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No one knows the answers

dilluns, 11/02/2019


On a typical day at school, endless hours are spent learning the answers to questions, but right now, we’ll do the opposite. We’re going to focus on questions where you can’t learn the answers because they’re unknown. I used to puzzle about a lot of things as a boy, for example: What would it feel like to be a dog? Do fish feel pain? How about insects? Was the Big Bang just an accident? And is there a God? And if so, how are we so sure that it’s a He and not a She? Why do so many innocent people and animals suffer terrible things? Is there really a plan for my life? Is the future yet to be written, or is it already written and we just can’t see it? But then, do I have free will? I mean, who am I anyway? Am I just a biological machine? But then, why am I conscious? What is consciousness? Will robots become conscious one day? I mean, I kind of assumed that some day I would be told the answers to all these questions. Someone must know, right? Guess what? No one knows. Most of those questions puzzle me more now than ever. But diving into them is exciting because it takes you to the edge of knowledge, and you never know what you’ll find there. So, two questions that no one on Earth knows the answer to.


[How many universes are there?]
Sometimes when I’m on a long plane flight, I gaze out at all those mountains and deserts and try to get my head around how vast our Earth is. And then I re-member that there’s an object we see every day that would literally fit one million Earths inside it: the Sun. It seems impossibly big. But in the great scheme of things, it’s a pinprick, one of about 400 billion stars in the Milky Way galaxy, which you can see on a clear night as a pale white mist stretched across the sky. And it gets worse. There are maybe 100 billion galaxies detectable by our telescopes. So if each star was the size of a single grain of sand, just the Milky Way has enough stars to fill a 30-foot by 30-foot stretch of beach three feet deep with sand. And the entire Earth doesn’t have enough beaches to represent the stars in the overall universe. Such a beach would continue for literally hundreds of millions of miles. Holy Stephen Hawking, that is a lot of stars. But he and other physicists now believe in a reality that is unimaginably bigger still. I mean, first of all, the 100 billion galaxies within range of our tele-scopes are probably a minuscule fraction of the total. Space itself is expanding at an accelerating pace. The vast majority of the galaxies are separating from us so fast that light from them may never reach us. Still, our physical reality here on Earth is intimately connected to those distant, invisible galaxies. We can think of them as part of our universe. They make up a single, giant edifice obeying the same physical laws and all made from the same types of atoms, electrons, protons, quarks, neutrinos, that make up you and me.However, recent theories in physics, including one called string theory, are now telling us there could be countless other universes built on different types of particles, with different properties, obeying different laws. Most of these universes could never support life, and might flash in and out of exis-tence in a nanosecond. But nonetheless, combined, they make up a vast multiverse of possible universes in up to 11 dimensions, featuring wonders beyond our wildest imagination. The leading version of string theory predicts a multiverse made up of 10 to the 500 unive-rses. That’s a one followed by 500 zeros, a number so vast that if every atom in our observable universe had its own universe, and all of the atoms in all those universes each had their own universe, and you repeated that for two more cycles, you’d still be at a tiny fraction of the total, namely, one trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillion trillionth.


But even that number is minuscule compared to another number: infinity. Some physicists think the space-time continuum is literally infinite and that it contains an infinite number of so-called pocket universes with varying properties. How’s your brain doing?Quantum theory adds a whole new wrinkle. I mean, the theory’s been proven true beyond all doubt, but interpreting it is baffling, and some physicists think you can only un-baffle it if you imagine that huge numbers of parallel universes are being spawned every moment, and many of these universes would actually be very like the world we’re in, would include multiple copies of you. In one such universe, you’d graduate with honors and marry the person of your dreams, and in another, not so much. Well, there are still some scientists who would say, hogwash. The only meaningful answer to the question of how many universes there are is one. Only one universe. And a few philosophers and mystics might argue that even our own universe is an illusion. So, as you can see, right now there is no agreement on this question, not even close. All we know is the answer is somewhere between zero and infinity.Well, I guess we know one other thing. This is a pretty cool time to be studying physics. We just might be undergoing the biggest paradigm shift in knowledge that humanity has ever seen.


[Why can’t we see evidence of alien life?]

