14:11
TEDxCERN

Gian Giudice: Why our universe might exist on a knife-edge

ジャン・ジュディチェ: ヒッグス粒子が語りかける宇宙の運命

Filmed:

ヒッグス粒子発見の一番の驚きは、何でしょう。それは、別に驚く事でもなかったと言う事です。ジャン・ジュディチェ氏が理論物理学での問題を通し、私達に話しかけます。もし、ヒッグス場が超高密度の状態で存在するなら、全ての原子で成る物質は崩壊する事になるかもしれません。機知とその魅力で、ジュディチェ氏は、ゾッとする宇宙の運命の予測と、またそれは私達が心配する事でもない理由を語ります。(TEDxCERNにて収録)

- Theoretical physicist
Gian Giudice is a theoretical physicist who has contributed greatly to our present understanding of particle physics and cosmology. Full bio

So last year, on the Fourth of July,
去年の7月4日は
00:13
experiments at the Large Hadron Collider
「大型ハドロン衝突加速器(LHC)」
の実験で
00:15
discovered the Higgs boson.
ヒッグス粒子が発見された
歴史的な日でした
00:18
It was a historical day.
ヒッグス粒子が発見された
歴史的な日でした
00:20
There's no doubt that from now on,
今後は間違いなく
00:22
the Fourth of July will be remembered
7月4日は
米国独立記念日としてでなく
00:24
not as the day of the Declaration of Independence,
ヒッグス粒子発見の日として —
00:26
but as the day of the discovery of the Higgs boson.
少なくとも CERN ( 欧州原子核研究機構)
では —
00:28
Well, at least, here at CERN.
そう記憶されるでしょう
00:32
But for me, the biggest surprise of that day
しかし その日に私が最も驚いたのは
00:35
was that there was no big surprise.
意外な結果が
発表されなかったことです
00:39
In the eye of a theoretical physicist,
理論物理学者にとって
00:41
the Higgs boson is a clever explanation
ヒッグス粒子の発見で
00:44
of how some elementary particles gain mass,
他の素粒子がどうやって質量を
得たのかがうまく説明できますが
00:46
but it seems a fairly unsatisfactory
それだけでは十分ではなく
00:49
and incomplete solution.
完全な答えだとは思えないのです
00:52
Too many questions are left unanswered.
あまりに多くの
疑問点が残されています
00:54
The Higgs boson does not share the beauty,
ヒッグス粒子は
他の素粒子のように
00:57
the symmetry, the elegance,
美しさ 対称性 優雅さを
持ち合わせていません
01:00
of the rest of the elementary particle world.
美しさ 対称性 優雅さを
持ち合わせていません
01:02
For this reason, the majority of theoretical physicists
この理由で理論物理学者の大半は
今回 発見された —
01:05
believe that the Higgs boson could not
ヒッグス粒子以外に
もっと何かがあるはずだと
01:08
be the full story.
確信しています
01:11
We were expecting new particles and new phenomena
ヒッグス粒子に伴う
新しい素粒子や
01:14
accompanying the Higgs boson.
現象を期待していたのです
01:17
Instead, so far, the measurements
しかし現在のところ
LHCでの測定値からは
01:19
coming from the LHC show no signs of new particles
新しい素粒子や
予期しない現象の兆候は
01:21
or unexpected phenomena.
検知されていません
01:25
Of course, the verdict is not definitive.
勿論 これで はっきり決まった
訳ではありません
01:27
In 2015, the LHC will almost double
2015年にLHCは
01:31
the energy of the colliding protons,
陽子を現在の2倍近い
エネルギーで衝突させ
01:35
and these more powerful collisions
このさらに高エネルギーの衝突で
01:38
will allow us to explore further the particle world,
粒子の世界を もっと探索出来
01:40
and we will certainly learn much more.
もっと色々な事が
解るでしょう
01:44
But for the moment, since we have found
今の所 
新しい現象の証拠は
01:48
no evidence for new phenomena, let us suppose
見つかっていないので
01:51
that the particles that we know today,
今見つかっている
ヒッグス粒子を含む 素粒子だけが
01:54
including the Higgs boson,
今見つかっている
ヒッグス粒子を含む 素粒子だけが
01:57
are the only elementary particles in nature,
自然界に存在する
全ての素粒子だと仮定しましょう
01:59
even at energies much larger
さらに高エネルギーで探索しても
02:02
than what we have explored so far.
これだけだと仮定するわけです
02:05
Let's see where this hypothesis is going to lead us.
