Frank Wilczek (2005) - The Universe is a Strange Place

In the first part of the talk, I will discuss the modern understanding of the basic structure of matter, emphasizing the precision, beauty, and weirdness of the description we've developed. I will emphasize specifically, the theme that what we ordinarily perceive as empty space is in fact a rich dynamical medium

I won’t be able to do justice in half an hour to all the ways in which the universe is a strange place, but I’d like to show you a few highlights. First of all, I’m going to talk about the ordinary world, the world, the matter we’re made out of, the world that supports chemistry and biology as well as condensed matter and most of practical physics. The foundations of that world are actually quite strange and wonderful, as we understand them in the deepest way today. The picture of matter that modern physics provides is strange in many ways. In quantum mechanics atoms appear as musical instruments, not metaphorically but almost literally. When Bohr proposed his famous model of the hydrogen atom, based on an analogy with planetary orbits but with only certain orbits allowed, and jumps between them, that explained the hydrogen spectrum. Einstein called it the highest form of musicality in the sphere of thought. I think Einstein was referring back to ideas of Kepler and all the way back to Pythagoras about the music of the spheres, the idea that as planets revolve around the sun, they emitted musical tones. But here there was another additional element to that which was that the key feature of Bohr's atom was to predict that the frequencies to be sure in light, not sound, that the atom emitted or absorbed were discrete units, so they liked the tones of a musical instrument and were characteristic of this form of matter. But this was only the beginning. Shortly afterwards, when modern quantum mechanics developed, it turned out that the proper equations to describe atoms are very much the same equations as one uses to describe the vibrations of musical instruments, partial differential equations of the wave type. But even that was only the beginning, as I’ll now elaborate. With the success of quantum mechanics in the 1920s and early ‘30s, there was a successful picture of atomic and molecular physics and the foundations of those subjects, based on the idea that ordinary matter is made from electrons and photons, for which there was a very good theory of quantum electrodynamics, and inside the atoms, as their centre, the nuclei, which were made out of nucleons, protons and neutrons But the forces that held together the nuclei were quite obscure. And it became the top of the agenda of physics to try to understand what those forces were, what these new forces that held together the atomic nuclei were. And in a rather complicated history, one learned that when you bashed protons and neutrons together, they didn’t just deflect one another, but the collisions resulted in sprays of new particles that could include many protons and many neutrons themselves together with their anti particles and many, many new kinds of strongly interacting particles, ? mesons, ? mesons, ? mesons, ?s ... There was a whole alphabet soup with hundreds of particles and all of these looked more or less like protons and neutrons in their basic properties, just heavier and unstable. So the idea came that protons and neutrons were not the most, necessarily the fundamental particles, that they had to be understood as part of a larger picture and so we no longer knew what were the other ingredients of ordinary matter. In the 1960s, Gell-Mann, primarily, and Zweig introduced the idea that you could understand a lot about all these new strongly interacting particles by postulating that they were made out of things called quarks. But there was no clear theory of what the forces between the quarks were, and that’s where things stood until the early ‘70s. Now we know what the other ingredient is, it´s gluons. What does it mean to say that, what is this operational content? Quarks are famous for not being observable. What about gluons? Are they observable and how do you come to the extraordinary conclusion that protons and neutrons are made out of these more, these particular more basic objects? And in fact, with a particularly simple and beautiful theory, that’s a mathematical generalisation of quantum electrodynamics, so called quantum chromodynamics or QCD. Well, although its commonly said that you can’t see quarks or that quarks don’t exist, that’s a total lie. Here’s a picture of quarks and gluons. If you collide electrons and positrons at high energies, then you don’t see quarks and gluons as individual particles, but you see the imprint of their energy and momentum on the structure of the underlying event. That is, if you add up the energy and momentum of all these particles in a jet, and assign it to be the energy and momentum of a quark, and add up all the energy and momentum of this jet, and assign it to be the energy and momentum of a gluon and this one to be an anti quark, for example, you find that you get a proper description of everything that happens at that experiment. And the theory tells you what the relative distribution of the energy should be, what the relative probability of different angles emerging should be, what the relative probability of finding 2 jets versus 3 jets can be, because 3 jets can be understood as a quark and an anti quark accompanied by radiation of a gluon. And so you can check out the fundamental interaction between quarks and gluons in all detail by making this identification that it’s these jets of particles that are the materialisation of the quarks and gluons, the visible materialisation. One aspect of this that I think is really profound and not commented on frequently, but I think is appropriate here, is that this is a fantastic illustration of the basic principle of quantum mechanics, that is its indeterminacy, that it only gives probabilistic results. Because what’s done at an accelerator like LEP is collide over and over again electrons and positrons, which are structureless pointlike objects in our equations, and seeing what comes out. So you're doing the same thing over and over again, you spend hundreds of millions of Euros to do this, but doing the same thing over and over again you don’t get the same result each time, you get different results. And so it’s hard to avoid the basic implication of quantum mechanics here, that you only get probabilistic results, you can’t predict deterministically from what you put in exactly what you're going to get out. The