弦と超弦の理論。超弦理論とは何ですか - 初心者向けに簡潔かつ明確に

宇宙はチェロのようなものだと考えたことはありますか? そうです - 彼女は来ませんでした。宇宙はチェロのようなものではないからです。しかし、それは文字列がないという意味ではありません。今日は弦理論について話しましょう。

もちろん、宇宙の弦は私たちが想像しているものとほとんど似ていません。弦理論では、それらは信じられないほど小さな振動するエネルギーの糸です。これらの糸は、あらゆる種類の方法でうねったり、伸びたり、圧縮したりできる小さな「ゴムバンド」に似ています。しかし、これはすべて、それらで宇宙の交響曲を「演奏」することが不可能であることを意味するものではありません。弦理論の専門家によれば、存在するものはすべてこれらの「糸」で構成されているためです。

物理矛盾

19 世紀後半、物理学者たちは、自分たちの科学ではもう重大なことは何も発見できないと考えていました。古典物理学では、そこには深刻な問題は残っておらず、世界の構造全体は完全に制御され、予測可能な機械のように見えると信じられていました。いつものように、この問題はナンセンス、つまり科学の明確で理解可能な空にまだ残っている小さな「雲」の1つのために起こりました。つまり、絶対的な黒体（波長に関係なく、いかなる温度でも入射する放射線を完全に吸収する仮想的な物体 - NS）の放射線エネルギーを計算する場合です。

計算によれば、絶対的な黒体の総放射エネルギーは無限に大きくなるはずです。このような明白な不条理から逃れるために、ドイツの科学者マックスプランクは 1900 年に、可視光、X 線、その他の電磁波は、彼が量子と呼んだエネルギーの特定の離散部分によってのみ放射され得ると提案しました。彼らの助けにより、完全に黒いボディという特有の問題を解決することができました。しかし、決定論に対する量子仮説の結果はまだ実現されていませんでした。 1926 年に、別のドイツの科学者ヴェルナーハイゼンベルクが有名な不確実性原理を定式化するまでは。

その本質は、これまで支配的であったすべての主張に反して、自然が物理法則に基づいて未来を予測する私たちの能力を制限しているという事実に要約されます。もちろん、私たちは素粒子の未来と現在について話しています。それらは、私たちの周りの大宇宙のあらゆるものとはまったく異なる動作をすることが判明しました。亜原子レベルでは、宇宙の構造は不均一で混沌となります。小さな粒子の世界は常識を覆すほど乱暴で理解不能です。その中では、空間と時間が非常にねじれ、絡み合っているため、通常の左右、上下、さらには前後の概念さえありません。

特定の粒子が現在空間のどの点に位置しているか、またその角運動量はいくらであるかを確実に言う方法はありません。時空の多くの領域で粒子が見つかる確率は一定です。亜原子レベルの粒子は、空間全体に「散らばっている」ように見えます。それだけでなく、粒子自体の「状態」も定義されていません。粒子は波のように振る舞う場合もあれば、粒子の特性を示す場合もあります。これは物理学者が量子力学の波動と粒子の二重性と呼ぶものです。

世界の構造のレベル: 1. 巨視的レベル - 物質 2. 分子レベル 3. 原子レベル - 陽子、中性子、電子 4. 亜原子レベル - 電子 5. 亜原子レベル - クォーク 6. 弦レベル

一般相対性理論では、あたかも反対の法則が存在する状態のように、状況は根本的に異なります。空間はトランポリンのように見えます。質量のある物体によって曲げたり伸ばしたりできる滑らかな布地です。それらは時空に歪み、つまり私たちが重力として経験する歪みを生み出します。言うまでもなく、調和があり、正しく、予測可能な一般相対性理論は、「風変わりなフーリガン」である量子力学と解決できない対立にあり、その結果、マクロ世界はミクロ世界と「平和を作る」ことができません。ここで超弦理論が役に立ちます。

2D ユニバース。多面体グラフ E8 Theory of Everything

超弦理論は、2 つの根本的に矛盾する一般相対性理論と量子力学を統合するというすべての物理学者の夢を具体化したものであり、この夢は、最も偉大な「ジプシーで浮浪者」アルバート・アインシュタインを生涯の終わりまで悩ませました。

多くの科学者は、銀河の絶妙なダンスから素粒子の狂ったダンスまで、すべては最終的にたった 1 つの基本的な物理原理によって説明できると信じています。もしかしたら、あらゆる種類のエネルギー、粒子、相互作用をエレガントな公式に統合する単一の法則さえあるかもしれません。

一般相対性理論は、宇宙の最も有名な力の 1 つである重力について説明します。量子力学では、他の 3 つの力について説明します。1 つは原子内の陽子と中性子を結び付ける強い核力、電磁気力、そして放射性崩壊に関与する弱い力です。原子の電離から星の誕生に至るまで、宇宙のあらゆる出来事は、これら 4 つの力による物質の相互作用によって記述されます。

最も複雑な数学の助けを借りて、電磁相互作用と弱い相互作用が共通の性質を持ち、それらを単一の電気弱い相互作用に結合することを示すことができました。その後、強い核相互作用がそれらに追加されましたが、重力はいかなる形でもそれらに加わりませんでした。超弦理論は、4 つの力すべてを結び付けるための最も重要な候補の 1 つであり、したがって宇宙のすべての現象を包含します。それが「万物の理論」とも呼ばれるのも当然です。

初めに神話がありました

これまでのところ、すべての物理学者が弦理論に満足しているわけではありません。そして、その出現の夜明けには、それは現実から限りなく遠いように見えました。彼女の出生そのものが伝説となっている。

実引数を使用したオイラーのベータ関数のグラフ

1960 年代後半、イタリアの若い理論物理学者ガブリエレヴェネツィアーノは、強力な核力、つまり原子核を互いに保持し、陽子と中性子を結び付ける非常に強力な「接着剤」を説明できる方程式を探していました。伝説によれば、ある日、彼は数学の歴史に関する埃っぽい本を偶然見つけ、その中にスイスの数学者レオンハルト・オイラーによって最初に書き留められた200年前の関数を見つけたという。長い間数学的好奇心以外の何ものでもないと考えられていたオイラー関数がこの強い相互作用を記述していることを発見したときのベネチアーノの驚きを想像してみてください。

実際はどうだったのでしょうか？この公式はおそらくベネチアーノの長年の研究の結果であり、ひも理論の発見に向けた最初の一歩を踏み出すのに偶然が役立っただけです。強い力を奇跡的に説明したオイラー関数が新たな命を吹き込まれました。

最終的に、この式は若いアメリカの理論物理学者レナード・サスキンドの目に留まり、彼はまずこの式が内部構造を持たず、振動する可能性のある粒子を記述していることに気づきました。これらの粒子は、単なる点粒子ではありえないような挙動を示しました。サスキンドは理解しました - この式はゴムバンドのような糸を表します。彼女は伸びたり縮んだりするだけでなく、振動したり身をよじることもできました。サスキンドは自分の発見について説明した後、文字列という革命的なアイデアを紹介しました。

残念ながら、彼の同僚の圧倒的多数はこの理論を非常に冷静に受け止めました。

スタンダードモデル

当時、従来の科学は粒子を文字列ではなく点として表現していました。物理学者は長年にわたり、素粒子を高速で衝突させ、その衝突の結果を研究することで素粒子の挙動を研究してきました。宇宙は想像以上に豊かであることが分かりました。それはまさに素粒子の「人口爆発」だった。物理学の大学院生たちは、新しい粒子を発見したと叫びながら廊下を駆け抜けた。粒子を指定するのに十分な文字さえなかった。しかし、悲しいことに、新しい粒子の「産科病院」では、科学者たちは、なぜこれほど多くの粒子があり、どこから来たのかという質問に対する答えを見つけることができませんでした。

これをきっかけに、物理学者たちは異常かつ驚くべき予測を立てました。彼らは、自然界に働く力は粒子の観点からも説明できることに気づきました。つまり、物質の粒子があり、相互作用を伝える粒子が存在します。たとえば、フォトンは光の粒子です。これらのキャリア粒子（物質粒子が交換するのと同じ光子）の数が増えるほど、光はより明るくなります。科学者たちは、このキャリア粒子の特定の交換は、私たちが力として認識するものにすぎないと予測しました。これは実験によって確認されました。このようにして、物理学者たちは力を団結させるというアインシュタインの夢に近づくことができました。

科学者たちは、宇宙が何兆度も熱くなったビッグバン直後に早送りすると、電磁気と弱い力を運ぶ粒子が区別できなくなり、弱い電気力と呼ばれる単一の力に結合すると考えています。そして、さらに時間を遡ると、電気の弱い相互作用が強い相互作用と結合して、1 つの完全な「超力」になるでしょう。

これらすべてはまだ証明されるのを待っているにもかかわらず、量子力学は突然、4 つの力のうち 3 つが亜原子レベルでどのように相互作用するかを説明しました。そして彼女はそれを美しく一貫して説明しました。この相互作用の一貫した図は、最終的に標準モデルとして知られるようになりました。しかし、悲しいことに、この完璧な理論には 1 つの大きな問題がありました。最も有名なマクロレベルの力である重力が含まれていなかったのです。

標準モデルにおける異なる粒子間の相互作用
グラビトン

まだ「開花」する暇のなかったひも理論にとって、その誕生からあまりにも多くの問題を抱えた「秋」がやって来ました。たとえば、理論の計算では粒子の存在が予測されましたが、すぐに証明されたように、粒子は存在しません。これはいわゆるタキオンであり、真空中で光よりも速く移動する粒子です。とりわけ、理論には 10 もの次元が必要であることが判明しました。私たちが目にしているものよりも明らかに大きいので、これが物理学者を非常に混乱させるのは当然のことです。

