Uau, kámo. Sleduj ty vražedné rovnice. Krása. Takže, během následujících 18 minut se pokusím popsat krásu částicové fyziky bez rovnic. Ukazuje se, že hodně se toho můžeme naučit od korálů. Korál je nádherný a neobvyklý živočich. Každá větev korálu se skládá z tisíců jednotlivých polypů. Tito polypi neustále pučí a rozvětvují se v geneticky totožné sousedy. Pokud si představíme, že korál je vysoce inteligentní, můžeme zvolit jedince a položit mu rozumnou otázku. Můžeme se zeptat, jak se vlastně ocitl v určité pozici vůči sousedům - jestli to byla náhoda, osud, nebo něco jiného.

Potom, co by nás pokáral, že moc zvyšujeme teplotu, řekl by nám, že ta otázka je úplně nesmyslná. Víte, tihle koráli jsou občas docela protivní, což dokazují moje jizvy ze surfování. Ale polyp by pokračoval a řekl by nám, že je docela jasné, že sousedé jsou jeho duplikáty. Že je i na všech ostatních místech, ale vnímá je jako samostatné jedince. Pro korál je větvení do různých kopií tím nejpřirozenějším na světě.

Na rozdíl od nás by byl vysoce inteligentní korál jedinečně uzpůsobený k pochopení kvantové mechaniky. Matematika kvantové mechaniky velmi přesně popisuje, jak funguje náš vesmír. A říká, že naše realita se neustále rozvětvuje do různých možností, stejně jako korál. Nám lidem připadá divné si tímhle motat hlavu, jelikož jsme schopni prožívat jenom jednu možnost. Tato kvantová podivnost byla poprvé popsána Erwinem Schrödingerem a jeho kočkou. Kočka má radši tuhle verzi. (Smích)

V tomto uspořádání je Schrödinger v krabici s radioaktivním vzorkem, který se podle kvantové mechaniky rozvětví do stavu, ve kterém dojde k vyzáření, a do stavu, kde k němu nedojde. (Smích) Ve větvi, ve které vzorek vyzáří, se otevře klapka, která uvolní jed, a Schrödinger umře. Ale v jiné větvi reality zůstane naživu. Tyto skutečnosti vnímá každý jedinec zvlášť. Ani jeden nemůže říct, jestli ten druhý existuje.

Nám to může připadat divné, protože každý z nás vnímá jenom jednu existenci a nejsme schopni pozorovat další větve. Jako by každý z nás, stejně jako tady Schrödinger, byl jako korál větvící se do různých možností. Matematika kvantové mechaniky nám říká, že takto funguje svět v malých rozměrech. Lze to shrnout do jedné věty: Vše, co se může stát, stane se. To je kvantová mechanika. Ale to neznamená, že se stane všechno. Zbytek fyziky se snaží popsat, co se může stát a co ne. Fyzika nám říká, že všechno se redukuje na geometrii a interakce elementárních částic. Události mohou nastat, jenom pokud jsou tyto interakce v dokonalé rovnováze.

Teď pokročím a popíšu, jak o těchto částicích víme, co jsou zač a jak tato rovnováha funguje. V tomto přístroji se paprsky protonů a antiprotonů urychlují téměř k rychlosti světla, nechají se srazit a dojde k výtrysku čisté energie. Tato energie se okamžitě promění ve spršku subatomárních částic, jejichž vlastnosti určují detektory a počítače. Tento obrovský stroj, Velký hadronový urychlovač v CERNu v Ženevě, má obvod 27 kilometrů a když je v provozu, spotřebovává pětkrát víc energie než město Monterey (Kalifornie).

Nedovedeme výslovně předpovědět, jaké částice vzniknou, při určité srážce. Kvantová mechanika nám říká, že se uskuteční všechny možnosti. Ale fyzika nám říká, jaké částice mohou vzniknout. Tyto částice musí mít přesně tolik hmotnosti a energie kolik bylo neseno tím protonem a antiprotonem. Žádné částice hmotnější než tato energetická mez nevzniknou a zůstanou pro nás neviditelné. Proto je tento nový urychlovač částic tak vzrušující. Posune tuto energetickou mez sedminásobně oproti všemu předešlému, takže velice brzo uvidíme nové částice.

