Υπάρχει κάτι στη φυσική
που με ενοχλεί πολύ από τότε που ήμουν μικρό παιδί.
Σχετίζεται με μια ερώτηση
που κάνουν οι επιστήμονες εδώ και σχεδόν 100 χρόνια,
χωρίς απάντηση.
Πώς τα μικρότερα αντικείμενα στη φύση,
τα σωματίδια του κβαντικού κόσμου,
σχετίζονται με τα μεγαλύτερα πράγματα στη φύση -
τους πλανήτες και τα αστέρια και τους γαλαξίες
που συγκρατούνται μεταξύ τους με τη βαρύτητα;
Σαν παιδί, προβληματιζόμουν με ερωτήσεις σαν κι αυτή.
Έπαιζα με μικροσκόπια και ηλεκτρομαγνήτες,
και διάβαζα για τις δυνάμεις του μικρόκοσμου
και για την κβαντομηχανική,
και θαύμαζα το πόσο καλά αυτή η περιγραφή ταίριαζε
με τις παρατηρήσεις μας.
Μετά κοίταζα τα αστέρια,
και διάβαζα για το πόσο καλά κατανοούμε τη βαρύτητα,
και σκεφτόμουν ότι, φυσικά, θα πρέπει να υπάρχει ένας κομψός τρόπος
που αυτά τα συστήματα συνδέονται.
Αλλά δεν υπάρχει.
Και τα βιβλία λένε, ναι,
καταλαβαίνουμε πολλά για αυτά τα δύο θέματα χωριστά,
αλλά όταν προσπαθήσουμε να τα συνδέσουμε μαθηματικώς,
όλα καταρρέουν.
Και για 100 χρόνια,
καμία από τις ιδέες μας για το πως να λύσουμε
αυτήν την καταστροφή στη φυσική δεν έχει αποδειχθεί.
Και για τον μικρούλη, περίεργο και προβληματισμένο Τζέιμς,
αυτή ήταν μια απολύτως απογοητευτική απάντηση.
Είμαι, λοιπόν, ακόμα εκείνο το σκεπτικιστικό παιδάκι.
Πάμε τώρα στο Δεκέμβρη του 2015,
όταν βρίσκομαι στο επίκεντρο
της ανατροπής των νόμων της φυσικής.
Όλα ξεκίνησαν όταν εμείς στο CERN είδαμε κάτι ενδιαφέρον στα δεδομένα μας:
το ίχνος ενός καινούριου σωματιδίου,
την υποψία μιας πιθανόν ασυνήθιστης απάντησης
σε αυτήν την ερώτηση.
Πιστεύω ότι παραμένω ένας μικρός σκεπτικιστής,
αλλά είμαι και κυνηγός σωματιδίων τώρα.
Είμαι φυσικός στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN,
το μεγαλύτερο επιστημονικό πείραμα που έχει ποτέ κατασκευαστεί.
Είναι ένα τούνελ 27 χιλιομέτρων στα σύνορα Γαλλίας και Ελβετίας,
θαμμένο 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια.
Και σε αυτό το τούνελ
χρησιμοποιούμε υπεραγώγιμους μαγνήτες πιο κρύους από το μακρινό διάστημα
για να επιταχύνουμε πρωτόνια σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός,
και να τα συγκρούουμε μεταξύ τους εκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο,
συλλέγοντας τα απομεινάρια αυτών των συγκρούσεων
για να ψάξουμε για νέα, ανεξερεύνητα στοιχειώδη σωματίδια.
Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του χρειάστηκαν δεκαετίες δουλειάς
χιλιάδων φυσικών από όλον τον κόσμο,
και το καλοκαίρι του 2015 δουλεύαμε ακούραστα
για να λειτουργήσουμε τον LHC στην υψηλότερη ενέργεια
που οι άνθρωποι έχουν ποτέ χρησιμοποιήσει σε επιταχυντή σωματιδίων.
Η υψηλότερη ενέργεια είναι σημαντική, διότι για τα σωματίδια
υπάρχει η ισοδυναμία μεταξύ ενέργειας και μάζας του σωματιδίου,
και η μάζα είναι απλά ένας αριθμός που έβαλε εκεί η φύση.