1973 年までに、ひも理論の謎に取り組んでいたのは、まだ少数の若い物理学者だけでした。その一人はアメリカの理論物理学者ジョン・シュワルツでした。シュワルツ氏は 4 年間、この手に負えない方程式を手なずけようと試みましたが、無駄でした。数ある問題の中でも、これらの方程式の 1 つは、質量を持たず、自然界では観察されていない謎の粒子を記述し続けていました。

科学者はすでに自分の悲惨な事業を放棄することを決めていましたが、その後、ひも理論の方程式も重力を説明しているのではないかと思いつきました。ただし、これは理論の主要な「ヒーロー」である文字列の次元の改訂を意味します。「ストリンガー」は、文字列が原子の数十億倍小さいと仮定することで、理論の不利な点を利点に変えました。ジョン・シュワルツが執拗に取り除こうとした謎の粒子は、現在では重力子として機能している。これは長年探し求められ、重力を量子レベルに移すことを可能にする粒子である。このようにして、ひも理論は、標準モデルには欠けていた重力に関するパズルを完成させました。しかし、悲しいことに、この発見に対してさえ、科学界は何の反応も示しませんでした。超弦理論は依然として存続の危機に瀕していた。しかし、それでもシュワルツは止まらなかった。謎の文字列のために自分のキャリアを危険にさらす覚悟があり、彼の探索に参加したいと考えたのはただ一人の科学者、マイケル・グリーンだった。

亜原子の入れ子人形

すべてにもかかわらず、1980 年代初頭、ひも理論には科学の異常と呼ばれる解決できない矛盾がまだありました。シュワルツとグリーンは彼らの排除に着手しました。そして彼らの努力は無駄ではありませんでした。科学者たちは理論の矛盾の一部を取り除くことができました。科学界の反応が科学界を混乱させたとき、自分たちの理論が無視されるという事実にはすでに慣れていた二人の驚きを想像してみてください。 1 年も経たないうちに、弦理論研究者の数は数百人にまで急増しました。このとき、ひも理論に「万物の理論」という称号が与えられました。新しい理論は宇宙のすべての構成要素を説明できるように見えました。そしてこれらがコンポーネントです。

私たちが知っているように、各原子はさらに小さな粒子、つまり陽子と中性子からなる原子核の周りを渦巻く電子で構成されています。陽子と中性子は、さらに小さな粒子であるクォークで構成されています。しかし、弦理論によれば、それはクォークで終わるわけではありません。クォークは、糸に似た小さなうねうねするエネルギーの束でできています。これらの文字列のそれぞれは、想像を絶するほど小さいです。

非常に小さいため、原子を太陽系の大きさに拡大すると、ひもは木ほどの大きさになります。チェロの弦の異なる振動が私たちが聞く音を生み出すのと同じように、異なる音符、弦の振動の異なる方法 (モード) が粒子に質量、電荷などの固有の特性を与えます。爪の先端にある陽子が、まだ発見されていない重力子と相対的にどのように異なるかご存知ですか? それらを構成する小さな弦の集合と、それらの弦が振動する方法によってのみ可能になります。

もちろん、これは驚くべきことではありません。古代ギリシャの時代以来、物理学者は、この世界のすべてがボールや小さな粒子のようなもので構成されているという事実に慣れてきました。そして、量子力学に基づくこれらのボールの非論理的な動作に慣れる時間がなかったので、彼らはパラダイムを完全に放棄し、ある種のスパゲッティの切れ端で動作するように求められました...

五次元

多くの科学者は弦理論を数学の勝利と呼んでいますが、弦理論にはまだいくつかの問題が残っています。最も注目すべきは、近い将来実験的にテストする可能性が欠如していることです。弦を「見る」ことができる楽器は、この世に存在せず、将来も登場する可能性のないものは一つもありません。したがって、科学者の中には、ひも理論は物理学の理論ですか、それとも哲学の理論ですか? という質問をする人もいます。確かに、ひもを「自分の目で」見る必要はまったくありません。超弦理論を証明するには、むしろ、別のこと、つまり SF のように聞こえること、つまり空間の余剰次元の存在の確認が必要です。

どんな内容ですか？私たちは皆、3 次元の空間と 1 つの時間に慣れています。しかし、超弦理論は、別の (余分な) 次元の存在を予測しています。しかし、順番に始めましょう。

実際、他の次元の存在という考えは、ほぼ100年前に生まれました。それは 1919 年に、当時無名だったドイツの数学者テオドール・カルーザの心に思い浮かびました。彼は、私たちの宇宙には私たちが見ていない別の次元がある可能性を示唆しました。アルバートアインシュタインはこのアイデアについて知り、最初はとても気に入っていました。しかしその後、彼はその正しさに疑問を抱き、『カルーザ』の出版を丸二年延期した。しかし、最終的にはその論文は公開され、追加次元は物理学の天才にとって一種の趣味となった。

ご存知のように、アインシュタインは、重力が時空次元の変形にすぎないことを示しました。カルーザ氏は、電磁気も波紋である可能性があると示唆した。なぜそれが見えないのでしょうか？ Kaluza は、この質問に対する答えを見つけました。電磁気の波紋は、追加の隠された次元に存在する可能性があります。でも、どこにあるのでしょう？

この質問に対する答えは、スウェーデンの物理学者オスカー・クラインによって与えられました。彼は、カルーザの 5 次元は単一原子のサイズよりも何十億倍も強く折りたたまれており、それが私たちが見ることができない理由であると示唆しました。私たちの周りにあるこの小さな次元についての考え方は、ひも理論の中心です。

追加のねじれた次元の提案された形式の 1 つ。これらのそれぞれの形の中で、宇宙の主要な構成要素である弦が振動して動きます。それぞれの形状は 6 次元です - 6 つの追加次元の数に応じて

十次元

しかし実際には、弦理論の方程式には 1 つではなく、6 つの追加次元が必要です (私たちが知っている 4 つを合わせると、合計でちょうど 10 つになります)。それらはすべて非常にねじれ、湾曲した複雑な形状をしています。そして、すべてが想像できないほど小さいです。

これらの小さな測定値は、私たちの大きな世界にどのような影響を与えるのでしょうか? ひも理論によれば、それは決定的です。つまり、形状がすべてを決定します。サクソフォンの異なるキーを押すと、異なるサウンドが得られます。これは、特定のキーまたはキーの組み合わせを押すと、空気が循環する楽器内の空間の形状が変化するために起こります。そのおかげで様々な音が生まれます。

弦理論は、空間の追加の湾曲したねじれた次元が同様の方法で現れることを示唆しています。これらの余分な次元の形状は複雑かつ多様であり、それぞれの形状により、そのような次元内に位置する弦が異なる振動を引き起こします。結局のところ、たとえば、一方の弦がジャグ内で振動し、もう一方の弦が湾曲したポストホーン内で振動すると仮定すると、これらはまったく異なる振動になります。ただし、ひも理論を信じるのであれば、実際には、追加の次元の形状は水差しよりもはるかに複雑に見えます。

世界の仕組み

今日の科学は、宇宙の基本定数である一連の数値を知っています。彼らは私たちの周りのすべてのものの性質と特徴を決定するものです。そのような定数には、たとえば、電子の電荷、重力定数、真空中の光の速度などがあります。これらの数値をわずかな回数でも変更すると、壊滅的な結果が生じます。電磁相互作用の強度を増加させたとします。どうしたの？突然、イオン同士がより強く反発し始め、星を輝かせて熱を放出する核融合が突然失敗することに気づくかもしれません。すべての星が消えてしまいます。

しかし、超次元を伴う超弦理論はそれと何の関係があるのでしょうか? 実際のところ、それによると、基本定数の正確な値を決定するのは追加の次元であるということです。測定形式によっては、1 本の弦が特定の方法で振動し、光子として認識されるものを生成します。他の形式では、弦が異なる振動をして電子を生成します。本当に、神は「小さなもの」の中にいます。この世界のすべての基本的な定数を決定するのは、これらの小さな形です。

超ひも理論

1980 年代半ば、弦理論は壮大で秩序ある外観を帯びてきましたが、記念碑の内部には混乱がありました。わずか数年の間に、ひも理論のバージョンが 5 つも登場しました。そして、それらのそれぞれは文字列と追加次元に基づいて構築されていますが (5 つのバージョンすべてが超文字列の一般理論 - NS に統合されています)、これらのバージョンは詳細が大きく異なりました。

そのため、弦の端が開いているバージョンもあれば、リングに似ているバージョンもありました。そして、いくつかのバージョンでは、理論は 10 次元ではなく、26 もの次元を必要としていました。矛盾しているのは、今日の 5 つのバージョンはすべて同等に真実であると言えるということです。しかし、私たちの宇宙を本当に説明しているのはどれでしょうか? これも弦理論のもう一つの謎です。それが、多くの物理学者が再び「狂った」理論を諦めた理由です。

しかし、すでに述べたように、文字列の主な問題は、その存在を実験的に証明することが (少なくとも現時点では) 不可能であることです。

しかし、一部の科学者は、次世代加速器には、追加の次元の仮説を検証する機会は非常に少ないものの、まだ残っていると主張しています。もちろん、大多数はそれが可能であると確信していますが、残念なことに、それはすぐには、少なくとも数十年、長くても100年でも実現しないでしょう。

現在、弦理論のさまざまなバージョンが、すべての性質を説明する包括的で普遍的な理論のタイトルの有力な候補であると考えられています。そして、これは素粒子理論や宇宙論に携わる理論物理学者にとっての一種の聖杯です。普遍理論 (存在するすべてのものの理論でもある) には、相互作用の性質と宇宙を構築する物質の基本要素の特性に関する人類の知識全体を組み合わせた数式だけが含まれています。

今日、弦理論は超対称性の概念と結合され、超弦理論が誕生しました。今日、これは 4 つの基本的な相互作用 (自然界に作用する力) の理論を統一するという点で達成された最大値です。超対称性の理論自体は、アプリオリな現代概念に基づいてすでに構築されており、それによれば、遠隔（場の）相互作用は、相互作用する粒子間での対応する種類の相互作用キャリア粒子の交換によるものです（標準モデルを参照）。明確にするために、相互作用する粒子は宇宙の「レンガ」と考えることができ、キャリア粒子はセメントと考えることができます。