その仮定ではどうなるか
考えて見ましょう
02:08
We will find a surprising and intriguing result
宇宙に関して 驚くべき面白い
結果が分かるでしょう
02:12
about our universe, and to explain my point,
これを説明するために
02:16
let me first tell you what the Higgs is about,
まず ヒッグス粒子が
どんなものかお話しします
02:19
and to do so, we have to go back
それにはビッグバンの
02:23
to one tenth of a billionth of a second
百億分の1秒後に
戻らなければなりません
02:26
after the Big Bang.
百億分の1秒後に
戻らなければなりません
02:31
And according to the Higgs theory,
ヒッグス理論によると
02:32
at that instant, a dramatic event took place
その瞬間
宇宙では 劇的な事が起きました
02:34
in the universe.
その瞬間
宇宙では 劇的な事が起きました
02:38
Space-time underwent a phase transition.
時空が相転移したのです
02:39
It was something very similar to the phase transition
それは摂氏零下になった時に
02:44
that occurs when water turns into ice
水が氷に変わることに
非常によく似ていますが
02:47
below zero degrees.
水が氷に変わることに
非常によく似ていますが
02:51
But in our case, the phase transition
時空の相転移は
02:53
is not a change in the way the molecules
物質内の分子の並び方が
変化するのとは異なり
02:56
are arranged inside the material,
物質内の分子の並び方が
変化するのとは異なり
02:58
but is about a change
時空を織り成すもの
そのものの変化なのです
03:01
of the very fabric of space-time.
時空を織り成すもの
そのものの変化なのです
03:02
During this phase transition, empty space
この相転移の間
何もなかった空間は
03:06
became filled with a substance
ヒッグス場と呼ばれるもので
埋め尽くされました
03:09
that we now call Higgs field.
ヒッグス場と呼ばれるもので
埋め尽くされました
03:11
And this substance may seem invisible to us,
これは見えない
かもしれませんが
03:14
but it has a physical reality.
明らかに存在し
03:17
It surrounds us all the time,
常に私たちの周りにあります
03:19
just like the air we breathe in this room.
この部屋の空気の様なものです
03:21
And some elementary particles interact
素粒子の中には
03:25
with this substance, gaining energy in the process.
ヒッグス場と相互作用を起こし
エネルギーを得るものもあります
03:27
And this intrinsic energy is what we call
この内在するエネルギーこそが
03:31
the mass of a particle,
粒子の「質量」なのです
03:34
and by discovering the Higgs boson, the LHC
ヒッグス粒子の発見により
03:36
has conclusively proved that this substance is real,
LHCはこの場の存在が
正しいと結論を出したのです
03:40
because it is the stuff the Higgs bosons are made of.
ヒッグス粒子を生み出すものだからです
03:44
And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
これがヒッグスに関する
簡単な説明です
03:48
But this story is far more interesting than that.
しかし この話は
それよりもっと面白いのです
03:52
By studying the Higgs theory,
ヒッグス理論を研究する
03:56
theoretical physicists discovered,
理論物理学者は
03:59
not through an experiment
実験からでなく
04:01
but with the power of mathematics,
数学の力で
04:03
that the Higgs field does not necessarily exist
ヒッグス場は必ずしも
今日 見る様な姿で
04:05
only in the form that we observe today.
存在するとは限らないと
発見したのです
04:09
Just like matter can exist as liquid or solid,
物質が液体や固体の状態で
存在する様に
04:12
so the Higgs field, the substance that fills all space-time,
時空を埋め尽くすヒッグス場も
04:18
could exist in two states.
2種類の状態で
存在するかもしれません
04:22
Besides the known Higgs state,
既知のヒッグスの状態以外の
04:25
there could be a second state in which the Higgs field
もう1つの状態のヒッグス場は
04:28
is billions and billions times denser
現在見られるより何十億倍の
そのまた何十億倍もの高密度で
04:31
than what we observe today,
現在見られるより何十億倍の
そのまた何十億倍もの高密度で
04:34
and the mere existence of another state
この様なヒッグス場存在そのものが
04:36
of the Higgs field poses a potential problem.
問題であるかもしれません
