David J. Gross (2015) - The Future of Particle Physics

Elementary Particle Physics seeks to discover the basic constituents of matter and understand the fundamental forces that act on them. In this lecture I shall review the current state of particle physics, the grand success of the “standard model”, as well as the many questions that remain unanswered

Every year is a celebration of many anniversaries. There are three wonderful celebrations that we celebrate this year, in a way. Of course, one is 100 years of general relativity. of space and time and changed fundamental physics forever. And we're celebrating this centenary year here, although I must say this occasion has not been mentioned in Lindau until now. It's also 90 years of quantum mechanics which sort of came to its complete form in 1925. Perhaps the greatest conceptual revolution of the 20th century and one that informs all of microscopic, atomic, subatomic, fundamental physics. And finally in a sense, it is the 40th anniversary of the completion of the standard model of elementary particle physics. The comprehensive theory that was developed in mostly the 20th century that gave us a rather complete understanding of the basic constituents of matter and the forces that act on them. OK. Well, this time does not count against my meagre allotment here. Now let me see, let me unplug your monitor. Is that the problem? Which I don't like because then I can't use my thing. It's not suitable but that's, that's fine, we'll get that. This is irrelevant. So as I was saying, 2015 is a celebration of many things, perhaps the most amazing important in the centenary of general relativity, but also 90 years of quantum mechanics and 40 years of the standard model of elementary particles. I want to say a bit about Einstein because this is perhaps the only scientific meeting in the world this year that hasn't mentioned or celebrated Albert Einstein's remarkable contribution which occurred at the end of 1915. In one week, he published four papers. At that time, he could submit a paper to the Prussian Academy and get it published within two days. And in the final paper, he wrote down in final and complete form so-called Einstein's equations that describe the curvature of space-time sourced by matter, which is the source of energy and momentum of matter that curves space-time and gives rise to what we otherwise call gravity. Einstein left a legacy that is unmatched since perhaps Newton, one that will persist for generations. Beyond the specific form of the equations that describe gravity at its core, there are really three contributions that will live on way beyond his specific equations which will be superseded. First, he finally realized his dream of making space-time into a dynamical, physical object. Not an inert frame that is set down in some Kantian fashion, but rather a dynamical, physical object whose metric is subject to variation. It responds to the presence of energy and matter, curves, and that then affects matter. And we still are struggling in trying to understand what it means especially in quantum mechanics to have space and time itself be a dynamical, fluctuating entity. He also made possible physical cosmology. Before Einstein, cosmology was the domain of religion and theology and philosophy. After Einstein, it became physics, and immediately following his theory people and began to construct models of the universe and that has made possible 100 years of amazing developments in astronomy, astrophysics and cosmology. And finally, he dreamed and motivated generations of physicists after him to be as ambitious as he was and to try to unify the forces of nature and get to the core of physical reality. The first point, space-time be dynamical, was a major change in our notion of what space and time is and the dynamics of course is that space and time responds to energy and matter, curves, then gives rise to gravity. So it's the curvature of space-time that causes the earth to rotate around the sun and Einstein's equations describe how you understand this quantitatively. It also predicted strange new objects in the universe that might occur when there's so much matter that it curves space and time so dramatically, creating regions from which light cannot escape, otherwise known as black holes. Black holes were appeared months after Einstein's equations were put down by Karl Schwarzschild, a brilliant theoretical physicist who died a few years later on the western front. We're celebrating Einstein's equations which occurred, were written down during World War I. But Einstein never believed in the existence of such crazy objects and most of physicists were quite suspicious, although now we know that they are abundant throughout the galaxy. Indeed, throughout the universe. Indeed, at the centre of every galaxy. As far as we can tell, there is a big black hole, including our own, here it is, and we can measure the orbits of stars around this black hole and confirm that in the middle here, which you can't really see, there's a very small region which is entirely black and contains a mass of a million suns and is responsible for these orbits. Black holes also appear in other places in the galaxy. They form when stars collapse, supernova, leaving behind black holes which power through these accretion discs, these ultra-relativistic jets we see as quasars or gamma ray bursts. And they are the subject of continual theoretical experiments since their properties are so weird. So for example, we still struggle with the following paradox: One takes a well-defined quantum-mechanical system, say here consistently you have two particles that are correlated, as we would say, in quantum mechanics, they're entangled, and then we drop one of them into the black hole. It can never be in communication with us again according to the classical laws of general relativity. We don't know what state it's in, therefore we've lost information and can't predict a final state. Naively, information is lost and over 45 years ago, Hawking, around 40 years ago, Hawking posed a paradox in describing the quantum-mechanical properties of black holes, and suggested that this phenomena is information loss at the basic level and that indeed the quantum-mechanics in general relativity were somewhat inconsistent. He advocated giving up some aspects of quantum mechanics such as the preservation of information. People like me and others who came from particle physics community believed that we'll have to change and modify Einstein's theory as he always suspected, and we'll keep quantum mechanics. I think our side won, in fact Hawking admitted as much and paid off some debts a few years ago. Physical cosmology is the other great achievement of the Einsteinian framework. Before Einstein, we knew nothing and understood nothing, first approximation about the universe. There were all these bright things there, stars, we thought the Milky Way was the whole universe, we thought it was static, unchanging, we didn't know what stars were, anything. But after Einstein one could construct mathematical models of the history of the universe, that's about now a physical question and over that 100 years we have mapped out that history in extraordinary detail. We understand the 17.7 billion years of expansion. First rapid, then slowed down and now accelerated. The formation of structure from the hot Big Bang that is seen about 400 million years after the beginning. And finally, unification and one of the most astounding demonstrations of our unified, or partially-unified theory of elementary particles which is devoted to discovering, observing and understanding the basic building blocks of matter and the forces that act on them. We've made extraordinary progress in roughly 75 years. I'm almost 75 years old so in one lifetime, we've gone from no elementary particle and no understanding of the forces acting on them, except for electricity and magnetism, to a rather complete theory, quite remarkable. In a sense, experimental elementary particles began with Rutherford's discovery of the nucleon, the nucleus of atoms. He wanted to understand what goes on inside an atom so he invented a technique which we still use today, he bombarded gold foil, gold nuclei, gold atoms with alpha particles which were omitted nuclei of helium from radioactive substances and his students observed little dots of light on fluorescent screens and could measure the deviation of particles scattering off the gold nucleus. He deduced from this using theory. Rutherford was a good theorist too, he knew electromagnetism, he assuming the force between these alpha particles in the nucleus was electromagnetic, he could determine the size of the locus of the positive charge of atoms and their mass. He came to the conclusion that in the centre of atoms, 100,000 times smaller than the size of the atom was where all the mass, most of the mass, and all of the positive charge was located. That was the discovery of the nucleus of atoms. And of course in the last, since then for over 100 years, we have been exploring experimentally and constructing theories of what goes on inside the nucleus of atoms. But using exactly, conceptually the same idea: if you want to discover what something like this is made of, you take something else like this, you smash it together, see what comes out, and try to figure out what's going on. Make new particles, try to figure out the laws. We of course use much bigger accelerators than Rutherford had available. This is LHC. at CERN; this is CERN airport as you know. That's a massive 20 kilometre accelerator which accelerates protons, smashing protons at around a trillion, a million million electron volts. And then we detect the pictures of what comes out with