Somewhere out there in that vast universe there must surely be countless other planets teeming with life. But why don’t we see any evidence of it? Well, this is the famous question asked by Enrico Fermi in 1950: Where is everybody? Conspiracy theorists claim that UFOs are visiting all the time and the reports are just being covered up, but honestly, they aren’t very convincing. But that leaves a real riddle. In the past year, the Kepler space observatory has found hundreds of planets just around nearby stars. And if you extrapolate that data, it looks like there could be half a trillion planets just in our own galaxy. If any one in 10,000 has conditions that might support a form of life, that’s still 50 million possible life-harboring planets right here in the Milky Way. So here’s the riddle: our Earth didn’t form until about nine billion years after the Big Bang. Countless other planets in our galaxy should have formed earlier, and given life a chance to get underway billions, or certainly many millions of years earlier than happened on Earth. If just a few of them had spawned intelligent life and started creating technologies, those technologies would have had millions of years to grow in complexity and power. On Earth, we’ve seen how dramatically technology can accelerate in just 100 years. In millions of years, an intelligent alien civili-zation could easily have spread out across the galaxy, perhaps creating giant energy-harvesting artifacts or fleets of colonizing spaceships or glorious works of art that fill the night sky. At the very least, you’d think they’d be revealing their presence, deliberately or otherwise, through electromagnetic signals of one kind or another.

And yet we see no convincing evidence of any of it. Why? Well, there are numerous possible answers, some of them quite dark. Maybe a single, superintelligent civilization has indeed taken over the galaxy and has imposed strict radio silence because it’s paranoid of any potential compe-titors. It’s just sitting there ready to obliterate anything that becomes a threat. Or maybe they’re not that inte-lligent, or perhaps the evolution of an intelligence capa-ble of creating sophisticated technology is far rarer than we’ve assumed. After all, it’s only happened once on Earth in four billion years. Maybe even that was incre-dibly lucky. Maybe we are the first such civilization in our galaxy. Or, perhaps civilization carries with it the seeds of its own destruc-tion through the inability to control the technologies it creates. But there are numerous more hopeful answers. For a start, we’re not looking that hard, and we’re spending a pitiful amount of money on it. Only a tiny fraction of the stars in our galaxy have really been looked at closely for signs of interesting signals. And perhaps we’re not looking the right way. Maybe as civilizations develop, they quickly discover communi-cation technologies far more sophis-ticated and useful than electromagnetic waves. Maybe all the action takes place inside the mysterious recently discovered dark matter, or dark energy, that appear to account for most of the universe’s mass. Or, maybe we’re looking at the wrong scale. Perhaps intelligent civilizations come to realize that life is ultimately just complex patterns of information interacting with each other in a beautiful way, and that that can happen more efficiently at a small scale. So, just as on Earth, clunky stereo systems have shrunk to beautiful, tiny iPods, maybe intelligent life itself, in order to reduce its footprint on the enviro-nment, has turned itself micros-copic. So the Solar System might be teeming with aliens, and we’re just not noticing them. Maybe the very ideas in our heads are a form of alien life. Well, okay, that’s a crazy thought. The aliens made me say it. But it is cool that ideas do seem to have a life all of their own and that they outlive their creators. Maybe bio-logical life is just a passing phase. Well, within the next 15 years, we could start seeing real spec-troscopic information from pro-mising nearby planets that will reveal just how life-friendly they might be.

And meanwhile, SETI, the Search for Extrate-rrestrial Intelligence, is now releasing its data to the public so that millions of citizen scientists, maybe including you, can bring the power of the crowd to join the search. And here on Earth, ama-zing experiments are being done to try to create life from scratch, life that might be very different from the DNA forms we know. All of this will help us understand whether the universe is teeming with life or whether, indeed, it’s just us. Either answer, in its own way, is awe-inspiring, because even if we are alone, the fact that we think and dream and ask these questions might yet turn out to be one of the most important facts about the universe. And I have one more piece of good news for you. The quest for knowledge and understan-ding never gets dull. It doesn’t. It’s actually the opposite. The more you know, the more amazing the world seems. And it’s the crazy possibi-lities, the unanswered questions, that pull us forward. So stay curious.