Για να βρούμε νέα σωματίδια,
πρέπει να φτάσουμε αυτούς τους μεγαλύτερους αριθμούς.
Έτσι χρειαζόμαστε μεγαλύτερο επιταχυντή υψηλότερης ενέργειας,
και ο μεγαλύτερος, υψηλότερης ενέργειας επιταχυντής στον κόσμο
είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων.
Και τότε, συγκρούουμε πρωτόνια τετράκις εκατομμύρια φορές,
και συλλέγουμε πολύ αργά αυτά τα δεδομένα για μήνες και μήνες.
Και τότε νέα σωματίδια
μπορεί να εμφανιστούν στα δεδομένα μας ως κορυφές -
μικρές αποκλίσεις από αυτό που θα περιμέναμε,
μικρές ομάδες δεδομένων που κάνουν μια ομαλή γραμμή όχι και τόσο ομαλή.
Για παράδειγμα, αυτή η κορυφή,
μετά από μήνες καταγραφής δεδομένων το 2012,
οδήγησε στην ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς
-του μποζονίου Χιγκς-
και σε ένα βραβείο Νόμπελ για την επιβεβαίωση της ύπαρξής του.
Αυτή η ενεργειακή μετάβαση το 2015
ήταν η καλύτερή μας ευκαιρία ως είδος για να ανακαλύψουμε
νέα σωματίδια, νέες απαντήσεις σε αυτές τις μακροχρόνιες ερωτήσεις,
διότι ήταν σχεδόν η διπλάσια ενέργεια από αυτή που χρησιμοποιήσαμε
όταν ανακαλύψαμε το μποζόνιο Χιγκς.
Πολλοί από τους συναδέλφους μου είχαν δουλέψει μια ζωή για αυτή τη στιγμή,
και, ειλικρινά, για το μικρό περίεργο εαυτό μου,
αυτή ήταν η στιγμή που περίμενα μια ζωή.
Το 2015 ήταν, λοιπόν, καιρός δράσης.
Τον Ιούνιο του 2015, λοιπόν,
ο LHC μπήκε πάλι σε λειτουργία.
Όλοι οι συνεργάτες κρατούσαμε την ανάσα και τρώγαμε τα νύχια,
μέχρι που επιτέλους είδαμε τις πρώτες συγκρούσεις πρωτονίων
στη ψηλότερη ενέργεια που είχε επιτευχθεί ποτέ.
Χειροκροτήματα, σαμπάνιες, γιορτή.
Αυτό ήταν ένα ορόσημο για την επιστήμη,
και δεν είχαμε ιδέα τι θα βρίσκαμε σε αυτά τα ολόφρεσκα δεδομένα.
Και μετά από λίγες εβδομάδες είδαμε μια κορυφή.
Δεν ήταν πολύ μεγάλη κορυφή.
Αρκετά μεγάλη όμως για να σηκωθούν τα φρύδια μας,
αλλά σε κλίμακα από το 1 ως το 10 ανασηκώματος φρυδιών,
όπου το 10 είναι για την ανακάλυψη νέου σωματιδίου,
αυτό το ανασήκωμα ήταν στο 4.
(Γέλια)
Αφιέρωσα ώρες, μέρες, εβδομάδες, σε κρυφές συναντήσεις,
συζητώντας με τους συναδέλφους για αυτή τη μικρή κορυφή,
τσιμπώντας και σπρώχνοντάς την με τα αδίστακτα πειραματικά εργαλεία μας
για να δούμε εάν θα μπορούσε να αντέξει τις δοκιμασίες.
Αλλά ακόμα και μετά από μήνες πυρετώδους δουλειάς
που κοιμόμασταν στα γραφεία μας και δεν πηγαίναμε σπίτι,
με ζαχαρωτά για δείπνο, και καφέ με τον κουβά,
-οι φυσικοί είναι μηχανές που μετατρέπουν τον καφέ σε διαγράμματα-
(Γέλια)
αυτή η μικρή κορυφή δεν έφευγε.