these massive detectors and try to figure out, find one event out of a hundred-billion that might be some indication of new physics. Well, developing this theory, the standard model, it's called, has been recognized by Nobel prizes, many Nobel prizes. I did the exercise of counting how many and there are 52 Nobel Laureates who've contributed to the development of the standard model. And I'm leaving out, by the way, people like Einstein, Dirac, Heisenberg, Schrödinger, who created the theory of quantum mechanics, the framework in which of course the standard model is embedded. So even leaving them out, there are 52 laureates spread over 30 Nobel Prizes in the last 75 years. Also interesting, 20 of these prizes are for experiment, 10 for theory. So the lesson is if you want to get a Nobel Prize, experiment is the way. The other hand, in particle physics, if you want to do experimental high-energy physics, you have to join a group often consisting of thousands and the Nobel Prize limits to three, so it's a bit of a problem nowadays. Out of these 52 laureates, four are present here in Lindau. Why so few? Good question. This is an illustration of the standard model of elementary particle physics. It's the list and properties of basic constituents of matter, quarks, leptons, here you see the electron, the neutrino, the up and down quarks that make up the nuclei in our body, two other families, and three forces that act within the atom in the nucleus. Very similar at a very basic level. But different because of the strange quantum properties of the vacuum. Electromagnetism, that was already there in the 19th century, of course, and the weak and strong nuclear forces that act within the nucleus. And then of course the Higgs sector, or the Brout-Englert-Higgs sector which has been added on to account for properties of the weak and nuclear force. So these are the people who contributed. Starting with J.J. Thomson who at the end of the 19th century discovered the first elementary particle, the first basic constituent of matter, the electron. And then Rutherford, who discovered the nucleus, although actually he never got the physics prize, he got a chemistry prize for radioactivity but he deserves clearly to be on this list. Niels Bohr, the theorists are marked in red, Niels Bohr, who constructed the first model of the atom, of the structure of matter based on E and M, electricity magnetism and quantum mechanics, which was essential. Chadwick, who discovered the neutron. Took a long time from the nucleons to protons to the neutron. Carl David Anderson, who discovered the first antiparticle, predicted by Dirac, who I haven't put on this list, and discovered the positron, the anti-electron. Ernest Lawrence, who developed the cyclotrons, the modern particle accelerators we use. Blackett, who developed cloud chambers to use the cosmic rays accelerated throughout the universe as accelerators. Yukawa, who in 1949 made the first attempt to construct a theory of the nuclear force and predicted an existence of a new particle called the pion, which was then discovered by Powell. Then we have after World War II, the big development that followed the new scientific tools that were made available, like radar. Of course then Lamb who discovered anomalies in quantum electro-dynamics. Lee and Yang who proposed that parity might be violated in the weak force, in the weak interactions. Glaser, who developed the bubble chamber. Hofstadter, who probed the structure of the nucleon. Segrè and Chamberlain who discovered the antiparticle of the proton, the antiproton. And then Tomonaga, Schwinger and Feynman, who perfected, completed the understanding of quantum electro-dynamics. Luis Alvarez, who built a bubble chamber and the modern way of analysing high-energy physics experiments. Murray Gell-Mann, who discovered symmetry patterns among the nuclear particles that were being produced experimentally. Burt Richter and Sam Ting who discovered the J/Psi particle, or the charmed quarks. Glashow, Salam and Weinberg, who were the developers of the electroweak theory, the weak nuclear force. Jim Cronin who is here, the yellow stars are people who are here, the few, and Fitch who discovered C.P., or time reversal non-invariance in particle decays. Carlo Rubbia, and van der Meer who discovered the carriers of the weak force, the W and Z particles. Lederman, Schwartz, and Steinberger who discovered the two neutrinos. Friedman, Kendall, and Taylor, who did the experiments that for me were totally crucial, illustrating that inside protons, there really are quarks and this prize is in a sense for the discovery of quarks. Georges Charpak who developed many crucial experimental detectors for high-energy physics. Perl and Reines. Perl for discovering the tau lepton and Reines for the neutrino. Hooft and Veltman, again teaming here for understanding or normalize the properties of the gauge theories we use in the standard model. Finally the 21st century, Davis and Koshiba for discovering neutrino oscillations, in fact the neutrinos do have some mass. This is one of my favourites. The discovery of asymptotic freedom and the theory of the strong nuclear force. Oops, uh, where were we? And then uh... And then... And last but not least, and for the first time on the Nobel website where I took all these pictures in colour, Englert and Higgs for the discovery of the Brout-Englert-Higgs mechanism and again, Englert is not only here, but here. OK, and what came out of these 52 men whom I'm proud to be one of, it's quite a crowd, and unfortunately, not one woman, is the standard model, but it really is a theory, so it's a theory you can see because you can put it all on one t-shirt. And this Lagrangian, as far as we know, describes just about anything in a fundamental reductionist sense, all of science. I add in here Einstein's general relativity, which so far we truly only understand classically, and I'm adding here the cosmological constant responsible for the acceleration of the expansion of the universe. It's an unbelievably successful theory. The goal of millennia, of science of course, but the real development of this took only 75 years, from J.J. Thompson to 1975-ish. Unbelievably successful, as far as we know it works down perhaps to the smallest conceivable scales and to the edge of the universe. In a reductionist sense, and all physicists are reductionists, all of physics and therefore chemistry and biology et cetera, all are contained here if you all need to work hard enough to solve these equations. There are elements of this totally beautiful t-shirt that are still somewhat mysterious. For example, this term here is the one that accounts for the quark and lepton and neutrino masses. We don't understand its origin, it has a lot of parameters we have to measure and cannot calculate. Something is missing in our understanding of this term. Then there's this term which is... this term is another problem we don't truly understand. Then there's Einstein's term which we don't truly understand how to quantize, how to make its system in quantum mechanics. Then there's dark energy, whose form was predicted by Einstein and well tested, a great triumph in general relativity, but the magnitude of this term is an incredible, theoretical mystery. And then there are of course, many, many measurements, direct and indirect and puzzles that inform us, like Einstein, that even this fantastic standard theory must be provisional or must be physics beyond it, including dark matter which I'll come to, neutrino masses, baryon, why are there baryons left after the Big Bang, the acceleration of the universe. And theoretical mysteries, like how do the forces unify? Various, enormous disparancies of the scales of fundamental physics. The properties of the quarks and gluons, their masses and so on, and the theory of the universe. Some of those puzzles seem to be resolved by a very beautiful idea of super symmetry which I've discussed in Lindau before, in which we still wait for any evidence at the LHC. Dark matter however is there for sure, it has been observed indirectly throughout the universe by astronomers. They see something that affects matter and light and therefore they know there's matter there and indeed, most of the matter in the universe is not made of stuff that we are made out of and therefore it's called dark, it doesn't radiate. There are intensive searches to detect or produce such matter. I have no doubt that will happen in the next decade. Theorists want to unify following Einstein's dream and we're in the position to do so because we understand all of these forces now and when we extrapolate their properties, we find that they all sort of come together and look very similar and fit together at an extraordinarily high-energy short distance. Happens to be very close to where gravity becomes a strong force and we must take it into account. This is the strong intent that has motivated us for the last 40 years, to try to go beyond the standard theory of the strong, weak and electromagnetic forces through a unified theory, perhaps of all the forces, leading us to string theory, for example. Where we could imagine that all the different forces and quanta of the fields that describe these forces, all the particles and forces, are due to different vibrations of a single superstring. Now in that picture, that enormously high energy, enormously short distance, is known as the Planck scale. Discovered by Max Planck when he discovered the Planck's constant. He realized he now had three parameters which were clearly fundamental in physics. The velocity of light, the strength of gravity, and the constant he needed for his radiation law. And with three dimensionfull units, you can construct natural units