Гарет Лиси за своята теория за всичко

Уау, човече. Виж какви убийствени уравнения. Сладка работа. Всъщност, през следващите 18 минути ще направя всичко възможно да опиша красотата на физиката на частиците без уравнения. Оказва се, че можем да научим много от корала. Коралът е много красиво и необикновено животно. Всяка коралова глава се състои от хиляди индивидуални полипи. Тези полипи постоянно напъпват и се разклоняват в генетично идентични съседи. Ако си представим, че това е хиперинтелигентен корал, можем да изберем един индивид и да му зададем разумен въпрос. Можем да попитаме как се е оказал точно на това местоположение в сравнение със съседите си... дали е било просто случайност, съдба, или какво?

След като ни смъмри, че сме повишили твърде много температурата, той би ни казал, че въпросът ни е напълно глупав. Тези корали могат да бъдат доста лоши, разбирате ли, имам белези от сърф в доказателство на това. Но този полип би ни казал после, че съседите му съвсем явно са идентични негови копия. Че той е също и на всички тези места, но ги преживява като отделни индивиди. За един корал разклоняването в различни копия е най-естественото нещо на света.

За разлика от нас, един хиперинтелигентен корал би бил уникално подготвен да разбира квантовата механика. Математиката на квантовата механика описва много точно как работи нашата Вселена. Тя ни казва, че нашата реалност постоянно се разклонява в различни възможности, точно като корал. Това е странно нещо, трудно за схващане от нашите човешки мозъци, тъй като винаги успяваме да преживеем само една възможност. Тази квантова странност първо била описана от Ъруин Шрьодингер и неговата котка. Котката харесва повече тази версия. (Смях) Тук Шрьодингер е в кутия с радиоактивен образец, който, по законите на квантовата механика, се разклонява в състояние, в което излъчва, и състояние, в което не излъчва. (Смях) В разклонението, в което образецът излъчва, той освобождава спусък, който изпуска отрова и Шрьодингер е мъртъв. Но в друг клон на реалността той остава жив. Тези реалности се преживяват отделно от всеки индивид. Доколкото всеки може да прецени, другият не съществува.

Това ни изглежда странно, защото всеки от нас преживява само едно индивидуално съществуване, и не ни се удава да видим други клонове. Като че ли всеки от нас, като Шрьодингер тук, е някакъв корал, разклоняващ се в различни възможности. Математиката на квантовата механика ни казва, че така работи светът в мънички мащаби. Може да се обобщи с едно изречение: Всичко, което може да се случи, се случва. Това е квантовата механика. Но това не означава, че всичко се случва. Останалата част от физиката описва какво може да се случи и какво не може. Физиката ни казва, че всичко се свежда до геометрия и взаимодействията на елементарни частици. И нещата могат да се случват, само ако тези частици са съвършено балансирани.

Сега ще продължа и ще опиша откъде знаем за тези частици, какви са те и как действа този баланс. В тази машина лъч от протони и антипротони се ускоряват до близка до светлинната скорост и се събират заедно в сблъсък, произвеждащ взрив от чиста енергия. Тази енергия незабавно се преобразува в пръски от полу-атомни частици и се използват детектори и компютри, за да се проучат техните свойства. Тази огромна машина, "Големият адронен ускорител" в Европейската организация за ядрени изследвания в Женева има периферия от 17 мили (27,36 км.) и, когато действа, се нуждае от пет пъти повече енергия от град Монтерей. Не можем да предвидим точно какви частици ще бъдат образувани при всеки индивидуален сблъсък. Квантовата механика ни казва, че всички възможности са реализирани. Но физиката ни казва какви частици могат да бъдат образувани. Тези частици трябва да имат точно толкова маса и енергия, колкото се носи от протона и анти-протона. Всички частици, по-масивни от този енергиен лимит, не се образуват и остават невидими за нас. Затова този нов ускорител за частици е толкова вълнуващ. Той ще тласне този енергиен лимит седем пъти отвъд постигания когато и да било преди, така че ще видим някои нови частици много скоро.