theory only predicts probabilities, and it predicts the probabilities successfully. The theory though going back to the original problem of understanding matter and understanding protons and neutrons, seems very odd, because it tells you the basic building blocks are massless gluons, strictly massless, they have to be massless to ensure the consistency and symmetry of the theory for similar reasons to why physicists understand the photon to be massless or understand gravitons to be massless. And when you fit the details of these events, you find that the quarks are almost massless. And so we have a real challenge to build up protons and neutrons, which are famous for not being massless, in fact, they contain all of the mass, essentially of ordinary matter from essentially massless building blocks. It flies in the face, by the way, for chemists of Lavoisier’s discovery, that mass is conserved. We’re starting with massless things and building up things that have mass. Lavoisier couldn’t have been more wrong. How is this possible? Well, it´s possible because of Einstein’s second law. Now, what do I mean by Einstein’s second law? This was inspired by the first chapter of the army’s field manual, training radio engineers during World War II, when they had to bring people who weren’t necessarily very sophisticated, up to speed rapidly. And the first chapter of that manual is devoted to Ohm’s 3 laws, Ohm’s first law is V=IR, Ohm’s second law is I=V/R, and there’s an Ohm’s third law which I’ll leave you to conjecture or derive. In a similar vein, we have Einstein’s famous law, E=Mc2 , but then a second law, M=E/c2. Now, that may seem a little silly, and maybe it is, but it´s not quite as silly as it seems, because different ways or writing the same equation can suggest very different things. E=MC2 famously suggests the possibility of deriving a lot of energy from a relatively small amount of mass and calls to mind things like atomic bombs or nuclear reactors. This form of writing the equation calls to mind a very different thing, it calls to mind the idea that you can build up mass out of energy, out of pure energy. And actually this is the form you’ll find in Einstein’s original paper, it should be called, you won’t find E=Mc2, you’ll find this in Einstein’s original paper and the title of that paper was So right from the beginning he was concerned with the idea that energy is the source, is the fundamental source of mass. That’s because in modern physics, even in the physics of 1905, energy is a much more basic and primary quantity than mass, it´s really, energy that’s conserved, energy that appears in the laws of thermodynamics, energy that appears in Schrödinger’s equation and so forth and so on. In any case, the answer we have now to Einstein’s question, Yes, exclamation point. Double exclamation point, because the mass of the protons and neutrons, which is the bulk of the mass of ordinary matter, derives entirely from the energy of the quarks and gluons that make them up moving around, the quarks and the gluons themselves have no intrinsic mass, so all the mass of the protons and neutrons, and essentially all the mass of ordinary matter, comes from that energy of motion. That’s a very interesting story, how that works in detail, but it’s certainly not a story I can tell in anything like half an hour. However, let me show you that I’m not just talking through my hat by displaying the numerical calculations that back up those assertions. So we have a very precise, very constrained fundamental theory of how quarks and gluons interact, a theory who’s equations are a direct generalisation of the equations of electrodynamics and are very tight, can’t be really changed without destroying the theory. And then we have to solve those equations to see what the masses of the particles are, what the possible things you can build up out of quarks and gluons are. And to solve those equations turns out to be quite challenging, and in fact, the only workable approach that’s been successful has been to feed this problem into a gigantic computing machine, to just put the equations in discretised form on a computing machine. And in fact, this problem has driven the frontier of massively parallel computing. To do a decent job, to do the job I’ve shown you here - I’m calculating the masses of different particles – requires that you build a computer which contains roughly 10 to the 30th protons and neutrons, run it full speed, which means a few teraFLOPS now And then you get accurate equations which tell you what the proton manages to do, one proton every 10 to the -24 seconds, that is decide how much it´s going to weigh. But the results are worth it. So it suggests that there may be more clever ways to calculate things than we know so far. But in any case, these are the results and I think they’re one of the greatest achievements in science ever. From a fundamental theory that contains exactly 3 parameters here, fixed to the mass of the light quarks, the mass of the strange quark and the one coupling constant that characterises the theory. You use the mass of the light quark to fit the pion mass, one of the mesons, because that’s the most sensitive to the mass of the light quark. You fix the strange quark mass by fitting it to the ? meson, since that’s most sensitive to the strange quark mass. You fit the coupling constant to a splitting in the heavy quark system. The details aren’t so important but those are the diamonds. And then everything is fixed, there’s no more wriggle room, you have to have the calculations agree with the real world value of the masses, or else the theory is incorrect. And as you see the theory does give the correct values within errors, these are the errors of the numerical calculations indicated here and the boxes indicate the actual values of the masses. One does get the masses over the particles from the fundamental theory. And that includes as a special case here N - N stands for nucleon - these are the protons and neutrons, and in fact, the mass of the protons and neutrons arises as claimed from the pure energy of essentially massless quarks, that is the quarks have masses much, much smaller than the masses of the nucleon and the truly massless gluons. So it really is Einstein’s second law in action. So let me deconstruct this a little bit to show you what's going on under the hood inside these numerical calculations, because it’s really quite profound. In quantum field theory, which is the basis of everything I’m saying, we discover that what appears to us as empty space is in reality a widely dynamical medium. So here is a