Brian Green over snaartheorie.

In het jaar 1919, stelde een vrijwel onbekende Duitse wiskundige, Theodor Kaluza, een zeer gewaagd, en op een bepaalde manier, zeer bizar idee voor. Hij stelde voor dat ons universum misschien eigenlijk meer dan de drie dimensies heeft waar we ons bewust van zijn. Dat is behalve links - rechts, voor - achter en boven - beneden, stelde Kaluza voor dat er misschien nog meer ruimtedimensies zijn die we om de één of andere reden nog niet zien. Wanneer iemand een gewaagd en bizar idee heeft, is het soms niet meer dan dat -- gewaagd en bizar, maar het heeft niets te maken met de wereld om ons heen. Dit specifieke idee, echter -- hoewel we niet weten of het klopt of niet en aan het einde zal ik experimenten bespreken die, in de komende paar jaar ons zouden kunnen vertellen of het klopt of niet -- dit idee heeft een enorme invloed gehad op de natuurkunde in de laatste eeuw en blijft veel onderzoek op het scherpst van de snede opleveren.

Dus wil ik jullie iets vertellen over het verhaal van deze extra dimensies. Dus wat gaan we doen? Om te beginnen hebben we wat achtergrond nodig. We gaan naar 1907. Dit is het jaar dat Einstein erg enthousiast is over zijn ontdekking van de speciale relativiteitstheorie en besluit een nieuw project te op te pakken -- proberen om de grootse en alomtegenwoordige zwaartekracht volledig te begrijpen. En op dat moment, zijn er veel mensen die dachten dat dat project al opgelost was. Newton had de wereld in de late 17e eeuw al een zwaartekrachttheorie gegeven die werkt goed, beschrijft de bewegingen van planeten, de beweging van de maan, enzovoorts, de beweging van ongeloofwaardige appels die uit bomen vallen, en mensen op het hoofd raken. Dat kan allemaal worden beschreven met Newton's werk.

Maar Einstein realiseerde zich dat Newton iets had weggelaten uit het verhaal, want zelfs Newton schreef dat, hoewel hij begreep hoe hij het effect van zwaartekracht kon berekenen, hij had niet kunne ontrafelen hoe het precies werkte. Hoe kan het dat de zon, 150 miljoen kilometer ver, op één of andere manier de beweging van de aarde beïnvloedt? Hoe reikt de zon door lege, inerte ruimte en oefent invloed uit? En dat is een taak die Einstein zichzelf heeft gesteld -- uitzoeken hoe zwaartekracht werkt. En ik zal laten zien wat het is dat hij gevonden heeft. Dus Einstein ontdekte dat het medium dat zwaartekracht overdraagt, ruimte zelf is. Het idee is als volgt: stel de ruimte voor als de grondslag van alles.

Einstein zei dat ruimte mooi vlak is, als er geen materie aanwezig is. Maar als er materie in de omgeving is, zoals de zon, zorgt het ervoor dat de constructie van de ruimte vervormt, kromt. Dat brengt de zwaartekracht over. Zelfs de aarde vervormt de ruimte om zich heen. Kijk nu naar de maan. De maan blijft in een baan, volgens deze ideeën, omdat hij rolt door een vallei in de gekromde omgeving die de zon, de maan en de aarde vormen door hun aanwezigheid. We gaan naar een overzicht hiervan. De aarde zelf blijft in een baan, omdat hij door een vallei rolt in een omgeving die gekromd is door de aanwezigheid van de zon. Dat is dit nieuwe idee over hoe zwaartekracht eigenlijk werkt.

Nu is dit idee in 1919 getest door astronomische observaties. Het werkt echt. Het beschrijft de gegevens. En hierdoor won Einstein aanzien over de hele wereld. En dat is wat Kaluza aan het denken zette. Hij was, zoals Einstein, op zoek naar wat we een "geünificeerde theorie" noemen. Dat is één theorie die misschien alle natuurkrachten kan beschrijven vanuit één verzameling ideeën één verzameling principes, één hoofdvergelijking, zo je wilt. Zo zei Kaluza tegen zichzelf, Einstein kon zwaartekracht te beschrijven in termen van vervormingen en krommingen in de ruimte -- eigenlijk, ruimte en tijd, om precies te zijn. Misschien kan ik hetzelfde trucje toepassen met de andere bekende kracht, die, in die tijd, bekend stond als de elektromagnetische kracht -- we kennen vandaag de dag nog anderen, maar in die tijd was dat de enige andere waar mensen over dachten. Je weet wel, de kracht verantwoordelijk voor elektriciteit en magnetische aantrekking, enzovoort.