En un dia normal de col·legi, passem hores intermi-nables aprenent respostes a preguntes, però ara mateix, farem el contrari. Ens centrarem en preguntes on no es pot aprendre la resposta perquè és desconeguda. Solia pensar en moltes coses quan era xiquet, per exemple: Com em sentiria si fos un gos? Els peixos senten dolor? I els insectes? El Big Bang va ser només un accident? Existeix Deu? I si és així, com podem estar segurs que és un deu i no una deessa? Per què tanta gent innocent i tants animals pateixen tant? Hi ha realment un pla per a la meua vida? El futur està per escriure, o ja ha estat escrit i simplement no el podem veure? Però aleshores, tinc lliure voluntat? Vull dir, qui sóc realment? Sóc no-més una màquina biològica? Però aleshores, per què tinc consciència? Què és la consciència? Els robots arri-baran a tindre consciència? Pensava que algun dia em dona-rien les respostes a totes aquestes preguntes. Algú ha de saber-les, no? Sabeu què? Ningú les sap. Moltes d’aquestes preguntes m’intriguen ara més que mai. Però explorar-les és emocionant perquè ens porta als límits del coneixement, i mai sabem el que hi trobarem. Així doncs, dues preguntes que ningú del món sap respondre.


[Quants universos hi ha?]
De vegades durant un llarg vol mire totes eixes muntanyes i deserts i tracte de fer-me la idea de com de gran és la nostra Terra. I després recorde que hi ha un objecte que veiem tots els dies dins del qual caben literalment un milió de Terres: el Sol. Sembla impossiblement gran. Però en comparació, és el forat d’una agulla, un dels 400 mil milions d’estels de la Via Làctia, que pots veure en una nit clara com una boira pàl·lida i blanca estesa al llarg del cel. I encara més. Potser hi ha 100 mil milions de galàxies detectables pels nostres telescopis. Així que si cada estel fóra com un gra d’arena, hi ha prou estels a la Via Làctia per a omplir de sorra un tram de platja de 9 per 9 metres i d’un metre de fondària. I en tota la Terra no hi ha prou platges per a representar tots els estels de l’univers. Una platja així s’estendria cents de millions de metres. Per Stephen Hawking, això són molts estels! Però ell i altres físics creuen en una realitat que encara és inimaginablement més gran. Primer, els 100 mil milions de galàxies a l’abast dels nostres telescopis són probablement una minúscula fracció del total. L’espai mateix s’expandeix a un ritme accelerat. La gran majoria de galàxies s’allunyen de nosaltres tan ràpid que potser mai ens n’arribi la llum. Tanmateix, la nostra realitat física a la Terra està íntimament connectada a eixes galàxies distants i invisibles. Podem considerar-les part del nostre univers. Formen un sol edifici gegantí que obeeix les mateixes lleis físiques i és fet dels mateixos tipus d’àtoms, electrons, protons, quarks, neutrins, que ens formen a tu i a mi.Tanmateix, les teories recents en física, inclosa la Teoria de les Cordes, diuen que hi podria haver incomptables altres universos fets de diferents tipus de partícules, amb propietats diferents, i que obeeixen lleis diferents. Molts d’aquests universos potser mai puguin albergar vida, i potser apareixen i s’esvaeixen en un nanosegon. Però malgrat açò, combinats, formen un vast multivers d’universos possibles estesos en 11 dimensions, que ofereixen meravelles que no podem ni imaginar. La versió més acceptada de la Teoria de Cordes prediu un multivers format per 10 elevat a 500 universos. Açò és un 1 seguit de 500 zeros, un nombre tan gran que si cada àtom al nostre univers observable tinguera el seu univers propi, i tots els atoms d’eixos universos tingueren el seu univers propi, i repetires això per dos cicles més, encara estaries en una xicoteta fracció del total, és a dir, un trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió trilió del trilió.


Però eixe nombre és encara minúscul comparat amb un altre nombre: infinit. Alguns físics pensen que el continu espai-temps és literalment infinit i que conté un nombre infinit dels anomenats unive-rsos de butxaca amb propietats variables. Com tens el cap?La teoria quàntica afegeix una nova capa. La teoria s’ha demostrat sense cap mena de dubte, però la seva interpretació és desconcertant, i alguns físics pensen que només es pot comprendre imaginant que un gran nombre d’universos paral·lels neixen a cada moment, i que molts d’aquests universos són proba-blement com el món on vivim, i inclouen múltiples còpies de tu. En un d’aquests universos t’has graduat amb matrícula i t’has casat amb la persona dels teus somnis, i en un altre, no. Encara hi ha científics que dirien “Ximpleries!” L’única resposta significativa a quants universos hi ha és un. Només un univers. I uns quants filòsofs i místics podrien argumentar que fins i tot el nostre univers és una il·lusió. Com podeu veure, ara mateix no hi ha un acord per a aquesta qüestió, ni de lluny. Tot el que sabem és que la resposta està entre zero i infinit. Crec que sabem una cosa més. És bon moment per estudiar física. Potser estem veient el major canvi de paradigma de coneixement que l’humanitat mai haja vist.



