Глава 168 Новый вид физического поля X-поле
[Съезд по государственным научным и техническим наградам! Три проекта получили первую премию в области естественных наук. Нажмите, чтобы узнать больше →]
[Награждение высшей государственной научной и технической премией. Давайте посмотрим, каких двух ученых удостоили этой чести?]
Гипотеза Гольдабаха получила первую премию в области естественных наук. Что же касается гипотезы о близнецах?
[Ужас! На церемонии награждения за достижения в науке и технике он совершил такое...]
……
С окончанием церемонии награждения за достижения в науке и технике крупные новостные медиа также опубликовали соответствующие новости, а обсуждение в сети продолжается.
В социальной сети Вэйбó хэштег #национальнаяпремиязадостижениянаукиитехники# занял первое место в трендах. Кроме того, хэштег #гипотезагодебаха# вошел в топ-трендов.
Что касается двух других лауреатов первой премии, то об их судьбе практически нет информации, вероятно, потому что Сяо И сам по себе привлек уже достаточно внимания.
Конечно, главное — вопрос пользователей сети о том, почему гипотеза Годеля не получила награды.
Гипотеза о близнецах-простых числах в математике должна занимать такое же положение, как и гипотеза Гольбаха. Неужели она не заслуживает первого места?
Да бросьте, это же естественно-научная премия! Что уж тут говорить, если даже три лауреата в этом году — уже событие.
Выбирай, наверное, по той же причине. Ведь его доклад пройдет в нашем зале заседаний Народного собрания, а потом еще и такой большой резонанс будет в стране. Можно сказать, Сяо Шэньню просто молодец: еще в восемнадцать лет он получил премию первой степени в области естественных наук!
И это ещё и премия первой степени в области математики! Последний раз премию в этой категории давали ещё в 1997 году, а проект тогда, если быть точным, был не совсем чистой математикой, а скорее вычислительной.
Премия первой степени в области чистой математики — очень большая редкость. Если не ошибаюсь, первым обладателем такой премии был господин Чэнь Цзинжунь со своей теоремой 1+2. А теперь мы перешли от 1+2 к 1+1, история словно замыкается в полный круг.
Мне кажется, что в будущем премию первой степени часто будет получать господин Сяо Шэнь. Может быть, уже в следующем году он получит её за гипотезу о близнецах?
В следующем году премии не будет, говорят, что теперь её будут давать раз в три года. Следующая церемония, наверное, состоится только в ноябре 2024 года.
Чёрт возьми, ждать так долго?
В будущем отбор будет сложнее, наверное. Это вроде как реформа со стороны государства в отношении внутренних конкурсов: теперь должны быть только действительно достойные проекты. Наверное, братушка смог получить награду в этом году именно потому, что до следующей церемонии придется ждать три года.
Нормально, сейчас столько наград, что среди них могут быть подделки...
В сети кипят обсуждения, а Сяо И, получивший награду и вернувшийся в базу, этому не обращает внимания.
Для него сейчас главное — продолжать исследования проблемы качественных промежутков.
Вернувшись в общежитие, Сяо И вновь задумался над тем, с какой стороны подойти к решению проблемы.
И на этот раз его взгляд обратил на TQFT.
Теория квантовых полей (TQFT), или топологическая квантовая теория полей, подчеркивает топологические свойства квантовой теории поля, а не их метрические свойства. Она является также очень мощным инструментом в физике.
В ходе исследования Сяо И начал размышлять о топологических инвариантах теории Ян-Миллса и их поведении в разных топологических пространствах.
— Согласно теории Черна-Симмонса, модульное пространство Σ уравнений Ян-Миллса на компактной римановой поверхности можно рассматривать как произведение конфигурационного пространства теории Черна-Симмонса на цилиндр Σ×[0,1]. В таком случае модульное пространство может быть геометрически квантованным….
Наконец, в одну из холодных зимних ночей, в тепле отапливаемого общежития, мозг Сяо И, кипящий от идей, внезапно успокоился.