超弦理論は数理物理学の分野の 1 つで、物理学のほとんどの分野のように点粒子の力学ではなく、一次元の拡張された物体、つまり 1 次元の拡張物体のダイナミクスを研究します。文字列
標準模型内では、クォークは構成要素として機能し、これらのクォークが相互に交換するゲージボソンは相互作用キャリアとして機能します。超対称性の理論はさらに進んで、クォークやレプトン自体は基本的なものではなく、それらはすべて、より重くて実験的に発見されていない物質の構造 (構成要素) で構成されており、超エネルギー粒子のさらに強力な「セメント」によって結合されていると述べています。 -ハドロンとボソンから構成されるクォークよりも相互作用のキャリア。

当然のことながら、超対称性理論の予測はいずれも実験室条件でまだテストされていませんが、物質世界の仮想的な隠れた構成要素にはすでに名前が付いています - たとえば、電子 (電子の超対称性のパートナー)、スクォークなどただし、これらの粒子の存在は理論上、明確に予測されています。

しかし、これらの理論が提供する宇宙の全体像は、非常に簡単に視覚化できます。約 10E ～ 35 m のスケール、つまり、結合した 3 つのクォークを含む同じ陽子の直径よりも 20 桁小さい物質の構造は、素粒子のレベルでも私たちが慣れ親しんでいるものとは異なります。。非常に短い距離（そして想像を絶するほど高い相互作用エネルギー）では、物質は楽器の弦で励起されるものと同様の一連の場の定在波に変わります。ギターの弦と同様に、このような弦では、基音に加えて、多くの倍音または倍音が励起される可能性があります。各高調波には独自のエネルギー状態があります。相対性理論 (「相対性理論」を参照) によれば、エネルギーと質量は同等です。これは、弦の調和波振動の周波数が高いほど、そのエネルギーが高くなり、観測される粒子の質量が大きくなることを意味します。

しかし、ギターの弦の定在波を視覚化するのは非常に簡単ですが、超弦理論によって提案される定在波を視覚化するのは困難です。実際、超弦の振動は 11 次元の空間で発生します。私たちは、3 つの空間次元と 1 つの時間次元 (左から右、上から下、前後、過去から未来) を含む 4 次元空間に慣れています。超文字列空間では、事態はさらに複雑になります (ボックスを参照)。理論物理学者は、「余分な」空間次元は「隠されている」（科学用語では「圧縮されている」）ため、通常のエネルギーでは観察されないと主張することで、その厄介な問題を回避している。

最近では、弦理論が多次元膜理論の形でさらに発展しました。本質的に、これらは同じ弦ですが、平面です。その著者の一人が何気なく冗談を言ったように、麺と春雨の違いとほぼ同じように、膜は糸とは異なります。

おそらくこれが、今日、当然のことながらすべての力の相互作用の大統一に関する普遍理論であると主張している理論の 1 つについて簡単に語れるすべてである。残念ながら、この理論には罪がないわけではありません。まず第一に、厳密な内部対応関係を持たせるための数学的装置が不十分であるため、まだ厳密な数学的形式にはなっていません。この理論が誕生してから 20 年が経過しましたが、そのいくつかの側面やバージョンを他の理論と一貫して調和させることができた人はいません。さらに不愉快なことは、弦理論 (特に超弦理論) を提案している理論家の中に、これらの理論を実験室でテストできる単一の実験をまだ提案していないことです。残念ながら、彼らがこれを行うまでは、彼らのすべての研究は、自然科学の主流の外にある難解な知識を理解するための奇妙な空想ゲームや演習に留まるのではないかと心配です。

ブラックホールの性質を研究する

1996 年、弦理論学者のアンドリューストロミンガーとクムルンヴァファは、サスキンドとセンによる以前の結果を基にして、「ベケンシュタインとホーキングエントロピーの微視的性質」を出版しました。この研究で、ストロミンガーとヴァファは超弦理論を使用して、特定のクラスのブラックホールの微視的な構成要素を見つけ、これらの構成要素のエントロピー寄与を正確に計算することができました。この研究は、1980 年代から 1990 年代初頭に使用された摂動理論を部分的に超えた新しい手法に基づいていました。この研究の結果は、20年以上前に行われたベケンシュタインとホーキング博士の予測と正確に一致しました。

ストロミンジャーとヴァファは、建設的なアプローチでブラックホール形成の実際のプロセスに反対しました。彼らはブラックホール形成の見方を変え、第 2 回超弦革命中に発見されたブレーンの正確なセットを 1 つの機構に丹念に組み立てることによってブラックホールを構築できることを示しました。

ブラックホールの微視的構造に関するすべての制御を利用して、ストロミンジャーとヴァファは、質量や電荷などの全体的な観察可能な特性を変化させないブラックホールの微視的構成要素の順列の数を計算することができました。次に彼らは、得られた数値をブラックホールの事象の地平線の面積（ベケンシュタインとホーキング博士が予測したエントロピー）と比較し、完全な一致を発見しました。少なくとも極度のブラックホールのクラスについては、ストロミンジャーとヴァファは微視的な成分を分析し、対応するエントロピーを正確に計算するための弦理論の応用を見つけることができました。四半世紀にわたって物理学者が直面してきた問題が解決されました。

多くの理論家にとって、この発見は弦理論を支持する重要かつ説得力のある議論でした。ひも理論の発展は、実験結果、たとえばクォークや電子の質量の測定と直接的かつ正確に比較するには、まだ粗雑すぎます。しかし、超弦理論は、長い間発見されてきたブラックホールの特性に対する最初の根本的な説明を提供しますが、説明が不可能であるため、伝統的な理論を扱う物理学者の研究は長年にわたって停滞していました。ノーベル物理学賞受賞者であり、1980年代には弦理論に断固として反対していたシェルドン・グラショーでさえ、1997年のインタビューで「弦理論学者がブラックホールについて語るとき、彼らはほぼ観測可能な現象について語っているのである。それは驚くべきことだ」と認めた。

弦宇宙論

超弦理論が標準の宇宙論モデルを修正する主な方法は 3 つあります。まず、状況をますます明らかにしている現代の研究の精神によれば、超弦理論から宇宙には許容可能な最小サイズがなければならないということになります。この結論は、標準モデルでは宇宙のサイズがゼロになるビッグバンの瞬間の宇宙の構造の理解を変えることになります。第二に、T 双対性の概念、つまり弦理論における小さい半径と大きい半径の双対性 (最小サイズの存在と密接に関係している) も宇宙論において重要です。第三に、ひも理論における時空次元の数は 4 つ以上であるため、宇宙論ではこれらすべての次元の進化を説明する必要があります。

ブランデンベルグとヴァーファのモデル

1980年代の終わり。ロバート・ブランデンベルガーとクムルン・ヴァファは、ひも理論が宇宙論の標準モデルの意味をどのように変えるかを理解するための重要な第一歩を踏み出しました。彼らは 2 つの重要な結論に達しました。まず、ビッグバンに戻るにつれて、宇宙の全方向のサイズがプランク長と等しくなるまで温度は上昇し続けます。この時点で、温度は最高値に達し、低下し始めます。直感的なレベルでは、この現象の理由を理解するのは難しくありません。簡単にするために（ブランデンベルガーとヴァーファに従って）宇宙のすべての空間次元は周期的であると仮定しましょう。時間を逆行すると、各円の半径が縮小し、宇宙の温度が上昇します。ひも理論から、最初に半径をプランク長まで縮小し、次にプランク長よりも小さくすることは、半径をプランク長まで縮小し、その後半径を増加させるのと物理的に同等であることがわかっています。宇宙の膨張中に温度は低下するため、宇宙をプランク長よりも小さなサイズに圧縮しようとする試みが失敗すると、温度の上昇が停止し、さらに温度が低下することになります。

その結果、ブランデンベルガーとヴァーファは次のような宇宙像に到達しました。まず、弦理論におけるすべての空間次元は、プランク長程度の最小サイズにしっかりと折り畳まれています。温度とエネルギーは高くなりますが、無限ではありません。弦理論におけるゼロサイズの開始点のパラドックスは解決されます。宇宙の存在の最初の瞬間では、ひも理論のすべての空間次元は完全に等しく、完全に対称です。それらはすべて丸まってプランク次元の多次元の塊になります。さらに、ブランデンベルガーとヴァファによれば、宇宙は対称性縮小の第一段階を通過し、プランクの瞬間にその後の拡張のために3つの空間次元が選択され、残りは元のプランクサイズを保持します。これらの 3 つの次元は、インフレーション宇宙論シナリオの次元と同一視され、進化の過程を経て、現在観察されている形になります。

ヴェネツィアーノとガスペリーニのモデル

ブランデンベルガーとヴァーファの研究以来、物理学者は弦宇宙論の理解に向けて継続的に進歩してきました。この研究を主導している人の中には、トリノ大学のガブリエレ・ヴェネツィアーノと彼の同僚マウリツィオ・ガスペリーニもいます。これらの科学者は、弦宇宙論の独自のバージョンを提示しました。これは、ある部分では上記のシナリオと似ていますが、他の部分ではそれとは根本的に異なります。 Brandenberger と Vafa のように、標準モデルとインフレーションモデルで生じる無限の温度とエネルギー密度を除外するために、彼らは弦理論における最小長の存在に依存しました。しかし、ガスペリーニとヴェネツィアーノは、この性質により宇宙がプランク次元の塊から誕生したと結論付けるのではなく、ゼロ点と呼ばれる瞬間のずっと前に誕生し、この宇宙を生み出した先史時代の宇宙が存在したと示唆した。プランク次元の宇宙の「胚」。