for physics. And he did. And he advocated using these to communicate with E.T., extra-terrestrial civilizations, you know? They would say, "How big are you guys?" And a million years later we would tell them, "Well, we're two meters." Come on, what's a meter? No, we would tell them we are 10^35 basic units of length and anywhere, any physicist anywhere in the universe would know what that meant. That's the Planck length, it's awfully small. The Planck time is awfully fast. The Planck energy scale is awfully big, but that's a fact of nature. It's not a choice of theorists who like to probe domains which are inaccessible, it's a fact. And we have to live with it and it's what I call the curse of logarithms. So if you try to measure energy on a scale using a scale that is relevant to physics, meaningful, then you really should measure logarithm of energy. You increase the energy by factors of 10, 10, 10. That's always what we're doing by the way, particle physics. We always want to build a bigger accelerator by a factor of 10 so you should really use a logarithmic scale. On that scale is a scale where physics changes from energy to energy scale. So on that scale, Rutherford, in units of billion electron volts. Rutherford was down to 10^-3 when he was probing the structure of the atom. The strong interactions are characteristically probed at 10 to 100 Gev. Proton weighs 1 Gev and the weak interaction scale is maybe a TeV, a trillion electron volts being probed at the LHC, or 10 TeV, and we would really like to get to the unification scale, the Planck scale and that's 10^19 Gev. We're hoping to build an accelerator that'll go to 100 TeV, that goes a bit farther, but on a logarithmic scale, you see, going from the 75 years from Rutherford to the standard theory, this is, you know, a big step but it's only about as much as we've done before. And that's why we can, as theorists, speculate and work without being able directly to measure. And one of the reasons we can't directly measure up here is that there's another scale, called dollars. Oops, something again happened. I'll get back. God Almighty. Let's go to... God Almighty. Play, play. OK, back to the curse of the logarithms. So the real scale is, the scale of physics, it goes log of the energy, we've made a lot of progress, we have to get to here, but society uses dollars. Now it turns out that dollars increase and building accelerators like the square of the energy at best, and that's exponential then, in the scale of physics. And exponentials are really bad. So on the same scale, Fermilab, which cost about a billion dollars is down here, and then the LHC, which cost maybe six billion dollars is up here, that's a long way. And then the new machine that we would like to build at 100 TeV costs about 10 billion dollars, and the machine we really need to probe the Planck scale... I don't know what's in this direction, Munich? So on this scale, it's probably in Munich. So that's a fact of life and we have to deal with that and there are all sorts of strategies. And it certainly affects the way we look at the future, because if you look at the present and future of particle physics, you can either be extremely optimistic, as I tend to be, or extremely pessimistic, as even I tend to be sometimes. From the extremely pessimistic point of view, you could say well, "Standard theory works so well." In fact, recently, finally confirmed Higgs sector agrees with a prediction, the simplest predictions of the simplest models that were considered 50 years ago extraordinarily well. And that's disappointing in a way, it works but of course it doesn't tell us anything we didn't know, in a way. There also is no signal for these new particles and new symmetries we imagine, dark matter has not yet been directly observed and we're not guaranteed that it will be in the next decade or two. We have no direct experimentally, provable indication of where the next new threshold is and it might be as high as the LHC, as the Planck scale. What do you do if that turns out to be the case? And we'll know that in the next three, to five, 10 years for sure. Now the extremely optimistic scenario, which I subscribe to more fervently is that, well, there probably are a bit of deviations from the simplest Higgs model. Super symmetric particles will be observed in the next run of the LHC, which began a few weeks ago and dark matter will be detected on the sky or underground, produced at the LHC. And that'll give us enormously strong guidance for the next steps, and they're many steps, experimental steps of various colliders. In both cases, however, in both scenarios, the lesson I take away is that we must fully explore the next scale, 10 times greater. This really gets us into the scale where the electroweak sector of the standard model can be really understood. And we can do it, in fact, the United States did this 20 years ago. Then Newt Gingrich came along and shut it down. And we need the SSC. If it had not been killed, having gone through its first upgrade, would be running at about 100 TeV. Its design and energy was 40 TeV, would've been easily extendable with modern magnets to 100 TeV, so we already built it before Newt Gingrich got his hands on congress. And there are all sorts of plans by Geneva and most excitingly by China, which is now perhaps if not today, next week, the biggest economy in the world. They can afford to do this. It was a very exciting Chinese proposal to build a 100 TeV collider around here... and that decision will be taken probably by the end of this year. CERN has its own plans but a longer time schedule since they must finish with the LHC. Meanwhile, theorists can go on speculating as we have been so successful in the last 100 years, but now the questions we're asking are really profound in some sense but they build on previous knowledge. Space-time was altered in a totally fundamental way 100 years ago by Einstein, but once we add the quantum mechanics to the game, it remains the deepest mysteries. And many of the properties of space and time we take for granted, which when as infants we construct this model to navigate the world, appear to have no real fundamental meaning and many of us are convinced that space and time is truly an emergent concept. At the Planck scale, it's simply not a good way of describing, there's something more fundamental, space and time are emergent. We're now beginning to understand how that can happen and how to see what properties of a quantum-mechanical system underline our usual space-time descriptions. Space time emerges, of course gravity is just dynamical space-time, so it's also an emergent force. But this is difficult, very difficult conceptually. We have to, in a sense imagine, how do you start from a more fundamental basis for physics in which space and time are not there to begin with? How do you formulate the rules of physics without postulating space and time? And then both cosmologist and fundamental physicists of all types are now faced, given this understanding of the history of the universe, 100 years of story with understanding the Big Bang. Can't avoid it anymore. That again is now taken away from religion and philosophy and becomes a matter of physics. To find a solution to go beyond, you know say, "Well at some point it was hot and dense." But to really go back to the Big Bang requires confronting a question that physics has been able to avoid for millenia, which is, "How did the universe begin?" And, "Is this a question physics can address?" Can we determine the initial condition? I believe, that this question has to be confronted because what we do now and speculate, all speculations about unifying the forces of nature with gravity, the theory of space-time, in the end, the consistent answer to that has to describe how the universe began. Or modify the question as we transform our notion of what space-time is to one that can be answered. But it's obviously very difficult. And it's very difficult to see signals from very early times. We had a lot of hopes earlier this year with an experiment called BICEP 2 looking for relic gravitational waves, ripples in the metric of space-time that came very close to the very beginning. Unfortunately it turned out that they ignored the dust and we haven't yet seen such gravitational waves, but eventually we'll probably see them. So I am very optimistic and all the young people here should be optimistic for the following reasons. It's my reading of history and my own life's experience is that once a fundamental question becomes a well formulated scientific question, which means that it can be approached by experiment, by observation and by theory, mathematical modelling, it will be answered in your lifetime. So I've posed some of these really interesting questions, they will be answered in your lifetime, I didn't say my lifetime. Also, once an important scientific instrument is technically feasible and addresses a fundamental scientific question, like the 100 TeV collider, it will be built in your lifetime, maybe not mine but, you know... So I'm optimistic for particle fundamental physics because they're new discoveries I believe are around the corner. There are new tools that are being developed to try to deal with this incredible hierarchy of scales, there are wonderful new ideas and theoretical experiments. We have a wonderful theory of elementary particles but the most exciting questions remain to be answered and as always in science, well, there are incredible experimental opportunities. To be specific, I am very excited about the possibility of China coming into the game. The new experiments and new accelerators that are coming and new discoveries around the corner. So the best is yet to come, thank you.

