogą zrodzić tylko dwa fotony.
Jedna z opcji ma kolosalne znaczenie
i związek z tymi odwiecznymi pytaniami, które nie dają mi spokoju od dzieciństwa,
z pytaniami o naturę grawitacji.
Siła grawitacji może się wam wydawać duża,
ale tak naprawdę jest szalenie słaba w porównaniu z innymi siłami natury.
Mogę chwilowo pokonać grawitację jednym skokiem,
ale nie mogę wyjąć protonu z własnej ręki.
Jaka jest siła grawitacji w porównaniu z innymi siłami natury?
10 do minus 39.
To jest ułamek dziesiętny z 39 zerami.
Co gorsza, wszystkie pozostałe siły idealnie opisuje Model Standardowy,
nasz obowiązujący, najdokładniejszy opis świata w najmniejszej skali,
stanowiący jedno z największych osiągnięć gatunku ludzkiego,
z wyjątkiem grawitacji, którą Model Standardowy pomija.
To jakiś obłęd!
To prawie tak, jakby większość grawitacji zaginęła.
Czujemy jej niewielką część, ale gdzie jest reszta?
Nie wiadomo.
Jedno z teoretycznych wyjaśnień stawia kuriozalną hipotezę.
Wy i ja,
nawet ty, tam, z tyłu,
żyjemy w przestrzeni trójwymiarowej.
Mam nadzieję, że to zdanie nie budzi kontrowersji.
(Śmiech)
Wszystkie znane nam cząstki również żyją w przestrzeni trójwymiarowej.
"Cząstka" to tak właściwie inna nazwa pobudzenia w polu trójwymiarowym,
miejscowego kołysania w przestrzeni.
Co ważniejsze, cała matematyka, której używamy do opisu tych zjawisk,
zakłada, że istnieją tylko trzy wymiary przestrzeni.
Ale matma to matma, można się nią dowolnie bawić.
Ludzie od wieków eksperymentują z dodatkowymi wymiarami,
ale to zawsze były abstrakcyjne matematyczne idee.
Spójrzcie dookoła, ty z tyłu - rozejrzyj się,
naturalnie istnieją tylko trzy wymiary.
A co jeśli to nieprawda?
Co, jeśli brakująca grawitacja wycieka do innego wymiaru,
który jest dla nas niewidoczny?
Co, jeśli siła grawitacji jest równa innym siłom przyrody,
jeśli spojrzeć na nią w tym dodatkowym wymiarze,
a to, czego doświadczamy tutaj, to tylko jej niewielki kawałek
i dlatego wydaje się taka słaba?
Jeśli to prawda, trzeba by rozszerzyć Model Standardowy o nową cząstkę,
hiperwymiarową cząstkę grawitacji, grawiton żyjący w dodatkowym wymiarze.
Widzę wasze zdumione spojrzenia.
Powinniście zapytać:
"Jak, u licha, mamy zweryfikować ten szalony pomysł rodem z sci-fi
skoro tkwimy w przestrzeni trójwymiarowej?".
Tak jak zawsze: zderzając ze sobą dwa protony,
(Śmiech)
z taką siłą, żeby zderzenie rozniosło się w ten domniemany dodatkowy wymiar,
tworząc hiperwymiarowy grawiton,
który momentalnie wróciłby do trzech wymiarów LHC
i rozpadł się na dwa fotony,
dwie cząstki światła.
Ten hipotetyczny, hiperwymiarowy grawiton
jest jedyną nową hipotetyczną cząstką o takich własnościach kwantowych,
która mogłaby zrodzić nasz mały, dwu-fotonowy garbek.
Zatem możliwość wyjaśnienia tajemnic grawitacji
i odkrycie dodatkowych wymiarów przestrzeni...
Być może już rozumiecie,
dlaczego tysiące maniaków fizyki
potraciło naraz głowy dla dwu-fotonowego garbka.
Odkrycie tego rodzaju zmuszałoby do pisania od nowa podręczników.
Ale pamiętajcie, że my, fizycy eksperymentalni,
którzy prowadzili te badania, mówiliśmy jasno: "Potrzeba więcej danych".
Większa ilość danych przekształciłaby garbek albo w nowiuteńką Nagrodę Nobla,
(Śmiech)
albo wypełniła przestrzeń i przekształciła go w gładką linię.
Zebraliśmy pięć razy więcej danych i po kilku miesiącach garbek...
stał się gładką linią.
Media donosiły o "wielkim rozczarowaniu", "zawiedzionych nadziejach"
i "smutnych fizykach cząstek".