Ale než budu mluvit o tom, co bychom mohli pozorovat, dovolte mi popsat částice, o kterých už víme. Subatomárních částic je celá zoo. Většině z nás jsou důvěrně známé elektrony. Mnoho lidí v tomto sále se úspěšně živí tím, že je postrkují dokola. (Smích) Ale elektron má také neutrálního kolegu jménem neutrino, bez elektrického náboje a s velmi malou hmotností. Naproti tomu up a down kvarky mají velmi velké hmotnosti, a spojují se do trojic, čímž tvoří protony a neutrony uvnitř atomů.

Všechny tyto hmotné částice mají levo a pravotočivou formu a odpovídají jim antičástice, které nesou opačný náboj. Tyto běžné částice mají také méně známé druhé a třetí generace, které mají stejné náboje jako první, ale mají mnohem vyšší hmotnosti. Všechny tyto hmotné částice interagují s různými silovými částicemi. Elektromagnetická síla interaguje s elektricky nabitou hmotou skrze částice nazvané fotony.

Existuje také velmi slabá síla, pojmenovaná celkem bez fantazie slabá síla, která interaguje pouze s levotočivou hmotou. Silná interakce působí mezi kvarky, které nesou jiný druh náboje jménem barevný náboj, a má tři různé druhy: červený, zelený a modrý. Ta jména má na svědomí Murray Gell-Mann - je to jeho vina. Nakonec je tu gravitační síla, která interaguje s hmotou skrze její hmotnost a spin.

Tady je nejdůležitější pochopit, že každé z těchto sil odpovídají různé druhy náboje. Tyto čtyři různé síly interagují s hmotou podle odpovídajících nábojů, které má každá částice. Částice, která ještě nebyla pozorována, ale jsme si docela jistí, že existuje, je Higgsova částice, která dává hmotu všem těmto ostatním částicím. Hlavním cílem Velkého hadronového urychlovače je pozorovat Higgsovu částici, a jsme si skoro jistí, že ji uvidíme. Ale největší záhadou je, co dalšího bychom mohli pozorovat. Ukážu vám jednu nádhernou možnost ke konci této přednášky.

Když teď spočítáme všechny tyto různé částice podle jejich spinů a nábojů, je jich 226. To je spousta částic. A je divné, že by příroda měla tolik elementárních částic. Ale když je vykreslíme podle nábojů, vynoří se nádherné obrazce. Nejběžnějším nábojem je elektrický náboj. Elektrony mají záporný elektrický náboj a kvarky mají elektrické náboje po třetinách. Takže když se zkombinují dva up kvarky a jeden down kvark na proton, dohromady mají elektrický náboj plus jedna. Částice mají také antičástice, které mají opačný náboj.

Ukazuje se, že elektrické náboje jsou ve skutečnosti kombinací dvou jiných nábojů: hypernáboje a slabého náboje. Pokud rozložíme hypernáboj a slabý náboj a vykreslíme náboje částic v dvojrozměrném nábojovém prostoru, elektrický náboj odpovídá postavení částic ve svislém směru. Elektromagnetická a slabá síla interagují s hmotou podle jejího hypernáboje a slabého náboje, což dává tento obrazec. Tomu se říká Model elektroslabého sjednocení, a byl vytvořený v roce 1967.

Důvodem, proč je většině z nás znám elektrický náboj a ne oba dva, je Higgsova částice. Higgs, tady nalevo, má velkou hmotnost a narušuje symetrii tohoto elektroslabého obrazce. Slabá síla je velmi slabá kvůli tomu, že dává slabým částicím velkou hmotnost. Jelikož v tomto schématu leží hmotný Higgs podél vodorovného směru, fotony elektromagnetismu jsou nehmotné a interagují s elektrickým nábojem podél svislého směru v tomto nábojovém prostoru.

Takže elektromagnetická a slabá síla jsou popsané tímto obrazcem nábojů částic ve dvourozměrném prostoru. Silnou sílu můžeme zahrnout tak, že rozložíme její dva nábojové směry a vykreslíme náboje silových částic v kvarcích do těchto směrů. Náboje všech známých částic je možné vykreslit ve čtyřrozměrném nábojovém prostoru a promítnout je takto do dvou rozměrů, takže je lze vidět.

Vždy, když částice interagují, příroda udržuje dokonalou rovnováhu v každém z těchto čtyř nábojových rozměrů. Pokud se částice a antičástice srazí, dojde k výtrysku energie a celkový náboj ve všech čtyřech nábojových rozměrech bude nulový. V této chvíli se může vytvořit cokoliv, co má stejnou energii a zachová si celkový náboj nula. Při srážce může vzniknout například tato částice slabé síly a její antičástice. Při dalších interakcích musí být náboje vždycky v rovnováze.

