TED日本語 - ジェームズ・ビーチャム: 物理学の未解決問題をいかに探求するか


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TED日本語 - ジェームズ・ビーチャム: 物理学の未解決問題をいかに探求するか

TED Talks

How we explore unanswered questions in physics
James Beacham




There is something about physics that has been really bothering me since I was a little kid. And it's related to a question that scientists have been asking for almost 100 years, with no answer. How do the smallest things in nature, the particles of the quantum world, match up with the largest things in nature -- planets and stars and galaxies held together by gravity?

As a kid, I would puzzle over questions just like this. I would fiddle around with microscopes and electromagnets, and I would read about the forces of the small and about quantum mechanics and I would marvel at how well that description matched up to our observation. Then I would look at the stars, and I would read about how well we understand gravity, and I would think surely, there must be some elegant way that these two systems match up. But there's not. And the books would say, yeah, we understand a lot about these two realms separately, but when we try to link them mathematically, everything breaks.

And for 100 years, none of our ideas as to how to solve this basically physics disaster, has ever been supported by evidence. And to little old me -- little, curious, skeptical James -- this was a supremely unsatisfying answer.

So, I'm still a skeptical little kid. Flash-forward now to December of 2015, when I found myself smack in the middle of the physics world being flipped on its head. It all started when we at CERN saw something intriguing in our data: a hint of a new particle, an inkling of a possibly extraordinary answer to this question.

So I'm still a skeptical little kid, I think, but I'm also now a particle hunter. I am a physicist at CERN's Large Hadron Collider, the largest science experiment ever mounted. It's a 27-kilometer tunnel on the border of France and Switzerland buried 100 meters underground. And in this tunnel, we use superconducting magnets colder than outer space to accelerate protons to almost the speed of light and slam them into each other millions of times per second, collecting the debris of these collisions to search for new, undiscovered fundamental particles. Its design and construction took decades of work by thousands of physicists from around the globe, and in the summer of 2015, we had been working tirelessly to switch on the LHC at the highest energy that humans have ever used in a collider experiment.

Now, higher energy is important because for particles, there is an equivalence between energy and particle mass, and mass is just a number put there by nature. To discover new particles, we need to reach these bigger numbers. And to do that, we have to build a bigger, higher energy collider, and the biggest, highest energy collider in the world is the Large Hadron Collider. And then, we collide protons quadrillions of times, and we collect this data very slowly, over months and months. And then new particles might show up in our data as bumps -- slight deviations from what you expect, little clusters of data points that make a smooth line not so smooth. For example, this bump, after months of data-taking in 2012, led to the discovery of the Higgs particle -- the Higgs boson -- and to a Nobel Prize for the confirmation of its existence.

This jump up in energy in 2015 represented the best chance that we as a species had ever had of discovering new particles -- new answers to these long-standing questions, because it was almost twice as much energy as we used when we discovered the Higgs boson. Many of my colleagues had been working their entire careers for this moment, and frankly, to little curious me, this was the moment I'd been waiting for my entire life. So 2015 was go time.

So June 2015, the LHC is switched back on. My colleagues and I held our breath and bit our fingernails, and then finally we saw the first proton collisions at this highest energy ever. Applause, champagne, celebration. This was a milestone for science, and we had no idea what we would find in this brand-new data. And then a few weeks later, we found a bump. It wasn't a very big bump, but it was big enough to make you raise your eyebrow. But on a scale of one to 10 for eyebrow raises, if 10 indicates that you've discovered a new particle, this eyebrow raise is about a four.


I spent hours, days, weeks in secret meetings, arguing with my colleagues over this little bump, poking and prodding it with our most ruthless experimental sticks to see if it would withstand scrutiny. But even after months of working feverishly -- sleeping in our offices and not going home, candy bars for dinner, coffee by the bucketful -- physicists are machines for turning coffee into diagrams --


This little bump would not go away. So after a few months, we presented our little bump to the world with a very clear message: this little bump is interesting but it's not definitive, so let's keep an eye on it as we take more data. So we were trying to be extremely cool about it.

