Ідея Мультивсесвіту вельми приваблива, адже все, що нам потрібно зробити, — це припустити, що спонтанне порушення симетрії відбувається безладно. Не потрібно робити жодних інших припущень. Щоразу, коли якийсь всесвіт утворює бруньку іншого всесвіту, фізичні сталі відхиляються від початкових, створюючи нові закони фізики. Якщо це справді так, то в кожному новому всесвіті може виникнути цілком нова реальність. Але тут постає приголомшливе запитання: який вигляд мають ці інші всесвіти? Ключем до розуміння фізики паралельних всесвітів є знання того, як ці всесвіти створені, тобто точне розуміння того, як відбувається спонтанне порушення.
Коли відбувається спонтанне порушення і виникає всесвіт, це також порушує симетрію початкової теорії. Для фізика краса — це симетрія і простота. Якщо теорія досконала, це означає, що в ній закладено абсолютну симетрію, яка може пояснити безліч даних найстислішим і найекономнішим способом. Точніше, рівняння вважається досконалим, якщо воно залишається незмінним, коли ми міняємо його члени місцями. Запорукою виявлення прихованої в природі симетрії є те, що явища, які здаються різними, за своєю суттю є проявами одного й того самого та пов’язані між собою симетрією. Наприклад, ми можемо показати, що електрика і магнетизм насправді є різними аспектами одного й того самого явища, оскільки існує симетрія, яка може зробити їх взаємозамінними в межах рівнянь Максвелла. Подібним чином Ейнштейн довів, що теорія відносності може перетворювати простір на час і навпаки, оскільки вони є частинами цілого — тканини простору-часу.
Уявіть сніжинку, у якій ми бачимо досконалу шестикратну симетрію, джерело нескінченного захоплення. Суть краси сніжинки полягає в тому, що вона не змінюється при повороті на 60 градусів. Це також означає, що будь-яке рівняння, яке ми складемо для опису сніжинки, має відображати той факт, що вона залишається незмінною при повороті на кількість градусів, кратну 60. Математично ми кажемо, що сніжинка має симетрію $C_6.$
У симетрії закодована краса природи. Але насправді сьогодні симетрії порушені. Чотири фундаментальні взаємодії Всесвіту зовсім не схожі одна на одну. По суті, Всесвіт сповнений неоднорідностей і дефектів; нас оточують уламки та осколки початкової фундаментальної симетрії, вщент розбитої Великим вибухом. Таким чином, ключем до розуміння можливих паралельних всесвітів є розуміння «порушення симетрії» — тобто того, як ці симетрії могли порушитися після Великого вибуху. Як сказав Девід Гросс: «Секрет природи — симетрія, але значна частина структури світу є наслідком порушення симетрії».
Уявіть, що гарне дзеркало розбивається на тисячі осколків. Початкове дзеркало мало досконалу симетрію. Але коли воно розбилося, початкова симетрія виявилася втраченою. Визначивши, як саме порушена симетрія, можна зрозуміти, як розбилося дзеркало.
Порушення симетрії
Щоб зрозуміти цей факт, замисліться над розвитком ембріона. На ранніх стадіях, тобто через кілька днів після зачаття, ембріон — це досконала сфера, що складається з клітин. Кожна клітина нічим не відрізняється від решти. Сфера виглядає однаково, з якого б боку ми на неї не поглянули. Фізики стверджують, що в цьому випадку ембріон має симетрію $O(3),$ тобто залишається незмінним, навколо якої б осі ви його не обертали.
Хоча ембріон прекрасний і витончений, він доволі марний. Будучи досконалою сферою, він не може виконувати жодної корисної функції або взаємодіяти з довкіллям. Однак з часом ембріон порушує цю симетрію: у нього розвиваються крихітна голівка і тіло, і він стає схожим на кеглю. Хоча початкова сферична симетрія порушена, ембріону все ж притаманна залишкова симетрія — він залишається незмінним при обертанні навколо власної осі. Таким чином, він має циліндричну симетрію. Математично це означає, що початкова симетрія $O(З)$ сфери звелася до симетрії $O(2)$ циліндра.
Однак порушення симетрії $O(3)$ могло б відбуватися інакше. Наприклад, у морської зірки немає ані циліндричної, ані двобічної симетрії; натомість при порушенні сферичної симетрії в неї з’являється симетрія $C_5$ (яка залишається незмінною при повороті на 72 градуси), що надає їй форми п’ятикутної зірки. Тобто те, яким чином порушується симетрія $O(3),$ визначає форму організму при народженні.
Учені вважають, що Всесвіт подібним чином зародився в стані ідеальної симетрії, де всі взаємодії були об’єднані в ціле. Всесвіт був досконалим, симетричним, але доволі марним. Те життя, яке нам відоме, не могло б існувати в цьому ідеальному стані. Щоб з’явилося життя, при охолодженні Всесвіту його симетрія мала порушитися.