Но преди да говоря за онова, което може да видим, нека опиша частиците, които вече познаваме. Има цял зоопарк от субатомни частици. Повечето от нас познават електроните. Много хора в тази зала изкарват добра прехрана, като ги блъскат наоколо. (Смях) Но електронът има също и неутрален център, наречен неутрино, без електрически заряд и с много мъничка маса. Горните и долни кварки, напротив, имат много големи маси и се комбинират в тройки, за да образуват протоните и неутроните вътре в атомите. Всички тези частици материя съществуват в леви и десни разновидности и имат партньори анти-частици, които носят противоположни заряди. Тези познати частици имат също по-малко познати втори и трети поколения, които имат същите заряди като първите, но имат много по-високи маси. Всички тези частици материя взаимодействат с различните силови частици. Електромагнитната сила взаимодейства с електрически заредена материя чрез частици, наречени фотони. Има също една много слаба сила, наречена - доста прозаично - слабата сила, която взаимодейства само с лява материя. Силната сила действа между кварки, които носят различен вид заряд, наречен цветен заряд и съществува в три разновидности: червена, зелена и синя. Може да обвинявате Мъри Гел-Ман за тези имена - вината за тях е негова. И накрая, съществува гравитационната сила, която взаимодейства с материята чрез нейната маса и въртене.

Най-важното за разбиране тук е, че с всяка от тези сили се асоциира различен вид заряд. Тези четири различни сили взаимодействат с материята съгласно съответните заряди, които има всяка частица. Една частица, която не е виждана още, но сме доста сигурни, че съществува, е частицата Хигс, която дава маси на всички тези други частици. Основната цел на "Големият адронен ускорител" е да види тази частица Хигс, и сме почти сигурни, че това ще стане. Но най-голямата мистерия е какво друго може да видим. Ще ви покажа една прекрасна възможност към края на този разговор.

Ако преброим тези различни частици, използващи разнообразните им въртения и заряди - съществуват 226. Това са много частици за следене. И изглежда странно, че природата би създала толкова много елементарни частици. Но ако ги разпределим съгласно зарядите им, излизат наяве някои красиви схеми. Най-познатият заряд е електрическият заряд. Електроните имат електрически заряд, отрицателен, а кварките имат електрически заряди по тройки. Така че, когато два горни кварка и един долен кварк се комбинират, за да създадат протон, той има общ електрически заряд от плюс едно. Частиците имат също античастици с противоположни заряди. Оказва се, че електрическите заряди в действителност имат комбинация от два други заряда: хиперзаряд и слаб заряд. Ако разстелем хиперзаряда и слабия заряд и разпределим зарядите на частиците в това двумерно зарядно пространство, електрическият заряд е там, където седят тези частици по вертикалното направление. Електромагнитната и слабата сили взаимодействат с материята според своя хиперзаряд и слаб заряд, които създават тази схема. Това се нарича Обединен слабоелектрически модел и е бил съставен през 1967 г.

Причината повечето от нас да познават само електрическия заряд, а не тези двата, е заради частицата Хигс. Хигс, тук отляво, има голяма маса и разбива симетрията на този слабоелектрически модел. Тя прави слабата сила много слаба, като дава на слабите частици голяма маса. Тъй като масивната Хигс седи по хоризонталното направление в тази диаграма, фотоните от електромагнетизъм остават без маса и взаимодействат с електрически заряд по вертикалното направление в това зарядно пространство. Електромагнитните и слаби сили са описани от тази схема на заряди на частици в двумерно пространство. Можем да включим силната сила, като разстелем двете й зарядни направления и разпределим зарядите на силови частици на кварки по тези направления. Зарядите на всички известни частици могат да бъдат разпределени в едно четиримерно зарядно пространство и прожектирани надолу в две измерения - така, за да можем да ги виждаме.