And the world ran with it anyway. The news loved it. People said it reminded them of the little bump that was shown on the way toward the Higgs boson discovery. Better than that, my theorist colleagues -- I love my theorist colleagues -- my theorist colleagues wrote 500 papers about this little bump.


The world of particle physics had been flipped on its head. But what was it about this particular bump that caused thousands of physicists to collectively lose their cool? This little bump was unique. This little bump indicated that we were seeing an unexpectedly large number of collisions whose debris consisted of only two photons,two particles of light. And that's rare.

Particle collisions are not like automobile collisions. They have different rules. When two particles collide at almost the speed of light, the quantum world takes over. And in the quantum world, these two particles can briefly create a new particle that lives for a tiny fraction of a second before splitting into other particles that hit our detector. Imagine a car collision where the two cars vanish upon impact, a bicycle appears in their place --


And then that bicycle explodes into two skateboards, which hit our detector.


Hopefully, not literally. They're very expensive.

Events where only two photons hit out detector are very rare. And because of the special quantum properties of photons, there's a very small number of possible new particles -- these mythical bicycles -- that can give birth to only two photons. But one of these options is huge, and it has to do with that long-standing question that bothered me as a tiny little kid, about gravity.

Gravity may seem super strong to you, but it's actually crazily weak compared to the other forces of nature. I can briefly beat gravity when I jump, but I can't pick a proton out of my hand. The strength of gravity compared to the other forces of nature? It's 10 to the minus 39. That's a decimal with 39 zeros after it.

Worse than that, all of the other known forces of nature are perfectly described by this thing we call the Standard Model, which is our current best description of nature at its smallest scales, and quite frankly,one of the most successful achievements of humankind -- except for gravity, which is absent from the Standard Model. It's crazy. It's almost as though most of gravity has gone missing. We feel a little bit of it, but where's the rest of it? No one knows.

But one theoretical explanation proposes a wild solution. You and I -- even you in the back -- we live in three dimensions of space. I hope that's a non-controversial statement.


All of the known particles also live in three dimensions of space. In fact, a particle is just another name for an excitation in a three-dimensional field; a localized wobbling in space. More importantly, all the math that we use to describe all this stuff assumes that there are only three dimensions of space. But math is math, and we can play around with our math however we want. And people have been playing around with extra dimensions of space for a very long time, but it's always been an abstract mathematical concept. I mean, just look around you -- you at the back, look around -- there's clearly only three dimensions of space.

But what if that's not true? What if the missing gravity is leaking into an extra-spatial dimension that's invisible to you and I? What if gravity is just as strong as the other forces if you were to view it in this extra-spatial dimension, and what you and I experience is a tiny slice of gravity make it seem very weak? If this were true, we would have to expand our Standard Model of particles to include an extra particle, a hyperdimensional particle of gravity, a special graviton that lives in extra-spatial dimensions.

I see the looks on your faces. You should be asking me the question, "How in the world are we going to test this crazy, science fiction idea, stuck as we are in three dimensions?" The way we always do, by slamming together two protons --


Hard enough that the collision reverberates into any extra-spatial dimensions that might be there, momentarily creating this hyperdimensional graviton that then snaps back into the three dimensions of the LHC and spits off two photons,two particles of light. And this hypothetical, extra-dimensional graviton is one of the only possible, hypothetical new particles that has the special quantum properties that could give birth to our little, two-photon bump.

So, the possibility of explaining the mysteries of gravity and of discovering extra dimensions of space -- perhaps now you get a sense as to why thousands of physics geeks collectively lost their cool over our little, two-photon bump. A discovery of this type would rewrite the textbooks. But remember, the message from us experimentalists that actually were doing this work at the time, was very clear: we need more data. With more data, the little bump will either turn into a nice, crisp Nobel Prize --


Or the extra data will fill in the space around the bump and turn it into a nice, smooth line.

So we took more data, and with five times the data, several months later, our little bump turned into a smooth line. The news reported on a "huge disappointment," on "faded hopes," and on particle physicists "being sad." Given the tone of the coverage, you'd think that we had decided to shut down the LHC and go home.


But that's not what we did. But why not? I mean, if I didn't discover a particle -- and I didn't -- if I didn't discover a particle, why am I here talking to you? Why didn't I just hang my head in shame and go home?