Симетрія і Стандартна модель
Подібним чином для того, щоб зрозуміти, який вигляд мають паралельні всесвіти, ми спочатку повинні зрозуміти симетрію сильної, слабкої та електромагнітної взаємодій. Наприклад, сильна взаємодія ґрунтується на трьох кварках, які вчені позначають, символічно приписуючи їм «кольори» (наприклад, червоний, білий і синій). Ми хочемо, щоб рівняння залишалися незмінними, якщо поміняємо місцями ці три кольорові кварки. Ми кажемо, що рівняння мають симетрію $SU(3),$ тобто вони залишаться незмінними, якщо ми перемішаємо ці три кварки. Учені вважають, що теорія, яка має симетрію $SU(3),$, дає найточніший опис сильних взаємодій (який називають «квантовою хромодинамікою»). Якби ми мали гігантський суперкомп’ютер, то лише за масами кварків і силою їхньої взаємодії ми теоретично могли б обчислити всі властивості протона й нейтрона та всі характеристики ядерної фізики.
Нехай ми маємо два лептони — електрон і нейтрино. Якщо ми поміняємо їх місцями в рівнянні, то матимемо симетрію $SU(2).$ Ми можемо додати світло, група симетрії якого $U(1).$ (Ця група симетрії міняє місцями різні складові, або поляризації світла.) Таким чином, групою симетрії слабкої та електромагнітної взаємодій є $SU(2)\times U( 1).$
Якщо ми просто «склеїмо» ці три теорії, то отримаємо (і це не дивно) симетрію $SU(3)\times SU(2)\times U(l),$ — інакше кажучи, симетрію, яка окремо «склеює» між собою три кварки й окремо два лептони (але не змішує кварки та лептони). У результаті ми отримали теорію Стандартної моделі — можливо, однієї з найуспішніших теорій в історії людства. Як стверджує Гордон Кейн з Мічиганського університету: «Усе, що відбувається в нашому світі (крім впливу гравітації), походить із взаємодії частинок згідно зі Стандартною моделлю». Деякі з її положень були експериментально перевірені в лабораторних умовах і підтвердилися з точністю до однієї стомільйонної. (Загалом фізики, які зібрали воєдино складові Стандартної моделі, отримали 20 Нобелівських премій.)
Зрештою можна було б побудувати теорію, що об’єднує сильну, слабку та електромагнітну взаємодії в єдину симетрію. Найпростіша з теорій Великого об’єднання, здатна на це, міняє місцями всі п’ять частинок (три кварки й два лептони) одночасно. На відміну від симетрії Стандартної моделі, симетрія Великого об’єднання може перемішувати кварки й лептони (що означає, що протони можуть розпадатися і перетворюватися на електрони). Інакше кажучи, у теорії Великого об’єднання використовується симетрія $SU(5)$ (яка перетасовує між собою всі п’ять частинок — три кварки й два лептони). За багато років було проаналізовано багато інших груп симетрії, але $SU(5),$, мабуть, є мінімальною групою, що узгоджується з розрахунковими даними.
Коли відбувається спонтанне порушення, початкова симетрія ТВО може порушитися кількома шляхами. В одному випадку симетрія ТВО порушується до $SU(3)\times SU(2)\times U( 1),$, де є рівно 19 параметрів, необхідних нам для опису властивостей Всесвіту. Це описує властивості відомого Всесвіту. Однак насправді є багато різних варіантів порушення симетрії ТВО. В інших всесвітах напевно спостерігатиметься зовсім інша залишкова симетрія. Мінімальною відмінністю будуть відмінні від наших значення 19 параметрів. Інакше кажучи, дія різних сил буде різною в різних всесвітах, призводячи до величезних змін у структурі Всесвіту. Наприклад, послабивши силу ядерної взаємодії, можна запобігти утворенню зір, що занурить Всесвіт у вічну темряву й унеможливить існування в ньому. Якщо силу ядерної взаємодії збільшити, то зорі можуть витратити своє ядерне паливо надто швидко, щоб устигло зародитися будь-яке життя.
Група симетрії може змінитися так, що це спричинить утворення зовсім іншого всесвіту. У деяких із таких всесвітів протон може виявитися нестійким і швидко розпастися на позитрони. У таких всесвітах неможливе відоме нам життя, вони швидко розпадуться на неживу хмару електронів і нейтрино. В інших всесвітах порушення симетрії ТВО може піти іншим шляхом — буде більше стійких частинок, таких як протони. У такому всесвіті могло б існувати величезне розмаїття нових невідомих хімічних елементів. Форми життя в таких всесвітах були б складнішими, ніж у нашому, оскільки там сполуки, подібні до ДНК, утворювалися б із більшої кількості елементів.
Ми також можемо розбити початкову симетрію ТВО так, що в результаті отримаємо кілька симетрій $U(l).$ Це визначить існування кількох форм світла, а не однієї. Такий Всесвіт справді був би дивовижним — істоти, що мешкають у ньому, могли б «бачити», користуючись не однією, а кількома силами. У такому Всесвіті очі будь-якої живої істоти були б оснащені великою кількістю різноманітних рецепторів для вловлювання різних видів випромінювання, подібних до світла. Не дивно, що існують сотні, а можливо, і незліченна кількість способів розбити ці симетрії на складові. Своєю чергою, кожен із можливих розв’язків може відповідати зовсім іншому всесвіту.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):