Когато частиците взаимодействат, природата поддържа идеален баланс по всички тези четири зарядни направления. Ако частица и античастица се сблъскат, това създава изблик на енергия и тотален заряд нула и в четирите зарядни направления. На този етап може да бъде създадено всичко, стига да има същата енергия и да поддържа общ заряд нула. Например, тази слабосилова частица и нейната античастица могат да бъдат създадени в сблъсък. При по-нататъшни взаимодействия, зарядите винаги трябва да се балансират. Една от слабите частици би могла да се разруши в електрон и анти-неутрино, и тези трите все пак имат нулев общ заряд. Природата винаги поддържа съвършен баланс. Така че тези схеми на заряди са не просто хубави. Те ни казват какви взаимодействия е разрешено да се случат. И можем да завъртаме това зарядно пространство в четири измерения, за да получим по-добър изглед към силното взаимодействие, което има тази хубава шестоъгълна симетрия. При едно силно взаимодействие, силносилова частица като тази взаимодейства с цветния кварк, като този зеления, за да даде на един кварк с различен цветови заряд - този, червеният. А силни взаимодействия се случват милиони пъти всяка секунда във всеки атом от телата ни, задържайки атомните ядра заедно.

Но тези четири заряда, кореспондиращи с три сили, не са краят на историята. Можем също да включим и още два заряда, отговарящи на гравитационната сила. Когато ги включим, всяка частица материя има два различни заряда на завъртане, завъртане нагоре и завъртане надоу. Те всички се разделят и се получава хубава схема в шестмерно зарядно пространство. Можем да завъртаме тази схема в шест измерения и да видим, че тя е доста хубава. Точно сега тази схема съвпада с най-добрите ни настоящи познания за това как е изградена природата в мъничките мащаби на тези елементарни частици. Това знаем със сигурност. Някои от тези частици са на самата граница на онова, което сме успели да постигнем с експерименти. От тази схема вече познаваме физиката на частиците в тези мънички мащаби. Начинът, по който Вселената работи с тези мънички мащаби, е много красив.

А сега ще обсъдя някои нови и стари идеи за неща, които още не знаем. Искаме да разширим тази схема само с помощта на математика и да видим дали можем да сложим ръце върху цялата баница. Искаме да открием всички частици и сили, които съставят пълна картина на нашата Вселена. И искаме да използваме тази картина, за да предсказваме нови частици, които ще виждаме, когато експериментите достигнат по-високи енергии.

Ето една стара идея във физиката на частиците, че тази позната схема от заряди, която не е много симетрична, би могла да възникне от по-съвършена схема, която е разбита, подобно на начина, по който частицата Хигс развива слабоелектрическия модел, за да даде електромагнетизъм. За да направим това, трябва да въведем нови сили с нови зарядни направления. Когато въвеждаме ново направление трябва да отгатнем какви заряди имат частиците по това направление, и тогава можем да го завъртаме с другите. Ако отгатнем мъдро, можем да конструираме стандартните заряди в шест зарядни направления като разчупена симетрия на тази по-съвършена схема в седем зарядни измерения.

Този избор отговаря на една величествена обединена теория, представена от Пати и Салам през 1973 г. Когато погледнем тази нова обединена схема, можем да видим една-две пролуки, където частици, изглежда, липсват. Това е начинът, по който действат теориите за унификация. Един физик търси по-големи, по-симетрични схеми, които включват установената схема като подмножество, По-голямата схема ни позволява да предвиждаме съществуването на частици, които никога не са били виждани. Този модел за унификация предрича съществуването на тези две нови силови частици, които трябва да действат до голяма степен като слабата сила, само че по-слабо.

Сега можем да завъртаме този набор от заряди в седем измерения и да имаме предвид един странен факт за частиците материя: вторите и третите поколения от материя имат точно същите заряди в шестмерното зарядно пространство като първото поколение. Тези частици не са уникално идентифицирани от шестте си заряда. Те седят една върху друга в стандартното зарядно пространство. Но ако работим в осеммерно зарядно пространство, тогава можем да припишем уникални нови заряди на всяка частица. После можем да ги завъртим в осем измерения и да видим как изглежда цялата схема. Тук виждаме вторите и третите поколения от материя, сега свързани с първото поколение чрез една симетрия, наречена "триалност".