Однако под поверхностью спокойствия скрывалась более мощная и бурная стихия.
Не означает ли это, что после введения числа Чёрна мы можем переформулировать проблему разрыва масс в теории Ян–Миллса как вопрос о существовании топологических инвариантов?
В его глазах словно загорелся огонёк мудрости.
Его перо непрерывно скользило по бумаге.
Время, как всегда, неумолимо шло.
Так и прошли четыре месяца незаметно для всех.
…
В конце февраля 2022 года настало время.
Праздник весны уже прошел, а праздник фонарей закончился две недели назад. Студенты вернулись в свои учебные заведения и начали занятия, а обычные люди снова заняли свои рабочие места, чтобы внести свой вклад в функционирование общества.
25 февраля журнал «Science» опубликовал новую статью. На обложке огромная буква W раздавила диск, представляющий собой основные частицы Стандартной модели.
Внизу две строки букв объясняют смысл этой обложки.
Сверхмасса! Измерение массы W-бозона превысило ожидания!
[Из обложки журнала "Science" от 2 апреля 2022 года. Масса W-бозона превысила ожидания — это настоящее событие в физике.]
С публикацией этой статьи мир физики взорвался.
Без сомнения, эта обложка символизирует то, что сотрудничество между Институтом высоких энергий Китая и CERN завершилось, а их конечный результат совпал с предсказаниями Сяо И!
Бозон W оказался действительно более тяжелым!
В одно мгновение все физики мира охватило волнение от этой новости.
На всех форумах обсуждения вновь разгорелись с новой силой.
Черт возьми! Теперь это действительно правда. CERN и Институт высоких энергий Китая проанализировали целый миллион групп сигналов о W-бозоне. На этот раз это совершенно достоверно.
Я уже прочитал статью. По результатам, масса W-бозона составляет 40844±6 MeV. Боже мой, в предыдущей статье Сяо И при объёме данных всего 2000 групп результат превышал 5 стандартных отклонений, а теперь с миллионной выборкой он превышает 10! Тут точно что-то не так…
Невероятно, наша группа уже собирается в ЦЕРН, думаю, ближайшее время там будет очень плотным.
Кто-нибудь скажет мне, в чём причина такой массы? Боже мой, неужели я за свою жизнь увижу такое крупное событие в физике?
Ведь частица Хиггса уже было большим событием!
Когда обнаружили частицу Хиггса, я ещё учился в старшей школе и совсем не понимал, что такое высокоэнергетическая физика.
Может быть, это вызвано суперсимметричными частицами?
Остаётся только ждать окончательных результатов.
… В разгар обсуждений в Европейском центре ядерных исследований проходила чрезвычайно важная конференция. Обсуждался именно этот вывод.
— … Мы в основном использовали теорию ошибок Шоу для обработки миллиона групп данных сигналов W-бозона и получили этот конечный вывод. Сейчас у нас есть достаточные основания верить, что фактическая масса W-бозона превышает предсказания Стандартной модели.
В зале заседаний лауреат Нобелевской премии, а также главный руководитель проекта по проверке массы W-бозона, профессор Фрэнк Вильчек, делал доклад.
— Я считаю, что это можно считать одним из самых важных открытий в области частиц после открытия бозона Хиггса. Поэтому CERN должно поставить на первое место продолжение исследований массы W-бозона, возможно, это приведет нас к ещё одному релятивистскому открытию.
— Кто знает?
Профессор Уи́лчек, закончив выступление, получил аплодисменты многих физиков в зале.
В это время генеральный директор CERN Фабиола Джианотти задала вопрос:
— Профессор Уи́лчек, могли бы вы подробнее рассказать о том статистическом методе, который вы используете? Он действительно эффективен и достоверен? Меня всегда интересовало, почему этот метод дает результаты, которые так сильно отличаются от результатов предыдущих методов.