Z tonu tych doniesień można by wywnioskować,
że zamknęliśmy LHC i poszliśmy do domu.
(Śmiech)
Ale nie zrobiliśmy tego.
Ale dlaczego nie?
Jeśli nie odkryłem nowej cząstki, a przecież nie odkryłem,
skoro nie odkryłem nowej cząstki, dlaczego dzisiaj do was mówię?
Dlaczego nie spuściłem ze wstydem głowy i nie poszedłem do domu?
Fizycy cząstek są odkrywcami.
Dużą część naszej pracy stanowi kartografia.
Albo inaczej, zapomnijcie na chwilę o LHC.
Wyobraźcie sobie, że jako kosmonauci
docieracie na odległą planetę w poszukiwaniu obcych.
Jakie jest wasze pierwsze zadanie?
Szybko okrążyć planetę, wylądować, pobieżnie się rozejrzeć,
szukając oczywistych śladów życia, i przesłać wstępny raport do bazy.
Na takim właśnie etapie jesteśmy.
Rzuciliśmy pierwsze spojrzenie na LHC,
szukając nowych, dużych, łatwych do spostrzeżenia cząstek,
i możemy zaraportować, że takich nie ma.
Zobaczyliśmy dziwny, obcy garbek na odległej górze,
ale z bliska okazało się, że to kamień,
I co teraz robimy? Poddajemy się i wracamy do domu?
Kategorycznie nie.
Tak robią koszmarni naukowcy.
Teraz spędzamy kilka kolejnych dziesięcioleci na badaniach,
oznaczając terytorium,
przeszukując piasek z pomocą specjalistycznego sprzętu,
zerkając pod każdy kamień, wiercąc pod powierzchnią.
Nowe cząstki mogą pojawić się natychmiast jako duże i łatwe do zauważenia garby
lub ujawnić swoją obecność po latach gromadzenia danych.
Ludzkość dopiero zaczęła poszukiwania na tak dużych energiach
i mamy mnóstwo badań do przeprowadzenia.
Ale co, jeśli nawet po 10-20 latach nie znajdziemy nowych cząstek?
Zbudujemy większy sprzęt.
(Śmiech)
Będziemy szukać na wyższych energiach.
Planuje się budowę tunelu o długości 100 km, który umożliwi
zderzanie cząstek z energią 10 razy większą niż LHC.
Nie mamy wpływu na to, gdzie natura umieszcza cząstki,
mamy wpływ tylko na kontynuowanie poszukiwań.
A co, jeśli 100-kilometrowy tunel, albo 500-kilometrowy,
albo 10 000-kilometrowy zderzacz unoszący się między Ziemią a Księżycem
nie doprowadzi do odkrycia nowych cząstek?
Wówczas być może okaże się, że źle uprawiamy fizykę.
(Śmiech)
Być może trzeba wszystko jeszcze raz przemyśleć.
Być może potrzeba więcej środków, technologii, ekspertyz niż te, które mamy.
Częściowo korzystamy już
ze sztucznej inteligencji i samouczenia maszyn w LHC,
ale wyobraźcie sobie eksperyment z użyciem tak złożonego algorytmu,
że mógłby sam uczyć się szukać hiperwymiarowego grawitonu.
Ostateczne pytanie:
co, jeśli sztuczna inteligencja nie pomoże odpowiedzieć na te pytania?
Co, jeśli te otwarte od wieków pytania
są skazane na brak odpowiedzi w najbliższej przyszłości?
Co, jeśli pytania,
które nie dają mi spokoju od dzieciństwa,
nie znajdą odpowiedzi za mojego życia?
Wówczas to wszystko...
... okaże się tym bardziej fascynujące.
Zmusi nas do myślenia w zupełnie inny sposób.
Będziemy musieli zrewidować założenia
i zastanowić się, czy gdzieś nie ma błędu.
Będziemy musieli zachęcić więcej osób do studiowania nauk ścisłych,
bo będzie potrzebne świeże spojrzenie na odwieczne problemy.
Ja nie znam odpowiedzi i wciąż ich szukam.
Ale być może ktoś, kto jeszcze chodzi do szkoły
albo jeszcze się nawet nie urodził,
mógłby nas kiedyś poprowadzić w kierunki innego spojrzenia na fizykę,
i zwrócić uwagę, że być może zadajemy niewłaściwe pytania.
To nie byłby koniec fizyki,
tylko jej obiecujący początek.
Dziękuję.
(Brawa)