picture of what the computer is doing as it computes the mass of the proton and so forth. What you´re seeing here is what you would see if you had eyes that could resolve distances of order 10 to the -14 centimetres and times of order 10 to the -24 seconds. And then you would see - according to the theory which gives so many successful predictions, we should believe it also here – if you had eyes that were suitable, this is what you would see, you would see gluon fields coming to be and passing away. This is what's going inside the computer, this is not an artist impression, this is an actual but it´s an actual picture of the gluon fluctuations. For experts what this is is the smooth distribution of topological charge density. And that’s what's going on in empty space, inside you and me all the time and everywhere in the universe. And it’s really that that conditions the properties of the particles we see. The different particles we observe correspond to the vibration-patterns that occur in this dynamical void when it is disturbed in various ways. So for instance, if you plunk down 3 quarks, 2 up quarks and a down quark and let them loose in this dynamical medium, they’ll settle down into a proton. And that’s our fundamental understanding of what a proton is. These fluctuating fields keep the quarks together and it’s the fact that the presence of the quarks disturbs those fields a bit and changes the energy content that generates the mass of the proton. This is actually also not a metaphor, it´s rigorously true. Here I show you not the proton, that’s a little complicated for technical reasons but the pion. You plunk down a quark and an anti quark, just let them loose, you average over those fluctuations that I showed you before and just see the net disturbance in the fields because you want to calculate the difference between the energy in the presence of the quark and the anti quark, that's what we call a pion, versus empty space. So you subtract off the empty space part, just see the disturbance in the fields and this is the disturbance, this is what a pion is. It’s this disturbance in these fields and it’s the energy that’s made by this disturbance, that corresponds to the mass of the pion according to Einstein’s second law. And the proton would look very similar but it’s technically more difficult to generate. You see, the calculations are still a little ragged, there’s statistical noise in this. It really should be smooth and symmetrical, but even letting loose a gigantic computer to do teraFLOP operations, teraFLOPS of operations per month, you can’t, the medium is so wildly fluctuating that there’s still noise in the output. So let me put this altogether. We had Einstein’s second law, m=E/c2, and then we can put this together with the Planck Einstein relationship between energy and frequency to get m=hv /c2, E=hv and then we can rearrange this a bit to get new equals mc2/h. This is a direct connection between the masses of the particles we observe and frequencies. And in fact, this is the way that the masses are calculated in these numerical calculations. You only have space and time to refer to, you don’t have a scale, you don’t have any apparatus that directly measures energy or weight. You need to measure something in space and time to determine the masses and this is the relationship that’s exploited to determine the masses in those numerical calculations, quite literally. So, instead of Kepler’s music of the sphere’s or Bohr and Einstein’s musicality in the hydrogen atom, we now have that the masses of particles are the tones, the frequencies of the vibration patterns of empty space, as its disturbed in different ways, they are exactly corresponding to those frequencies, just multiplied by universal constant c2 over h. And so, instead of the ancient music of the spheres, which was a mystical concept that never was made precise, we put it in quarks, put it in quotations. Now we have a very precise notion of the music of the void, and the masses of the different particles that we observe are quite literally the tones emitted by empty space as its disturbed in various ways. So that’s what ordinary matter is at the deepest level and I hope you’ll agree it’s strange and beautiful. Now, that’s the part we understand. Now let me switch to the part that we don’t yet understand, just as we’re celebrating our triumph in understanding how the world works, the astronomers pull some surprises on us. Astronomers have found that ordinary matter, the stuff we’ve understood, actually only contributes about 5% of the total mass of the universe, averaged on large scales. Of course, it totally dominates on earth or in the solar system or even in the galaxy, but such is the vast emptiness of space that a small amount of matter sprinkled around space, a small density of matter sprinkled around space, can dominate averaged over the whole universe. So the part of matter we understand, the part based on electrons, photons, quarks and gluons is only 5% of the total mass of the universe. That's what makes what astronomers have traditionally studied, stars, galaxies, nebulae and so forth. But 95% is something else and in fact we’ve discovered, or astronomers have discovered that that 95% itself has 2 components. It clumps, but not as tightly as ordinary matter. So around each galaxy you have a distribution of dark matter that’s more diffuse surrounding the galaxy and even now one sees galaxies in quotes, made out entirely of dark matter with very little ordinary matter inside. And 70% is in some mysterious “dark energy” that’s evenly spread as if it were an intrinsic property of space. And the strangest thing about this of all is that - unlike any other form of matter we’ve encountered today – it exerts negative pressure. Negative pressure blows things apart and what was observed is that the expansion of the universe, instead of slowing down – as one would expect from positive pressure and gravitational interactions - is actually, the rate of expansion is actually increasing with time and it’s assigned to this negative pressure. What is the dark stuff? We don’t know. The reason it´s called dark is that the standard probes of matter fail to reveal its existence. It doesn’t absorb light, it doesn’t scatter light, it doesn’t cause matter to emit light. All it does is cause gravitational deflections, that’s the way we know about it. So how do you think about a question like this? You’ve encountered something really strange and very difficult to study and you have no idea what it is. Well, you can do experiments and people have done the experiments and