[Per què no tenim proves de vida alienígena?]

En algun lloc d’aquest vast univers ha d’haver moltíssims planetes plens de vida. Però per què no en tenim cap prova? És la famosa pregunta que va fer Enrico Fermi el 1950: On està tothom? Els teòrics de la conspiració afirmen que els ovnis ens visiten cons-tantment però ens n’amaguen els informes. Però, realment, no són molt convincents. Però això ens deixa tot un misteri. L’any passat, l’observatori espacial Kepler va trobar cents de planetes al voltant d’estels propers. I si extrapoleu aquestes dades, sembla que podria haver-hi deu mil milions de planetes només a la nostra galàxia. Si 1 de cada 10,000 té condicions per a albergar alguna forma de vida, són 50 milion de possibles planetes portadors de vida ací a la Via Làctia mateix. Aquí rau el misteri: la nostra Terra no es va formar fins uns nou mil milions d’anys després del Big Bang. Abans s’haurien format incomptables planetes a la nostra galàxia, on hi podia haver començar la vida bilions, o molts milions d’anys abans que passara a la Terra. Si només uns quants hagueren desen-volupat vida intel·ligent i començat a crear tecnologies, eixes tecnologies haurien tingut milions d’anys per a créixer en complexitat i poder. A la Terra, hem vist com la tecnologia es pot accelerar dramàticament en només 100 anys. En milions d’anys, una civilització extraterrestre intel·ligent podria haver-se estès fàcilment per tota la galàxia, potser creant dispositius gegants per a obtenir energia o flotes de naus de colonització o glorioses obres d’art que omplin el cel nocturn. Almenys, s’entén que revelarien la seua presència, a propòsit o no, mitjançant senyals electro-magnètiques d’alguna mena.


No obstant això encara no n’hem vist cap prova convincent. Per què? Hi ha moltes respostes possibles, algunes una mica sinistres. Potser una sola civilització superintel·ligent ja haja dominat tota la galàxia i ha imposat un estricte silenci de ràdio perquè tem qualsevol competidor potencial. I tan sols espera, preparada per a neutralitzar qualsevol cosa que siga una amenaça. O potser no són tan intel·ligents, o potser l’evolució d’una intel·ligència capaç de crear tecnologia sofisticada és molt menys freqüent del que pensàvem. De fet, només ha passat una vegada a la Terra en quatre bilions d’anys. I potser això ha estat una sort increïble. Potser som la primera civilització d’eixe tipus a la nostra galàxia. O, potser la civilització comporta les llavors de la seua destrucció per la incapacitat de controlar les tecnologies que ha creat. Però hi ha moltes repostes més esperan-çadores. Per començar, no busquem gaire intensament, i hi invertim una miserable quantitat de diners. Només una petita fracció dels estels de la nostra galàxia han estat realment observats buscant-hi senyals interessants. I potser no estem buscant de la manera correcta. Potser a mesura que una civilització es desenvolupa, descobreix ràpidament tecnologies de comunicació més sofisticades i útils que les ones electromagnètiques. Potser tota la acció tinga lloc dins la misteriosa i recentment descoberta matèria fosca, o energia fosca, que sembla que forma la majoria de la massa de l’univers. O potser estem buscant a una escala incorrecta. Potser les civilitzacions intel·ligents s’adonaren que la vida tan sols són patrons d’informació complexos que interactuen entre ells d’una manera bella, i que això es pot produir més eficientment a petita escala. Com a la Terra els equips de música aparatosos s’han convertit en iPods petits i bufons, potser la vida intel·ligent, per reduir la seua empremta sobre l’entorn, ha esdevingut microscòpica. El Sistema Solar podria estar farcit d’extraterrestres, i simplement no els podem veure. Potser moltes de les idees que tenim al cap són formes de vida alienígena. D’acord, açò és una bogeria. Els extraterrestres m’han fet dir-ho. Però és apassionant que les idees semblin tindre vida pròpia i que sobre-visquin als seus creadors. Potser la vida biològica només és una fase transitòria. Dins dels propers 15 anys, podríem començar a veure informació espectroscòpica real dels planetes més propers i prometedors que en reveli en quina mesura poden albergar vida.