Dus zegt Kaluza, misschien kan ik hetzelfde trucje toepassen en de elektromagnetische kracht beschrijven in termen van vervormingen en krommingen. Dat bracht een vraag op: vervormingen en krommingen in wat? Einstein had al ruimte en tijd gebruikt, vervormingen en krommingen, om zwaartekracht te beschrijven. Er leek niets anders te zijn om te vervormen of te krommen. Dus zei Kaluza, misschien zijn er meer ruimtedimensies. Hij zei, als ik één kracht meer wil beschrijven, heb ik misschien één dimensie meer nodig. Dus stelde hij zich voor dat de wereld vier ruimtedimensies had, en niet drie, en stelde zich voor dat elektromagnetisme vervormingen en krommingen in die vierde dimensie is. Nu is het volgende het geval: toen hij de vergelijkingen opschreef die vervormingen en krommingen beschrijven in een ruimte met vier ruimtedimensies, en niet drie, ontdekte hij dat de oude vergelijkingen die Einstein had afgeleid in drie dimensies -- die waren voor de zwaartekracht -- maar hij vond nog één vergelijking vanwege die extra dimensie. En toen hij naar die vergelijking keek. Was het niet anders dan de vergelijking die wetenschappers al lang kende om de elektromagnetische kracht te beschrijven. Verbazingwekkend -- dat kwam er zo maar uit. Hij was zo opgewonden door deze ontdekking dat hij door zijn huis rende en schreeuwde, "Overwinning!" -- omdat hij de geünificeerde theorie had gevonden.

Het moge duidelijk zijn, Kaluza was een man die theorie erg serieus nam. Hij, in feite -- er is een verhaal dat toen hij wilde leren zwemmen, hij een boek las, een verhandeling over zwemmen -- (Gelach) -- en toen de oceaan in dook. Dit is een man die zijn leven op het spel zette voor de theorie. Nu, voor hen onder ons die een beetje meer praktisch ingesteld zijn, doemen er meteen twee vragen op uit zijn observaties. Nummer één: als er meer ruimtedimensie zijn, waar zijn ze dan? We lijken ze niet te zien. En nummer twee: werkt deze theorie ook in detail, wanneer je hem probeert toe te passen op de wereld om ons heen? Nu, de eerste vraag is beantwoord in 1926 door een knaap genaamd Oskar Klein. Hij stelde voor dat dimensies in twee varianten voor zou kunnen komen -- er kunnen grote, makkelijk-te-zien dimensies zijn, maar er kunnen ook kleine, opgekrulde dimensies zijn, zo klein opgekruld, ook al zijn zo overal om ons heen, dat we ze niet zien.

Ik zal dat laten zien. Dus stel je voor dat je ergens naar kijkt bijvoorbeeld een verkeerslicht aan een kabel. Het is in Manhattan. Je bent in Central Park -- dat is irrelevant -- maar de kabel lijkt één dimensionaal vanuit de verte, maar jij en ik weten dat hij een bepaalde dikte heeft. Maar het is wel moeilijk te zien, vanuit de verte. Maar als we inzoomen en het standpunt innemen van, bijvoorbeeld, een kleine rondlopende mier -- kleine mieren zijn zo klein dat ze toegang hebben tot alle dimensies -- de lange dimensie, maar ook deze in de richting van de klok, tegen de klok in, En ik hoop dat jullie dit waarderen. Het kostte zo veel tijd om deze mieren dit te laten doen

(Gelach)

Maar dit illustreert in feite dat er twee soorten dimensies zijn: klein en grote. En het idee dat de grote dimensies om ons heen misschien degene zijn die we makkelijk zien, maar er zijn misschien nog meer opgerolde dimensies, zoiets als het ronde deel van die kabel, zo klein dat ze tot nu toe onzichtbaar zijn gebleven. Ik zal laten zien hoe dat er uit zou zien. Dus, als we een kijken naar, bijvoorbeeld, ruimte zelf -- ik kan natuurlijk maar twee dimensies op een scherm laten zien. Enkele van jullie zullen dat ooit oplossen, maar alles dat niet plat is op een scherm is een nieuwe dimensie, wordt kleiner, kleiner, kleiner en helemaal binnenin de microscopische diepte van ruimte zelf -- dit is het idee: zou je nog meer opgerolde dimensies kunnen hebben.