experiments have told us that it´s dark, you know (laugh). So what do we do then? Well, there’s another way, we can try to improve the equations of physics. We think we understand matter in extreme conditions, and in fact we’ve managed to simulate the Big Bang in a laboratory and show that to a good extent our assumptions in early universe cosmology can be proved experimentally. I am running out of time, so I won’t. Of course I could beautifully explain that but I don’t have time (laugh). We can calculate, because we think we understand the early universe very well, we can calculate the experimental and cosmological consequences of our suggested improvements of the equations. Now what does it mean to improve the equations? Well, for modern physicists it typically means to improve the symmetry of the equations. And there are several concrete suggestions for how to improve the symmetries of the equations, to make a more unified description of nature. One is to try to take the interactions that seem separate, the strong electromagnetic and weak interactions and gravity, and put them into a unified theory, and that requires changing the equations or adding to them. Another is to try to unify the description of particles of different spin that requires super symmetry which expands the equations in a different way. And there are other examples of improving the equations, the symmetries of the equations or understanding why the symmetries these postulated don’t manifest themselves in the world, that lead to direct experimental testable consequences. I don’t have time to elaborate on all of these, in fact, really I don’t have time to elaborate on any of them, but let me just say a word about the first, because it’s particularly exciting and timely. So I said our goal is to unify the description of the different interactions and when you try to do that you find many things click into place. If you make a unified gauge symmetry that extends the colour gauge symmetry of the strong interactions and the gauge symmetry of electrodynamics and the weak interactions – if you try to make an over-encompassing symmetry, a lot of things click into place, but one thing doesn’t click into place immediately. That is the intrinsic strength of those different interactions really is different. That's why the strong interaction is strong, whereas the other interactions aren’t called strong and that’s why a nucleus which is held together by the strong interaction is much smaller than an atom. However, we’ve learned that empty space is a dynamical medium and that dynamical medium changes the properties of particles that are embedded in it and it opens the possibility that there’s a fundamental unification at short distances which is reflected at long distances after modification by empty space as a disparity. And you can compare what we see to an extrapolation to short distances and what we see reflects unification at short distances. If you do that using just the particles we know about as fluctuations in empty space, then you find that it almost but not quite works. But if you extend, up the ante so to speak, by also including super symmetry at low energies, then you find it works quite accurately, and as a bonus, if I put gravity in this, it would also unify with gravity. These ideas have experimental consequences. In order to make that unification work, the super symmetric particles that are contributing to the modification of the coupling strengths can’t be too heavy. They have to do that job and they can’t do that job if they’re too heavy, they won’t produce enough fluctuations. And in fact they have to be sufficiently light that they’ll be observable at the next great accelerator, now being constructed at Cern, the LHC, Large Hadron Collider, due to start operating in 2007. So at that time we’ll know whether these dreams of unification really are true, and as a consequence get profound insight into the dark matter, because one aspect of super symmetry is that it predicts the existence of a stable particle whose properties are just right to provide the dark matter. So to summarise let me draw 3 great lessons from this story. The part of the world we understand is strange and beautiful, we’ve carried what Einstein thought was the highest form of musicality in the sphere of thought to much higher levels. If we work to understand we can understand. It seemed hopeless to many people that we could ever understand atomic nuclei, they’re so small, fundamentally they’re so small and so hard to study. And in fact Freeman Dyson in the mid ‘60s predicted that it would be 100 years before we understood the strong interactions, but 10 years later we understood it very well. If we work to understand, then we can understand. And then finally, we still have a lot to learn. Thank you. Applause

Ich werde in einer halben Stunde nicht die zahlreichen Möglichkeiten aufzeigen können, warum das Universum ein seltsamer Ort ist, aber ich möchte Ihnen ein paar Highlights zeigen. Zunächst möchte ich Ihnen etwas über die gewöhnliche Welt erzählen, die Welt, die Materie, aus der wir bestehen, die Welt, die ebenso Chemie und Biologie hervorbringt wie kondensierte Materie und den Großteil der angewandten Physik. Unserem heutigen tiefen Verständnis nach sind die Grundlagen dieser Welt tatsächlich ziemlich seltsam und wunderbar zugleich. Das Bild der Materie, das die moderne Physik wiedergibt, ist in vielerlei Hinsicht seltsam. In der Quantenmechanik erscheinen Atome wie Musikinstrumente, nicht metaphorisch, sondern fast buchstäblich. Als Bohr sein berühmtes Wasserstoffatommodell vorstellte, das auf dem Vergleich mit Planetenbahnen basiert, wobei jedoch nur bestimmte Umlaufbahnen zur Verfügung stehen, auf denen es hin und her springt, erklärte das die Linienspektren des Wasserstoffs. Einstein nannte dies die höchste Form von Musikalität in der Gedankenwelt. Ich denke, Einstein bezog sich auf die Ideen von Kepler bis Pythagoras‘ Vorstellung von der Sphärenmusik, die so aussah, dass bei der Bewegung der Planeten um die Sonne Musiktöne entstehen. Aber dann gab es hier noch ein zusätzliches Element, nämlich, dass das Hauptmerkmal im Bohrschen Atom, dass es vorhersagbar war, dass die Frequenzen, die sicher Lichtwelle, kein Ton waren, welche das Atom emittiert oder absorbiert, diskrete Einheiten waren, sie waren also wie Töne eines Musikinstruments und waren charakteristisch für diese Form der Materie. Aber das war erst der Anfang. Kurz darauf, als die moderne Quantenmechanik entwickelt wurde, stellte sich heraus, dass die entsprechenden Gleichungen zur Beschreibung von Atomen ziemlich dieselben