Точно тази схема от заряди в осем измерения всъщност е част от най-красивата геометрична структура в математиката. Това е схема на най-голямата изключителна Ли група Е8. Тази Ли група е една гладка, извита форма с 248 измерения. Всяка точка в тази схема отговаря на една симетрия над тази много сложна и красива форма. Една малка част от тази форма Е8 може да се използва за описание на извитото пространство време от общата относителност на Айнщайн, обясняваща гравитацията. Заедно с квантовата механика, геометрията на това пространство би могла да опише всичко относно това как работи Вселената в най-мъничките мащаби. А схемата на тази форма, живееща в осеммерно зарядно пространство, е изключително красива и обобщава хиляди възможни взаимодействия между тези елементарни частици, всяка от които е просто стена в тази сложна форма.

Докато я въртим, можем да видим много от другите сложни схеми, съдържащи се в тази стена. А с едно определено завъртане можем да погледнем надолу през тази схема в осем измерения по една ос на симетрия и да видим всички частици наведнъж. Това е много красив обект, и както с всяка унификация, можем да видим някои дупки, където се изискват нови частици от тази схема. Има 20 пролуки, където трябва да има нови частици, две от които са били запълнени от частиците Пати и Салам. От тяхното разположение в тази схема знаем, че тези нови частици трябва да са скаларни полета като частицата Хигс, но имат цветен заряд и взаимодействат със силната сила. Допълването на тези нови частици завършва тази схема, давайки ни пълната Е8.

Тази схема Е8 има много дълбоки математически корени. Тя е смятана от мнозина за най-красивата структура в математиката. Фантастична перспектива е, че този обект с огромна математическа красота би могъл да опише истината за взаимодействията на частици в най-малките въобразими мащаби. А тази идея, че природата е описвана от математиката, изобщо не е нова. През 1623 г. Галилео пише: "Величествената книга на природата, която стои постоянно отворена пред взора ни, е написана на езика на математиката. Символите й са триъгълници, кръгове и други геометрични фигури, без които е невъзможно за човека да разбере и една дума от нея; без тях човек броди наоколо в тъмен лабиринт."

Смятам това за истина и съм се опитвал да следвам ръководството на Галилео при описване на математиката на физиката на частиците само с помощта на триъгълници, кръгове и други геометрични фигури. Разбира се, когато с другите физици действително работим върху това, математиката може да напомня тъмен лабиринт. Но е успокоително, че в сърцето на тази математика е чистата, красива геометрия. Обединена с квантовата механика, тази математика описва нашата Вселена като един растящ корал Е8, с частици, взаимодействащи на всяко местоположение, по всички възможни начини според една красива схема. И докато повече от схемата става видима с помощта на нови машини като "Големия адронен ускорител", може да успеем да видим дали природата използва тази схема Е8, или друга такава.

Този процес на откритие е участие в едно чудесно приключение. Ако "Големият адронен ускорител" открие частици, които се вписват в тази схема Е8, това би било извънредно страхотно. Ако "Големият адронен ускорител" открие нови частици, но те не се вписват в тази схема... е, това би било много интересно, но лошо за тази теория Е8. И, разбира се, лошо лично за мен. (Смях) А колко лошо би било това? Е, доста лошо. (Смях)

Но да предсказваш как действа природата е много рискована игра. Тази теория и други като нея са изстрели отдалеч. Човек влага много усърден труд, знаейки, че повечето от тези идеи вероятно няма да се окажат верни за природата. Така е да се занимаваш с теоретична физика: има много затривания. В това отношение новите физични теории много приличат на новоосновани фирми. Както и с всяка голяма инвестиция, може да е трудно емоционално да изоставиш изследователска линия, когато тя не действа. Но в науката, ако нещо не действа, трябва да го изхвърлиш и да опиташ нещо друго.