04:40
This is because, according to the laws
なぜなら量子力学の法則によると
04:44
of quantum mechanics, it is possible
2つの状態を隔てる
04:47
to have transitions between two states,
エネルギー障壁があっても
04:50
even in the presence of an energy barrier
その2つの状態の間に —
04:53
separating the two states,
転移があり得 —
04:56
and the phenomenon is called,
その現象を —
04:59
quite appropriately, quantum tunneling.
とても適切な呼び名ですが
量子トンネル現象と呼びます
05:01
Because of quantum tunneling,
量子トンネル効果で
05:05
I could disappear from this room
私もこの部屋から壁を通り抜け
05:07
and reappear in the next room,
私もこの部屋から壁を通り抜け
05:09
practically penetrating the wall.
隣の部屋に
現れる事があり得はしますが
05:13
But don't expect me to actually perform the trick
今 実際 私がそれをやるのを
期待しないで下さい
05:16
in front of your eyes, because the probability
なぜなら私が壁を通り抜ける
05:19
for me to penetrate the wall is ridiculously small.
その可能性の確率は
驚く程 微々たるもので
05:21
You would have to wait a really long time
起きるのを待っていたら
気の遠くなる程
05:26
before it happens, but believe me,
待たなくてはなりません
05:28
quantum tunneling is a real phenomenon,
とは言っても 量子トンネル効果は
現実の現象です
05:31
and it has been observed in many systems.
あらゆるシステムで見られます
05:34
For instance, the tunnel diode,
例えば トンネルダイオードなどの
05:37
a component used in electronics,
電子機器に使われる部品がそうです
05:39
works thanks to the wonders
量子トンネル効果の
05:42
of quantum tunneling.
驚異の力のお陰です
05:44
But let's go back to the Higgs field.
ヒッグス場にもどります
05:46
If the ultra-dense Higgs state existed,
超高密度のヒッグス場が
存在するなら
05:49
then, because of quantum tunneling,
量子トンネル効果で —
05:53
a bubble of this state could suddenly appear
ある時 宇宙のある場所で
この凝縮状態の泡が
05:56
in a certain place of the universe at a certain time,
突然現れる事が
あるかもしれません
05:59
and it is analogous to what happens when you boil water.
それは水が
沸騰するのに似ていて
06:03
Bubbles of vapor form inside the water,
水蒸気の泡が水の中に出来
06:06
then they expand, turning liquid into gas.
膨張し液体が気体になるように
06:09
In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state
量子トンネル効果により
超高密度のヒッグス状態の泡が
06:13
could come into existence because of quantum tunneling.
現れるかもしれません
06:18
The bubble would then expand at the speed of light,
この泡は光速で膨張し
06:22
invading all space, and turning the Higgs field
空間を満たし
ヒッグス場を それまでの状態から
06:24
from the familiar state into a new state.
新しい状態へと変えます
06:28
Is this a problem? Yes, it's a big a problem.
これは問題でしょうか?
そうです 大きな問題です
06:31
We may not realize it in ordinary life,
普段 生活では
気がつかないでしょうが
06:36
but the intensity of the Higgs field is critical
ヒッグス場の強度は
物質構成に
06:38
for the structure of matter.
決定的に作用します
06:42
If the Higgs field were only a few times more intense,
もしヒッグス場が
ほんの数倍強かったなら
06:44
we would see atoms shrinking, neutrons decaying
原子は収縮し
06:48
inside atomic nuclei, nuclei disintegrating,
原子核内で中性子は崩壊し
原子核はバラバラになり
06:51
and hydrogen would be
水素だけが
06:55
the only possible chemical element in the universe.
宇宙の元素となるでしょう
06:57
And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state,
超高密度のヒッグス状態での
ヒッグス場は
07:02
is not just a few times more intense than today,
今より数倍の強度だけでなく
07:05
but billions of times,
何十億倍も強いものです
07:08
and if space-time were filled by this Higgs state,
もし時空がこのヒッグス状態で
埋まっているなら
07:11
all atomic matter would collapse.
原子物質は全て