I mentre, SETI, (Búsqueda d’Inteligència Extraterrestre) fa pública la seua informació perquè milions de científics ciutadans, i tu mateix, puguin portar el poder de la multitud a aquesta recerca. I ací a la Terra, es fan experiments impressionants intentant crear vida des de zero, vida que podria ser diferent a les formes d’ADN que coneixem. Tot això ens ajudarà a comprendre si l’univers és farcit de vida o si, en realitat, estem sols. Qualsevol resposta, a la seua manera, ens meravellarà perquè, fins i tot si estem sols, el fet que pensem i somiem i ens fem aquestes preguntes podria convertir-se en un dels fets més importants de l’univers. I tinc una altra bona notícia. La recerca del coneixement i la comprensió mai es fa avorrida. Mai. Realment al contrari. Quant més saps, més impressionant sembla el món. I són les possibilitats esbojarrades, les preguntes sense respondre, el que ens empeny a avançar. Així que, manteniu-vos curiosos.



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Existing on a knife-edge

dimecres, 26/12/2018



So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There’s no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.


But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.


Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.


But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let’s see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.


During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field.And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time,just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.


But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denserthan what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don’t expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.


But let’s go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.



Is this a problem? Yes, it’s a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.



So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it’s equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.



So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation.The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.



So is this how humanity is going to disappear? I don’t think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It’s even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.



Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth’s orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.


But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask “why” questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these “why” questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.



My story does not have an end, because we still don’t know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.


But I don’t know if my hypothesis is right. That’s how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I’m sure of: The journey will be full of surprises.

Thank you.       (Applause)

El año pasado, el 4 de julio, experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, GCH, descubrieron el bosón de Higgs. Fue un día histórico. No hay duda de que de ahora en adelante, el 4 de julio será recordado no como el día de la Declaración de Independencia, sino como el día del Descubrimiento del Bosón de Higgs. Bueno, al menos, aquí en el CERN.

Pero para mí, la mayor sorpresa del día fue que no hubo ninguna gran sorpresa. Para el ojo de un físico teórico, el bosón de Higgs es una explicación inteligente de cómo algunas partículas elementales ganan masa; sin embargo, parece una solución bastante insatisfactoria e incompleta. Quedan muchas preguntas sin responder. El bosón de Higgs no comparte la belleza, la simetría, la elegancia, del resto del mundo de las partículas elementales. Por esta razón, la mayoría de los físicos teóricos cree que el bosón de Higgs no puede ser la historia completa. Esperábamos nuevas partículas y fenómenos acompañando al bosón de Higgs. En cambio, hasta ahora, las mediciones procedentes del GCH no muestran signos de nuevas partículas o fenómenos inesperados.

Por supuesto, la sentencia no es definitiva. En el año 2015, el GCH casi doblará la energía de la colisión de protones, y estas colisiones más poderosas permitirán explorar más el mundo de las partículas, y sin duda aprenderemos mucho más.

Pero por el momento, ya que no se ha encontrado evidencia de nuevos fenómenos, esto nos deja suponer que las partículas que conocemos hoy en día, incluyendo el bosón de Higgs, son las únicas partículas elementales en la naturaleza, incluso a energías mucho mayores que las que hemos explorado hasta ahora. Vamos a ver a donde nos llevará esta hipótesis. Nos encontraremos con un resultado sorprendente y fascinante acerca de nuestro universo; y para explicar mi punto, primero les explicaré qué es el Higgs, y para hacerlo, tenemos que retroceder a un diezmilmillonésimo de segundo después del Big Bang. Y según la teoría de Higgs, en ese instante, se produjo un acontecimiento dramático en el universo. El espacio-tiempo experimentó una transición de fase. Fue algo muy similar a la transición de fase que ocurre cuando el agua se convierte en hielo por debajo de los cero grados. Pero en nuestro caso, la transición de fase no es un cambio en la forma como las moléculas se organizan dentro de la materia, sino que se trata de un cambio de la estructura del espacio-tiempo.


Durante esta transición de fase, el espacio vacío se llenó de una sustancia que ahora llamamos campo de Higgs. Y esta sustancia puede parecer invisible para nosotros, pero tiene una realidad física. Nos rodea todo el tiempo, al igual que el aire que respiramos en esta habitación. Y algunas partículas elementales interactúan con esta sustancia, obteniendo energía en el proceso. Y esta energía intrínseca es lo que llamamos la masa de una partícula, y al descubrir el bosón de Higgs, el GCH ha demostrado concluyentemente que esta sustancia es real, porque las cosas están constituidas por los bosones de Higgs. Y esto, en pocas palabras, es la esencia de la historia de Higgs.


