Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Представьте себе волчок, крутящийся на столе (рис. 12). Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась».

Подобное спонтанное нарушение симметрии – обычное дело в фундаментальных законах природы. Как иллюстрирует пример с волчком, будет ли система подчиняться симметрии – может зависеть от энергии системы. Волчок, пока обладает достаточной кинетической энергией, симметрии подчиняется. И только когда на трение растрачивается существенное количество энергии, симметрия нарушается.

Рис. 12. Волчок, пока находится в движении, обладает вращательной симметрией. Когда же он растрачивает свою энергию на трение, симметрия нарушается.

То же относится и к фундаментальным симметриям. Энергии, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни, определяются температурой окружающей нас среды. С точки зрения физики элементарных частиц эти энергии ничтожны. Скажем, комнатная температура соответствует примерно 1/40 эВ, что на 14 порядков меньше энергии, затрачиваемой на Большом адронном коллайдере на столкновения протонов. При такой низкой энергии, соответствующей комнатной температуре, большинство фундаментальных симметрий нарушаются. При высоких же энергиях они способны восстанавливаться.

Симметрия электрослабого взаимодействия, например, восстанавливается как раз при энергиях, достигающихся на Большом адронном коллайдере, о чем сигнализирует нам рождение бозона Хиггса.

* * *

Стандартной модели нужны три разные группы симметрии – U(1) и SU(2) для электрослабого взаимодействия и SU(3) для сильного. Это маленькие группы, как видно по небольшим числам в скобках. Но более крупные группы симметрии зачастую содержат в себе несколько групп поменьше, так что одна большая группа, чья симметрия нарушается при высоких энергиях, могла бы породить Стандартную модель при энергиях, которые мы исследуем. Получается, теория Великого объединения – словно некий слон, а у нас сейчас, на низких энергиях, есть от него лишь ухо, хвост и нога. Целиком слон восстановится только при энергии объединения, оцениваемой примерно в 10¹⁶ ГэВ, что на 15 порядков превышает энергии Большого адронного коллайдера.

Сначала для симметрии Великого объединения была предложена самая маленькая группа, содержащая группы симметрии Стандартной модели, – SU(5). Такие объединенные силы в общем случае допускают новые взаимодействия, позволяющие протонам распадаться. А если протоны нестабильны, значит, нестабильны и ядра атомов. В подобных теориях объединения время жизни протона может достигать 10³¹ лет, существенно превышая возраст Вселенной на текущий момент. Однако в соответствии с квантовой механикой это попросту означает, что среднее время жизни протона таково. Раз протоны вообще могут распадаться, значит, это может происходить и быстро – просто быстрые распады будут событиями редкими.

В каждой молекуле воды 10 протонов, а в каждом литре воды около 10²⁵ молекул воды. Поэтому вместо того, чтобы ждать 10³¹ лет, дабы увидеть распад одного протона, мы можем следить за огромным объемом воды, ожидая, пока распадется один из тамошних протонов. Подобные эксперименты проводятся с середины 1980-х годов, но еще никто не засек распада протона. Текущие наблюдения (а точнее, отсутствие оных) намекают на то, что среднее время жизни протона больше 10³³ лет. Так что SU(5) – модель Великого объединения исключается.

Следующей была предложена группа побольше – SO(10), в этой модели объединения верхняя граница для времени жизни протона проходит повыше. С тех пор опробованы были еще несколько групп симметрии, и в некоторых моделях верхняя граница для времени жизни протона сдвинута аж до 10³⁶ лет, что на порядки превышает даже возможности будущих экспериментов.

Помимо распада протона теории Великого объединения также предсказывают существование новых частиц, поскольку крупные группы содержат больше, чем есть в Стандартной модели. Предполагается, как обычно, что эти новые частицы слишком тяжелые, поэтому пока и не могли быть замечены. Таким образом, сейчас у физиков-теоретиков есть широкий ассортимент теорий объединения, застрахованных от опровержения на основании экспериментов в обозримом будущем.