崩壊するでしょう
07:14
No molecular structures would be possible, no life.
どんな分子構造ももちろん
生命などあり得ないでしょう
07:17
So, I wonder, is it possible
それで未来には
ヒッグス場が相転移を起こし
07:22
that in the future, the Higgs field
量子トンネル効果の結果
07:25
will undergo a phase transition and,
このように大変な
07:27
through quantum tunneling, will be transformed
超高密度の状態に
07:30
into this nasty, ultra-dense state?
変わる事があり得るか?
07:33
In other words, I ask myself, what is the fate
言い換えると
我われの住む宇宙の
07:38
of the Higgs field in our universe?
ヒッグス場の運命を
疑問に思うわけです
07:41
And the crucial ingredient necessary
この質問の答の
07:44
to answer this question is the Higgs boson mass.
決定的要因は
ヒッグス粒子の質量です
07:47
And experiments at the LHC found that the mass
LHCでの実験で
ヒッグス粒子の質量は
07:51
of the Higgs boson is about 126 GeV.
約126 GeV だと分りました
07:55
This is tiny when expressed in familiar units,
日常使われている
単位からすると
07:59
because it's equal to something like
10⁻²²グラム位にしか
08:02
10 to the minus 22 grams,
匹敵しない
小さなものですが
08:04
but it is large in particle physics units,
1本のDNAを構成する
総分子の重さと等しいので
08:06
because it is equal to the weight
素粒子物理学の単位では
08:10
of an entire molecule
素粒子物理学の単位では
08:12
of a DNA constituent.
大きなものです
08:14
So armed with this information from the LHC,
LHCからの情報を使い
08:17
together with some colleagues here at CERN,
CERNの仲間と共に
08:20
we computed the probability
私たちの宇宙が
08:22
that our universe could quantum tunnel
超高密度のヒッグス場に
08:24
into the ultra-dense Higgs state,
量子トンネル現象を
起こす確率を計算したら
08:27
and we found a very intriguing result.
面白い結果がでました
08:30
Our calculations showed
計算されたヒッグス粒子の —
08:34
that the measured value of the Higgs boson mass
質量はとても特別なものだと —
08:36
is very special.
分ったのです
08:39
It has just the right value
宇宙を不安定な状態に
しておくのに —
08:41
to keep the universe hanging
その質量は丁度の値なのです
08:44
in an unstable situation.
その質量は丁度の値なのです
08:47
The Higgs field is in a wobbly configuration
ヒッグス場は今まで
何とか存在して来た様な —
08:49
that has lasted so far
不安定な状態にありますが —
08:52
but that will eventually collapse.
いつかは崩壊するでしょう
08:54
So according to these calculations,
計算によると 私たちは
08:57
we are like campers
計算によると 私たちは
09:01
who accidentally set their tent
崖の上にテントを張った
キャンパーの様なものです
09:03
at the edge of a cliff.
崖の上にテントを張った
キャンパーの様なものです
09:05
And eventually, the Higgs field
最後にはヒッグス場は —
09:07
will undergo a phase transition
相転移を起こし —
09:09
and matter will collapse into itself.
物質は自己崩壊するでしょう
09:11
So is this how humanity is going to disappear?
これが人類滅亡のシナリオでしょうか?
09:14
I don't think so.
そうではないと思います
09:17
Our calculation shows that quantum tunneling
計算では ヒッグス場の
量子トンネル現象は
09:19
of the Higgs field is not likely to occur
10¹⁰⁰年内には起らない見込みです
09:22
in the next 10 to the 100 years,
10¹⁰⁰年内には起らない見込みです
09:26
and this is a very long time.
随分先の話です
09:29
It's even longer than
それはイタリアが
09:32
the time it takes for Italy to form a stable government.
安定した政府を築くより
ずっと先の話です
09:34
(Laughter)
(笑)
09:38
Even so, we will be long gone by then.
そうだとしても
それまでには人類は絶えているでしょう
09:40
In about five billion years,
今から約50億年後には
09:44
our sun will become a red giant,
私たちの太陽は赤色巨星になり
09:47
as large as the Earth's orbit,
地球軌道に迫るほど膨張します
09:49
and our Earth will be kaput,
そうなれば 地球はおしまいです
09:52