Μετά από λίγους μήνες, λοιπόν,
παρουσιάσαμε αυτή τη μικρή κορυφή στον κόσμο με ένα ξεκάθαρο μήνυμα:
αυτή η μικρή κορυφή έχει ενδιαφέρον, αλλά δεν είναι καθοριστική,
οπότε ας την προσέχουμε όσο συλλέγουμε κι άλλα δεδομένα.
Προσπαθούσαμε, λοιπόν, να είμαστε πολύ χαλαροί για αυτό.
Ο κόσμος παρ' όλα αυτά το άρπαξε.
Τα μέσα το λάτρεψαν.
Ο κόσμος έλεγε ότι τους θυμίζει τη μικρή κορυφή που φάνηκε
στην πορεία προς την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς.
Ακόμα καλύτερα, οι θεωρητικοί συνάδελφοί μου,
-λατρεύω τους θεωρητικούς συναδέλφους μου-
οι θεωρητικοί συνάδελφοί μου έγραψαν 500 δημοσιεύσεις για αυτή τη μικρή κορυφή.
(Γέλια)
Ο κόσμος των στοιχειωδών σωματιδίων είχε αναποδογυρίσει.
Αλλά τι είχε αυτή η συγκεκριμένη κορυφή
που αναστάτωσε ομαδικά χιλιάδες φυσικούς;
Αυτή η μικρή κορυφή ήταν μοναδική.
Αυτή η μικρή κορυφή υποδείκνυε
ότι βλέπαμε έναν απροσδόκητα μεγάλο αριθμό συγκρούσεων
των οποίων τα απομεινάρια αποτελούνταν μόνο από δύο φωτόνια,
από δύο σωματίδια φωτός, και αυτό είναι σπάνιο.
Οι συγκρούσεις σωματιδίων δεν είναι σαν τις οδικές συγκρούσεις,
έχουν άλλους κανόνες.
Όταν συγκρούονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός,
αναλαμβάνει ο κβαντικός κόσμος.
Στον κβαντικό κόσμο αυτά τα δύο σωματίδια
μπορούν για λίγο να δημιουργήσουν ένα νέο σωματίδιο
που ζει για ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου,
πριν διασπασθεί σε άλλα σωμάτια που χτυπούν τον ανιχνευτή μας.
Σκεφτείτε μια οδική σύγκρουση
όπου τα αυτοκίνητα εξαφανίζονται τη στιγμή της σύγκρουσης,
ένα ποδήλατο εμφανίζεται στη θέση τους,
(Γέλια)
και μετά αυτό το ποδήλατο εκρήγνυται σε δύο σκέιτμπορντ,
τα οποία χτυπούν τον ανιχνευτή μας. (Γέλια)
Όχι κυριολεκτικά.
Είναι πολύ ακριβοί.
Περιπτώσεις που μόνο δύο φωτόνια
προσπίπτουν στον ανιχνευτή μας είναι πολύ σπάνιες.
Και εξαιτίας των ξεχωριστών κβαντικών ιδιοτήτων των φωτονίων,
μόνο ένας μικρός αριθμός πιθανών, νέων σωματιδίων
-των ποδηλάτων της ιστορίας μας-
μπορεί να γεννήσουν μόνο δύο φωτόνια.
Αλλά η μία από αυτές τις δύο επιλογές είναι τεράστια,
και σχετίζεται με αυτή τη μακροχρόνια ερώτηση
που με ενοχλούσε όταν ήμουν ένα μικρό παιδάκι,
σχετικά με τη βαρύτητα.
Ίσως να θεωρείτε τη βαρύτητα πολύ ισχυρή, αλλά στην πραγματικότητα
είναι απίστευτα ασθενής μπροστά στις άλλες δυνάμεις της φύσης.
Μπορώ για λίγο να νικήσω τη βαρύτητα όταν πηδάω,
αλλά δεν μπορώ να βγάλω ένα πρωτόνιο από το χέρι μου.
Η ένταση της βαρύτητας σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις της φύσης;
Είναι 10 εις τη μείον 39.
Αυτό είναι ένα δεκαδικό με 39 ψηφία στο δεκαδικό του μέρος.