このシナリオとビッグバンモデルにおける宇宙の初期状態は大きく異なります。ガスペリーニとヴェネツィアーノによれば、宇宙は熱くてきつくねじれた次元の球ではなく、冷たくて無限の広がりを持っていたという。その後、ひも理論の方程式からわかるように、不安定性が宇宙に侵入し、ガスによるインフレーションの時代のように、宇宙のすべての点が急速に側面に分散し始めました。

ガスペリーニとヴェネツィアーノは、このために空間がますます湾曲し、その結果、温度とエネルギー密度が急激に上昇することを示しました。少し時間が経過すると、これらの無限の広がりの内側にあるミリメートル寸法の三次元領域は、ガスによるインフレーション膨張中に形成されるスポットと同じ、高温で密なスポットに変化しました。その後、すべてがビッグバン宇宙論の標準的なシナリオに従って進み、拡大したスポットは観測可能な宇宙に変わりました。

ビッグバン以前の時代は独自のインフレ膨張を経験していたため、地平線のパラドックスに対するガスの解決策は、この宇宙論的シナリオに自動的に組み込まれています。ヴェネツィアーノが（1998年のインタビューで）述べたように、「ひも理論は、銀の大皿に乗ったインフレーション宇宙論のバージョンを私たちに与えてくれます。」

弦宇宙論の研究は、急速に活発で生産的な研究分野になりつつあります。たとえば、ビッグバン前の進化のシナリオは何度も激しい議論の対象となってきましたが、将来の宇宙論的定式化におけるそのシナリオの位置は明らかではありません。しかし、この宇宙論的定式化が第二次超ひも革命中に発見された結果に対する物理学者の理解にしっかりと基づいていることは疑いの余地がありません。たとえば、多次元膜の存在が宇宙論的にどのような影響を与えるかはまだ不明です。言い換えれば、完成したM理論の分析の結果、宇宙の存在の最初の瞬間の考え方はどのように変化するのでしょうか？この問題は現在集中的に研究されています。

これはすでに 4 番目のトピックです。ボランティアには、どのようなトピックを取り上げたいと表明したか、または誰かがリストからトピックを選択したところであることを忘れないようにすることも求められます。私はソーシャルネットワーク上での再投稿と宣伝を担当しています。さて、今回のテーマは「ひも理論」です。

あなたはおそらく、現代で最も人気のある科学理論であるひも理論が、常識よりもはるかに多くの次元の存在を暗示していることを聞いたことがあるでしょう。

理論物理学者にとっての最大の問題は、すべての基本的な相互作用 (重力、電磁気、弱い相互作用、強い相互作用) を 1 つの理論にどのように組み合わせるかということです。超ひも理論は、万物の理論であると主張します。

しかし、この理論が機能するために必要な最も便利な次元の数は、最大 10 個であることが判明しました (そのうち 9 個は空間次元、1 個は時間次元)。次元が多かれ少なかれある場合、数学方程式は無限に向かう不合理な結果、つまり特異点をもたらします。

超弦理論の発展における次の段階である M 理論は、すでに 11 次元を数えています。そして、その別のバージョンである F 理論はすべて 12 です。そして、これはまったく複雑なことではありません。 F 理論は、M 理論が 11 次元空間を記述するよりも単純な方程式で 12 次元空間を記述します。

もちろん、理論物理学は何の理由もなく理論的と呼ばれているわけではありません。これまでのところ彼女の業績はすべて紙の上にのみ存在します。そこで、なぜ私たちが三次元空間でしか移動できないのかを説明するために、科学者たちは、残念ながら残った次元がどのようにして量子レベルでコンパクトな球体に縮小しなければならなかったのかについて話し始めました。正確に言うと、球体ではなく、カラビ・ヤウ空間になります。これらは三次元の図形であり、その中に独自の次元を持つ独自の世界があります。このような多様体の 2 次元投影は次のようになります。

そのような数字は 4 億 7,000 万件以上知られています。それらのどれが私たちの現実に対応するかは現在計算中です。理論物理学者になるのは簡単ではありません。

はい、これは少し現実離れしているように思えます。しかし、おそらくこれこそが、量子の世界が私たちが認識している世界と大きく異なる理由を説明しているものなのかもしれません。

少し歴史を振り返ってみましょう

1968 年、若い理論物理学者ガブリエレベネツィアーノは、実験的に観察された強力な核力の多くの特徴を研究していました。当時、スイスのジュネーブにある欧州加速器研究所である CERN で働いていたベネチアーノ氏は、ある日素晴らしい洞察力を得るまで、数年間この問題に取り組みました。驚いたことに、約 200 年前にスイスの有名な数学者レオンハルト・オイラーが純粋に数学的な目的で発明した風変わりな数式、いわゆるオイラーベータ関数が、多数の関数をすべて一度に記述できるようであることに彼は気づきました。強い核相互作用に関与する粒子の特性。 Veneziano が注目したこの性質は、強い相互作用の多くの特徴を強力に数学的に説明するものでした。それは、ベータ関数とそのさまざまな一般化を使用して、世界中の粒子衝突の研究から蓄積された膨大な量のデータを記述する一連の研究を引き起こしました。しかし、ある意味、ヴェネツィアーノの観察は不完全でした。意味も意味も理解していない学生が暗記した公式のように、オイラーのベータ関数は機能しましたが、その理由は誰も理解していませんでした。説明が必要な式でした。

ガブリエレ・ベネツィアーノ

この状況は 1970 年に変わり、シカゴ大学の南部陽一郎、ニールス・ボーア研究所のホルガー・ニールセン、スタンフォード大学のレナード・サスキンドがオイラーの公式の背後にある物理的意味を発見することができました。これらの物理学者は、素粒子が振動する小さな一次元のひもで表される場合、これらの粒子の強い相互作用がオイラー関数によって正確に記述されることを示しました。これらの研究者らは、弦のセグメントが十分に小さければ、依然として点粒子のように見えるため、実験的観察と矛盾しないだろうと推論しました。この理論はシンプルで直感的に魅力的でしたが、強い力の文字列の記述には欠陥があることがすぐに判明しました。 1970 年代初頭。高エネルギー物理学者は、亜原子の世界をより深く観察することができ、多くの文字列ベースのモデル予測が観測結果と真っ向から矛盾していることを示しました。同時に、粒子の点モデルを使用する場の量子理論、つまり量子色力学が並行して発展しました。この理論が強い相互作用を記述することに成功したため、弦理論は放棄されました。
ほとんどの素粒子物理学者は、ひも理論は永久にゴミ箱に捨てられたと信じていましたが、多くの研究者はひも理論に忠実であり続けました。例えば、シュワルツは、「弦理論の数学的構造は非常に美しく、非常に多くの驚くべき特性を持っているので、それは確実に何かより深いものを示しているに違いない」と感じました 2)。物理学者がひも理論に関して抱えていた問題の 1 つは、ひも理論には選択肢が多すぎるように見え、混乱を招くことでした。この理論における振動する弦のいくつかの構成には、グルーオンの特性に似た特性があり、これが強い相互作用の理論であると真に考える理由を与えました。しかし、これに加えて、強い相互作用の実験的発現とは何の関係もない追加の相互作用キャリア粒子が含まれていました。 1974 年、フランスのエコールテクニークシュペリウールのシュワルツとジョエルシャークは、この一見不利な点を利点に変える大胆な提案を行いました。担体粒子を彷彿とさせる弦の奇妙な振動モードを研究した後、彼らはこれらの特性が重力相互作用の仮想粒子担体である重力子の想定される特性と驚くほど密接に一致していることに気づきました。重力相互作用のこれらの「微小粒子」はまだ検出されていませんが、理論家はこれらの粒子が持つべき基本的な特性のいくつかを自信を持って予測できます。 Sherk と Schwartz は、これらの特性がいくつかの振動モードで正確に実現されることを発見しました。これに基づいて、彼らは、物理学者が弦理論の範囲を過度に狭めたために弦理論の最初の出現が失敗したことを示唆しました。シャークとシュワルツは、ひも理論は単なる強い力の理論ではなく、とりわけ重力を含む量子理論であると発表しました。

物理学界はこの提案に非常に遠慮して反応しました。実際、シュワルツの回想録によれば、「私たちの仕事は誰からも無視された」4)。重力と量子力学を組み合わせようとする数多くの失敗した試みにより、進歩の道筋はすでに完全に混乱していました。超弦理論は強い力を説明するという最初の試みには失敗しており、それをさらに大きな目標を達成するために利用しようとすることは多くの人にとって無意味であるように思われました。その後、1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて、より詳細な研究が行われました。は、弦理論と量子力学には、小さいとはいえ独自の矛盾があることを示しました。重力は再び、顕微鏡レベルでの宇宙の記述に重力を統合しようとする試みに抵抗することができたようです。
それは 1984 年まで続きました。ほとんどの物理学者によってほとんど無視または拒否されてきた 10 年以上の集中研究を要約した画期的な論文で、グリーンとシュワルツは、ひも理論を悩ませていた量子論との軽微な矛盾は許容できると確立しました。さらに、結果として得られた理論は、4 種類すべての力とすべての種類の物質をカバーするのに十分な広さであることを示しました。この結果の噂は物理学界全体に広がり、何百人もの素粒子物理学者がプロジェクトの作業を中止し、数世紀に渡る宇宙の最深部への攻撃における最後の理論的戦いと思われる攻撃に参加した。
グリーンとシュワルツの成功の言葉は、最終的には大学院 1 年生にまで届き、それまでの憂鬱な気分は、物理学の歴史の転換点に参加しているという刺激的な感覚に取って代わられました。私たちの多くは夜遅くまで起きて、弦理論を理解するのに不可欠な理論物理学と抽象数学の分厚い本を熟読しました。