In jedem Jahr werden viele Jubiläen gefeiert. Es gibt drei wunderbare Jubiläen, die wir in diesem Jahr feiern. Eines davon ist 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie. Vor 100 Jahren vollendete Einstein seine Theorie über Gravitation, über Raum und Zeit und änderte damit für immer die Grundlagen der Physik. Und wir feiern dieses hundertjährige Ereignis hier, obgleich ich sagen muss, dieses Ereignis wurde bis jetzt in Lindau nicht erwähnt. Es sind auch 90 Jahre Quantenmechanik, die eigentlich ihre vollständige Form 1925 erlangte. Vielleicht die größte konzeptionelle Revolution des 20ten Jahrhunderts und eine, die alle beeinflusste, sei es Mikroskopie-, Atom-, subatomare und Grundlagen-Physik. Und in gewisser Weise ist es das 40ste Jubiläum der Fertigstellung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Die umfassende Theorie, die weitgehend im 20. Jahrhundert entwickelt wurde, und uns ein ziemlich umfassendes Verständnis über die Grundbestandteile der Materie und die auf sie wirkenden Kräfte gab. Gut Nun, diese Zeit wird nicht meiner karg bemessenen Zeit abgezogen. Lassen Sie mich sehen, ich ziehe den Stecker des Monitors heraus. Ist das das Problem? Was ich nicht mag, denn dann kann ich mein Ding nicht benutzen. Es eignet sich nicht, aber das ist schon gut so, wir kriegen das hin. Es ist nicht wichtig. Also, wie ich sagte, 2015 ist viel zu feiern, vielleicht das erstaunlichste, wichtigste ist 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie, aber auch 90 Jahre Quantenmechanik und 40 Jahre Standardmodell der Elementarteilchen. Ich möchte etwas über Einstein sagen, denn dies ist vielleicht die einzige wissenschaftliche Tagung auf der Welt in diesem Jahr, auf der Albert Einsteins bemerkenswerter Beitrag, der Ende 1915 erfolgte, nicht erwähnt oder gefeiert wurde. In einer Woche veröffentlichte er vier Abhandlungen. Zu dieser Zeit konnte er eine Abhandlung bei der Preußischen Akademie einreichen und sie wurde innerhalb von zwei Tagen veröffentlicht. Die abschließende Abhandlung schrieb er in der abschließenden und vollständigen Form, die sogenannten Einstein-Gleichungen, die er als Krümmung der Raumzeit hervorgehend aus der Materie beschreibt, welches die Quelle von Energie und der Impuls der Materie ist, welche die Raumzeit krümmt und damit das entstehen lässt, was wir sonst Schwerkraft nennen. Einstein hinterließ ein Vermächtnis, dass mit nichts vergleichbar ist, vielleicht seit Newton, eines, das Generationen überdauern wird. Jenseits der spezifischen Form der Gleichung, die die Gravitation in ihrem Kern beschreibt gibt es wirklich drei Beiträge, die weit über seine spezifische Gleichung hinaus bestehen werden, die ersetzt werden wird. Erstens, er realisierte seinen Traum, Raumzeit zu einem dynamischen physikalischen Objekt zu machen. Nicht ein starrer Rahmen, der in einer Art Kantianischer Manier niedergelegt wurde, sondern eher ein dynamisches, physikalisches Objekt, dessen Metrik Gegenstand von Änderungen ist. Es reagiert auf die Anwesenheit von Energie und Materie, krümmt sich und wirkt dann auf Materie. Und wir ringen noch immer damit, zu verstehen, was das bedeutet, besonders in der Quantenmechanik, Raum und Zeit selbst als ein dynamisches, veränderliches Gebilde zu haben. Er ermöglichte auch die physikalische Kosmologie. Vor Einstein war Kosmologie die Domäne von Religion, Theologie und Philosophie. Nach Einstein wurde sie Physik und unmittelbar als Folge seiner Theorie begannen Menschen Modelle des Universums zu konstruieren, wodurch 100 Jahre erstaunlicher Entwicklungen in der Astronomie, Astrophysik und Kosmologie möglich wurden. Und schließlich träumte er und motivierte Generationen von Physikern nach ihm, so ehrgeizig wie er zu sein und zu versuchen, die Kräfte der Natur zu verbinden und zum Kern der physikalischen Realität vorzudringen. Der erste Punkt, Raumzeit sei dynamisch, war eine wesentliche Veränderung unserer Vorstellung von dem, was Raum und Zeit ist und bei der Dynamik handelt es sich natürlich darum, dass Raum und Zeit auf Energie und Materie, Krümmungen reagieren, und dadurch Schwerkraft entsteht. Es ist also die Krümmung von Raumzeit, welche die Erde veranlasst, sich um die Sonne zu drehen, und Einstein-Gleichungen beschreiben, wie dies quantitativ zu verstehen ist. Es sagte auch fremdartige neue Objekte im Universum voraus, die auftreten könnten, wenn es so viel Materie gibt, dass diese Raum und Zeit so dramatisch krümmt, Bereiche schafft, aus denen Licht nicht entkommen kann, auch als schwarze Löcher bekannt. Schwarze Löcher erschienen Monate nachdem Einstein-Gleichungen von Karl Schwarzschild niedergeschrieben wurden, einem brillanten theoretischen Physiker, der wenige Jahre später an der Westfront starb. Wir feiern die Geburt der Einstein-Gleichungen, die während des ersten Weltkriegs niedergeschrieben wurden. Einstein glaubte nie an die Existenz solch verrückter Objekte und die meisten Physiker waren ziemlich misstrauisch, obgleich wir heute wissen, dass sie in der gesamten Galaxis zahlreich vorhanden sind. In der Tat, im gesamten Universum. In der Tat, im Zentrum jeder Galaxis. Soweit wir sagen können gibt es ein großes schwarzes Loch, das unsere eingeschlossen, hier ist es, und wir können die Umlaufbahnen der Sterne um dieses schwarze Loch messen und bestätigen, dass sich hier in der Mitte, die Sie nicht wirklich sehen können, ein sehr kleiner Bereich befindet, der vollständig schwarz ist und eine Masse von einer Million Sonnen enthält und für diese Umlaufbahnen verantwortlich ist. Schwarze Löcher erscheinen auch an anderen Orten in der Galaxis. Sie bilden sich, wenn Sterne kollabieren, Supernova, die schwarze Löcher zurücklassen, welche durch diese Akkretionsscheiben mit Energie versorgt werden, diese ultrarelativistischen Strahlen, die wir als Quasare oder Gammablitze sehen. Und die sind Gegenstand kontinuierlicher theoretischer Experimente, da ihre Eigenschaften so merkwürdig sind. Beispielsweise ringen wir noch immer mit folgendem Paradox: Man nimmt ein wohldefiniertes quantenmechanisches System, sagen wir, man hat hier konsequent zwei Teilchen, die in einer Wechselbeziehung stehen, in der Quantenmechanik sagen wir, sie sind verschränkt, und dann lassen wir eines in das schwarze Loch fallen. Es kann, nach den klassischen Gesetzen der Relativitätstheorie, nie wieder mit uns kommunizieren. Wir wissen nicht, in welchem Zustand es sich befindet, daher haben wir Informationen verloren und können seinen Endzustand nicht voraussagen. Naiverweise sind die Informationen verloren und vor mehr als 45 Jahren, hat Hawking, ungefähr vor 40 Jahren, hat Hawking ein Paradox dargestellt, indem er die quantenmechanischen Eigenschaften der