Единственият начин да запазиш здрав разум и да постигнеш щастие посред тази несигурност е да поддържаш баланс и перспектива в живота. Опитах всичко възможно, за да живея балансиран живот. (Смях) Опитвам се да балансирам живота си по равно между физиката, любовта и сърфа, моите собствени три зарядни направления. (Смях) Така, дори ако физиката, по която работя, не стигне до нищо, все пак ще знам, че съм живял хубав живот. И се опитвам да живея на красиви места. През по-голямата част от последните десет години съм живял на остров Мауи, много красиво място. Една от най-великите мистерии във Вселената за моите родители е как съм успял да оцелея през цялото това време, без да се занимавам с нищо, наподобяващо работа на пълен работен ден. (Смях)

Ще ви разкрия тази тайна. Това беше изглед от моя домашен офис на Мауи. Ето още един, и още един. Може да сте забелязали, че тези красиви изгледи са подобни, но на леко различни места. Това е, защото това беше моят дом и офис на Мауи. (Смях) Избрал съм много необичаен живот. Но това да не се притеснявам за наема ми позволи да прекарвам времето си, като правя онова, което обичам. Воденето на номадско съществуване беше трудно на моменти, но то ми позволи да живея на красиви места и да поддържам баланс в живота си, с който съм щастлив. То ми позволява да прекарвам голяма част от времето си в компанията на хиперинтелигентни корали. Но също така силно се наслаждавам на компанията на хиперинтелигентни хора. Така че съм много щастлив, че съм поканен тук днес. Много благодаря. (Аплодисменти)

Крис Андерсън: Вероятно разбрах около два процента от това, но въпреки това го смятам за страхотно. Така че ще звуча тъпо. Вашата Теория за всичко...

Гарет Лизи: Свикнал съм с корала.

КА: Така е, причината да развълнува някои хора е, тъй като, ако сте прав, това обединява гравитационната и квантовата теория. Значи вие казвате, че трябва да мислим за Вселената в сърцето й, че най-малките съществуващи неща някак са един Е8 обект на възможност? Искам да кажа, има ли мащаб за това в най-малкия мащаб във вашия ум, или...?

ГЛ: Е, точно сега схемата, която ви показах, отговаря на онова, което знаем за физиката на елементарните частици, която вече отговаря на една много красива форма. И това е онази, за която казах, че знаем със сигурност. Тази форма има забележителни сходства и начинът, по който се вписва в тази схема Е8, би могъл да е останалата част от картината. Тези схеми от точки, които ви показах, всъщност представляват симетрии на този многомерен обект, които ще се изкривяват, движат и танцуват над пространството време, което преживяваме. И това би обяснило всички тези елементарни частици, които виждаме.

КА: Но един струнен теоретик, както аз го разбирам, обяснява електроните като много по-малки вибриращи струни... знам, че не харесвате струнната теория - вибриращи вътре в него. Как да мислим за един електрон във връзка с Е8?

ГЛ: Не, той би бил една от симетриите в тази форма Е8. Онова, което се случва, е, че докато формата се движи над пространството време, тя се усуква. И посоката, в която се усуква, докато се движи, е каква частица виждаме. Така че би било...

КА: Размерът на формата Е8, как се свързва това с електрона? Някак усещам, че това ми е нужно, за да си съставя картина. По-голяма ли е, или по-малка?

ГЛ: Е, доколкото знаем, електроните са точкови частици, така че това ще е свеждане до най-малките възможни мащаби. Начинът, по който тези неща са обяснени в теорията за квантовото поле, е, че всички възможности се разширяват и развиват едновременно. Затова използвам аналогията с корала. Така начинът, по който влиза Е8, е, че ще бъде като форма, прикрепена към всяка точка в пространството време. И, както казах, начинът, по който формата се усуква, посоката, в която се усуква формата, докато се движи над тази извита повърхност, е онова, което са самите елементарни частици. Чрез теорията за квантовото поле те се проявяват като точки и взаимодействат по този начин. Не знам дали ще успея да го изясня по-добре. (Смях)

КА: Всъщност няма значение. Това предизвиква един вид почуда, и аз със сигурност искам да разбера повече от това. Много ви благодаря, че дойдохте. Това беше абсолютно очарователно. (Аплодисменти)