Particle physicists are explorers. And very much of what we do is cartography. Let me put it this way: forget about the LHC for a second. Imagine you are a space explorer arriving at a distant planet, searching for aliens. What is your first task? To immediately orbit the planet, land, take a quick look around for any big, obvious signs of life, and report back to home base. That's the stage we're at now. We took a first look at the LHC for any new, big, obvious-to-spot particles, and we can report that there are none. We saw a weird-looking alien bump on a distant mountain, but once we got closer, we saw it was a rock.

But then what do we do? Do we just give up and fly away? Absolutely not; we would be terrible scientists if we did. No, we spend the next couple of decades exploring, mapping out the territory, sifting through the sand with a fine instrument, peeking under every stone, drilling under the surface. New particles can either show up immediately as big, obvious-to-spot bumps, or they can only reveal themselves after years of data taking.

Humanity has just begun its exploration at the LHC at this big high energy, and we have much searching to do. But what if, even after 10 or 20 years, we still find no new particles? We build a bigger machine.


We search at higher energies. We search at higher energies. Planning is already underway for a 100-kilometer tunnel that will collide particles at 10 times the energy of the LHC. We don't decide where nature places new particles. We only decide to keep exploring. But what if, even after a 100-kilometer tunnel or a 500-kilometer tunnel or a 10, 000-kilometer collider floating in space between the Earth and the Moon, we still find no new particles? Then perhaps we're doing particle physics wrong.


Perhaps we need to rethink things. Maybe we need more resources, technology, expertise than what we currently have. We already use artificial intelligence and machine learning techniques in parts of the LHC, but imagine designing a particle physics experiment using such sophisticated algorithms that it could teach itself to discover a hyperdimensional graviton.

But what if? What if the ultimate question: What if even artificial intelligence can't help us answer our questions? What if these open questions, for centuries, are destined to be unanswered for the foreseeable future? What if the stuff that's bothered me since I was a little kid is destined to be unanswered in my lifetime? Then that ... will be even more fascinating.

We will be forced to think in completely new ways. We'll have to go back to our assumptions, and determine if there was a flaw somewhere. And we'll need to encourage more people to join us in studying science since we need fresh eyes on these century-old problems. I don't have the answers, and I'm still searching for them. But someone -- maybe she's in school right now, maybe she's not even born yet -- could eventually guide us to see physics in a completely new way, and to point out that perhaps we're just asking the wrong questions. Which would not be the end of physics, but a novel beginning.

Thank you.


ある物理の問題が 子供の頃から随分と私の頭を悩ませてきました それは科学者が 100年もの間 問い続けても 答えが得られない問題に 関わるものです 自然界で最小の物質であり 量子論の世界に属する素粒子と 自然界での最大の物体であり 重力で結びつけられている 惑星や恒星や銀河とを どうやって統一するのか?

子供のころには この問題に対して答えを出そうと 顕微鏡や電磁石をいじくったり 微小世界の力や量子力学について 本を読んだりしました そして 本の記述が 私たちの実験結果と よく合致していることに 驚きました それから天体を観測しました 重力がかなり解明されていることも 学びました そして 私はこれらの2つのシステムを 統一する美しい理論が ― あるに違いないと確信しました しかし そのようなものはありません 本によると この2つの領域について 別々には研究が進んでいますが 数学的に結び付けようとすると 全くうまくいきません

100年もの間 この根本的な物理学上の破綻を 解く試みはどれも 実験による裏付けができませんでした 少し大きくなった私 ― 好奇心旺盛で 疑り深い子供の私には この状況は到底 納得のいくものではありませんでした

そうです 私は今でも疑り深い子供なのです ここで2015年の12月に話が飛びますが この時 私がその中心にいた物理の世界は 天地のひっくり返る騒ぎのまっただ中でした CERN(欧州原子核研究機構)で 興味深いデータが見つかったことに端を発します それは新粒子の兆しであり 長年の問題に 驚くべき解答が 得られる可能性を匂わせていました