Услышав этот вопрос, Вильчек улыбнулся: “Профессор Джианотти, мы уже обсуждали это множество раз за последние месяцы. Что касается того, почему новый статистический метод дает разные результаты, мы уже давали ответы. Главное заключается в том, что он более точно обрабатывает погрешности.”
— Точность — очень важно. Здесь применяются достаточно продвинутые математические методы.
— Кроме того, хочу подчеркнуть, что разница в результатах между старыми и новыми статистическими методами не столь велика.
— Разница между двумя результатами составляет всего 0,1 %, но если рассматривать её на микроуровне, то разница становится огромной. Например, у W-бозона 0,1 % равно примерно массе 157 электронов.
— Но в высокоэнергетической физике именно так, в других областях физики любая разница может быть ошибкой, а в нашей области нужно учитывать множество нюансов.
— Как, например, правило 5σ, предложенное именно в высокоэнергетической физике.
— По этому поводу я уверен, что профессор Эдвард Виттен тоже согласится.
Все взглянули на старика, сидящего в одном из мест конференц-зала, профессора Эдварда Виттена.
Услышав, как Вильчек внезапно упомянул его, Виттен улыбнулся и сказал:
— Да, я согласен с Фрэнком.
В зале тут же раздались аплодисменты.
Очевидно, что значительное число исследователей согласны с тем, чтобы сделать проблему массы W-бозона, превышающую ожидаемое значение, главным приоритетом CERN в ближайшее время.
Будь то Вильчек, или же Виттен, оба они считаются среди всех присутствующих самыми выдающимися представителями физики и математики. Их мнение имеет огромное значение.
Увидев это, генеральный директор Фабиола Джианотти больше не стала ничего говорить, кивнула и сказала:
- В таком случае вопрос о том, будет ли исследование массы W-бозона главным научным приоритетом CERN в ближайшее время, считается решённым
Затем она повернулась к другой стороне конференц-зала и спросила:
— Профессор Тан, согласны ли вы продолжить участие в этом исследовании?
С другой стороны сидели представители Китайского института высоких энергий, возглавляемые Таном Ифаном. Как партнеры по данному проекту, их пригласили в ЦЕРН.
Тан Ифан встал и улыбнулся, сказав:
— Я от имени Китайского института высоких энергий согласен присоединиться к сотрудничеству.
Такие проекты обычно брал CERN, поэтому возможность сотрудничества для китайского института высоких энергий — отличная новость.
— Хорошо.” – Фабиола Джианотти кивнула и добавила: “Тогда переходим к следующему вопросу.
Тан Ифан также сел.
Только вот в этот самый момент его мобильный телефон в кармане внезапно зазвонил.
Он нахмурился, кто же мог ему позвонить в это время?
Вытащив телефон, он удивился: звонил ли Сяо И?
Сяо И не приехал сюда вместе с ними, а остался в своей стране.
Но зачем ему звонить?
Он взял трубку и прошептал ей:
— Сяо И, что случилось? Я сейчас на совещании, как мы договаривались.
Потом из телефона раздался голос Сяо И:
— Не слышал, что CERN решил продолжить проверку массы W-бозона?
— Да,” — ответил Тан Ифан. — “В чём проблема?
Затем Сяо И сказал: “Эм… просто помогите мне передать мой совет. Я считаю, что продолжение исследований массы W-бозона может не иметь большого смысла. При нынешних возможностях LHC, вероятно, невозможно найти истинные причины сверхмассы W-бозона.”
Тан Ифан сразу опешил и даже голос свой повысил:
— Что?
В этот момент генеральный секретарь Джианото, только что объявивший следующую тему обсуждения и ожидавший мнений участников, услышал его голос в тишине зала.
Джианото повернулся к нему и спросил:
— Профессор Тан, у вас есть какие-нибудь вопросы?