schwarzen Löcher beschrieb und vorschlug, dieses Phänomen sei Informationsverlust auf dem Grundniveau und die Quantenmechanik der Allgemeinen Relativitätstheorie sei etwas widersprüchlich. Er plädierte dafür, einige Aspekte der Quantenmechanik aufzugeben, etwa den Erhalt von Informationen. Leute wie ich und andere, die aus der Teilchenphysiker kamen, glaubten, wir müssten Einsteins Theorie, wie er dies immer vermutet hatte, ändern und modifizieren, und die Quantenmechanik beibehalten. Ich denke, unsere Seite gewann, in der Tat räumte Hawking das ein und tat Buße vor einigen Jahren. Physikalisch Kosmologie ist die andere große Errungenschaft des Einstein'schen Werks. Vor Einstein wussten wir nichts und verstanden nichts, nur erste Annäherung über das Universum. Es gab da alle diese hellen Dinge, Sterne, wir glaubten, die Milchstraße sei das ganze Universum, wir glaubten, es sei statisch, unveränderlich, wir wussten nicht, was Sonnen waren, irgendetwas. Doch nach Einstein ließen sich mathematische Modelle der Geschichte des Universums konstruieren, dies ist inzwischen eine physikalische Frage und seit mehr als 100 Jahren, haben wir diese Geschichte außerordentlich detailliert abgebildet. Wir verstehen die 17,7 Milliarden Jahre der Ausdehnung. Zuerst schnell, dann sich verlangsamend und jetzt beschleunigend. Die Bildung von Struktur nach dem Urknall, die etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall begann. Und schließlich die Vereinheitlichung und eine der erstaunlichsten Demonstrationen unserer vereinheitlichten, oder teilweise vereinheitlichten Theorie der Elementarteilchen, die sich dem Ziel verschrieben hat, die Grundbausteine der Materie und die Kräfte, die darauf einwirken, zu beobachten und zu verstehen. Wir haben in knapp 75 Jahren außergewöhnliche Fortschritte gemacht. Ich bin fast 75 Jahre alt, also in einem Lebensalter sind wir von kein Elementarteilchen und dem Nichtverstehen der Kräfte, die darauf wirken, ausgenommen der Elektrizität und des Magnetismus, zu einer ziemlich vollständigen Theorie gelangt - das ist ziemlich bemerkenswert. In gewisser Hinsicht, experimentelle Teilchenphysik begann mit Rutherfords Entdeckung des Nukleons, des Nukleons der Atome. Er wollte verstehen, was innerhalb des Atoms geschah, daher erfand er eine Technik, die wir noch heute anwenden: er bombardierte Goldfolie, Goldatomkerne, Goldatome mit Alphateilchen, die Heliumkerne aus radioaktiven Substanzen waren. Seine Studenten beobachteten kleine Lichtflecken auf fluoreszierenden Bildschirmen und konnten die Abweichung von Partikeln messen, die von den Goldatomkernen zerstreut wurden. Davon leitete er theoretisch ab. Rutherford war auch ein guter Theoretiker, er kannte den Elektromagnetismus, er vermutete, die Energie zwischen diesen Alphapartikeln in den Kernen sei elektromagnetischer Natur, er konnte die Größe des Ortes der positiven Ladung der Atome und ihrer Masse bestimmen. Er kam zum Schluss, dass im Zentrum der Atome, 100.000 Mal kleiner als die Größe des Atoms, sich die meiste Masse und alle positive Ladung befanden. Dies war die Entdeckung des Atomkerns. Und natürlich haben wir seither, seit mehr als 100 Jahren, experimentell geforscht und Theorien dazu entworfen, was im Atomkern vor sich geht. Dabei wird genau, konzeptuell, der gleiche Gedanke verwendet: Wenn man entdecken möchte, aus was so etwas besteht, nimmt man so etwas, lässt es aufeinanderprallen und schaut, was dabei herauskommt, und man versucht herauszufinden, was vor sich geht. Man stellt neue Teilchen her, versucht die Gesetze zu verstehen. Wir verwenden natürlich sehr viel größere Beschleuniger als sie Rutherford zur Verfügung standen. Das ist der LHC am CERN; das ist, wie Sie wissen, der CERN Flughafen. Dies ist ein gewaltiger 20 Kilometer langer Beschleuniger, der Protonen beschleunigt, Protonen werden bei etwa einer Trillion, einer Million Million Elektronenvolt kollidiert. Und dann sehen wir die Bilder aus diesen massiven Detektoren und versuchen herauszufinden, versuchen ein Ereignis unter hundert Milliarden zu finden, das neue Hinweise für eine neue Physik geben könnte. Nun, die Entwicklung dieser Theorie, das Standardmodell, wie es genannt wird, wurde durch Nobelpreise, viele Nobelpreise anerkannt. Ich habe mir die Mühe gemacht zu zählen, wieviele es sind, und es sind 52 Nobelpreisträger, die zur Entwicklung des Standardmodells beigetragen haben. Ich rechne nicht mit Leute wie Einstein, Dirac, Heisenberg, Schrödinger, der die Theorie der Quantenmechanik schuf, das Rahmenwerk, in welches das Standardmodell natürlich eingebettet ist. Also, selbst wenn man sie nicht mitrechnet, verteilen sich 52 Nobelpreisträger mit 30 Nobelpreisen auf die letzten 75 Jahre. Interessant ist auch, dass 20 der Preise für Experimente und 10 für Theorie vergeben wurden. Die Lehre daraus ist also, wenn man einen Nobelpreis möchte, dann ist das Experiment der Weg dahin. Andererseits, möchte man in der Teilchenphysik experimentale Hochenergiephysik betreiben, muss man sich einer Gruppe anschließen, die oft aus Tausenden Mitarbeitern besteht und der Nobelpreis ist auf drei Personen beschränkt, das wird heutzutage also ein Problem. Von den 52 Nobelpreisträgern sind hier in Lindau vier anwesend. Warum so wenige? Gute Frage. Dies ist eine Illustration des Standardmodells der elementaren Teilchenphysik. Es ist die Liste von Eigenschaften grundlegender Bausteine der Materie, Quarks, Leptonen, hier sehen Sie das Elektron, das Neutrino und Up- und Down-Quarks, aus denen die Atomkerne in unserem Körper bestehen, zwei weitere Familien und drei Kräfte, die innerhalb des Atoms im Kern wirken. Sehr ähnlich auf einer sehr grundlegenden Ebene. Aber sehr anders wegen der seltsamen Quanteneigenschaften des Vakuums. Elektromagnetismus, war bereits im 19. Jahrhundert bekannt, natürlich, und die schwachen und starken Kernkräfte, die innerhalb des Kerns wirken. Und dann natürlich der Higgs-Sektor oder der Brout-Englert-Higgs-Sektor, der hinzugefügt wurde, um die Eigenschaften der schwachen und starken Kernkräfte zu erklären. Dieses sind die Menschen die dazu beigetragen haben. Beginnend mit J.J. Thomson, der zu Ende des 19. Jahrhunderts das erste Elementarteilchen entdeckte, den ersten elementaren Baustein der Materie, das Elektron. Und dann Rutherford, er entdeckte den Atomkern, auch wenn er nie den Preis für Physik erhielt, wurde ihm der Preis für Chemie für Radioaktivität verliehen, er verdient es aber wirklich, auf dieser Liste zu stehen. Niels Bohr, die Theoretiker sind rot markiert, Niels Bohr, der das erste Modell des Atoms aufstellte, der Struktur von Materie, auf der Basis von E und M, Elektrizität, Magnetismus und Quantenmechanik, das war