Jedna ze slabých částic se může rozpadnout na elektron a antineutrino, a tyto tři dají po sečtení dohromady nulový náboj. Příroda vždycky udržuje dokonalou rovnováhu. Takže tyto obrazce nábojů nejsou jenom hezké. Říkají nám, které interakce jsou povolené. A tento nábojový prostor můžeme zrotovat ve čtyřech rozměrech, abychom se mohli lépe podívat na silnou interakci, která má tuto pěknou hexagonální symetrii.

V silné interakci interaguje částice silné síly, například tato, s barevným kvarkem, třeba s tímto zeleným, a dá tak kvark s jiným barevným nábojem - tímto červeným. K silným interakcím dochází mnohamilionkrát každou vteřinu v každém atomu našich těl, což drží atomová jádra pohromadě.

Ale tyto čtyři náboje odpovídající třem silám náš příběh neuzavírají. Můžeme zahrnout ještě další dva náboje, které odpovídají gravitační síle. Když je zahrneme, každá hmotná částice bude mít dva různé spinové náboje, spin nahoru a spin dolů. Takže se všecky rozdělí a vznikne hezký obrazec v šestirozměrném nábojovém prostoru. Tento obrazec můžeme zrotovat v šesti rozměrech a uvidíme, že je to docela pěkné.

V této chvíli tento obrazec odpovídá nejlepšímu současnému poznání, jak je příroda postavená na velmi malých rozměrech těchto elementárních částic. Toto víme určitě. Některé z těchto částic jsou na samé hranici našich dosavadních experimentálních možností. Z tohoto obrazce už víme, že částicová fyzika těchto malých rozměrů - způsob, jakým funguje vesmír při těchto malých rozměrech, je nádherný.

Ale teď budu mluvit o některých nových a starších myšlenkách o věcech, které ještě nevíme. Tento obrazec chceme rozvinout jenom s použitím matematiky a uvidíme, jestli můžeme obsáhnout celý problém. Chceme nalézt všechny částice a síly, které tvoří úplný obraz našeho vesmíru. A podle tohoto obrazu chceme předpovědět nové částice, které uvidíme, když pokusy dosáhnou vyšších energií.

V částicové fyzice existuje starý názor, že tento známý obrazec nábojů, který není moc symetrický, mohl vzejít z dokonalejšího obrazu, který je porušený, podobně jako když Higgsova částice narušuje elektroslabý obrazec a dává tak elektromagnetismus. Chceme-li ho najít, musíme zavést nové síly s novými nábojovými rozměry. Když zavedeme nový rozměr, musíme odhadnout, jaké náboje mají částice v tomto směru, a pak je můžeme zrotovat spolu s ostatními. Když budeme hádat moudře, můžeme vytvořit standardní náboje v šesti nábojových rozměrech jako narušenou symetrii tohoto dokonalejšího obrazce v sedmi nábojových rozměrech.

Tento konkrétní výběr odpovídá teorii velkého sjednocení kterou představili Pati a Salam v roce 1973. Při pohledu na tento nový sjednocený obrazec uvidíme několik děr, kde to vypadá, že chybí částice. Takto teorie sjednocení fungují. Fyzik hledá širší, symetričtější obrazy, které zahrnují tradiční obraz jako podmnožinu. Širší obraz nám umožňuje předpovědět existenci částic, které nebyly nikdy pozorovány. Tento sjednocující model předpovídá existenci těchto dvou nových silových částic, které by se měly chovat dost podobně jako slabá síla, jenom slaběji.

Teď můžeme tuto množinu nábojů zrotovat v sedmi rozměrech a vezmeme v úvahu podivnou skutečnost o hmotných částicích: druhé a třetí generace hmoty mají v šestirozměrném nábojovém prostoru přesně stejné náboje jako první generace. Tyto částice nejsou jednoznačně určené svými šesti náboji. Ve standardním nábojovém prostoru sedí na sobě. Nicméně když budeme pracovat v osmirozměrném nábojovém prostoru, můžeme každé částici přiřadit jedinečné nové náboje. Pak je můžeme otočit v osmi rozměrech a vidíme, jak celý obrazec vypadá. Tady vidíme druhou a třetí generaci hmoty, jak je svázaná s první generací pomocí symetrie nazvané "trialita".