Hier is een kleine cirkelvorm -- zo klein dat we ze niet zien. Maar als je een kleine ultra-microscopische rondlopende mier zou zijn, zou je in de grote dimensies die we allemaal kennen -- dat is zoals het roosterdeel -- maar je zou ook toegang hebben tot de kleine opgerolde dimensie die is zo klein dat we hem niet kunnen zien met het blote oog of zelfs met ons meest verfijnde gereedschap. Maar diep in de constructie van ruimte zelf, zouden er meer dimensies kunnen zijn, is het idee, zoals we hier zien. Nu, dat is een verklaring voor hoe het universum meer dimensies zou kunnen hebben dan die die we zien Maar dan de tweede vraag die ik stelde: werkt de theorie eigenlijk wanneer je hem probeert toe te passen op de echte wereld?

Nou, het blijkt dat Einstein en Kaluza en vele anderen dit raamwerk probeerden te verfijnen en toe te passen op de natuurkunde van het universum zoals dat begrepen werd in die tijd, en in detail werkte het niet. In detail, bijvoorbeeld, konden ze de massa van het elektron niet correct krijgen in deze theorie. Zo veel mensen werkten er aan, maar in de jaren '40, zeker in jaren '50, was dit vreemde maar zeer dwingende idee van het unificeren van de natuurwetten verwenen. Totdat er iets prachtigs gebeurde in onze tijd. In onze tijd, wordt er een nieuwe aanpak voor het unificeren van de natuurwetten gezocht door natuurkundigen zoals ik, en vele anderen over de hele wereld, het heet supersnaartheorie, zoals je weet. En het mooie is dat supersnaartheorie op het eerste gezicht niets van doen heeft met dit idee van extra dimensies, maar wanneer we supersnaartheorie bestuderen, vinden we dat het het idee in een nieuwe vorm laat opleven

Dus ik zal vertellen hoe dat gaat. Supersnaartheorie -- wat is dat? Nou, het is een theorie die de vraag probeert te beantwoorden: wat zijn de basis fundamentele ondeelbare onveranderbare bestanddelen die de wereld om ons heen vormen? het idee is als volgt. Stel je voor dat we naar een bekend voorwerp kijken, gewoon een kaars in een kandelaar, en stel je voor dat we willen weten waar het van gemaakt is. Dus we gaan op reis diep in het voorwerp en onderzoeken de bestanddelen. Dus diep vanbinnen -- we weten allemaal als je diep genoeg gaat, heb je atomen. We weten ook allemaal dat atomen niet het einde van het verhaal zijn. Ze hebben kleine elektronen die rond een centrale kern zwermen met neutronen en protonen. Zelfs de neutronen en protonen hebben kleinere delen in zich, quarks. Dat is waar de gebruikelijke ideeën stoppen.

Hier is het nieuwe idee van snaartheorie. Diep in elk van deze deeltjes, zit iets anders. Dit andere is deze dansende vezel van energie. Het lijkt op een trillende snaar -- dat is waar het idee snaartheorie vandaan komt. En net zoals de trillende snaar die je net zagbij een cello in verschillende patronen kan trillen, kunnen deze ook in verschillende patronen trillen Ze produceren geen verschillende muzieknoten. Maar, ze produceren de verschillende deeltjes die de wereld om ons heen vormen. Dus, als deze ideeën kloppen, dan is ziet het ultra-microscopisch landschap van het universum er zo uit. Het bestaat uit een enorm aantal van deze kleine minivezels van trillende energie, trillend in verschillende frequenties. De verschillende frequenties produceren de verschillende deeltjes. De verschillende deeltjes zijn verantwoordelijk voor alle rijkdom in de wereld om ons heen.