grundlegend. Chadwick, der das Neutron entdeckte. Es brauchte viel Zeit von den Nukleonen zu Protonen zum Neutron. Carl David Anderson, er entdeckte das erste Antiteilchen, das von Dirac vorausgesagt worden war, den ich nicht auf diese Liste gesetzt haben, und er entdeckte das Positron, das Anti-Elektron. Ernest Lawrence, der die Zyklotrone entwickelte, die modernen Teilchenbeschleuniger, die wir verwenden. Blackett, der die Nebelkammern entwickelte, um die kosmischen Strahlen. die im gesamten Universum beschleunigt werden, als Beschleuniger zu verwenden. Yukawa, der im Jahre 1949 den ersten Versuch unternahm, eine Theorie der nuklearen Kraft zu konstruieren und die Existenz eines neuen Teilchens voraussagte, genannt Pion, das dann von Powell entdeckt wurde. Dann haben wir nach dem zweiten Weltkrieg die große Entwicklung, die den neuen wissenschaftlichen Instrumenten, die jetzt zur Verfügung standen, folgte, wie das Radar. Natürlich dann Lamb, der die Abweichungen bei der Quanten-Elektrodynamik entdeckte. Lee und Yang, die vorschlugen, Parität könne in der schwachen Kraft verletzt werden, in den schwachen Wechselwirkungen. Glaser, der die Blasenkammer entwickelte. Hofstadter, der die Struktur des Nukleons untersuchte. Segrè und Chamberlain, die das Antiteilchen des Protons, das Antiproton, entdeckten. Und dann Tomonaga, Schwinger und Feynman, die das Verständnis der Quanten-Elektrodynamik perfektionierten und vollendeten. Luis Alvarez, der eine Blasenkammer baute und die modernen Methoden zur Analyse von Hochenergiephysik-Experimenten. Murray Gell-Mann, der die Symmetriemuster unter den nuklearen Teilchen entdeckte, die experimentell erzeugt worden waren. Burt Richter und Sam Ting, welche das J/Psi-Teilchen entdeckten, oder die schweren Quarks. Glashow, Salam und Weinberg, die Entwickler der elektroschwachen Theorie, der schwachen Kernkraft. Jim Cronin, der hier anwesend ist, der gelbe Stern bezeichnet die Leute, die hier anwesend sind, die wenigen, und Fitch, der C.P. entdeckte oder zeitumgekehrte Nicht-Invarianz beim Teilchenzerfall. Carlo Rubbia und van der Meer, die die Träger der schwachen Kraft entdeckten, die W und Z Teilchen. Lederman, Schwartz und Steinberger, die die zwei Neutrinos entdeckten. Friedman, Kendall und Taylor, welche die Experimente durchführten, die für mich ganz und gar entscheidend waren, die illustrierten, dass in den Protonen tatsächlich Quarks waren und dieser Preis war in gewissem Sinne für die Entdeckung der Quarks. Georges Charpak, der viele wichtige experimentelle Detektoren für die Hochenergiephysik entwickelte. Perl und Reines: Perl für die Entdeckung des Tau-Leptons und Reines für das Neutrino. Hooft und Veltman, hier wieder als Team zum Verständnis oder normalisieren der Eigenschaften der Eichtheorie, die wir im Standardmodell verwenden. Schließlich das 21. Jahrhundert; Davis und Koshiba für die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen. Die Neutrinos verfügen in der Tat über etwas Masse. Dies ist einer meiner Lieblinge. Die Entdeckung der asymptotischen Freiheit und die Theorie der starken Kernkraft. Hoppla, hm, wo waren wir? Und dann hm… Und dann… Und schließlich und zum ersten Mal auf der Nobelpreis-Website, von der ich alle diese Aufnahmen in Farbe genommen habe, Englert und Higgs für ihre Entdeckung des Brout-Englert-Higgs-Mechanismus und wieder, Engler ist nicht hier, aber hier. Gut, und was resultierte von diesen 52 Männern, ich bin stolz einer von ihnen zu sein, es ist eine ganze Menge und leider keine einzigen Frau... Es ist das Standardmodell, doch ist es eine Theorie, Sie können das sehen, denn man kann das Ganze auf ein T-Shirt schreiben. Und diese Lagrange-Dichte, soweit wir das wissen, beschreibt nahezu alles in einem grundsätzlich reduktionistischen Sinn, die gesamte Wissenschaft. Ich füge hier Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hinzu, die wir bislang nur klassisch verstehen und ich füge hier die kosmologische Konstante hinzu, die für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist. Es ist eine unglaublich erfolgreiche Theorie. Das Ziel für Jahrtausende der Wissenschaft, doch die reale Entwicklung hiervon betrug nur 75 Jahre, ab J.J. Thompson bis in die 1975er Jahre. Unglaublich erfolgreich, soweit wir wissen, arbeitet sie hinunter bis in die kleinsten vorstellbaren Maßstäbe und bis an den Rand des Universums. In einem reduktionistischen Sinne, und alle Physiker sind Reduktionisten, die ganze Physik und daher Chemie und Biologie und so weiter, sind alle hierin enthalten, wenn man hart genug daran arbeitet, diese Gleichungen zu lösen. Das sind Elemente auf diesem wunderschönen T-Shirts, die noch immer etwas rätselhaft sind. Beispielsweise der Begriff hier ist für die Massen von Quark und Lepton und Neutrino verantwortlich. Wir verstehen seinen Ursprung nicht, er hat eine Menge Parameter, die wir messen müssen und nicht berechnen können. Etwas fehlt uns zum Verständnis dieses Begriffs. Und da ist dieser Begriff, der… dieser Begriff ist ein anderes Problem, das wir nicht wirklich verstehen. Dann ist da Einsteins Begriff, den wir nicht wirklich verstehen, wie quantisiert man, wie wird sein System in der Quantenmechanik gestaltet. Und da ist dunkle Energie, deren Form Einstein voraussagte und die gut geprüft ist, ein großer Triumpf in der allgemeinen Relativitätstheorie, doch der Umfang dieses Begriffs ist ein unglaubliches, theoretisches Mysterium. Und dann gibt es da natürlich viele, viele Messungen, direkt und indirekt, und Rätsel, die uns informieren, wie Einstein, dass selbst die fantastischste Standardtheorie einstweilig sein muss, oder Physik jenseits von ihr sein muss, einschließlich dunkler Materie, auf die ich eingehen werde, Neutrino-Massen, Baryon, warum blieben nach dem Urknall Baryonen übrig, die Beschleunigung des Universums. Und die theoretischen Mysterien. Etwa, wie vereinen sich Kräfte? Verschiedene, enorme Abweichungen bei den Skalen der Grundlagenphysik. Die Eigenschaften der Quarks und Gluonen, ihre Masse und so weiter und die Theorie vom Universum. Einige diese Rätsel scheinen gelöst durch eine sehr schöne Idee der Supersymmetrie, die ich früher in Lindau angesprochen habe, bei der wir noch immer auf einen Nachweis am LHC warten. Dunkle Materie gibt es mit Sicherheit, sie wurde indirekt von Astronomen im gesamten Universum beobachtet. Sie sehen etwas, das auf Materie und Licht einwirkt, weshalb sie wissen, dass es da Materie gibt, und tatsächlich, die meiste Materie im Universum ist nicht aus dem Stoff, aus dem wir gemacht sind, und daher wird es dunkel genannt, es strahlt nicht. Es gibt intensive Forschungen, solche Materie zu entdecken oder zu erzeugen. Ich bin überzeugt, dies wird im