科学者の言うことを信じるなら、私たち自身と私たちの周りのすべてのものは、そのような神秘的な折り畳まれた無数の微小物体で構成されています。
1984年から1986年までの期間現在では「超ひも理論の最初の革命」として知られています。この期間に、世界中の物理学者によって弦理論に関する 1,000 を超える論文が書かれました。これらの成果は、数十年にわたる骨の折れる研究を通じて発見された標準モデルの多くの特性が、弦理論の壮大なシステムから自然に流れ出たものであることを決定的に実証しました。マイケル・グリーンは次のように述べています。「弦理論に入門し、前世紀の物理学のほぼすべての主要な進歩が、このような単純な出発点から流れ出て、そして非常に優雅に流れ出たということに気づく瞬間は、弦理論の信じられないほどの力を明らかに示しています。この理論です。」5 さらに、これらのプロパティの多くについては、以下で説明するように、弦理論は標準モデルよりもはるかに完全で満足のいく説明を提供します。これらの成果により、多くの物理学者は、ひも理論がその約束を実現し、究極の統一理論となる可能性があることを確信しました。

3 次元のカラビ-ヤウ多様体の 2 次元投影。この投影により、追加の次元がどれほど複雑であるかがわかります。

しかし、この道に沿って、弦理論に取り組んでいる物理学者は何度も深刻な障害に遭遇しました。理論物理学では、複雑すぎて理解できない、または解くのが難しい方程式を扱わなければならないことがよくあります。通常、このような状況では、物理学者はあきらめず、これらの方程式の近似解を求めようとします。超弦理論の状況はさらに複雑です。方程式の導出自体も非常に複雑であることが判明し、これまでのところ方程式の近似形しか得られていません。したがって、弦理論に取り組む物理学者は、近似方程式の近似解を探さなければならない状況に陥っています。第一次超弦革命で数年に渡る驚異的な進歩の後、物理学者は、使用された近似方程式が多くの重要な疑問に正しく答えることができず、それによって研究のさらなる発展が妨げられているという事実に直面しました。これらの近似法を超えて進むための具体的なアイデアがなかったため、弦理論の分野で働く多くの物理学者はフラストレーションの増大を経験し、以前の研究に戻りました。残った人にとっては、1980 年代後半から 1990 年代前半。テスト期間だった。

超弦理論の美しさと潜在的な力は、金庫にしっかりと閉じ込められ、小さなのぞき穴からしか見えない黄金の宝物のように研究者たちを招きましたが、誰もこれらの眠っている力を解き放つ鍵を持っていませんでした。長い「乾燥」期間は重要な発見によって時折中断されましたが、すでに知られている近似解を超える新しい方法が必要であることは誰の目にも明らかでした。

この膠着状態は、1995 年に南カリフォルニア大学の弦理論会議でエドワードウィッテンが行った息をのむような講演で終わりました。この講演は、世界の主要な物理学者で満席になった会場を驚かせました。その中で彼は研究の次の段階の計画を明らかにし、それによって「超ひも理論の第二の革命」の先駆けとなった。超弦理論の研究者たちは現在、遭遇する障害を克服できると期待される新しい手法の研究に精力的に取り組んでいます。

TSを広く普及させるために、人類はコロンビア大学教授ブライアン・グリーンの記念碑を建立すべきである。 1999 年の彼の著書『The Elegant Universe』。超弦、隠された次元、そして究極理論の探求』はベストセラーとなり、ピューリッツァー賞を受賞した。科学者の研究は、著者自身が司会者を務める人気科学ミニシリーズの基礎を形成しました。その断片は資料の最後に見ることができます（写真エイミー・サスマン/コロンビア大学）。

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ここで、この理論の本質を少しでも理解してみましょう。

やり直してください。ゼロ次元は点です。彼女にはサイズがありません。このような次元では移動する場所はなく、位置を示す座標も必要ありません。

最初の点の隣に 2 つ目を配置し、それらを通る線を描きましょう。ここが第一次元です。 1 次元のオブジェクトにはサイズ (長さ) がありますが、幅や奥行きはありません。途中に障害物が発生すると回避できないため、1次元空間内での移動は非常に制限されます。このセグメント上の位置を決定するには、座標が 1 つだけ必要です。

セグメントの横にドットを置きましょう。これらのオブジェクトの両方を適合させるには、長さと幅、つまり面積はあるが、深さ、つまり体積のない 2 次元空間が必要になります。このフィールド上の任意の点の位置は、2 つの座標によって決定されます。

このシステムに 3 番目の座標軸を追加すると、3 番目の次元が生じます。三次元宇宙の住人である私たちにとって、これは非常に容易に想像できます。

二次元空間の住人が世界をどのように見ているかを想像してみましょう。たとえば、この二人の男性は次のとおりです。

彼らはそれぞれ、自分の仲間を次のように見るでしょう。

そしてこの状況では:

私たちのヒーローはお互いを次のように認識します。

視点を変えることで、ヒーローたちがお互いを 1 次元のセグメントではなく 2 次元のオブジェクトとして判断できるようになります。

ここで、ある体積物体がこの 2 次元の世界と交差する 3 次元内を移動すると想像してみましょう。外部の観察者にとって、この動きは、MRI 装置のブロッコリーのように、平面上の物体の 2 次元投影の変化として表現されます。

しかし、私たちのフラットランドの住民にとって、そのようなイメージは理解できません。彼は彼女のことを想像することすらできない。彼にとって、それぞれの 2 次元投影は、予期せぬ場所に現れ、また予期せず消える、不思議なほど可変的な長さを持つ 1 次元のセグメントとして見えます。二次元空間の物理法則を使用して、そのような物体の長さと起源の場所を計算する試みは失敗する運命にあります。

三次元世界に住む私たちには、すべてが二次元として見えます。空間内で物体を動かすだけで、その体積を感じることができます。また、多次元の物体も二次元のように見えますが、それは私たちとの関係や時間に応じて驚くほど変化します。

この観点から、たとえば重力について考えるのは興味深いことです。誰もが次のような写真を見たことがあるでしょう。

それらは通常、重力が時空をどのように曲げるかを描写します。曲がる…どこ？まさに私たちに馴染みのある次元ではありません。そして、量子トンネリング、つまり、ある場所で消えてまったく別の場所に現れる粒子の能力、そして、私たちの現実では穴を開けずに通り抜けることができない障害物の背後にある粒子の能力についてはどうでしょうか？ブラックホールはどうでしょうか？現代科学のこれらすべての謎が、空間の幾何学が私たちが認識し慣れているものとまったく同じではないという事実によって説明されるとしたらどうなるでしょうか?

時計が時を刻んでいる

時間は私たちの宇宙に別の座標を追加します。パーティーを開催するには、どのバーで開催されるかだけでなく、そのイベントの正確な時間を知る必要があります。

私たちの認識によれば、時間は直線というよりも光線です。つまり、出発点があり、動きは過去から未来への一方向にのみ実行されます。また、現実なのは現在だけです。昼休み中の事務員の視点からは朝食と夕食が存在しないのと同じように、過去も未来も存在しません。

しかし、相対性理論はこれに同意しません。彼女の観点からすると、時間は本格的な次元です。波の音の夢が私たちを驚かせた正確な場所に関係なく、海のビーチが現実であるのと同じように、これまでに存在し、存在し、そして存在するであろうすべての出来事は等しく現実です。私たちの認識は、時間の直線上のある部分を照らすスポットライトのようなものにすぎません。 4 次元における人類は次のようになります。

しかし、私たちが見ているのは単なる投影、個々の瞬間におけるこの次元のスライスだけです。はい、はい、MRI装置の中のブロッコリーのように。

これまで、すべての理論は多数の空間次元で機能し、時間次元は常に唯一のものでした。しかし、空間ではなぜ複数の次元が許容されるのに、一度しか許容されないのでしょうか? 科学者がこの質問に答えることができるまで、2 つ以上の時間空間の仮説は、すべての哲学者や SF 作家にとって非常に魅力的に見えるでしょう。物理学者もそうなのですが、どうなるのでしょうか？たとえば、アメリカの天体物理学者イツァーク・バーズは、万物の理論に関するすべての問題の根源は、見落とされている第二時間の次元であると考えています。頭の体操として、時間が 2 つある世界を想像してみましょう。

各次元は個別に存在します。これは、ある次元のオブジェクトの座標を変更すると、他の次元の座標は変更されない可能性があるという事実で表されます。つまり、ある時間軸と直角に交差する時間軸に沿って移動すると、交差点で周囲の時間は停止します。実際には次のようになります。

ネオがしなければならなかったのは、自分の一次元の時間軸を弾丸の時間軸に対して垂直に配置することだけでした。ほんの些細なことですが、あなたも同意するでしょう。実際には、すべてがはるかに複雑です。

2 つの時間次元を持つ宇宙の正確な時間は、2 つの値によって決まります。二次元の出来事を想像するのは難しいですか？つまり、2つの時間軸に沿って同時に延長されるものでしょうか？そのような世界では、地図製作者が地球の 2 次元表面を地図化するのと同じように、時間を地図化する専門家が必要になる可能性があります。

二次元空間と一次元空間を区別するものは他に何でしょうか? たとえば、障害物を回避する能力。これは私たちの心の限界を完全に超えています。一次元の世界の住人には、角を曲がるということがどのようなものかを想像することはできません。そして、これは何ですか?時間の角度? さらに、2 次元空間では、前方、後方、さらには斜めに移動することもできます。時間を斜めに通過することがどのようなものかはわかりません。時間が多くの物理法則の基礎となっているという事実は言うまでもなく、別の時間次元の到来によって宇宙の物理学がどのように変化するかを想像することは不可能です。でも、それを考えるのはとても楽しいです！

非常に大きな百科事典

他の次元はまだ発見されておらず、数学モデルにのみ存在します。しかし、次のように想像してみることはできます。

以前にわかったように、私たちは宇宙の 4 番目 (時間) 次元の 3 次元投影を見ます。言い換えれば、私たちの世界が存在するあらゆる瞬間は、ビッグバンから世界の終わりまでの期間における点（ゼロ次元に似たもの）です。