and in a thousand billion years,
1兆年後には —
09:55
if dark energy keeps on fueling
暗黒エネルギーが
今の割合で
09:57
space expansion at the present rate,
宇宙の拡張を加速していれば
10:00
you will not even be able to see as far as your toes,
周りのすべてが光速より速く
拡張しているでしょうから
10:02
because everything around you
私たちは自分の足元さえ
10:07
expands at a rate faster than the speed of light.
見ることはできないでしょう
10:08
So it is really unlikely
なので 人類は
10:12
that we will be around to see the Higgs field collapse.
ヒッグス場の崩壊を
見る事はあり得ないでしょう
10:14
But the reason why I am interested
ヒッグス場の転移に
10:18
in the transition of the Higgs field
私が関心を持つ理由は
10:21
is because I want to address the question,
ヒッグス粒子の質量が
10:23
why is the Higgs boson mass so special?
なぜそのような特別な値をしているか
と問いかけたいからです
10:27
Why is it just right to keep the universe
なぜその質量の値が宇宙を —
10:32
at the edge of a phase transition?
相転移の瀬戸際の状態に
して置くのに丁度なのでしょう
10:35
Theoretical physicists always ask "why" questions.
理論物理学者は常に
「なぜ」という質問を持ちます
10:38
More than how a phenomenon works,
現象がなぜ
起きるかというよりも
10:42
theoretical physicists are always interested in
理論物理学者が関心を持つのは
10:45
why a phenomenon works in the way it works.
現象がなぜ その様に起きるか
ということです
10:47
We think that this these "why" questions
この「なぜ」という質問は
自然の根本的原理に関しての —
10:50
can give us clues
この「なぜ」という質問は
自然の根本的原理に関しての —
10:54
about the fundamental principles of nature.
ヒントをもたらしてくれると
理論物理学者は思うからです
10:55
And indeed, a possible answer to my question
実際 私の質問への答えは
10:59
opens up new universes, literally.
文字通り 新しい複数の宇宙へと
導いてくれるでしょう
11:03
It has been speculated that our universe
私たちの宇宙は
泡だった石鹸のような
11:07
is only a bubble in a soapy multiverse
多元宇宙の中の
たった1つの宇宙にしかすぎず
11:11
made out of a multitude of bubbles,
その1つ1つの泡は
11:15
and each bubble is a different universe
独自の基本的な物理定数や
11:17
with different fundamental constants
物理の法則があると
11:20
and different physical laws.
憶測されています
11:22
And in this context, you can only talk about
こう考えると
ヒッグス粒子の質量といっても
11:23
the probability of finding a certain value of the Higgs mass.
ある特定の値を発見する確率を
語ることしか今出来ません
11:25
Then the key to the mystery
その神秘の鍵は —
11:30
could lie in the statistical properties
多元宇宙の統計的特性に —
11:32
of the multiverse.
あるかもしれません
11:36
It would be something like what happens
それはビーチの砂浜で —
11:38
with sand dunes on a beach.
起きてる事に似ています
11:40
In principle, you could imagine to find sand dunes
原理的にはビーチに
あらゆる傾斜角を有する
11:43
of any slope angle in a beach,
砂丘が存在するはずですが
11:45
and yet, the slope angles of sand dunes
しかし 典型的な傾斜角は
11:48
are typically around 30, 35 degrees.
30度から35度です
11:52
And the reason is simple:
その簡単な理由は
11:56
because wind builds up the sand, gravity makes it fall.
風が砂を積み上げ その後
重力で又滑り落ちるからです
11:57
As a result, the vast majority of sand dunes
その結果 砂丘の山の大半は
12:01
have slope angles around the critical value,
崩壊寸前の臨界値に
近い角度の傾斜にあるのです
12:04
near to collapse.
崩壊寸前の臨界値に
近い角度の傾斜にあるのです
12:08
And something similar could happen
多元宇宙のヒッグス粒子にも
12:10
for the Higgs boson mass in the multiverse.
同じ様なことが
起きているかもしれません
12:13
In the majority of bubble universes,
多元宇宙の殆どでは
12:17
the Higgs mass could be around the critical value,
ヒッグス粒子の質量は臨界値 に近く
12:20
near to a cosmic collapse of the Higgs field,