Gleichungen wie diejenigen waren, die man zur Beschreibung der Vibration von Musikinstrumenten verwendete, partielle Differentialgleichung vom Wellentyp. Aber auch das war nur der Anfang, wie ich Ihnen jetzt näher erläutern werde. Mit dem Erfolg der Quantenmechanik in den 20er- und frühen 30er-Jahren entstand ein erfolgreiches Bild der Atom- und Molekularphysik und der Grundlagen dieser Themen, die auf der Vorstellung beruhten, dass gewöhnliche Materie aus Elektronen und Photonen besteht, für die es eine sehr gute Theorie der Quantenelektrodynamik gab, und des Inneren der Atome, der Kerne, die aus Nukleonen, Protonen und Neutronen bestehen. Aber die Kräfte, die diesen Kern zusammenhielten, waren ziemlich unklar. Es wurde die Priorität der Physik, zu verstehen, was das für Kräfte waren, was das für neue Kräfte waren, die die Atomkerne zusammenhielten. In einer ziemlich komplizierten Geschichte fand man heraus, dass bei einer Kollision von Protonen mit Neutronen, sich diese nicht nur gegenseitig ablenken, sondern in Zerfallsprodukte auflösen, die aus vielen Protonen und vielen Neutronen mit ihren Antiteilchen und sehr vielen neuen Arten von stark wechselwirkenden Teilchen bestehen, Pi Mesonen, Rho Mesonen, Kappa Mesonen, Delta‘s ... Das ist eine ganze Buchstabensuppe mit Hunderten von Teilchen und alle sahen in ihren Grundeigenschaften mehr oder weniger wie Protonen und Neutronen aus, nur schwerer und instabil. So entwickelte sich die Vorstellung, dass Protonen und Neutronen nicht unbedingt die elementaren Grundbausteine waren, sie mussten als Teil eines größeren Bilds angesehen werden und so wusste man nicht mehr, welche die anderen Bestandteile der gewöhnlichen Materie waren. In den 60er-Jahren brachte hauptsächlich Murray Gell-Mann, unabhängig von ihm aber auch George Zweig, die Idee hervor, dass man von diesen neuen stark wechselwirkenden Teilchen viel erfahren kann, und postulierte, dass sie aus sogenannten Quarks bestehen. Bis Anfang der 70er-Jahre gab es keine genaue Theorie darüber, welche Kräfte zwischen den Quarks wirkten. Mittlerweile kennen wir die anderen Bestandteile, es sind Gluonen. Was bedeutet das, was ist dieser operative Inhalt? Quarks sind dafür bekannt, dass sie sich nicht beobachten lassen. Was ist mit Gluonen? Können sie beobachtet werden und wie kommt man zu der außergewöhnlichen Schlussfolgerung, dass Protonen und Neutronen aus diesen speziellen, grundlegenden Bausteinen bestehen? Tatsächlich mit einer besonders einfachen und schönen Theorie, einer mathematischen Verallgemeinerung der Quantenelektrodynamik, der sogenannten Quantenchromodynamik, kurz QCD. Auch wenn allgemein gesagt wird, dass Quarks nicht sichtbar sind oder Quarks nicht existieren, ist das eine komplette Lüge. Hier ist ein Bild von Quarks und Gluonen. Wenn man Elektronen und Positronen bei hoher Energie kollidieren lässt, sieht man Quarks und Gluonen nicht als einzelne Teilchen, sondern als Abdruck ihrer Energie und Impuls in der Struktur des zugrunde liegenden Ereignisses. Wenn man die Energie und Impuls all dieser Teilchen in einem Strahl oder Jet bündelt und ihm die Energie und Impuls eines Quarks zuordnet, und die ganze Energie und Impuls dieses Strahls hinzufügt und der Energie und Impuls eines Gluons zuweist und dieser ein Antiquark sein soll, erkennt man, dass man eine passende Beschreibung von allem erhält, was bei diesem Laborexperiment passiert. Und die Theorie besagt, wie die relative Verteilung der Energie sein sollte, wie die relative Wahrscheinlichkeit unterschiedlicher auftretender Winkel sein sollte, wie groß die relative Wahrscheinlichkeit ist, 2 Strahlen im Vergleich zu 3 Strahlen zu finden, denn 3 Strahlen können als ein Quark und ein Antiquark begleitet von der Strahlung eines Gluons verstanden werden. So kann man die elementare Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen detailgenau überprüfen, indem man identifiziert, dass es diese Teilchenstrahlen sind, die die Materialisierung von Quarks und Gluonen, die sichtbare Materialisierung sind. Ein Aspekt dabei, der meiner Meinung nach profund ist und nicht oft erläutert wird, aber hier angemessen ist, ist, dass dies eine fantastische Illustration des Grundprinzips der Quantenmechanik ist, es ist dessen Unbestimmtheit, die nur probabilistische Ergebnisse ergibt. In Beschleunigern wie dem LEP werden immer und immer wieder Elektronen und Positronen aufeinander geschossen, strukturlose punktartige Objekte in unseren Gleichungen, und angeschaut, was herauskommt. Man macht also immer und immer wieder dasselbe, man gibt Hunderte Millionen Euro dafür aus, aber auch wenn man immer wieder dasselbe macht, erhält man jedes Mal ein anderes Ergebnis. Deshalb ist es schwierig, hier die wesentliche Implikation der Quantenmechanik zu vermeiden, dass man nur probabilistische Ergebnisse bekommt, man kann nicht deterministisch, ausgehend von dem, was man hineingibt, genau das vorhersagen, was man herausbekommt. Die Theorie sagt nur Wahrscheinlichkeiten voraus, aber die Wahrscheinlichkeiten sagt sie erfolgreich voraus. Die Theorie, wenn wir zu dem ursprünglichen Problem des Verständnisses von Materie und des Verständnisses von Protonen und Neutronen zurückgehen, erscheint sehr sonderbar, weil sie besagt, dass die wesentlichen Bausteine masselose Gluonen sind, strikt masselos, sie müssen masselos sein, um die Konsistenz und Symmetrie der Theorie aus ähnlichen Gründen zu gewährleisten, aus denen Physiker das Photon als masselos oder das Graviton als masselos verstehen. Und wenn man die Details dieser Ereignisse anpasst, stellt man fest, dass Quarks fast masselos sind. Es ist also eine richtige Herausforderung, Protonen und Neutronen zu erzeugen, die dafür bekannt sind, nicht masselos zu sein und in der Tat enthalten sie die gesamte Masse, im Grunde der gewöhnlichen Materie, von hauptsächlich masselosen Bausteinen. Für Chemiker widerspricht es übrigens der Lavoisier-Entdeckung, dass Masse erhalten bleibt. Wir fangen mit masselosen Dingen an und bauen Dinge auf, die Masse haben. Lavoisier hatte nicht falscher liegen können. Wie ist das möglich? Nun, das ist dank Einsteins zweitem Gesetz möglich. Was meine ich mit Einsteins zweitem Gesetz? Dies ist eine Anlehnung an das erste Kapitel des Armee-Handbuchs, mit dem Radioingenieure im Zweiten Weltkrieg ausgebildet wurden, um Leute, die nicht unbedingt sehr gebildet waren, auf den neuesten Stand zu bringen. Das erste Kapitel dieses Handbuchs behandelt die 3 Ohmschen Gesetze, das erste Ohmsche Gesetz ist U=IR, das zweite Ohmsche Gesetz ist I=U/R und ich überlasse es Ihnen, das dritte Ohmsche Gesetz abzuleiten. In ähnlicher Art haben wir Einsteins bekanntes Gesetz, E=Mc2 , und das zweite Gesetz, M=E/c2. Das mag nun etwas albern erscheinen, ist es vielleicht auch, aber es ist nicht so albern, wie es scheint, denn unterschiedliche Schreibweisen derselben Gleichung können ganz unterschiedliche Dinge suggerieren. E=Mc2 suggeriert bekanntlich die Möglichkeit, viel Energie von einer relativ kleinen Menge Masse zu bekommen und ruft oft die Verbindung mit der Atombombe oder Atomreaktoren hervor. Diese Art, die Gleichung zu schreiben, ruft etwas ganz Unterschiedliches ins Bewusstsein, es erinnert an die Vorstellung, dass man Masse aus Energie erzeugen kann, aus purer Energie. Das ist auch die Form, die man in Einsteins Originaltext findet, es müsste also heißen, man findet nicht „E=Mc2“, in Einsteins Originaltext steht diese Formel (m=E/c²) und der Titel dieses Aufsatzes lautete „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?”