タイムトラベルについて読んだことがある人は、時空連続体の曲率がタイムトラベルにおいてどれほど重要な役割を果たしているかを知っています。これは 5 次元です。この線上の 2 点を近づけるために 4 次元の時空が「曲がる」のです。これがなければ、これらのポイント間の移動は長すぎるか、不可能ですらあります。大まかに言えば、5 次元は 2 次元と似ています。それは、時空の「1 次元」の線を「2 次元」の平面に移動させ、角を曲がる能力という形でそれが意味するものすべてを含みます。

少し前に、私たちの特に哲学的な思考を持つ読者は、おそらく未来がすでに存在しているがまだ知られていない状況における自由意志の可能性について考えたでしょう。科学はこの質問に「確率」という方法で答えます。未来は棒ではなく、起こり得るシナリオのほうき全体です。どちらが実現するかは、そこに到達したときにわかります。

それぞれの確率は、5次元の「平面」上に「1次元」の線分の形で存在します。あるセグメントから別のセグメントに最も速くジャンプする方法は何ですか? そうです、この平面を紙のように曲げてください。どこを曲げればいいのでしょうか？そしてまた正しく、6次元では、この複雑な構造全体に「ボリューム」が与えられます。こうして、それは三次元空間と同じように「完成」し、新たな点となります。

7次元は6次元の「点」で構成される新しい直線です。この線上に他に何かポイントはありますか? ビッグバンの結果としてではなく、他の条件下で形成され、他の法則に従って動作する、別の宇宙での出来事の発展のための無限の選択肢全体。つまり、7次元は平行世界からのビーズです。 8次元では、これらの「直線」を1つの「面」にまとめます。そして、9 番目は、8 次元のすべての「シート」を含む本にたとえることができます。これは、すべての物理法則とすべての初期条件を含む、すべての宇宙の歴史の全体です。再びピリオド。

ここで限界に達してしまいました。 10 次元を想像するには、直線が必要です。そして、9次元がすでに想像できるすべてのもの、そして想像不可能なものさえもカバーしているとしたら、この線上に他にどんな点があるでしょうか? 少なくとも私たちの想像力にとって、9 次元は単なる新たな出発点ではなく、最終的な出発点であることがわかりました。

弦理論では、弦が振動するのは 10 次元、つまりすべてを構成する基本的な粒子であると述べています。 10 次元にすべての宇宙とすべての可能性が含まれている場合、文字列は常にどこにでも存在します。つまり、すべての文字列は私たちの世界にも他の世界にも存在します。いつでも。すぐに。クールですね？

物理学者、弦理論の専門家。彼は、対応するカラビ-ヤウ多様体のトポロジーに関連した鏡面対称性に関する研究で知られています。人気の科学本の著者として幅広い読者に知られています。彼のエレガントな宇宙はピューリッツァー賞にノミネートされました。

2013 年 9 月、ブライアングリーンは工科大学の招待でモスクワを訪れました。有名な物理学者、ひも理論家、そしてコロンビア大学の教授である彼は、主に科学の普及者であり、「エレガントな宇宙」という本の著者として一般に知られています。 Lenta.ru は、超弦理論とその理論が直面している最近の困難、さらには量子重力、振幅面体、社会制御についてブライアングリーンと対談しました。

ロシア語の文学:カク M.、トンプソン J.T. 「アインシュタインを超えて：超弦と最終理論の探求」とその内容元の記事はWebサイトにあります InfoGlaz.rfこのコピーの元となった記事へのリンク -

私たちは学校で、物質は原子で構成されており、原子は原子核で構成され、その周りを電子が回っていると学びました。惑星はほぼ同じように太陽の周りを公転しているので、想像するのは簡単です。その後、原子は素粒子に分裂し、宇宙の構造を想像することがさらに難しくなりました。粒子スケールでは、さまざまな法則が適用されるため、生命からの類似点を常に見つけることができるとは限りません。物理学は抽象的でわかりにくくなりました。

しかし、理論物理学の次の段階では現実感が戻ってきました。超弦理論は、再び想像しやすい言葉で世界を記述したため、理解しやすく、覚えやすくなりました。

このテーマはまだ簡単ではありませんので、順番に見ていきましょう。まず、理論が何なのかを理解してから、それがなぜ発明されたのかを理解しましょう。デザートとして、ひも理論の歴史は浅いですが、2 つの革命がありました。

宇宙は振動するエネルギーの糸でできています

超弦理論以前は、素粒子は点、つまり特定の特性を持つ無次元の形状と考えられていました。ひも理論では、それらを長さという 1 つの次元を持つエネルギーの糸として説明します。これらの 1 次元のスレッドは次のように呼ばれます。 量子文字列.

理論物理学

理論物理学
実験物理学とは対照的に、数学を使用して世界を説明します。最初の理論物理学者はアイザックニュートン (1642-1727) でした。

アーティストの目を通して見た、電子、素粒子、量子列を伴う原子核。ドキュメンタリー「エレガント・ユニバース」の断片

量子ストリングは非常に小さく、その長さは約 10 -33 cm で、これは大型ハドロン衝突型加速器で衝突する陽子の 1 億倍小さいものです。このようなひもを使った実験には、銀河ほどの大きさの加速器を構築する必要がある。文字列を検出する方法はまだ見つかっていませんが、数学のおかげで、文字列のプロパティの一部を推測することができます。

量子弦は開いた状態と閉じた状態である。開いた端は自由ですが、閉じた端は互いに閉じてループを形成します。弦は常に「開いたり閉じたり」を繰り返し、他の弦とつながったり、小さな弦に分かれたりします。

量子弦が引き伸ばされる。空間の張力はエネルギーの違いによって発生します。閉じた弦の場合は閉じた端の間、開いた弦の場合は弦の端と空隙の間です。物理学者は、この空洞を二次元の次元の面、または膜という言葉からブレーンと呼びます。

センチメートル - 宇宙に存在する物体の最小サイズ。それをプランク長といいます

私たちは量子文字列でできています

量子弦が振動する。これらはバラライカの弦の振動に似た振動で、均一な波と整数の最小値と最大値があります。量子弦は振動しても音を発生しませんが、素粒子のスケールでは音の振動を伝えるものは何もありません。それ自体が粒子になります。ある周波数ではクォーク、別の周波数ではグルーオン、そして第 3 の周波数では光子で振動します。したがって、量子文字列は単一の構築要素であり、宇宙の「レンガ」です。

宇宙は通常、宇宙と星として描かれますが、私たちの惑星でもあり、あなたと私、画面上のテキスト、森のベリーでもあります。

弦の振動の図。どの周波数でも、すべての波は同じで、その数は 1、2、3 の整数です。

モスクワ地方、2016年。イチゴはたくさんありますが、蚊が増えているだけです。それらも文字列でできています。

そして宇宙はどこかにあります。宇宙へ帰ろう

したがって、宇宙の中心には、振動し、サイズや形状を変化させ、他の弦とエネルギーを交換する一次元のエネルギーの糸である量子弦があります。しかし、それだけではありません。

量子弦は空間を移動する。そして、弦のスケール上の空間は、理論の最も興味深い部分です。

量子弦は11次元で動く

セオドア・カルザ
(1885-1954)

すべてはアルバート・アインシュタインから始まりました。彼の発見は、時間が相対的であり、それが空間と一体となって単一の時空連続体であることを示しました。アインシュタインの研究は、重力、惑星の動き、ブラックホールの形成を説明しました。さらに、彼らは同時代の人々に新たな発見をもたらすインスピレーションを与えました。

アインシュタインは 1915 年から 1916 年にかけて一般相対性理論の方程式を発表し、すでに 1919 年にはポーランドの数学者テオドール・カルーザが彼の計算を電磁場の理論に適用しようと試みていました。しかし、疑問が生じました。アインシュタインの重力が時空の 4 次元を曲げるなら、電磁力は何を曲げるのでしょうか? アインシュタインへの信頼は強く、カルーザは彼の方程式が電磁気学を説明するものであると信じていました。代わりに、彼は電磁力が追加の 5 次元を曲げていると提案しました。アインシュタインはこのアイデアを気に入ったが、この理論は実験によって検証されず、1960 年代まで忘れ去られていた。

アルバート・アインシュタイン (1879-1955)

セオドア・カルザ
(1885-1954)

アルバート・アインシュタイン
(1879-1955)

最初の弦理論方程式は奇妙な結果を生み出しました。タキオンはそれらの中に現れました - 光の速度より速く動く負の質量を持つ粒子です。ここで、宇宙の多次元性についてのカルーザのアイデアが役に立ちました。確かに、6、7、または 10 次元では不十分であるのと同様に、5 次元でも十分ではありませんでした。第一弦理論の数学は、私たちの宇宙が 26 次元を持っている場合にのみ意味を持ちます。後の理論では 10 個あれば十分でしたが、現代の理論では 11 個、つまり空間と時間の 10 個が存在します。

しかし、もしそうなら、なぜ追加の 7 次元が見えないのでしょうか? 答えは簡単です。小さすぎるからです。遠くから見ると、立体物は平面に見えます。水道管はリボンに、風船は円に見えます。たとえ他の次元にある物体を見ることができたとしても、私たちはその多次元性を考慮することはありません。科学者はこれを効果と呼んでいます コンパクト化.