Ακόμα χειρότερα,
όλες οι άλλες γνωστές δυνάμεις της φύσης
περιγράφονται τέλεια από το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο,
που είναι η καλύτερη περιγραφή της φύσης που έχουμε σε μικρότερες κλίμακες
και ειλικρινά ένα από τα καλύτερα επιτεύγματα της ανθρωπότητας -
εκτός από τη βαρύτητα, η οποία απουσιάζει από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Είναι τρελό.
Είναι λες και το μεγαλύτερο μέρος της βαρύτητας έχει εξαφανιστεί.
Νιώθουμε ένα μέρος της,
μα που είναι η υπόλοιπη;
Κανείς δεν ξέρει.
Αλλά μια θεωρητική εξήγηση προτείνει μια τρελή λύση.
Εσείς κι εγώ -ακόμα κι εσείς εκεί πίσω -
ζούμε σε τρεις χωρικές διαστάσεις.
Ελπίζω αυτή να είναι μια μη-αμφιλεγόμενη δήλωση.
(Γέλια)
Όλα τα γνωστά σωματίδια επίσης ζουν στις τρεις διαστάσεις του χώρου.
Στην πραγματικότητα, ένα σωματίδιο είναι απλά άλλο ένα όνομα
για μια διέγερση στο τριδιάστατο πεδίο·
μια τοπική φουσκάλα στο χώρο.
Πιο σημαντικά,
στα μαθηματικά που χρησιμοποιούμε για να τα περιγράψουμε όλα αυτά
θεωρούμε ότι υπάρχουν μόνο τρεις χωρικές διαστάσεις.
Τα μαθηματικά είναι μαθηματικά, μπορούμε να τα χειριστούμε όπως θέλουμε.
Κάποιοι πειραματίζονται με επιπλέον χωρικές διαστάσεις εδώ και πολύ καιρό,
αλλά ήταν πάντα μια αφηρημένη μαθηματική έννοια.
Θέλω να πω, κοιτάξτε γύρω σας -εσείς εκεί πίσω, κοιτάξτε γύρω-
είναι προφανές ότι υπάρχουν μόνο τρεις χωρικές διαστάσεις.
Αν όμως αυτό δεν είναι αλήθεια;
Αν η επιπλέον βαρύτητα διαρρέει
σε μια επιπλέον χωρική διάσταση
που είναι αόρατη σε σας και σε μένα;
Μήπως η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή όσο οι υπόλοιπες δυνάμεις
εάν μπορούσατε να τη δείτε σε αυτήν την επιπλέον χωρική διάσταση,
και αυτό που βιώνουμε είναι μόνο ένα μικρό κομμάτι αυτής της βαρύτητας
που την κάνει να φαίνεται πολύ ασθενής;
Εάν αυτό ήταν αλήθεια,
θα έπρεπε να επεκτείνουμε το Καθιερωμένο Πρότυπο των σωματιδίων
για να συμπεριλάβουμε ένα ακόμα σωματίδιο, ένα υπερδιάστατο βαρυτικό σωματίδιο,
ένα ξεχωριστό βαρυτόνιο το οποίο ζει σε επιπλέον χωρικές διαστάσεις.
Βλέπω το ύφος στα πρόσωπά σας.
Θα έπρεπε να με ρωτήσετε,
«Πώς στο καλό θα εξετάσουμε αυτήν την τρελή ιδέα επιστημονικής φαντασίας,
έτσι όπως είμαστε κολλημένοι στις τρεις διαστάσεις;»
Με τον ίδιο τρόπο όπως πάντα, με το να συγκρούουμε δύο πρωτόνια,
(Γέλια)
τόσο δυνατά που η σύγκρουση να διαχέεται
σε όσες επιπλέον χωρικές διαστάσεις μπορεί να υπάρχουν,
δημιουργώντας στιγμιαία αυτό το υπερδιάσταστο βαρυτόνιο
το οποίο πηδάει πίσω στις τρεις διαστάσεις του LHC
και φτύνει δύο φωτόνια, δύο σωματίδια φωτός.