Тан Ифан немного смущенно указал на свой телефон и сказал в микрофон несколько слов. В то время как все думали, что он бесцеремонно разговаривает по телефону во время собрания, Тан Ифан поднялся и с легким извинением сказал:
- Извините, что отвлек вас, тот… Сяо И позвонил мне, у него есть предложение, которое он хочет вам передать
Теперь все были ошеломлены. Что с Сяо И?
Таким образом, те, кто вначале был немного недоволен тем, что Тан Ифан прервал собрание, больше не думал об этом.
Сяо И, как первый человек, обнаруживший проблему с массой W-бозона, хотя и никогда не бывал в CERN, уже пользовался огромным уважением.
Что он посоветует?
Пожалуйста, говорите. — ответила, также кивнув, глава организации Фабиола Джианотти.
Ммм… — после чего Тан Ифан пересказал предложение Сяо И.
Все присутствующие тут же остолбенели.
Что?
Сяо И даже предложил им временно не обращать на этот вопрос слишком много внимания?
Ну и чёрт возьми, ведь это было его первое открытие, которое уже привлекло колоссальное внимание физиков всего мира, а он теперь тут предлагает затормозить?
Все были озадачены.
Профессор Фрэнк Вильчек в это время прищурился и сказал:
— Профессор Тан, Сяо И говорит, что с текущей энергией столкновений LHC невозможно обнаружить причины аномалий у W-бозона.
— Да, — кивнул Тан Ифан.
— Неужели он что-нибудь обнаружил?
Тан Ифан снова достал телефон и поговорил с Сяо И по телефону. В конце разговора он сказал:
— Сяо И говорит, что если сейчас ему удастся присоединиться к нам по видеосвязи, то сможет кратко объяснить причину. Если это не получится, придётся ждать несколько месяцев, пока он предоставит полный отчет.
Внезапно в конференц-зале разгорелись новые обсуждения.
Фабиола Джианотти после непродолжительной паузы сказала:
— По данному вопросу, в качестве генерального директора, я согласна. Если у кого-либо из присутствующих исследователей есть возражения, прошу поднять руку.
Все собравшиеся в зале покачали головами, но никто не поднял руки.
Тогда попросите профессора Тана передать Сяо И, что мы согласны, чтобы он объяснил нам причину по видеосвязи.
Хорошо.
Тан Ифан кивнул.
Вскоре после некоторой координации Сяо И успешно подключился к их заседанию.
На многоканальном экране в конференц-зале появился Сяо И, и его окружающая среда говорила о том, что он находится в общежитии.
Он махнул рукой в камеру и спросил:
— Вы меня слышите?
Фабиола Джианотти кивнула ему и сказала:
— Сяо И, привет. Я Фабиола Джианотти, генеральный директор CERN. Мы вас слышим. Теперь, пожалуйста, объясните нам, почему вы сделали это.
— Тогда отлично. Сяо И улыбнулся и кивнул, а затем сказал:
— Г-жа Джианотти, а также уважаемые исследователи CERN, приветствую вас.
— Прежде всего, приношу свои извинения за то, что нарушил ход вашей встречи.
— Что касается этого предложения, мне необходимо использовать математические и физические методы, чтобы его объяснить.
— Во-первых, мы все знаем, что массу W-бозону присуще благодаря механизму Хиггса посредством спонтанного нарушения симметрии.
— Тогда мы начинаем с нормальной симметрии SU(2)_L × U(1)_Y и вводим поле Хиггса.
Сяо И повернулся и на маленькой черной доске, которую он недавно получил в институте, начал демонстрацию.
— Поле Хиггса — это комплексное скалярное двойное состояние SU(2) = (+, 0), где:.
Соблюдая правила, получаем перевод: {+= 1/√2 (1 + i2), 0 = 1/√2 (3 + i4)}.
Затем мы выбрали потенциал Хиггса в таком виде.
В = м² + λ
Где μ² и λ² больше нуля.
В дальнейшем мы минимизируем потенциальную энергию V(φ), поле Хиггса получает ненулевое значение вакуумного ожидания, что приводит к нарушению симметрии.