余分な次元は、認識できないほど小さな時空の形に折り畳まれています。それらはカラビ・ヤウ空間と呼ばれます。遠くから見ると平らに見えます。

追加の 7 つの次元は、数学モデルの形式でのみ表現できます。これらは、私たちが知っている空間と時間の特性に基づいて構築されたファンタジーです。 3 次元を追加すると、世界が 3 次元になり、障害物を回避できるようになります。おそらく、同じ原理を使用して、残りの 7 つの次元を追加するのが正しいでしょう。そうすれば、それらを使用して時空を巡り、いつでもどの宇宙のどの地点にも到達できるようになります。

超弦理論の最初のバージョンによる宇宙の測定 - ボソン理論。今では無関係だと思われている

線には長さという 1 つの次元しかありません。

風船は 3 次元であり、3 番目の次元、つまり高さを持っています。でも二次元の男には線に見える

二次元の人間が多次元を想像できないのと同じように、私たちも宇宙のすべての次元を想像することはできません。

このモデルによれば、量子文字列は常にどこにでも移動します。これは、同じ文字列が、誕生から終わりまで、考えられるすべての宇宙の特性をエンコードしていることを意味します。残念ながら、私たちの気球は平べったいです。私たちの世界は、11 次元の宇宙を時空の目に見えるスケールに 4 次元に投影したものにすぎず、文字列を追うことはできません。

いつかビッグバンが見れるだろう

いつか、私たちは弦の振動の周波数と、私たちの宇宙における追加の次元の組織を計算するでしょう。そうすれば、私たちはそれについてすべてを学び、ビッグバンを見たり、アルファ・ケンタウリに飛んだりできるようになるでしょう。しかし今のところ、これは不可能です。計算で何を信頼すべきかについてのヒントはなく、必要な数値は力ずくで見つけるしかありません。数学者は、分類する選択肢が 10,500 あると計算しています。理論は行き詰まりました。

しかし、超弦理論は依然として宇宙の性質を説明することができます。これを行うには、他のすべての理論を接続し、すべての理論にならなければなりません。

超弦理論はすべての理論になるでしょう。多分

20 世紀後半、物理学者は宇宙の性質に関する多くの基本理論を確認しました。もう少し行けばすべてが理解できるように思えた。しかし、主要な問題はまだ解決されていません。理論は個別にはうまく機能しますが、全体像は得られません。

相対性理論と場の量子理論という 2 つの主要な理論があります。

カラビ・ヤウ空間で 11 次元を整理するためのオプション - 考えられるすべての宇宙に十分です。比較のために、宇宙の観測可能な部分にある原子の数は約 10 80 個です。

考えられるすべての宇宙に対してカラビ-ヤウ空間を編成するための十分なオプションがあります。比較のために、観測可能な宇宙の原子の数は約 10 80 個です。

相対性理論
惑星と恒星の間の重力相互作用を説明し、ブラックホールの現象を説明しました。これは視覚的かつ論理的な世界の物理学です。

アインシュタイン時空における地球と月の重力相互作用モデル

場の量子論
は、素粒子の種類を決定し、それらの間の 3 種類の相互作用 (強い、弱い、電磁気) を説明しました。これがカオスの物理学です。

アーティストの目から見た量子の世界。 MiShorts Web サイトからのビデオ

ニュートリノの質量を追加した場の量子理論はと呼ばれます スタンダードモデル。これは量子レベルでの宇宙の構造の基本理論です。理論の予測のほとんどは実験で確認されています。

標準モデルでは、すべての粒子がフェルミオンとボソンに分割されます。フェルミ粒子は物質を形成します。このグループには、クォークや電子などのすべての観察可能な粒子が含まれます。ボソンは、光子やグルーオンなどのフェルミ粒子の相互作用を担う力です。すでに 24 個の粒子が知られており、科学者たちは新しい粒子を発見し続けています。

重力相互作用もそのボソンによって伝達されると仮定するのは論理的です。彼らはまだそれを見つけていませんが、その特性を説明し、名前を考え出しました - 重力子.

しかし、理論を統一することは不可能です。標準モデルによれば、素粒子はゼロ距離で相互作用する無次元の点です。この規則を重力子に適用すると、方程式の結果は無限になり、無意味になってしまいます。これは矛盾の 1 つにすぎませんが、ある物理学が他の物理学からどれほど離れているかをよく示しています。

したがって、科学者はすべての理論を 1 つに統合できる代替理論を探しています。この理論は統一場理論、または 万物の理論.

フェルミオン
暗黒物質を除くあらゆる種類の物質を形成する

ボソン
フェルミ粒子間でエネルギーを伝達する

超弦理論は科学界を団結させる可能性がある

この役割における弦理論は、主要な矛盾を即座に解決するため、他の理論よりも魅力的に見えます。量子列は、それらの間の距離がゼロより大きくなるように振動し、重力子にとって不可能な計算結果が回避されます。そして、重力子自体は弦の概念によく当てはまります。

しかし、弦理論は実験によって証明されておらず、その成果は机上の空論にとどまっています。 40年間放棄されていないという事実はさらに驚くべきことであり、その可能性は非常に大きいです。なぜこのようなことが起こるのかを理解するために、それがどのように発展したかを振り返ってみましょう。

超弦理論は 2 つの革命を経験しました

ガブリエレ・ベネツィアーノ
(1942年生まれ)

当初、弦理論は物理学の統一の候補とはまったく考えられていませんでした。それは偶然に発見されました。 1968 年、若い理論物理学者ガブリエレベネツィアーノは原子核内の強い相互作用を研究しました。思いがけず、スイスの数学者レオンハルト・オイラーが200年前にまとめた一連の方程式であるオイラーのベータ関数でそれらがうまく記述できることを彼は発見した。これは奇妙なことでした。当時、原子は分割できないものと考えられており、オイラーの研究はもっぱら数学的な問題を解決していました。なぜこの方程式が機能するのか誰も理解していませんでしたが、積極的に使用されました。

オイラーのベータ関数の物理的意味は 2 年後に明らかにされました。南部陽一郎、ホルガー・ニールセン、レナード・サスキンドの3人の物理学者は、素粒子は点ではなく、一次元の振動する糸である可能性があると示唆しました。このような物体の強い相互作用は、オイラー方程式によって理想的に記述されます。弦理論の最初のバージョンは、物質の相互作用に関与するボーソンの弦の性質を記述し、物質を構成するフェルミ粒子には関係しなかったため、ボソン理論と呼ばれました。

理論が大雑把だった。それにはタキオンが関係しており、主な予測は実験結果と矛盾しました。そして、カルーザの多次元性を使用してタキオンを取り除くことは可能でしたが、弦理論は根付きませんでした。

ガブリエレ・ベネツィアーノ
南部陽一郎
ホルガー・ニールセン
レナード・サスキンド
ジョン・シュワルツ
マイケル・グリーン
エドワード・ウィッテン

ガブリエレ・ベネツィアーノ
南部陽一郎
ホルガー・ニールセン
レナード・サスキンド
ジョン・シュワルツ
マイケル・グリーン
エドワード・ウィッテン

しかし、この理論には依然として忠実な支持者がいます。 1971 年、ピエールラモンは超弦理論にフェルミオンを追加し、次元数を 26 から 10 に減らしました。これが始まりとなった 超対称性理論.

各フェルミオンには独自のボソンがあり、これは物質とエネルギーが対称的であることを意味すると述べています。観測可能な宇宙が非対称であることは問題ではなく、対称性が依然として観測される条件が存在するとラモン氏は述べた。そして、ひも理論によれば、フェルミ粒子とボソンが同じ物体によってコード化されている場合、これらの条件下では物質はエネルギーに変換され、またその逆も可能です。弦のこの性質は超対称性と呼ばれ、弦理論自体は超弦理論と呼ばれました。

1974 年、ジョンシュワルツとジョエルシャークは、弦の特性の一部が、重力を運ぶと考えられている重力子の特性と驚くほどよく一致していることを発見しました。その瞬間から、理論は一般化していると真剣に主張し始めました。

時空の次元は最初の超弦理論にあった

「ひも理論の数学的構造は非常に美しく、非常に多くの驚くべき特性を持っているため、それは確実に何かより深いものを示しているに違いありません。」

最初の超弦革命 1984年に起こりました。 John Schwartz と Michael Green は、弦理論と標準モデルの間の矛盾の多くが解決できることを示す数学モデルを発表しました。新しい方程式は、理論をあらゆる種類の物質とエネルギーにも関連付けました。科学の世界は熱狂に襲われ、物理学者たちは研究を放棄し、弦の研究に切り替えました。

1984 年から 1986 年にかけて、弦理論に関する 1,000 を超える論文が書かれました。彼らは、標準模型と重力理論の規定の多くが、長年にわたってつなぎ合わせられてきたものであり、弦物理学から自然に引き継がれたものであることを示しました。この研究により、科学者たちは統一理論がもうすぐそこまで来ていると確信しました。

「ひも理論に入門し、前世紀の物理学のほぼすべての主要な進歩が、このような単純な出発点から流れ出て、そして非常に優雅に流れてきたことに気づく瞬間は、この理論の信じられないほどの力を明確に示しています。」

しかし、ひも理論はその秘密を明らかにすることを急ぐことはありませんでした。解決された問題の代わりに、新しい問題が発生しました。科学者たちは、超弦理論が 1 つではなく 5 つ存在することを発見しました。それらの文字列にはさまざまな種類の超対称性があり、どの理論が正しいのかを理解する方法はありませんでした。

数学的手法には限界がありました。物理学者は正確な結果が得られない複雑な方程式に慣れていますが、弦理論の場合は正確な方程式さえ書くことができませんでした。そして近似式の近似結果は答えを与えませんでした。この理論を研究するには新しい数学が必要であることが明らかになりましたが、それがどのような数学になるのかは誰も知りませんでした。科学者の熱意は静まりました。

第二次超弦革命 1995年に雷鳴が轟いた。この行き詰まりは、南カリフォルニアで開催された弦理論会議でのエドワード・ウィッテンの講演によって終結した。ウィッテンは、5 つの理論すべてが、10 次元ではなく 11 次元がある、より一般的な超弦理論の特殊なケースであることを示しました。ウィッテンは統一理論を、英語の Mother から M 理論、またはすべての理論の母と呼びました。