. Er befasste sich also von Anfang an mit der Idee, dass Energie die Quelle ist, die wesentliche Quelle der Masse. Der Grund dafür ist, dass in der modernen Physik, sogar in der Physik von 1905, Energie eine viel grundlegendere und primäre Menge als Masse ist, es ist die Energie, die erhalten wird, Energie, die in den Gesetzen der Thermodynamik erscheint, Energie, die in der Schrödingergleichung vorkommt und so weiter und so fort. Jedenfalls lautet die Antwort, die wir auf Einsteins Frage Ja, Ausrufezeichen. Doppeltes Ausrufezeichen, denn die Masse von Protonen und Neutronen, die den Großteil der Masse der gewöhnlichen Materie ausmacht, stammt vollkommen von der Bewegungsenergie zwischen Quarks und Gluonen ab, die Quarks und Gluonen selber haben keine eigene Masse, das heißt, dass die gesamte Masse der Protonen und Neutronen, und im Wesentlichen die gesamte Masse der gewöhnlichen Materie von dieser Bewegungsenergie abstammt. Das ist eine sehr interessante Geschichte, aber wie das genau funktioniert, kann ich Ihnen leider nicht in einer halben Stunde erklären. Um Ihnen jedoch zu beweisen, dass ich keine Märchen erzähle, werde ich numerische Berechnungen zeigen, die diese Behauptungen unterstützen. Wir haben also eine sehr präzise, begrenzte Grundlagentheorie über die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, eine Theorie, deren Gleichungen eine direkte Verallgemeinerung der Gleichungen der Elektrodynamik sind und sehr streng sind, d. h. nicht verändert werden können, ohne die Theorie zu zerstören. Dann müssen wir diese Gleichungen lösen, um herauszufinden, wie die Massen der Teilchen sind, was die möglichen Dinge sind, die man aus Quarks und Gluonen erzeugen kann. Es stellt sich heraus, dass es eine ziemlich große Herausforderung ist, diese Gleichungen zu lösen, und tatsächlich war der einzige praktikable Ansatz, der von Erfolg gekrönt war, der, dieses Problem in einen gigantischen Computer einzuspeisen, die Gleichungen in einer diskreten Form einfach in einen Computer einzugeben. Und tatsächlich hat dieses Problem die Entwicklung von massiv-parallelen Rechnerstrukturen vorangetrieben. Um meine Arbeit anständig zu erledigen, um die Arbeit, die ich Ihnen hier gezeigt habe, zu machen der grob gesagt 1x10 hoch 30 Protonen und Neutronen enthält, ihn bei voller Leistung laufen lassen, was mittlerweile mehrere Teraflop bedeutet, Teraflop heißt 1x10 hoch 12 Gleitkommaoperationen pro Sekunde – und das über Monate hinweg. Dann bekommt man präzise Gleichungen, die einem verraten, was das Proton macht, ein Proton jede 10 hoch -24 Sekunden, das heißt, wie schwer es sein würde. Aber die Ergebnisse sind es wert. Das suggeriert, dass es schlauere Wege geben könnte, um Dinge zu berechnen, als wir bisher wussten. Aber in jedem Fall sind dies die Ergebnisse und ich denke, sie gehören zu den größten Errungenschaften in der Wissenschaft. Von einer grundlegenden Theorie, die exakt drei Parameter hier enthält, die an die Masse der leichten Quarks, die Masse der Strange-Quarks und die einzige Kopplungskonstante festgesetzt sind, die die Theorie beschreiben. Man verwendet die Masse des leichten Quarks, um die Pionen-Masse anzupassen, das zur Gruppe der Mesonen gehört und am stärksten von der Masse des leichten Quarks abhängig ist. Die Masse des Strange-Quarks kann man festsetzen, in dem man es an die Kappa -Mesonen anpasst, da das am stärksten von der Strange-Quarkmasse abhängig ist. Die Kopplungskonstante wird an einer Aufspaltung im System von schweren Quarks angepasst. Die Details sind nicht so wichtig, aber es sind die Glanzstücke. Und dann steht alles fest, es gibt keinen Bewegungsraum mehr, die Berechnungen müssen mit den real gemessenen Werten der Massen übereinstimmen, anderenfalls ist die Theorie nicht korrekt. Wie Sie sehen, gibt die Theorie die korrekten Werte innerhalb von Fehlergrenzen an, hier sind die Fehler der numerischen Kalkulation angegeben und die Kästchen geben die richtigen Werte der Massen an. Man erhält die Massen für die Teilchen von der grundlegenden Theorie. Das bezieht sich auf einen speziellen Fall, N hier, N steht für Nukleon, dies sind Protonen und Neutronen und tatsächlich geht die Masse der Protonen und Neutronen, wie behauptet, aus der puren Energie der hauptsächlich masselosen Quarks hervor, das heißt, dass Quarks viel kleinere Massen als die Massen des Nukleons und die wirklich masselosen Gluonen haben. Einsteins zweites Gesetz findet hier also wirklich statt. Lassen Sie mich das etwas aufschlüsseln, damit ich Ihnen zeigen kann, was sich hinter diesen numerischen Kalkulationen verbirgt, denn das ist ziemlich profund. In der Quantenfeldtheorie, die die Grundlage von allem ist, was ich sage, entdecken wir, dass das, was uns als leerer Raum erscheint, in Wirklichkeit ein wild dynamisches Medium ist. Hier ist ein Bild davon, was der Computer macht, wenn er die Masse der Protonen und so weiter berechnet. Man sieht hier, was man sehen würde, wenn man Augen hätte, die Entfernungen von der Größenordnung 10 hoch -14 cm und Zeiten von 10 hoch -24 Sekunden auflösen könnten. Gemäß der Theorie, die so viele erfolgreiche Vorhersagen macht - wir sollten es also auch hier glauben Das passiert also im Innern des Computers, das ist kein Bild eines Künstlers, dies ist ein tatsächliches - nun es ist natürlich die falsche Farbe - aber es ist ein aktuelles Bild der Gluonenfluktuation. Für Experten ist dies die glatte Verteilung der topologischen Ladungsdichte. Und das ist es, was im leeren Raum passiert, in Ihrem und in meinem Körper, überall im Universum. Und es sind wahrlich diese Zustände, die Eigenschaften der Teilchen, die wir sehen. Die verschiedenen Teilchen, die wir beobachten, entsprechen den Schwingungsmustern, die in diesem dynamischen Leerraum