nächsten Jahrzehnt gelingen. Theoretiker möchten vereinen, Einsteins Traum folgend, und wir sind in der Lage dazu, denn wir verstehen nun alle diese Kräfte, und wenn wir ihre Eigenschaften ableiten, finden wir, dass sie irgendwie zusammenfinden, sehr ähnlich aussehen und zusammenpassen bei außerordentlich großer Energie und mit sehr kleinen Abständen. Es ist sehr nahe dem Bereich, wenn Schwerkraft zu einer starken Kraft wird und das müssen wir beachten. Das ist der starke Vorsatz, der uns in den letzten 40 Jahren motivierte, zu versuchen über die Standardtheorie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte hinauszugehen, über eine vereinheitlichte Theorie, vielleicht aller Kräfte, die uns beispielsweise zur Stringtheorie führt. Bei der wir uns vorstellen können, dass alle verschiedenen Kräfte und Quanten der Felder, die diese Kräfte beschreiben, alle die Teilchen und Kräfte, durch verschiedene Schwingungen eines Superstrings bedingt sind. Nun, in diesem Bild, diese enorm hohe Energie, die enorm kurze Entfernung, ist als Planck-Skala bekannt. Entdeckt von Max Planck, als er das Planck'sche Wirkungsquantum entdeckte. Er realisierte, er hatte nun drei Parameter, die in der Physik deutlich grundlegend waren. Die Geschwindigkeit des Lichts, die Stärke der Schwerkraft, und das Wirkungsquantum benötigte er für sein Strahlungsgesetz. Und mit drei dimensionalen Einheiten kann man für die Physik natürliche Einheiten konstruieren. Und das tat er. Er sprach sich dafür aus, diese zur Kommunikation mit E.T., außerirdischen Zivilisationen zu verwenden. Sie würden fragen: „Wie groß seid ihr?“ Und eine Million Jahre später würden wir ihnen sagen: „Nun, wir sind zwei Meter groß.“ Bitte, was ist ein Meter? Nein, wir würden ihnen sagen, wir sind 10^35 Grundeinheiten der Länge groß und überall, jeder Physiker überall im Universum würde wissen, was das bedeutet. Das ist die Planck-Länge, sie ist schrecklich klein. Die Planck-Zeit ist schrecklich kurz. Die Planck-Energieskala ist schrecklich groß, doch das ist ein Faktum der Natur. Es ist keine Entscheidung von Theoretikern, die gerne Welten durchleuchten, die nicht zugänglich sind, es ist eine Tatsache. Und wir müssen damit leben und es ist das, was ich den Fluch der Logarithmen nenne. Wenn Sie also versuchen Energie auf einer Skala zu messen, und verwenden eine Skala, die für die Physik relevant, aussagekräftig ist, dann sollten Sie Logarithmen der Energie messen. Man erhöht die Energie mit Faktoren von 10, 10, 10. Das ist übrigens etwas, was wir in der Teilchenphysik immer tun. Wir möchten immer einen größeren Beschleuniger um den Faktor 10 bauen, damit man wirklich eine Logarithmenskala verwenden kann. Auf dieser Skala befindet sich eine Skala, bei der Physik von Energie zur Energieskala wechselt. Also in dieser Skala, Rutherford, in Einheiten von Milliarden Elektronenvolts. Rutherford ging auf 10^-3 hinunter, als er die Struktur des Atoms erforschte. Die starken Wechselwirkungen werden charakteristisch bei 10 bis 100 GeV untersucht. Ein Proton wiegt 1 GeV und die schwache Interaktionsskala ist vielleicht ein TeV, eine Trillion Elektronvolts, untersucht am LHC, oder 10 TeV, und wir würden wirklich gerne zur Vereinigungsskala gelangen, zur Plank-Skala, und das ist 10^19 GeV. Wir hoffen einen Beschleuniger zu bauen, der bis 100 TeV geht, das geht etwas weiter, doch auf einer Logarithmenskala, sehen Sie, seit den 75 Jahren, seit Rutherford, bis zur Standardtheorie, ist dies ein großer Schritt, doch ist dies nur etwa so viel, wie wir zuvor geleistet haben. Und daher können wir als Theoretiker spekulieren und arbeiten, ohne unmittelbar messen zu können. Einer der Gründe warum wir hier keine direkten Messungen vornehmen können ist: da gibt es noch eine andere Skala, genannt Dollar. Hoppla, da ist wieder was passiert. Ich komme darauf zurück. Allmächtiger Gott Gehen wir zu… Allmächtiger Gott Abspielen, abspielen. Gut, zurück zum Fluch des Logarithmus. Die wirkliche Skala ist, diese Skala der Physik, Logarithmus der Energie, wir haben eine Menge Fortschritte gemacht, wir müssen bis hierhin gelangen, doch die Gesellschaft denkt in Dollars. Nun zeigt es sich, dass Dollars und Beschleunigerbauten in einer quadratischen Beziehung zur Energie stehen, im besten Falle, und das ist dann exponentiell, in der Skala der Physik. Und exponentiell ist wirklich schlecht. Also, auf derselben Skala, Fermilab, das etwa eine Milliarde Dollar kostet, ist hier unten, und dann der LHC, der vielleicht sechs Milliarden Dollar kostet ist hier oben, das ist ein weiter Weg. Und dann die neue Maschine, die wir gerne bauen würden, zu 100 TeV, kostet etwa 10 Milliarden Dollar, und die Maschine, die wir wirklich brauchen, um die Planck-Skala zu untersuchen… Ich weiß nicht, was in dieser Richtung liegt, München? Also auf dieser Skala liegt die vermutlich in München. Das ist also eine Tatsache und damit müssen wir klarkommen und es gibt die verschiedensten Strategien. Und es wirkt sich sicherlich darauf aus, wie wir in die Zukunft sehen, denn wenn man sich die Gegenwart und Zukunft der Teilchenphysik anschaut, kann man entweder außerordentlich optimistisch sein, wie ich zu sein tendiere, oder außerordentlich pessimistisch, wie selbst ich es manchmal bin. Vom außerordentlich pessimistischen Standpunkt aus könnte man sagen: „Standardtheorie funktioniert so gut.“ Tatsächlich, kürzlich, bestätigte der Higgs-Sektor schließlich, einer Prognose zuzustimmend, den einfachsten Prognosen der einfachsten Modelle, die vor 50 Jahren außerordentlich wohl durchdacht waren. Und in gewisser Weise ist das enttäuschend, es funktioniert, aber es konnte uns in keiner Weise etwas sagen, was wir nicht wussten. Es gibt auch keine Signale für diese neuen Teilchen und neuen Symmetrien, die wir uns vorstellen, dunkle Materie wurde bislang noch nicht direkt beobachtet. Und wir haben keine Garantie, dass es in der nächsten oder in den nächsten beiden Jahrzehnten der Fall sein wird. Wir haben keine direkten experimentellen, untersuchbaren Indikationen, wo sich die nächste neue Schwelle befindet und es kann so hoch sein wie LHC, wie die Planck-Skala. Was macht man, wenn sich herausstellt, dass dies der Fall ist? Wir werden das in den nächsten drei bis fünf, 10 Jahren mit Sicherheit wissen. Das außerordentlich optimistische Szenario, welches ich sehr viel lieber habe ist, dass es vermutlich etwas Abweichungen von dem einfachsten Higgs-Modell geben wird. Supersymmetrische Teilchen werden in der nächsten Phase des LHC beobachtet werden, die vor wenigen Wochen begonnen hat, und dunkle Materie wird am Himmel oder unter der Erde aufgespürt werden, erzeugt am LHC. Alles das gibt uns eine enorm starke Anleitung für die nächsten