私は まだ疑り深い子供だと思うのですが 今や 素粒子ハンターでもあるのです 私は 物理学者で 稼働中の実験施設では最大の CERNの大型ハドロン衝突型加速器で 研究しています これは フランスとスイスの国境にまたがる 27キロのトンネルで 地下100メートルに埋められています このトンネルの中で 宇宙空間よりも冷たい超伝導磁石を使って 陽子を光速近くまで加速して 1秒間に数百万回 衝突させ その衝突による生成粒子を捉えて 新たな 未発見の基本粒子を探しています この施設の設計と建設は 世界中から集まった物理学者の 数十年間に渡る努力の賜物です 2015年の夏には 人類史上最大のエネルギーでの 衝突型加速器実験をするために この大型ハドロン衝突型加速器(LHC)の 稼働に向けて精力的に働いていました

高いエネルギーは重要です なぜなら 素粒子の世界では エネルギーと質量は等しいからです 質量は 自然が与えた ただの数値です 新粒子を発見するには より大きな数値に達する必要があります そこで より高エネルギーを生む より大きな衝突型加速器が必要です そして 世界で最高エネルギーを生む 最大の加速器が CERNのLHCなのです そこでは 陽子を数千兆回衝突させ 何か月にもわたる時間をかけて そのデータを集めます すると 新粒子が データのグラフ上の コブとして表れてくるかもしれません 予測値からのわずかな偏りであり 滑らかな線に凹凸を与える 一群のデータ点です 例えば このグラフ上のコブは 2012年に数ヶ月間 データを蓄積した結果ですが ボソン粒子のひとつである ヒッグス粒子の発見に至り 粒子の存在が裏付けることで ノーベル賞受賞にもつながりました

2015年に エネルギーが 大幅に増強されたことによって 新粒子 つまり長く未解決だった問題への 新たな答を発見する 史上最大のチャンスが訪れました なぜなら ヒッグス粒子を発見した時の 約2倍のエネルギーだからです 私の同僚の多くは この一瞬に 研究生活の全てを賭けていました 率直に言って 好奇心旺盛な子供の私にとっては それまでの人生は この一瞬を待つためだったのです 2015年は まさにその時でした

2015年の6月に LHCは再稼働しました 私は同僚たちと一緒に 息もできないほどドキドキしていました そして ついに この最高エネルギーでの 陽子衝突の1回目を観測しました 拍手と乾杯と祝福が起こりました 科学界の節目でした この新たに観測されたデータから 何が発見できるかは未知数でした 数週間後にはグラフ上に コブを見つけました あまり大きくはありませんでしたが 眉を上げるには十分な大きさのコブでした 眉を上げる段階を10段階に分けて 10を新粒子発見とすると 今回は4ぐらいでした


何時間も 何日間も 何週間もかけて このわずかなコブについて 同僚たちと秘密裏に話し合い データを徹底的に調べ上げ 精査に耐えるかどうかを検討しました 何か月もの間 憑りつかれた様に 研究をしました 家には帰らず 研究所に寝泊まりし キャンディバーを夕食にして バケツ一杯のコーヒーを飲み ― 物理学者は コーヒーを図表に変える 機械のようなものですが ―


しかし このわずかなコブは消えませんでした そして 数か月後 我々はこのわずかなコブを 明快なメッセージとともに世界に発表しました それは このわずかなコブは興味深いが 決定的ではないので さらなるデータを取って 注意深く観測するつもりだということです 私たちはこのコブに関して 冷静でいようとしました

いずれにしろ この発表は世界中に広まりました マスコミはこぞって取り上げました このコブはヒッグス粒子発見の 過程で現れたコブを 彷彿とさせると言われました さらに 同業者である理論物理学者たちは 私の大好きな人たちですが 理論家たちはこのコブについて 500本もの論文を書きました


素粒子物理学界は 天地がひっくり返るほどの大騒ぎでした 何故 この問題のコブは 何千人もの物理学者たちが ― 誰も彼も冷静さを失うほどの 代物なのでしょうか このわずかなコブは独特でした このコブが示唆するのは ある種の衝突が 予想外に多く 観測されているということです その衝突の生成物は 2つの光子だけ つまり 2個の光の粒子だけなのです これは稀なことです