entstehen, wenn er auf unterschiedliche Art gestört wird. Wenn man beispielsweise 3 Quarks, 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark hineinwirft und sie in diesem dynamischen Medium loslässt, werden sie sich zu einem Proton verbinden. Und das ist unser grundlegendes Verständnis davon, was ein Proton ist. Diese fluktuierenden Felder halten die Quarks zusammen und die Präsenz der Quarks stört solche Felder etwas und verändert den Energieinhalt, wodurch die Masse des Protons erzeugt wird. Auch das ist keine Metapher, sondern die reine Wahrheit. Ich zeige Ihnen hier kein Proton, das ist aus technischen Gründen ziemlich kompliziert, sondern ein Pion. Man wirft ein Quark und ein Antiquark hinein, lässt einfach los, man mittelt über diese Fluktuationen, die ich Ihnen zuvor gezeigt habe, und man sieht nur die Nettostörung in den Feldern, weil man den Unterschied zwischen der Energie bei Vorhandensein des Quarks und des Antiquarks berechnen will, das nennen wir ein Pion im Unterschied zum leeren Raum. Man zieht also den Teil des Leerraums ab, dann sieht man die Störung in den Feldern, und das ist die Störung, das ist ein Pion. Es ist diese Störung in diesen Feldern und es ist die Energie, die durch diese Störung entsteht, das entspricht der Masse des Pions gemäß Einsteins zweitem Gesetz. Und das Proton würde sehr ähnlich aussehen, aber es ist technisch schwieriger zu erzeugen. Diese Kalkulationen sind noch zerrissen und beinhalten statistisches Rauschen. Es sollte wirklich glatt und symmetrisch sein, aber selbst wenn man mit einem gigantischen Computer Teraflop-Operationen durchführen lässt, monatliche Teraflop-Operationen, es geht nicht, das Medium ist so stark schwankend, dass es immer noch Rauschen im Ergebnis geben wird. Lassen Sie mich das zusammenfassen. Wir haben Einsteins zweites Gesetz, M=E/c2, und das können wir mit der Planck Einstein-Gleichung zwischen Energie und Frequenz zusammensetzen und erhalten m=h x Ny / c2, E=h Ny und das können wir so umstellen, dass wir Ny=mc2/h erhalten. Dies ist eine direkte Verbindung zwischen den Massen der Teilchen, die wir beobachten und Frequenzen. Und tatsächlich werden auf diese Art die Massen mit diesen numerischen Kalkulationen berechnet. Man hat nur Raum und Zeit als Referenz, man hat keinen Maßstab, man hat keine Geräte, mit denen man Energie oder Gewicht direkt messen kann. Man muss etwas in Raum und Zeit messen, um die Massen zu bestimmen und dies ist das Verhältnis, das genutzt wird, um Massen in solchen numerischen Kalkulationen zu bestimmen, im wahrsten Sinne des Wortes. Statt Keplers Sphärenmusik oder Bohrs und Einsteins Musikalität im Wasserstoffatom haben wir nun festgestellt, dass die Massen der Teilchen die Töne, die Frequenzen des Schwingungsmusters im leeren Raum sind, wie es auf verschiedene Art und Weise gestört wird, entsprechen sie exakt diesen Frequenzen, nur multipliziert mit der Naturkonstante c2 durch h. Anstatt der antiken Sphärenmusik, die ein mystischer Ansatz war, der nie konkretisiert wurde, setzen wir sie in Quarks, in Anführungszeichen. Wir haben jetzt eine sehr genaue Vorstellung von der Musik des leeren Raumes und die Massen der verschiedenen Teilchen, die wir beobachten, sind im engen Sinne die Töne, die im leeren Raum ausgesendet werden, wenn er auf unterschiedliche Weise gestört wird. Das ist also, was die gewöhnliche Materie auf tiefster Ebene ist, und ich hoffe, Sie stimmen mir zu, wenn ich sage, dass das seltsam und schön zugleich ist. Das ist der Teil, den wir verstehen. Lassen Sie mich jetzt zu dem Teil übergehen, den wir noch nicht verstehen, gerade als wir unseren Triumph feierten über das Verständnis, wie die Welt funktioniert, sorgten die Astronomen noch für einige Überraschungen. Astronomen haben herausgefunden, dass die gewöhnliche Materie, also der Teil, den wir verstanden haben, nur 5% der Gesamtmasse des Universums ausmacht, gemittelt über große Skalen. Natürlich dominiert die gewöhnliche Materie auf der Erde, im Sonnensystem oder sogar in der Galaxie, aber die große Leere des Raums ist so, dass eine kleine Menge Masse im Raum verteilt, eine geringe Dichte an Masse im Raum verteilt, kann dominieren, wenn es gemittelt wird über das ganze Universum. Der Teil der Materie, den wir verstehen, der auf Elektronen, Photonen, Quarks und Gluonen beruhende Teil, macht nur 5% der Gesamtmasse des Universums aus. Das ist es, was Astronomen herkömmlich untersucht haben, Sterne, Galaxien, Nebel und so weiter. Aber 95% sind etwas anderes und wir haben entdeckt, bzw. Astronomen haben entdeckt, dass diese 95% selbst aus 2 Komponenten bestehen. Sie verklumpt, aber nicht so stark wie die gewöhnliche Materie. Um jede Galaxie herum verteilt sich dunkle Materie, die diffuser ist und die Galaxie umgibt, und sogar jetzt sieht man „Galaxien“, die vollkommen aus dunkler Materie bestehen und sehr wenig gewöhnliche Materie enthalten. Und 70% stecken in der mysteriösen „dunklen Energie“, die gleichmäßig verteilt ist, als wenn sie eine wesentliche Eigenschaft des Raumes wäre. Und das Seltsamste bei dieser ganzen Sache ist, anders als bei irgendeiner anderen Materieform, die wir bis heute kennengelernt haben, dass sie negativen Druck ausübt. Negativer Druck treibt Dinge auseinander und was dabei beobachtet wurde, ist, dass die Ausdehnung des Universums, anstatt langsamer zu werden, wie man es vom positiven Druck und Gravitationswechselwirkungen erwarten würde, steigt die Ausdehnungsrate mit der Zeit und wird diesem negativen Druck zugeordnet. Was ist dieses dunkle Zeug? Wir wissen es nicht. Der Grund dafür, dass diese Materie als dunkle Materie bezeichnet wird, ist darauf zurückzuführen, dass Standardtests nicht ihre Existenz nachweisen konnten. Sie absorbiert kein Licht, sie streut kein Licht, sie veranlasst Materie nicht Licht auszusenden. Das Einzige, was sie erzeugt und wodurch wir von ihr wissen, ist die gravitative Ablenkung. Was halten Sie von dieser Frage? Sie sind mit etwas konfrontiert, das wirklich seltsam und sehr schwer zu untersuchen ist, und haben keine Ahnung, was es ist. Sie können jetzt Experimente machen und Leute haben die Experimente gemacht und die Experimente haben gezeigt, dass es dunkel ist (lacht). Also was machen wir dann? Es gibt einen anderen Weg, wir können versuchen, die Gleichungen der Physik zu verbessern. Wir denken, dass wir Materie unter extremen Bedingungen verstehen, und haben es tatsächlich geschafft, den Urknall im Labor zu simulieren und zu zeigen, dass unsere Hypothesen in der frühen Universumskosmologie experimentell nachgewiesen werden können. Die Zeit ist knapp, deshalb werde ich es nicht machen. Natürlich könnte