Schritte und das sind viele Schritte, experimentelle Schritte verschiedenster Teilchenbeschleuniger. In beiden Fällen, in beiden Szenarien, ist für mich die Lektion die, dass wir die neue Skala, um ein 10-faches größer, vollständig erkunden müssen. Das bringt uns wirklich zu der Skala, auf der der elektroschwache Sektor des Standardmodells wirklich verstanden werden kann. Und das können wir. Die Vereinigten Staaten haben das bereits vor 20 Jahren gemacht. Dann kam Newt Gingrich daher und hat es stillgelegt. Und wir brauchen SSC. Wäre es nicht niedergemacht worden, wäre es durch die erste Nachrüstung gegangen, würde es etwa mit 100 TeV laufen. Seine Konstruktion und Energie war für 40 TeV, es hätte leicht mit modernen Magneten auf 100 TeV erweitert werden können. Wir hatten es bereits gebaut, ehe Newt Gingrich sich im Kongress einmischte. Und es gibt verschiedenste Pläne von Genf und am aufregendsten sind die Chinas, das jetzt, wenn vielleicht nicht bereits heute, aber nächste Woche, die größte Wirtschaft der Welt ist. Sie können sich das leisten. Es war ein sehr aufregender chinesischer Antrag, einen 100 TeV Teilchenbeschleuniger hier irgendwo zu bauen… und die Entscheidung fällt vermutlich Ende dieses Jahres. CERN hat seine eigenen Pläne, aber einen längerfristigen Zeitplan, da sie mit dem LHC abschließen müssen. Inzwischen können Theoretiker weiter spekulieren, wie wir dies in den vergangenen 100 Jahren erfolgreich getan haben, doch nun sind die Fragen, die wir stellen, wirklich in gewissem Sinne tiefgreifend, doch sie bauen auf Vorkenntnisse auf. Raumzeit wurde von Einstein vor 100 Jahren grundsätzlich verändert, doch als wir den Quantenmechanismus ins Spiel brachten, bleibt dies das tiefste Geheimnis. Und viele Eigenschaften von Raum und Zeit, die wir als selbstverständlich annehmen, so wie wir als Kinder dieses Modell konstruierten, um die Welt zu steuern, die scheinen nicht wirklich von fundamentaler Bedeutung zu sein, und viele von uns sind überzeugt, Raum und Zeit ist ein Konzept im Werden. Auf der Planck-Skala ist es einfach keine gute Art der Beschreibung, es gibt nichts Grundlegenderes, Raum und Zeit sind werdend. Wir beginnen nun zu verstehen, wie dies geschieht und wie man sehen kann, welche Eigenschaften eines quantenmechanischen Systems unsere gewöhnlichen Beschreibungen von Raumzeit hervorheben. Raumzeit taucht auf, Schwerkraft ist natürlich einfach dynamische Raumzeit, sie ist also auch eine emergente Kraft. Doch es ist schwierig, konzeptionell sehr schwierig. Wir müssen uns in gewissem Sinne vorstellen, wie beginnt man von einer fundamentalen Grundlage für Physik, in welcher es zunächst Raum und Zeit nicht gibt? Wie formuliert man die Regeln der Physik, ohne, dass Raum und Zeit angenommen werden? Dann werden sowohl Kosmologen und Grundlagenphysiker aller Art damit konfrontiert, vor dem Hintergrund der Geschichte des Universums, die 100 Jahre Geschichte inklusive dem Verstehen des Urknalls. Man kann das nicht länger vermeiden. Das wird nun wiederum von Religion und Philosophie genommen und zum Gegenstand der Physik. Eine Lösung zu finden, darüber hinauszugehen, Sie sagen jetzt: „Nun, an einem bestimmten Punkt war es heiß und dicht.“ Doch um wirklich zum Urknall zurückzukehren erfordert, sich mit einer Frage zu konfrontieren, welche die Physik seit einem Jahrtausend vermeiden konnte: „Wie hat das Universum begonnen?“ Und „Ist dies eine Frage, die die Physik behandeln kann?“ Können wir die Anfangsbedingung bestimmen? Ich glaube, dieser Frage muss man sich stellen, denn was wir zur Zeit tun und spekulieren, alle Spekulationen über Vereinigung der Kräfte der Natur mit Schwerkraft, der Theorie von Raumzeit... Letztendlich muss die konsequente Antwort darauf sein, zu beschreiben, wie das Universum begann. Oder modifizieren wir die Frage, indem wir den Begriff Raumzeit verwandeln, sodass wir die Frage beantworten können. Doch es ist offensichtlich sehr schwierig. Und es ist sehr schwierig Signale aus sehr frühen Zeiten zu sehen. Anfang des Jahres hatten wir sehr viel Hoffnung, aufgrund eines Experiments, genannt BICEP 2, als wir nach Ur-Gravitationswellen suchten, Restwellen in der Metrik von Raumzeit, die gleich am Anfang aller Dinge kam. Leider zeigte es sich, dass sie den Staub ignorierten und wir haben solche Gravitationswellen bisher nicht gesehen, letztendlich werden wir sie aber irgendwann sehen. Ich bin also sehr optimistisch und alle jungen Menschen hier sollten aus folgenden Gründen optimistisch sein. Es ist mein Verständnis der Geschichte und meine Lebenserfahrung dass, sobald eine fundamentale Frage eine gut formulierte wissenschaftliche Frage wird, das heißt, man kann sich ihr über das Experiment annähern, durch Beobachtung und Theorie, mathematische Modellierung, dann wird sie innerhalb Ihrer Lebenszeit beantwortet werden. Ich habe also einige dieser wirklich interessanten Fragen aufgeworfen, sie werden im Laufe Ihres Lebens beantwortet werden, ich sagte nicht zu meiner Lebenszeit. Auch, sobald ein wichtiges wissenschaftliches Instrument technisch realisierbar ist und eine fundamentale wissenschaftliche Frage behandeln kann, wie der 100 TeV Teilchenbeschleuniger, wird es zu Ihren Lebzeiten gebaut werden, vielleicht nicht zu meiner, aber… Ich bin also optimistisch was die Teilchenphysik betrifft, denn ich glaube, es sind gerade neue Entdeckungen im Anmarsch. Es werden neue Instrumente entwickelt, um zu versuchen, mit dieser unglaublichen Spannweite von Skalen zurechtzukommen, es gibt wunderbare neue Gedanken und theoretische Experimente. Und wir haben eine wunderbare Theorie der Elementarteilchen, doch die spannendsten Fragen sind noch zu beantworten, und wie das in der Wissenschaft immer so ist, nun, es gibt unglaubliche experimentelle Möglichkeiten. Um konkret zu sein, ich bin sehr begeistert über die Möglichkeit, dass China mit ins Spiel kommt. Die neuen Experimente und neuen Beschleuniger, die kommen werden und neue Entdeckungen, die demnächst gemacht werden. Also, das Beste kommt erst. Danke.

David J. Gross (2015)

The Future of Particle Physics

David J. Gross (2015)

The Future of Particle Physics

Abstract

Elementary Particle Physics seeks to discover the basic constituents of matter and understand the fundamental forces that act on them. In this lecture I shall review the current state of particle physics, the grand success of the “standard model”, as well as the many questions that remain unanswered. I will discuss some of the theoretical ideas and speculations that have been advanced to answer these questions, and the possibility of testing these ideas at the Large Hadron Collider and it successors.

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