En daar zie je de unificatie, want materiedeeltjes, elektronen en quarks, stralingsdeeltjes, fotonen, gravitonen, zijn allemaal opgebouwd uit één eenheid. Dus materie en de natuurkrachten zijn allemaal samengebracht onder de rubriek trillende snaren. En dat is wat we bedoelen met een geünificeerde theorie Nu, hier is de valkuil. Wanneer je de wiskunde van snaartheorie bestudeerd, vind je dat het niet werkt in een universum met slechts drie ruimtedimensies. Het werkt niet in een universum met vier ruimtedimensies, ook niet met vijf, of zes. Uiteindelijk, kun je de vergelijkingen bestuderen, en aantonen dat het werkt alleen in een universum met 10 ruimtedimensies en één tijddimensie. Het leidt ons meteen terug naar dit idee van Kaluza en Klein -- dat onze wereld, wanneer op de juiste manier beschreven, meer dimensies heeft dan degene die we zien.

Nu denk je daar misschien over en zegt, nou, okee, je weet wel, als je extra dimensies hebt, en ze zijn heel dicht opgekruld, ja, misschien zien we ze niet als ze klein genoeg zijn. Maar als er een kleine minibeschaving van groene mannetjes daarbeneden rondloopt, en je maakt ze klein genoeg en dan zien we hen ook niet, dat is waar. Één van de andere voorspellingen van snaartheorie -- nee, dat is niet één van de andere voorspellingen van snaartheorie.

(Gelach)

Maar het brengt wel de vraag op: proberen we deze extra dimensies gewoon te verstoppen, of vertellen ze ons echt iets over de wereld? In de resterende tijd, wil ik jullie iets vertellen over twee kenmerken. De eerste is, veel van ons geloven dat deze extra dimensies het antwoord bevatten op wat misschien wel de diepste vraag is in theoretische natuurkunde, in theoretische wetenschap. En dat is de vraag: wanneer we rondkijken in de wereld, zoals wetenschapppers de laatste honderd jaar deden, lijken er zo'n 20 getallen te zijn die ons universum echt beschrijven. dat zijn getallen zoals de massa van de deeltjes, zoals elektronen en quarks, de sterkte van de zwaartekracht, de sterkte van de elektromagnetische kracht -- een lijst van zo'n 20 getallen die gemeten zijn met ongelofelijke nauwkeurigheid, maar niemand heeft een verklaring voor waarom deze getallen precies deze waarde hebben.

Nu, heeft snaartheorie een antwoord? Nog niet. Maar we geloven dat het antwoord op waarom deze getallen deze waarden hebben misschien afhankelijk is van de vorm van de extra dimensies. En het schitterende is, als deze getallen enige andere waarde hadden dan de bekende, het universum zoals wij dat kennen, niet zou bestaan. Dat is een diepe kwestie. Waarom zijne deze getallen zo nauwkeurig afgesteld om sterren te laten schijnen en planeten te laten ontstaan, wanneer we onderkennen dat als je met deze getallen rotzooit --- als ik hier 20 raden had en ik liet jullie naar voren komen om met deze getallen te rotzooien, vrijwel elke verandering zou het universum laten verdwijnen. dus kunnen we deze 20 getallen verklaren? En snaartheorie suggereert dat deze 20 getallen iets te maken hebben met de extra dimensies. Ik zal laten zien hoe. Dus wanneer we het hebben over de extra dimensies in snaartheorie, is het niet één extra dimensie, zoals in de oudere ideeën van Kaluza en Klein. Dit is wat snaartheorie zegt over de extra dimensies. Ze hebben een rijke ineengestrengelde geometrie.

Dit is een voorbeeld van iets dat we kennen als een Calabi-Yau vorm -- de naam is niet zo belangrijk. Maar zoals je kunt zien, vouwen de dimensies in zichzelf en strengelen ze in elkaar in een heel interessante vorm, interessante structuur. En het idee is dat als de extra dimensies er zo uitzien, dan zou het micriscopisch landschap van ons universum om ons heen er zo uit zien op de allerkleinste schaal. Wanneer je met je hand zwaait, zou je deze extra dimensies keer op keer rondbewegen, maar ze zijn zo klein dat we het niet zouden weten. Dus wat is de fysieke implicatie dan, zo belangrijk voor deze 20 getallen?