Tento konkrétní obraz nábojů v osmi rozměrech je ve skutečnosti částí nejkrásnější geometrické struktury v matematice. Je to obraz největší výlučné Lieovy grupy E8. Tato Lieova grupa je jemný, zakřivený tvar s 248 rozměry. Každý bod v tomto obrazci odpovídá symetrii tohoto velmi složitého a nádherného objektu. Jednu malou část tohoto objektu E8 lze použít k popisu zakřiveného časoprostoru v Einsteinově obecné relativitě, která vysvětluje gravitaci.

Spolu s kvantovou mechanikou by mohla geometrie tohoto objektu popsat všechno o tom, jak vesmír funguje v nejmenších škálách. A obraz tohoto objektu žijícího v osmirozměrném nábojovém prostoru je mimořádně krásný a shrnuje tisíce možných interakcí mezi těmito elementárními částicemi, z nichž každá je jenom ploškou tohoto složitého objektu.

Když ho otočíme, uvidíme mnoho dalších složitých obrazců obsažených v tomto jednom. A při určité rotaci se můžeme podívat skrz tento obrazec v osmi rozměrech podél osy symetrie, takže uvidíme všechny částice najednou. Je to velmi krásný objekt, a stejně jako při každém sjednocení vidíme několik děr, kde potřebujeme podle tohoto obrazu nové částice. Je tu 20 děr, kde by měly být nové částice, z nichž dvě byly vyplněny částicemi Patiho a Salama.

Z jejich polohy v tomto obrazci víme, že tyto nové částice by měly být skalárním polem jako Higgsova částice, ale měly by mít barevný náboj a interagovat silnou silou. Doplnění těchto nových částic dokončí tento obrazec a dá nám celou E8.

Tento obrazec E8 má velmi hluboké matematické kořeny. Mnohými je považován za nejkrásnější strukturu v matematice. Je to úžasná vyhlídka, že tento objekt velké matematické krásy by mohl popisovat pravdu o částicových interakcích na nejmenších představitelných škálách. Tato myšlenka, že příroda je popisovaná matematikou, není vůbec nová. V roce 1623 napsal Galileo toto: "Velká kniha přírody, jež je neustále vystavena našemu pohledu, je napsána v jazyce matematiky. Jeho znaky jsou trojúhelníky, kružnice a další geometrické obrazce, bez nichž je lidsky nemožné pochopit její jediné slovo; bez nich člověk bloudí světem jako temným labyrintem."

Věřím, že je to pravda a pokusil jsem se poslechnout Galileovu radu při popisování matematiky částicové fyziky pomocí trojúhelníků, kružnic a dalších geometrických obrazců. Samozřejmě, když na tom spolu s dalšími fyziky pracujeme, matematika se může podobat temnému labyrintu. Ale je uklidňující, že v srdci této matematiky je čistá a krásná geometrie.

Ve spojení s kvantovou mechanikou tato matematika popisuje náš vesmír jako rostoucí E8 korál, s částicemi interagujícími v každém místě všemi možnými způsoby v souladu s nádherným obrazcem. A jak se nám zjevují další části obrazce s použitím nových přístrojů jako je Velký hadronový urychlovač, mohli bychom být schopní zjistit, jestli příroda užívá tento E8 obrazec, nebo nějaký jiný.

Být součástí tohoto procesu objevování je báječné dobrodružství. Pokud LHC najde částice, které sednou do tohoto E8 obrazce, bude to hodně hodně bezva. Pokud LHC objeví nové částice, ale ty nebudou do obrazce zapadat - no, to bude velmi zajímavé, ale špatné pro tuto E8 teorii. A samozřejmě špatné pro mě osobně. (Smích) Jak špatné by to bylo? No, dost špatné. (Smích)

Ale předpovídání, jak pracuje příroda, je velice hazardní hra. Tato teorie a jiné podobné jsou mířením na velkou dálku. Člověk udělá spoustu těžké práce a přitom ví, že u většiny těchto myšlenek se asi nakonec ukáže, že neříkají pravdu o přírodě. Taková je práce v teoretické fyzice: Hodně se maže. Z tohoto pohledu jsou nové fyzikální teorie dost podobné začínajícím podnikům. Jako při každé velké investici může být citově obtížné opustit větev výzkumu, když nefunguje. Ale ve vědě, když něco nefunguje, musíte to odhodit a zkusit něco jiného.