Και αυτό το υποθετικό υπερδιάστατο βαρυτόνιο
είναι ένα από τα μόνα πιθανά, υποθετικά νεά σωματίδια
που να έχει τις ξεχωριστές κβαντικές ιδιότητες,
και θα μπορούσε να δώσει τη μικρή μας διφωτονική κορυφή.
Η πιθανότητα, λοιπόν,
να εξηγήσουμε τα μυστήρια της βαρύτητας
και να ανακαλύψουμε επιπλέον χωρικές διαστάσεις -
ίσως τώρα να παίρνετε μια αίσθηση
του γιατί χιλιάδες σπασίκλες φυσικοί συλλογικά έχασαν την ψυχραιμία τους
εξαιτίας της μικρής μας διφωτονικής κορυφής.
Μια τέτοια ανακάλυψη θα μπορούσε να ξαναγράψει όλα τα βιβλία.
Αλλά θυμηθείτε, το μήνυμα από εμάς τους πειραματικούς
που δουλεύαμε πάνω σε αυτό εκείνον τον καιρό ήταν ξεκάθαρο:
χρειαζόμαστε κι άλλα δεδομένα.
Με περισσότερα δεδομένα
η μικρή κορυφή θα μεταμορφωθεί σε ένα ωραίο, φρέσκο βραβείο Νόμπελ,
(Γέλια)
ή τα επιπλέον δεδομένα θα γεμίσουν το χώρο γύρω από την κορυφή
και θα την μετατρέψουν σε μια ωραία, ομαλή γραμμή.
Πήραμε, λοιπόν, κι άλλα δεδομένα,
και με τα πενταπλάσια δεδομένα, αρκετούς μήνες αργότερα,
η μικρή μας κορυφή
μετατράπηκε σε μια ομαλή γραμμή.
Τα μέσα μίλαγαν για «τεράστια απογοήτευση»,
για «ξεθωριασμένες ελπίδες»,
και για σωματιδιακούς φυσικούς «σε θλίψη».
Από τον τόνο της δημοσιογραφικής κάλυψης,
θα νομίζατε ότι αποφασίσαμε να σβήσουμε τον LHC και να πάμε σπίτι.
(Γέλια)
Αλλά δεν το κάναμε αυτό.
Γιατί δεν το κάναμε;
Εννοώ ότι αν δεν ανακάλυψα ένα σωματίδιο
-και όντως δεν ανακάλυψα-
αν δεν ανακάλυψα ένα σωματίδιο, γιατί είμαι εδώ και σας μιλάω;
Γιατί δεν έσκυψα το κεφάλι μου από ντροπή
και δεν πήγα στο σπίτι μου;
Οι σωματιδιακοί φυσικοί είναι εξερευνητές.
Και σε μεγάλο βαθμό αυτό που κάνουμε είναι χαρτογράφηση.
Να το θέσω έτσι: ξεχάστε τον LHC για λίγο.
Φανταστείτε ότι είστε εξερευνητές του διαστήματος,
φτάνετε σε ένα μακρινό πλανήτη ψάχνοντας για εξωγήινους.
Ποια είναι η πρώτη σας δουλειά;
Κάνετε το γύρο του πλανήτη, προσγειώνεστε,
ψάχνετε μεγάλες, εμφανείς ενδείξεις ζωής,
και στέλνετε αναφορά πίσω στη βάση σας.
Σε αυτή τη φάση είμαστε τώρα.
Ρίξαμε μια πρώτη ματιά στον LHC
για νέα, μεγάλα, εύκολα στην αναγνώριση σωματίδια,
και μπορούμε να αναφέρουμε ότι αυτά δεν υπάρχουν.
Είδαμε μια περίεργη εξωγήινη κορυφή σε ένα μακρινό βουνό,
αλλά αφού πλησιάσαμε, είδαμε ότι ήταν απλά βράχος.
Και τότε τι κάνουμε;
Απλώς τα παρατάμε και πετάμε πίσω;
Για κανένα λόγο·
θα ήμασταν απαίσιοι επιστήμονες αν το κάναμε.
Όχι, περνάμε τις επόμενες δεκαετίες εξερευνώντας,
χαρτογραφώντας το έδαφος,
κοσκινίζοντας την άμμο με ένα μηχάνημα ακριβείας,
γυρίζοντας κάθε πέτρα,
τρυπώντας το έδαφος.