Pero esta historia es mucho más interesante. Mediante el estudio de la teoría de Higgs, físicos teóricos descubrieron, no a través de un experimento sino mediante el poder de las matemáticas, que el campo de Higgs no existe necesariamente solamente en la forma que observamos hoy. Al igual que la materia puede existir como líquido o sólido, el campo de Higgs, la sustancia que llena todo el espacio-tiempo, podría existir en dos estados. Además el estado de Higgs conocido, podría haber adoptado un segundo estado donde el campo de Higgs es miles de millones de veces más denso que lo que observamos hoy en día, y la mera existencia de otro estado del campo de Higgs plantea un problema potencial. Esto es porque, de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica, es posible tener transiciones entre dos estados, incluso en presencia de una barrera de energía que separe los dos estados, un fenómeno llamado, muy apropiadamente, efecto túnel cuántico. Debido al efecto túnel cuántico yo podría desaparecer de esta habitación y aparecer en la habitación de al lado, prácticamente penetrando la pared. Pero no esperen que realice el truco ante sus ojos, porque la probabilidad para mí de atravesar la pared es ridículamente pequeña. Tendrán que esperar mucho tiempo antes de que suceda, pero créanme, el efecto túnel cuántico es un fenómeno real, y se ha observado en muchos sistemas. Por ejemplo, el diodo túnel, un componente usado en electrónica, funciona gracias a las maravillas del efecto túnel cuántico.


Pero volvamos al campo de Higgs. Si existiera el estado Higgs ultra denso, entonces, debido al efecto túnel cuántico, una burbuja de este estado podría aparecer de repente en algún lugar del universo en un momento determinado, lo que es análogo a lo que sucede cuando el agua hierve. Las burbujas de vapor se forman dentro del agua, luego se expanden, convirtiendo líquido en gas. De la misma manera, una burbuja del estado Higgs ultra denso podría venir a la existencia por el efecto túnel cuántico. Luego se expandiría la burbuja a la velocidad de la luz, invadiendo todo el espacio y convirtiendo el campo de Higgs del estado familiar al nuevo estado.


¿Esto es un problema? Sí, es un gran problema. No puede ocurrirnos en la vida cotidiana, pero la intensidad del campo de Higgs es crítica para la estructura de la materia. Si el campo de Higgs fuera un poco más intenso, veríamos átomos encogiéndose, neutrones decayendo dentro de los núcleos atómicos, los núcleos desintegrándose, y el hidrógeno sería el único elemento químico posible en el universo. El campo de Higgs, en su estado de Higgs ultra denso, no solo es un par de veces más intenso que en la actualidad, sino miles de millones de veces, y si el espacio-tiempo se llenara con ese estado de Higgs, toda la materia atómica colapsaría. No existirían estructuras moleculares, ni vida.


Entonces, me pregunto, ¿es posible que en el futuro, el campo de Higgs sufra una transición de fase y, a través del efecto túnel cuántico, se transforme en este estado desagradable, ultra denso? En otras palabras, me pregunto, ¿cuál es el destino del campo de Higgs en nuestro universo? Y el ingrediente crucial necesario para responder a esta pregunta es la masa del bosón de Higgs. Y experimentos en el GCH encontraron que la masa del bosón de Higgs es aproximadamente 126 GeV. Esto es pequeño cuando se expresa en unidades familiares, porque es igual a 10 a la menos 22 gramos. Pero es grande en las unidades de la física de partículas, porque es igual al peso de una molécula entera de un constituyente del ADN.


Armados con esta información del GCH, junto con algunos colegas aquí en el CERN, calculamos la probabilidad de que nuestro universo pudiera atravesar el túnel cuántico al estado de Higgs ultra denso, y hemos encontrado un resultado muy interesante. Nuestros cálculos han demostrado que el valor medido de la masa de bosón de Higgs es muy especial. Tiene justo el valor correcto para mantener suspendido al universo en una situación inestable. El campo de Higgs está en una configuración inestable que se ha mantenido hasta ahora pero que finalmente se derrumbará. Así que según estos cálculos, somos como los campistas que accidentalmente ponen su tienda en el borde de un precipicio. Y finalmente, el campo de Higgs experimentará una transición de fase y la materia se derrumbará en sí misma.