Neem dit geval. Als je kijkt naar het instrument, een hoorn, valt het op dat de trillingen van de luchtstromen beinvloed worden door de vorm van het instrument. Nu, in snaartheorie, zijn alle getallen reflecties van de manier waarop snaren kunnen trillen. Dus net zoals deze luchtstromen beïnvloed worden door de draaiïngen en bochten in het instrument, worden de snaren zelf beïnvloed door de trilpatronen in de geometrie waarin ze bewegen. Dus ik zal wat snaren in het verhaal brengen. En als je naar deze kleine trillende knapen kijkt -- ze zijn er zo -- daar, merk op dat de manier waarom ze bewegen beïnvloed wordt door de geometrie van de extra dimensies.

Dus als we precies zouden weten die de extra dimensies er uit zouden zien -- dat weten we nog niet, maar als we dat wel wisten -- zouden we de toegestane noten moeten kunnen berekenen, de toegestane trilpatronen. En als de de toegestane trilpatronen konden berekenen, dan konden we deze 20 getallen berekenen. En als het antwoord van deze berekeningen overeenkomt met de waarden van deze getallen zoals ze zijn vastgesteld door gedetailleerde en nauwkeurige experimenten, dan zou dit op veel manieren de eerste fundamentele verklaring zijn voor waarom de structuur van het universum is zoals het is. Nu, het tweede onderwerp waarmee ik af wil ronden is: hoe kunnen we meer direct testen of deze extra dimensies bestaan? Is het slechts een interessante wiskundige structuur die misschien een verklaring geeft voor enkele van de voorheen onverklaarde kenmerken van de wereld, of kunnen we werkelijk het bestaan van deze extra dimensies testen? En we denken -- en dit is, denk ik, heel opwindend -- dat we in de volgende vijf jaar ofzo we misschien kunnen testen of deze extra dimensies bestaan.

Dat gaat zo. In CERN, Genève, Zwitserland, wordt een machine gebouwd, de Large Hadron Collider. Het is een machine die deeltjes rond zal sturen in een tunnel, in tegengestelde richting, bijna op lichtsnelheid. Af en toe zullen deze deeltjes op elkaar gericht zijn, dus er is een frontale botsing. De hoop is dat als de botsing genoeg energie heeft, er misschien wat brokstukken van de botsing vrijkomen uit onze dimensies, die gedwongen worden de andere dimensies binnen te gaan. Hoe weten we dat? Nou, we meten de hoeveelheid energie na de botsing, vergelijken dat met de hoeveelheid energie ervoor, en als er na de botsing minder energie is dan daarvoor, dan is dit bewijs dat de energie afgedreven is. En als het in het juiste patroon afdrijft dan kunnen we berekenen, dit zal bewijs zijn dat de extra dimensies er zijn.

Ik zal het idee visueel tonen. Dus stel je voor dat we een soort deeltje hebben genaamd graviton -- dat is het soort brokstuk waarvan we verwachten ze vrijkomen als de extra dimensies echt zijn. Maar zo zal het experiment gaan. Je neemt deze deeltjes. Je slaat ze op elkaar. Je slaat ze op elkaar, en als we gelijk hebben, iets van de energie van die botsing zal een brokstuk worden dat wegvliegt in deze extra dimensies. Dus dit is het soort experiment waar we naar zullen kijken in de volgende vijf, zeven tot 10 jaar ofzo. En als dit experiment vruchten afwerpt, en als we zo'n soort deeltje zien vrijkomen door op te merken dat er minder energie is in onze dimensies dan waar we mee begonnen, dan toont dat aan dat de extra dimensies echt zijn.

En voor mij is dit echt een merkwaardig verhaal, en een merkwaardige kans. Teruggaan naar Newton met absolute ruimte -- verschafte niets dan een arena, een podium waarop de gebeurtenissen van het universum plaatshebben. Einstein komt voorbij en zegt, nou, ruimte en tijd kunnen vervormen en krommen, dat is zwaartekracht. En nu komt snaartheorie voorbij en zegt, ja, zwaartekracht, quantummechanica, elektromagnetisme -- allemaal samen in één pakket, maar alleen als het universum meer dimensies heeft dan die we zien. En dit is een experiment dat het bestaan ervan kan testen gedurende ons leven. Verbazingwekkende mogelijkheid. Dankejwel.

(Applaus)