粒子の衝突は自動車の衝突とは違います 別の法則に従います 2つの粒子が 光速に近い速さで衝突する時は 量子論が適用されます 量子論の世界では 2つの粒子から 新しい粒子が1つできますが その粒子の寿命はごくわずかな時間で 別の粒子に分裂して検出されます 車の衝突で考えると 衝突の瞬間に 2台の車が消えて その場所に自転車が1台現れるということです


その自転車は分裂して 2台のスケートボードになり これが観測器で検出されます


うまくいけばですが 正確には少し違います この実験は非常に高くつきます

2個の光子だけしか検出されない例は 極めて稀です 光子は素粒子の中でも特別な性質を持つため 2つの光子しか生み出さないような 新粒子の可能性は ― 先程の謎の自転車に相当しますが ― 非常に限られます しかし その選択肢の一つは かなりの高エネルギーで 私を子供の頃から悩ませていた あの積年の問題 つまり重力に関係します

重力はとても強い力に見えるかもしれません しかし 実際には 自然界の他の力に比べると 信じられないほど弱い力です 私が跳ねるだけで 簡単に重力を打ち負かすことができますが 手から陽子を取り出すことはできません 重力は自然界の他の力と比べると どの程度の強さなのか? 10の39乗分の1です 小数点以下に39個の0が並びます

さらに悪いことに 自然界の他の力は 私たちが標準モデルと呼ぶ理論で 完全に説明できます これは 自然界を最も小さな尺度で説明できる 現時点での最良の理論です 率直に言って 人類の最も優れた成果の1つです 重力は例外です 重力は標準理論に含まれていません 有り得ません 重力の大半は 消えてしまったというのでしょうか 私たちは重力を少しは感じますが 残りはどこにあるのでしょう 誰も知りません

さて 大胆な説明を提案している ある仮説があります 私たちは 後ろの方のあなたも 3次元の空間にいます このことは 受け入れていただけるといいのですが


既知の粒子も全て3次元空間に存在します 実は 粒子があるということは 3次元空間において その場所のエネルギーが 基底より高い状態にあるということです 空間が局所的に揺らいるのです もっと重要なことは こういった物理を 記述するために用いる数学では 次元の数は3つだと仮定としていることです しかし数学は数学です いろんな数学的な扱いを試すことができます とても長い間 空間の余剰次元について いろいろと考えられてきました ただこれは 抽象的な数学の概念に すぎませんでした つまり 周りを見回しても ― 後ろの方も見回してください 明らかに空間には3次元しかありません

それが現実ではなかったらどうしますか? 重力の失われた部分は 私たちには見えない空間の余剰次元に 漏れているとすると どうでしょう? この空間の余剰次元も見えれば 重力は他の力と同じぐらい強いのに 私たちが感じられるのは 重力のほんの小さな断面だけなので 重力がとても弱い力だと考えられているのなら どうでしょう? もしこの仮説が本当ならば 素粒子の標準モデルを 拡張しなければなりません そうすると 余剰次元の素粒子 つまり重力の高次元素粒子 ― 空間の余剰次元に存在する 特別な重力子を含めることができます

皆さんの様子からすると このようにお思いでしょう 「一体どうやってこんな途方もない SF小説のようなアイディアを試すのだろう? 私たちは3次元空間に捕らわれているのに」 こういうときはいつも 2つの陽子を衝突させるのです


十分に激しい衝突ならば そこにあるべき空間の余剰次元を 揺るがせて 直ちに高次元の重力子が生まれ すぐにLHCがある3次元空間にポンと戻り 2つの光子に つまり2個の光の粒子に分裂します ここで仮定した余剰次元の重力子は 2個の光子によるわずかなコブを 生み出せるという 特別な量子的特徴を持ちうる 仮想的な新粒子のひとつです

重力の謎を解き明かし 空間の余剰次元を発見する可能性 ― もう皆さんはお判りでしょう どうして何千人もの物理オタクが データ上の 2個の光子からできるわずかなコブに 誰も彼も冷静さを失ったのか 教科書を書き換えるほどの発見です ここで思い出してください その時この研究をしていた 実験物理学者たちが出したメッセージは とても明確でした 「もっとデータが必要です」 データが蓄積されれば このわずかなコブが パリッと素敵なノーベル賞になるか