¿Así es cómo la humanidad va a desaparecer? No lo creo. Nuestro cálculo muestra que ese efecto túnel cuántico del campo de Higgs no es probable que se produzca en los próximos 10 a la 100 años y eso es mucho tiempo. Es incluso más que el tiempo que tarda Italia en formar un gobierno estable.



Aún así, para entonces ya nos habremos ido hace tiempo. En unos 5 mil millones de años, nuestro Sol se convertirá en una gigante roja, tan grande como la órbita de la Tierra, y nuestra Tierra será “kaput”, y en un billón de años, si la energía oscura sigue impulsando la expansión del espacio al ritmo actual, ni siquiera podrán ver más allá de sus pies, porque todo a su alrededor se expandirá a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz. Así que es muy poco probable que estemos por allí para ver el colapso del campo de Higgs.


Pero la razón para interesarme en la transición del campo de Higgs es porque quiero abordar la cuestión, ¿por qué es la masa del bosón de Higgs tan especial? ¿Por qué es justo la correcta para mantener el universo en el borde de una transición de fase? Los físicos teóricos siempre preguntan “por qué”. Mucho más que “cómo” funciona un fenómeno, los físicos teóricos siempre están interesados en “por qué” un fenómeno funciona de la manera que funciona. Creemos que estas preguntas de “por qué” nos pueden dar pistas acerca de los principios fundamentales de la naturaleza. Y en efecto, una posible respuesta a mi pregunta abre nuevos universos, literalmente. Se ha especulado que nuestro universo es solo una burbuja en un multiverso jabonoso hecho de una multitud de burbujas, y cada burbuja es un universo diferente con diferentes constantes fundamentales y diferentes leyes físicas. Y en este contexto, solo se puede hablar de la probabilidad de encontrar un determinado valor de la masa de Higgs. Entonces la clave del misterio podría residir en las propiedades estadísticas del multiverso. Sería algo parecido a lo que sucede con las dunas de arena en una playa. En principio, uno podría imaginar encontrar dunas de arena con cualquier ángulo de pendiente en una playa, y sin embargo, los ángulos de inclinación de las dunas de arena típicamente miden alrededor de 30, 35 grados. Y la razón es simple: el viento acumula la arena y la gravedad la hace caer. Como resultado, la mayoría de las dunas de arena tienen ángulos de inclinación alrededor del valor crítico, cerca del colapso. Y algo similar podría suceder para la masa del bosón de Higgs en el multiverso. En la mayoría de los universos burbuja, la masa de Higgs podría estar alrededor del valor crítico, cerca de un colapso cósmico del campo de Higgs, debido a dos efectos en competencia, igual que en el caso de la arena.

Mi historia no tiene un fin, porque aún no sabemos el final de la historia. Esto es ciencia en progreso, y para resolver el misterio, necesitamos más datos, y espero que el GCH pronto añada nuevas pistas a esta historia. Solo un número, la masa del bosón de Higgs, y sin embargo, de este número aprendemos mucho. Yo empecé desde una hipótesis, que las partículas conocidas son todo lo que hay en el universo, incluso más allá del dominio explorado hasta ahora. De esto, descubrimos que el campo de Higgs que impregna el espacio-tiempo puede estar permanentemente al filo de la navaja, listo para el colapso cósmico, y descubrimos que esta puede ser una pista de que nuestro universo es solo un grano de arena en una playa gigante, el multiverso.

Pero no sé si mi hipótesis es correcta. Así es como funciona la física: una sola medición puede ponernos en el camino a una nueva comprensión del universo o nos puede enviar a un callejón sin salida. Pero en cualquier caso de una cosa estoy seguro: El viaje estará lleno de sorpresas.


Earliest Crop Circle?

dimecres, 28/11/2018

By Bob Kingsley
-This article was originally written in 1994-

The Earliest Crop Circle?

How far back in time does the evidence for crop circles go?  almost 2,000 years old.

Precious few references have been found in early historical records that point to possible crop circles. Probably the most renowned is the “Mowing Devil” case of 1678, in which a farmer’s field was said to have been visited by a devilish entity that trampled the crops down in a circle. The event was captured for posterity on a wood engraving, but today’s modern cerealogical sceptics dismiss its relevance. (més…)