Симметрия и Стандартная модель

Подобным же образом для того, чтобы понять, как выглядят параллельные вселенные, мы для начала должны понять симметрию сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Например, сильное взаимодействие основано на трех кварках, которые ученые метят, символически приписывая им «цвета» (например, красный, белый и синий). Мы хотим, чтобы уравнения оставались неизменными, если поменяем местами эти три цветных кварка. Мы говорим, что уравнения обладают симметрией SU (3), то есть они останутся неизменными, если мы перемешаем эти три кварка. Ученые считают, что теория, обладающая симметрией SU (3), представляет наиболее точное описание сильных взаимодействий (называемое квантовой хромодинамикой). Если бы у нас был гигантский суперкомпьютер, то только по массам кварков и силе их взаимодействия мы теоретически могли бы вычислить все свойства протона и нейтрона и все характеристики ядерной физики.

Пусть у нас есть два лептона – электрон и нейтрино. Если мы поменяем их местами в уравнении, то у нас будет симметрия SU (2). Мы можем добавить свет, группа симметрии которого U (1). (Эта группа симметрии меняет местами между собой различные составляющие или поляризацию света.) Таким образом, группой симметрии слабого и электромагнитного взаимодействия является SU (2) ? U (1).

Если мы просто «склеим» эти три теории, то получим (и это неудивительно) симметрию SU (3) ? SU (2) ? U (l), иными словами, симметрию, которая отдельно «склеивает» три кварка между собой и отдельно два лептона между собой (но не смешивает кварки и лептоны). В результате получим теорию Стандартной модели – возможно, одну из наиболее успешных теорий в истории человечества. Как утверждает Гордон Кейн из Мичиганского университета: «Все, что происходит в нашем мире (кроме воздействия гравитации), проистекает из взаимодействия частиц согласно Стандартной модели»{62}. Некоторые из ее положений были экспериментально проверены в лабораторных условиях и оправдались с точностью до одной стомиллионной. (Вообще, физики, которые собрали вместе составляющие Стандартной модели, получили 20 Нобелевских премий[18].)

В конце концов, можно было бы построить теорию, объединяющую сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие в единую симметрию. Простейшая из теорий великого объединения, которая способна на это, меняет местами все пять частиц (три кварка и два лептона) одновременно. В отличие от симметрии Стандартной модели, симметрия великого объединения может перемешивать кварки и лептоны (что означает, что протоны могут распадаться и превращаться в позитроны). Иными словами, в теории великого объединения используется симметрия SU (5) (которая перетасовывает все пять частиц – три кварка и два лептона – между собой). За многие годы было проанализировано много других групп симметрии, но SU (5), видимо, является минимальной группой, которая вписывается в расчетные данные.

Когда происходит спонтанное нарушение, первоначальная симметрия теории великого объединения может разрушиться несколькими путями. В одном случае симметрия теории великого объединения разрушается до SU (3) ? SU (2) ? U (I), где есть ровно 19 параметров, которые необходимы для описания свойств Вселенной. Это известная нам Вселенная. Однако в действительности есть много различных вариантов нарушения симметрии теории великого объединения. В других вселенных наверняка будет наблюдаться совершенно иная остаточная симметрия. Минимальным различием будут отличные от наших значения 19 параметров. Иными словами, действие различных сил будет различаться в разных вселенных, ведя к огромным изменениям в структуре Вселенной. К примеру, ослабив силу ядерного взаимодействия, можно предотвратить образование звезд, что погрузит Вселенную в вечную тьму и сделает невозможной существование в ней. Если силу ядерного взаимодействия увеличить, то звезды могут израсходовать свое ядерное топливо слишком быстро, чтобы успела зародиться какая-либо жизнь.

Группа симметрии может измениться таким образом, что это станет причиной образования совершенно иной вселенной. В некоторых из таких вселенных протон может оказаться неустойчивым и быстро распасться на позитроны. В таких вселенных невозможна известная нам жизнь, они быстро превратятся в безжизненное облако электронов и нейтрино. В других вселенных распад симметрии теории великого объединения может пойти иным путем – будет больше устойчивых частиц, таких как протоны. В такой вселенной могло бы существовать огромное разнообразие новых неизвестных химических элементов. Формы жизни в таких вселенных были бы более сложными, чем в нашей, так как там соединения, подобные ДНК, создавались бы из большего количества элементов.

Мы можем также разбить изначальную симметрию теории великого объединения таким образом, что в результате получим несколько симметрий U (l). Это определит существование нескольких форм света, а не одной. Подобная вселенная действительно была бы удивительной – существа, обитающие в ней, могли бы «видеть», пользуясь не одной, а несколькими силами. В такой вселенной глаза любого живого существа были бы снабжены большим количеством разнообразных рецепторов для улавливания различных видов излучения, подобных световому.

Неудивительно, что существуют сотни, а возможно, бесчисленное множество возможностей разбить эти симметрии на составляющие. В свою очередь, каждое из возможных решений может соответствовать совершенно иной вселенной.