新たなデータがコブの周囲を埋めて 滑らかな線となるか判ります

私たちはデータを取り続けました 数ヶ月かかって5倍の量のデータを集めた結果 このわずかなコブは 滑らかな線になりました マスコミは「大きな失望」とか 「消えた希望」とか 素粒子物理学者たちの「残念」などと 報道しました このように報道されたので 世間は 私たちがLHCを閉鎖し 帰国したと考えたことでしょう


しかし そんなことはしません 何故でしょうか? 仮に新粒子を発見できなくても まあ実際だめでしたが ― 何故ここで話をしているのか? 何故 恥ずかしさに肩を落とし 帰国しないのでしょうか?

素粒子物理学者は探査をしています 私たちは 専ら地図を作っているようなものです LHCから離れて 分かりやすく説明します あなたが宇宙飛行士で 宇宙の彼方の惑星に到着し 異星人を探しているとします 最初に何をすべきでしょう? すぐに惑星を周回し 着陸し 生命の大きく顕著な兆候がないか ざっと調べて地球の基地に 報告するでしょう この段階に私たちはいます LHCで はっきりとした 大きな新粒子を探すための最初の調査をし 何もなかったと報告をしたところです 私たちは遠くの山に 異星人らしき変なコブを見ましたが 近寄って見ると それは岩でした

そこで私たちはどうするでしょう? 諦めて飛び去りますか? 絶対に違います そんなことをするのは最悪の科学者です そうではなくて 次の二十年間かけて探検をして その星の詳細な地図を作り 高性能の機器で砂を厳密に調べて 全ての石の下を探り 地面に穴をあけます 新粒子はすぐに大きな はっきりとしたコブとして 現れるかもしれませんし 何年もの間データを取り続けてから やっと現れるかもしれません

人類は非常に高いエネルギーでの探索を LHCで始めたばかりです もっと探索しなくてはなりません もし10年あるいは20年経っても 新粒子を発見できなかったらどうしましょう? より大きな実験設備を建設します


もっと高いエネルギーで実験をします もっと高いエネルギーで実験をします 100キロのトンネルを造る計画は すでに進行しています LHCの10倍のエネルギーで 粒子を衝突させられるでしょう 自然が新粒子をどこに隠したか 決めることはできません 探索し続けることを決めただけです もし100キロのトンネルでも 500キロのトンネルでも あるいは 地球と月の間の宇宙空間に浮かぶ 1万キロに及ぶ衝突型加速器でも 新粒子を発見できないとしたらどうでしょう? 多分 素粒子物理学のやり方が 間違っているということです


私たちは考え直さなくてはならないのでしょう 私たちが今持っているよりも 多くの資金と技術とノウハウが 必要となるでしょう LHCの一部では既に 人工知能や機械学習の技術を 取り入れています 極めて複雑なアルゴリズムを使って 自分で学習をして高次元の重力子を 発見できるような素粒子物理実験を 設計すると考えてみましょう

しかし あの究極の問いは どうなるでしょう? 人工知能でさえ私たちの問題に答えを出す 助けとならないとしたら? 何世紀にも渡って未解決であった これらの問題は 近い将来には解けない定めだとしたら? 私が子供の頃から頭を悩ませている問題が 私が生きている内には 解決されない運命だとしたら? そうなったら ― もっと面白くなるでしょう

全く新しい方法で 考えなくてはならなくなるでしょう 仮定に立ち戻って どこかに間違いがないか 確かめなくてはならないでしょう そして 一緒に科学を研究するように より多くの人を誘わなくてはなりません それは100年続く問題に対する 新たな視点が必要だからです 私はその答を見つけていませんし その答をまだ探しています しかし 誰かが ― 今は学生かもしれませんし まだ生まれてもいないかもしれませんが その誰かが 全く新しい方法で 物理学を捉えるように導き 今の問いが間違っていただけだと 指摘してくれるでしょう それは物理学の終わりではなく 新しい始まりです



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