Νέα σωματίδια μπορεί να εμφανιστούν αμέσως
ως μεγάλες, εμφανείς κορυφές,
ή μπορεί να αποκαλυφθούν μόνο μετά από χρόνια καταγραφής δεδομένων.
Η ανθρωπότητα μόλις άρχισε την εξερεύνηση
στον LHC σε αυτήν την υψηλή ενέργεια,
και έχουμε ακόμα πολύ ψάξιμο.
Εάν όμως,
ακόμα και μετά από 10 ή 20 χρόνια, δεν βρούμε καινούρια σωματίδια;
Τότε χτίζουμε ένα ακόμα μεγαλύτερο μηχάνημα.
(Γέλια)
Ψάχνουμε σε υψηλότερες ενέργειες.
Ο σχεδιασμός είναι σε εξέλιξη για ένα τούνελ 100 χιλιομέτρων,
θα συγκρούονται σωματίδια σε δεκαπλάσια ενέργεια από του LHC.
Δεν αποφασίζουμε που τοποθετεί η φύση νέα σωματίδια.
Αποφασίζουμε μόνο να συνεχίσουμε την εξερεύνηση.
Εάν, ακόμα και με το τούνελ των 100 χιλιομέτρων,
ή ένα τούνελ 500 χιλιομέτρων,
ή έναν επιταχυντή 10.000 χιλιομέτρων
αιωρούμενο στο διάστημα μεταξύ Γης και Σελήνης,
δε βρούμε καθόλου νέα σωματίδια;
Τότε μάλλον διεξάγουμε τη σωματιδιακή φυσική λάθος.
(Γέλια)
Ίσως χρειαστεί να αναθεωρήσουμε.
Ίσως χρειαζόμαστε περισσότερους πόρους, τεχνολογία, τεχνογνωσία,
από ό,τι έχουμε τώρα.
Ήδη χρησιμοποιούμε τεχνητή νοημοσύνη και τεχνικές μηχανικής μάθησης
σε τμήματα του LHC,
αλλά φανταστείτε ένα πείραμα σωματιδιακής φυσικής
χρησιμοποιώντας τόσο εξειδικευμένους αλγορίθμους
που να μπορεί να μάθει μόνο του
πώς να ανακαλύπτει ένα υπερδιάστατο βαρυτόνιο.
Η τελική ερώτηση: εάν ακόμα και η τεχνητή νοημοσύνη
δε μπορεί να βοηθήσει να βρούμε τις απαντήσεις;
Εάν αυτές οι ανοιχτές για αιώνες ερωτήσεις
είναι προορισμένες να παραμείνουν αναπάντητες στο μέλλον;
Εάν αυτά που με απασχολούσαν από τότε που ήμουν μικρός
είναι προορισμένα να παραμείνουν αναπάντητα σε όλη μου τη ζωή;
Τότε αυτό...
θα είναι ακόμα πιο εντυπωσιακό.
Θα αναγκαστούμε να σκεφτούμε με τελείως διαφορετικούς τρόπους.
Θα πρέπει να πάμε πίσω στις υποθέσεις μας,
και να ψάξουμε μήπως υπάρχει κάποιο λάθος κάπου.
Πρέπει να ενθαρρύνουμε κι άλλους να μελετήσουν την επιστήμη μαζί μας,
αφού χρειαζόμαστε φρέσκες ματιές σε αυτά τα προβλήματα του ενός αιώνα.
Δεν έχω τις απαντήσεις, και ακόμα τις ψάχνω.
Αλλά κάποια
-ίσως να είναι ακόμα μαθήτρια ή μην έχει γεννηθεί καν-
θα μπορούσε να μας δείξει τη φυσική με έναν εντελώς νέο τρόπο,
και να μας υποδείξει ότι ίσως απλώς κάνουμε τις λάθος ερωτήσεις.
Κάτι το οποίο δε θα ήταν το τέλος της φυσικής,
αλλά μια νέα αρχή.
Σας ευχαριστώ.
(Χειροκρότημα)