Сяо И начал постепенно выводить механизм Хиггса, демонстрируя, как W-бозон получает массу.
— В итоге, с помощью ковариантных производных мы вычисляем кинетическую энергию поля Хиггса и замещаем его VEV, что приводит к определению массы W-бозона.
— Вот и всё, что мы получаем в итоге совпадает с традиционными выводами физики. Казалось бы, ничего нового. Но почему же возникает проблема с массой W-бозона? Посмотрите, если я ещё раз, на этапе нарушения симметрии механизмом Хиггса, введу новый векторный потенциал.
— Что касается этого векторного поля, то оно исходит из топологического квантового поля теории Ян–Миллса.
— Теперь мы строим антисамосопряженное поле Ян–Миллса на четырехмерной сфере S⁴, которое удовлетворяет следующим условиям.
[F = * F]
— В данном случае F — это кривизна поля Ян-Миллса, а * — оператор Хоча для дуальной пары.
— Как известно, в четырехмерном случае, с помощью граничных условий и топологических инвариантов можно связать его с четырехмерной теорией Ян-Миллса. И точно так же мы можем внести его в процесс нарушения симметрии механизма Хиггса…
Услышав слова Сяо И, в зале собрались Фрэнк Вильчек и Эдвард Виттен, оба нахмурившись.
А Джорджо Паризи тоже был в зале и с удивлением спросил:
— Это… новый тип поля?
Его слова тут же разгорелись в конференц-зале.
Сначала большая часть людей, сталкиваясь с рассуждениями Сяо И, смотрела на него с недоумением. Математическая логика была слишком сложной, а используемые методы выходили за рамки понимания большинства, поэтому они не могли понять смысл его выводов.
Но слова Джорджо Паризи стали очень точным разъяснением выводов Сяо И.
Причиной преобладания W-бозона, возможно, является «поле», которое никогда не обнаруживали физики ранее.
В дальнейшем Сяо И, словно в ответ на это, сказал:
— Введение этого поля антисамосопряжения и согласование его с самопроизвольным нарушением симметрии механизма Хиггса позволяют обнаружить, что оно не только становится гармоничным, но и приобретает исключительную математическую красоту.
— Более того, в рамках этого нового процесса мы легко можем рассчитать новую массу W-бозона — 80 429 MeV!
В зале все были поражены и ошеломлены.
Тогда все совпадает!
Это почти полностью объясняет причину преобладания W-бозона!
Что же означает новый тип поля?
Возможно, это ещё одна фундаментальная частица, а может быть, совершенно новый вид неоткрытой силы. Конечно же, возможно, это та самая суперсимметричная частица, которую физики так долго ищут.
В зале царила гробовая тишина; почти каждый с широко раскрытым ртом смотрел на результаты, не веря собственным глазам.
Даже Тан Ифан не мог поверить, что простой совет Сяо И привёл их к таким невероятным результатам.
В зале остался лишь голос Сяо И.
— ……Итак, в итоге, мы можем выделить следующие характеристики данного поля: при чрезвычайно высоких энергиях оно взаимодействует с W-бозонами очень сильно, при обычных энергиях — крайне слабо. Еще одна деталь: возможно, это является единым посредником для сильного и слабого взаимодействия.
Сяо И робко улыбнулся:
— Что касается этого поля, то пока мы не сможем полностью понять его природу, я предлагаю назвать его полем Х или полем Сяо.
— Если в конечном итоге окажется, что это частица суперсимметрии, то название «поле X» автоматически отпадет.
— В конце концов, вернемся к началу. Я предлагаю не тратить время и силы на исследование массы W-бозона именно потому, что хочу определить его существование с помощью ускорителей частиц, как и в случае с суперсимметричными частицами. Единственное утешение – мы можем косвенно определить его существование через массу W-бозона.
— Поэтому ресурсы ускорителей частиц лучше направить на другие исследования, которые могут оказаться более ценными.
— Ну, я закончил. Есть ли у кого-нибудь вопросы?