ヒッグス場の宇宙崩壊寸前の
値なのかもしれません
12:23
because of two competing effects,
2つの競合する影響の結果
12:27
just as in the case of sand.
砂丘と似た現象が
起こっているのかもしれません
12:29
My story does not have an end,
この話の終わりは
まだ分らないので —
12:32
because we still don't know the end of the story.
これで終わりではありません
12:35
This is science in progress,
進行中の科学です
12:39
and to solve the mystery, we need more data,
この謎を解くには
まだもっとデーターが必要です
12:42
and hopefully, the LHC will soon add new clues
LHCが すぐに
新しい手がかりを
12:46
to this story.
もたらしてくれることを
期待します
12:51
Just one number, the Higgs boson mass,
ヒックス粒子の質量
ただこの数字だけですが
12:54
and yet, out of this number we learn so much.
これから分る事が多いのです
12:57
I started from a hypothesis, that the known particles
今まで探索された
範囲を超えてでも
13:03
are all there is in the universe,
宇宙にある素粒子は
13:06
even beyond the domain explored so far.
既知のものだけという
仮定から始めました
13:08
From this, we discovered that the Higgs field
これから分ったことは
時空を埋め尽くすヒッグス場は
13:10
that permeates space-time may be standing
宇宙崩壊寸前の
13:14
on a knife edge, ready for cosmic collapse,
非常に不安定な状態に
あるかもしれないことであり
13:18
and we discovered that this may be a hint
また私たちの宇宙は
多元宇宙という
13:22
that our universe is only a grain of sand
巨大なビーチの砂の1粒
でしかないのでは —
13:26
in a giant beach, the multiverse.
という手掛かりを得ました
13:30
But I don't know if my hypothesis is right.
この仮説が
正しいかどうか分りません
13:33
That's how physics works: A single measurement
これが物理の世界です
たった1つの測定値が
13:37
can put us on the road to a new understanding
新しい宇宙の理解への道を
開いてくれるか
13:40
of the universe
新しい宇宙の理解への道を
開いてくれるか
13:43
or it can send us down a blind alley.
我々を行き詰まらせてしまうかです
13:45
But whichever it turns out to be,
どちらにせよ —
13:48
there is one thing I'm sure of:
はっきり言える事は1つ —
13:50
The journey will be full of surprises.
これからの探求の旅は
驚きで満たされているでしょう
13:54
Thank you.
有り難うございました
13:57
(Applause)
(拍手)
13:58
Translated by Reiko O Bovee
Reviewed by Tomoyuki Suzuki

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About the Speaker:

Gian Giudice - Theoretical physicist
Gian Giudice is a theoretical physicist who has contributed greatly to our present understanding of particle physics and cosmology.

Why you should listen

Gian Giudice is a permanent member of CERN's group for theoretical physics. He has researched topics like supersymmetry, extra dimensions and dark matter, and has formulated theories that describe the earliest stages of the universe and that apply our knowledge of the particle world to smaller distances.

As author of the popular book, A Zeptospace Odyssey, Giudice is active in communicating the complex work of the Large Hadron Collider to the public. Meant for the lay reader, the book shares both the innovations needed to build the LHC and the theories it was created to prove. After the Higgs boson discovery, Giudice found the surprising result that, if the Standard Model continues to hold up at very small distances, the universe must be in a critical state, near to a phase transition that could lead to the collapse of all atomic matter. Luckily, in his TED Talk, he shares that this would happen very, very, very far in the future.

More profile about the speaker
Gian Giudice | Speaker | TED.com