ich Ihnen das wunderbar erklären, aber ich habe keine Zeit (lacht). Weil wir denken, dass wir das frühe Universum sehr gut verstehen, können wir die experimentellen und kosmologischen Konsequenzen unserer vorgeschlagenen Verbesserungen der Gleichungen berechnen. Was heißt das denn, unsere Gleichungen zu verbessern? Für moderne Physiker heißt das typischerweise, die Symmetrie der Gleichungen zu verbessern. Es gibt mehrere konkrete Vorschläge, wie man die Symmetrien der Gleichungen verbessern kann, um eine mehr einheitliche Beschreibung der Natur zu geben. Eine davon sieht so aus, dass man die Wechselwirkungen nimmt, die scheinbar getrennt sind, die starke, die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung und die Gravitation und sie in eine vereinheitlichte Theorie setzt, und das verlangt eine Änderung der Gleichungen oder Ergänzung. Eine andere besteht darin, die Beschreibung der Teilchen mit unterschiedlichen Spins zu vereinheitlichen, dies macht Supersymmetrie erforderlich, die die Gleichungen auf eine unterschiedliche Art entwickelt. Und es gibt weitere Beispiele zur Verbesserung der Gleichungen, Symmetrien der Gleichungen oder Verständnis dessen, warum die postulierten Symmetrien auf der Welt nicht in Erscheinung treten, das führt zu direkten experimentell prüfbaren Konsequenzen. Ich habe keine Zeit, all diese Vorschläge auszuarbeiten, ehrlich gesagt habe ich keine Zeit, überhaupt einen von ihnen darzulegen, aber lassen sie mich ein paar Worte zum ersten Vorschlag sagen, weil er besonders spannend und zeitgemäß ist. Wie ich bereits sagte, ist unser Ziel die Vereinheitlichung der Beschreibung der unterschiedlichen Wechselwirkungen, und wenn man versucht, dies zu tun, fügen sich mehrere Dinge zusammen. Wenn man eine einheitliche Eichsymmetrie erstellt, die die Farb-Eichsymmetrie der starken Wechselwirkungen und die Eichsymmetrie der Elektrodynamik und der schwachen Wechselwirkungen erweitert – wenn man versucht, eine all-umfassende Symmetrie zu erstellen, fügen sich viele Dinge zusammen, aber eine Sache fügt sich nicht sofort ein. Das heißt, die intrinsische Stärke dieser unterschiedlichen Wechselwirkungen ist wirklich unterschiedlich. Deshalb ist die starke Wechselwirkung stark, während die anderen Wechselwirkungen nicht stark genannt werden und das ist der Grund dafür, dass ein Atomkern, der von der starken Wechselwirkung zusammengehalten wird, viel kleiner als ein Atom ist. Wir haben jedoch gelernt, dass der leere Raum ein dynamisches Medium ist und dass das dynamische Medium die Eigenschaften seiner ihm eingebetteten Teilchen ändern kann, und dies eröffnet die Möglichkeit, dass es eine grundlegende Vereinheitlichung über kurze Entfernungen gibt, die über lange Entfernungen nach der Modifikation durch den leeren Raum als Disparität wiedergegeben ist. Das, was wir sehen, können wir mit einer Extrapolation auf kurze Entfernungen vergleichen und was wir sehen, spiegelt die Vereinheitlichung über kurze Entfernungen wider. Wenn man es so macht, und nur die Teilchen verwendet, die wir als Fluktuation im leeren Raum kennen, erfährt man, dass es fast, aber nicht ganz funktioniert. Aber wenn man erweitert, sozusagen den Einsatz erhöht, indem man die Supersymmetrie bei niedriger Energie einschließt, stellt man fest, dass es ziemlich präzise funktioniert und wenn ich, als Bonus, Gravitation hinzufüge, würde es sich auch mit der Gravitation vereinigen. Diese Ideen haben experimentelle Konsequenzen. Damit diese Vereinheitlichung funktioniert, dürfen die supersymmetrischen Teilchen, die zur Modifizierung der Kopplungsenergie beitragen, nicht zu schwer sein. Sie sind dafür verantwortlich und sie können ihren Job nicht ausführen, wenn sie zu schwer sind, sie würden dann nicht ausreichende Fluktuationen erzeugen. Und sie müssen leicht genug sein, damit man sie im nächsten großen Beschleuniger beobachten kann, dem LHC, der große Hadronen-Speicherring, der zurzeit im CERN gebaut wird, und 2007 in Betrieb genommen werden soll. Zu jenem Zeitpunkt werden wir also wissen, ob die Träume der Vereinheitlichung Wirklichkeit sind, und folglich tiefe Einblicke in die dunkle Materie erhalten, denn ein Aspekt der Supersymmetrie ist, dass sie die Existenz eines stabilen Teilchens vorhersagt, dessen Eigenschaften geeignet sind, um dunkle Materie zu erzeugen. Abschließend möchte ich drei wichtige Schlussfolgerungen ziehen: Der Teil der Welt, den wir verstehen, ist seltsam und schön, wir haben Einsteins Gedanken von der höchsten Form der Musikalität in der Gedankenwelt auf höhere Ebenen übertragen. Wenn wir arbeiten, um zu verstehen, können wir verstehen. Es schien vielen Leuten hoffnungslos, jemals die Atomkerne zu verstehen, weil sie so klein sind, im Prinzip sind sie so klein und so schwer zu untersuchen. Freeman Dyson sagte Mitte der 60er-Jahre voraus, dass es 100 Jahre dauern würde, bis wir die starken Wechselwirkungen verstehen, doch schon 10 Jahre später verstanden wir sie sehr gut. Wenn wir arbeiten, um zu verstehen, dann können wir verstehen. Und dann schließlich, gibt es noch eine Menge zu lernen. Danke.

Frank Wilczek (2005)

The Universe is a Strange Place

Frank Wilczek (2005)

The Universe is a Strange Place

Abstract

In the first part of the talk, I will discuss the modern understanding of the basic structure of matter, emphasizing the precision, beauty, and weirdness of the description we've developed. I will emphasize specifically, the theme that what we ordinarily perceive as empty space is in fact a rich dynamical medium. I'll show movies and pictures of how this medium would look to us, if we had eyes that could resolve distances below 10^{-13} centimeters and times below 10^{-24} seconds. The all-pervasive universal medium determines the structure of matter as we know it. Indeed, our deepest understanding of particles (including protons and neutrons) conceives them as being no more and no less than the various possible long-lived disturbances of the universal medium. Their masses, quite literally, correspond to the frequencies at which the universal medium naturally oscillates. In this profound sense, they express the Music of the Void.

In the second part of the talk, I'll discuss recent astronomical discoveries which indicate that the forms of matter we've been familiar with, and are the basis of terrestrial physics, chemistry, and biology, contribute only 5% to the total mass in the universe. I'll describe the (few) known properties of the additional stuff, discuss how we're going about trying to figure out what it is, and outline some promising ideas about what it might be.

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