Jediný způsob, jak si zachovat zdravý rozum a dosáhnout štěstí uprostřed této nejistoty, je udržovat v životě rovnováhu a perspektivu. Snažím se, jak nejlépe dovedu, žít život v rovnováze. (Smích) Snažím se vyvážit svůj život rovnoměrně mezi fyzikou, láskou a surfováním, to jsou mé vlastní tři nábojové rozměry. (Smích)

Takto, i když se fyzika, na níž pracuji, obrátí vniveč, budu pořád vědět, že jsem prožil dobrý život. A snažím se žít na krásných místech. Většinu z minulých deseti let jsem prožil na ostrově Maui, což je velmi krásné místo. Pro mé rodiče je jednou z největších záhad ve vesmíru, jak jsem dokázal přežít takovou dobu, aniž bych byl zapojen do čehokoliv podobného pravidelnému zaměstnání. (Smích)

Poodhalím vám to tajemství. Toto byl pohled z mojí domácí kanceláře na Maui. A tady je další, a další. A možná jste si všimli, že tyto nádherné výhledy jsou podobné, ale na trochu jiných místech. To proto, že tohle byl můj domov a kancelář na Maui. (Smích)

Rozhodl jsem se pro velmi neobvyklý život. Ale jelikož jsem se nemusel starat o nájem, mohl jsem trávit čas tím, co mám rád. Kočovný život bývá občas těžký, ale umožnil mi žít na nádherných místech a udržet si v životě takovou rovnováhu, s níž jsem šťastný. Umožňuje mi to trávit hodně času s vysoce inteligentním korálem. Ale velice mě těší i společnost vysoce inteligentních lidí. Takže jsem moc rád, že jsem sem byl pozván. Velice děkuji. (Potlesk)

Chris Anderson: Rozuměl jsem z toho asi tak dvěma procentům, ale i tak mě to úplně dostalo. Takže budu znít asi hloupě. Tvá Teorie všeho --

Garrett Lisi: Jsem zvyklý na korály.

CA: Pravda - tvá teorie vzrušuje lidi proto, že pokud máš pravdu, spojuje gravitaci a kvantovou teorii dohromady. Takže říkáš, že bychom měli vesmír chápat v jeho jádru tak, že nejmenší objekty jsou v jistém smyslu E8 objekty pravděpodobnosti? Máš představu o rozměru toho objektu v nejmenším měřítku? ...?

GL: No, ten obrazec, který jsem vám ukázal, odpovídá tomu, co víme o fyzice elementárních částic, což už teď odpovídá velmi krásnému tvaru. O něm jsem říkal, že to víme určitě. A tento obrazec má pozoruhodné podobnosti, a způsob, jakým zapadá do tohoto tvaru E8, by mohl být zbytkem obrazu. A tyto obrazce bodů, které jsem vám ukázal, ve skutečnosti znázorňují symetrie tohoto mnohorozměrného objektu, který by se deformoval a pohyboval a tančil v prostoročasu, který vnímáme. A to by mohlo vysvětlovat všechny ty elementární částice, které známe.

CA: Ale strunový teoretik, jak to chápu, vysvětluje elektrony na základě mnohem menších vibrujících strun - vím, že nemáš rád teorii strun - vibrujících uvnitř. Jak si máme představit elektron ve vztahu k E8?

GL: Jako jednu ze symetrií tohoto E8 tvaru. Probíhá to tak, že jak se tento objekt pohybuje prostoročasem, otáčí se. A směr, jakým se otáčí, když se hýbe, odpovídá částici, kterou vidíme. Takže to by znamenalo --

CA: A velikost tohoto E8 tvaru, jak souvisí s elektronem? Mám pocit, že to potřebuju pro svou představu. Je větší, je menší?

GL: No, podle toho, co víme, jsou elektrony bodové částice, takže to by odpovídalo nejmenším možným škálám. V kvantové teorii pole se to vysvětluje tak, že všechny možnosti expandují a vyvíjejí se najednou. Proto používám analogii korálu. A tímto způsobem se tam E8 zavádí jako objekt, který je připojený ke každému bodu v prostoročase.

A jak jsem říkal, podle toho, jak se tento objekt otáčí, směr, kolem něhož se tvar otáčí, když se pohybuje tímto zakřiveným povrchem, to jsou samotné elementární částice. Takže skrze kvantovou teorii pole se projevují jako body a tak také interagují. Nevím, jestli budu schopný to vyjasnit víc. (Smích)

CA: Na tom vlastně nezáleží. Vyvolává to určitý pocit úžasu a rozhodně chci tomu porozumět víc. Díky moc, že jsi přišel. To bylo naprosto úchvatné. (Potlesk)