しかし、もっと重要なことは他にありました。ウィッテンの M 理論は、超弦理論における重力の効果を非常によく説明しているため、超対称重力理論と呼ばれています。 超重力理論。これは科学者たちを勇気づけ、科学雑誌は再び弦物理学に関する出版物でいっぱいになりました。

現代の超弦理論における時空測定

「弦理論は 21 世紀の物理学の一部であり、偶然にも 20 世紀に終わったものです。それが完全に開発され、理解されるまでには、数十年、あるいは何世紀もかかるかもしれません。」

この革命の余韻は今でも聞こえてきます。しかし、科学者のあらゆる努力にもかかわらず、ひも理論には答えよりも多くの疑問があります。現代科学は多次元宇宙のモデルを構築しようとしており、空間の膜としての次元を研究しています。それらはブレーンと呼ばれます。開放弦が張られた空洞を覚えていますか? 文字列自体が 2 次元または 3 次元になる可能性があると想定されます。彼らは、新しい 12 次元の基本理論、つまり「父」という言葉からすべての理論の父である F 理論についてさえ話します。超弦理論の歴史はまだ終わっていません。

超弦理論はまだ証明されていませんが、反証されていません。

この理論の主な問題は、直接的な証拠が不足していることです。はい、他の理論もそれに基づいており、科学者は 2 と 2 を足すと 4 になります。しかし、これは 4 が 2 で構成されているという意味ではありません。大型ハドロン衝突型加速器での実験ではまだ超対称性が発見されておらず、超対称性は宇宙の統一された構造基盤を裏付け、弦物理学の支持者の手に渡ることになるだろう。しかし、否定もありません。したがって、ひも理論のエレガントな数学は科学者の心を刺激し続け、宇宙のすべての謎に対する解決策を約束します。

弦理論について語るとき、コロンビア大学の教授であり、理論の精力的な普及者であるブライアン・グリーンの名前を外すことはできません。グリーンさんは講演したり、テレビに出演したりしている。 2000年に著書『エレガントな宇宙。超弦、隠された次元、そして究極理論の探求」はピューリッツァー賞の最終候補に残りました。 2011年、彼は『ビッグバンセオリー』のエピソード83に本人役で出演した。 2013年、彼はモスクワ工科大学を訪問し、『レンタル』のインタビューに応じた。

弦理論の専門家にはなりたくないが、自分がどのような世界に住んでいるのかを理解したい場合は、次のチートシートを思い出してください。

宇宙は、楽器の弦のように振動するエネルギーの糸、つまり量子弦で構成されています。振動周波数が異なると、弦が異なる粒子に変化します。
紐の端は自由にすることも、互いに閉じてループを形成することもできます。弦は常に閉じたり開いたりし、他の弦とエネルギーを交換します。
量子列は 11 次元の宇宙に存在します。追加の 7 次元は、とらえどころのない小さな時空の形に折り畳まれているため、私たちには見えません。これを次元のコンパクト化と呼びます。
宇宙の次元がどのように折り畳まれているかを正確に知っていれば、時間を超えて他の星に旅行できるかもしれません。しかし、これはまだ不可能です。通過すべき選択肢が多すぎます。考えられるすべての宇宙に十分な数が存在するでしょう。
超弦理論はすべての物理理論を統合し、宇宙の秘密を明らかにします。これにはすべての前提条件があります。しかし、まだ証拠はありません。
現代科学の他の発見は、論理的には弦理論から導かれています。残念ながら、これは何も証明しません。
超弦理論は 2 度の超弦革命と長年の忘却を生き延びてきました。一部の科学者はこれをSFだと考えていますが、他の科学者は新しいテクノロジーがそれを証明するのに役立つと信じています。
最も重要なこと: 友達に弦理論について話す予定がある場合は、友達の中に物理学者がいないことを確認してください。時間と神経を節約できます。そして、あなたは工科大学のブライアン・グリーンのように見えるでしょう。

超弦理論は、一般的な用語では、宇宙を振動するエネルギーの束、つまり弦の集合として構想します。それらは自然の基礎です。この仮説は、他の要素であるブレーンについても説明しています。私たちの世界のすべての物質は、弦と脳の振動で構成されています。この理論の当然の帰結として、重力の説明が得られます。だからこそ科学者たちは、重力を他の力と統合するための鍵を握っていると信じています。

コンセプトは進化している

統一場の理論、つまり超弦理論は純粋に数学的なものです。すべての物理概念と同様に、それは特定の方法で解釈できる方程式に基づいています。

現在、この理論の最終版がどのようなものになるのかを正確に知る人は誰もいません。科学者たちはその一般的な要素についてかなり漠然とした考えを持っていますが、すべての超ひも理論をカバーする最終的な方程式をまだ誰も考え出しておらず、それを実験的に確認することもまだ可能ではありません（ただし、それは実験的にも確認されています）反証されました）。物理学者は方程式の簡略版を作成しましたが、これまでのところ、それは私たちの宇宙を完全には説明していません。

初心者のための超ひも理論

この仮説は 5 つの重要なアイデアに基づいています。

超弦理論は、私たちの世界のすべての物体は振動する糸とエネルギーの膜で構成されていると予測します。
一般相対性理論 (重力) と量子物理学を組み合わせようとしています。
超ひも理論により、宇宙のすべての基本的な力を統合できるようになります。
この仮説は、2 つの根本的に異なるタイプの粒子、ボソンとフェルミ粒子の間の新しい関係、超対称性を予測します。
この概念は、宇宙の通常は観察できない追加の次元を多数説明します。

ストリングとブレーン

この理論が 1970 年代に登場したとき、その中のエネルギーの糸は 1 次元の物体、つまり糸であると考えられていました。「一次元」という言葉は、長さと高さがある正方形などとは異なり、文字列が長さという 1 つの次元だけを持つことを意味します。

理論では、これらの超弦は閉じたものと開いたものの 2 つのタイプに分類されます。開いた紐は端が互いに接触していないのに対し、閉じた紐は開いた端がないループです。その結果、タイプ 1 文字列と呼ばれるこれらの文字列は、主に 5 種類の相互作用を受けることが判明しました。

相互作用は、文字列の端を接続したり分離したりする能力に基づいています。開いた弦の端が結合して閉じた弦を形成する可能性があるため、ループした弦を含まない超弦理論を構築することは不可能です。

閉じた文字列には重力を説明できると物理学者が信じている特性があるため、これは重要であることが判明しました。言い換えれば、科学者たちは、物質の粒子を説明する代わりに、超ひも理論が粒子の挙動と重力を説明できることに気づきました。

長年にわたって、理論には文字列に加えて他の要素も必要であることが判明しました。それらはシートまたはブレーンと考えることができます。紐は片側または両側に取り付けることができます。

量子重力

現代物理学には、一般相対性理論 (GTR) と量子という 2 つの基本的な科学法則があります。それらはまったく異なる科学分野を表しています。量子物理学は最小の自然粒子を研究し、一般相対性理論は通常、惑星、銀河、宇宙全体のスケールで自然を記述します。それらを統一しようとする仮説は量子重力理論と呼ばれます。今日それらの中で最も有望なものは弦楽器です。

閉じた糸は重力の挙動に対応します。特に、それらは重力子、つまり物体間で重力を伝達する粒子の特性を持っています。

力を合わせる

超弦理論は、電磁力、強い核力と弱い核力、重力の 4 つの力を 1 つに結合しようとします。私たちの世界では、それらは 4 つの異なる現象として現れますが、ひも理論家は、信じられないほど高いエネルギーレベルがあった初期の宇宙では、これらすべての力は相互作用するひもによって記述されると信じています。

超対称性

宇宙のすべての粒子は、ボー粒子とフェルミ粒子の 2 つのタイプに分類できます。超弦理論は、それらの間に超対称性と呼ばれる関係があることを予測します。超対称性の下では、すべてのボソンに対してフェルミ粒子が存在し、すべてのフェルミ粒子に対してボソンが存在する必要があります。残念ながら、そのような粒子の存在は実験的に確認されていません。

超対称性は、物理方程式の要素間の数学的な関係です。これは物理学の別の分野で発見され、その応用により 1970 年代半ばに超対称弦理論 (一般的な用語では超弦理論) と改名されました。

超対称性の利点の 1 つは、いくつかの変数を削除することで方程式を大幅に簡素化できることです。超対称性がなければ、方程式は無限の値や虚数などの物理的矛盾につながります。

科学者は超対称性によって予測された粒子を観察していないため、これはまだ仮説です。多くの物理学者は、この理由は大量のエネルギーが必要であるためであると考えており、これは有名なアインシュタイン方程式 E = mc 2 によって質量に関連付けられています。これらの粒子は宇宙初期に存在していた可能性がありますが、ビッグバン後に宇宙が冷えてエネルギーが広がるにつれて、これらの粒子はより低いエネルギーレベルに移動しました。

言い換えれば、高エネルギー粒子として振動していた弦はエネルギーを失い、より低振動の要素に変わったのです。

科学者らは、天体観測や粒子加速器実験によって、より高エネルギーの超対称元素の一部が特定され、理論が裏付けられることを期待している。

追加寸法

超弦理論のもう 1 つの数学的意味は、3 次元以上の世界では意味があるということです。これには現在 2 つの説明があります。

余分な次元 (そのうち 6 つ) は崩壊しており、ひも理論の用語で言えば、決して知覚できないほど小さなサイズに圧縮されています。
私たちは 3 次元の脳の中に閉じ込められており、他の次元はそれを超えて広がり、私たちにはアクセスできません。

理論家の間での重要な研究分野は、これらの余分な座標が私たちの座標とどのように関係するかを数学的にモデル化することです。最新の結果は、これらの余分な次元は以前の予想よりも大きい可能性があるため、今後の実験で科学者が近いうちにこれらの余分な次元（存在する場合）を検出できるようになるだろうと予測しています。

目標を理解する

超弦を研究する際に科学者が目指す目標は、「万物の理論」、つまりすべての物理的現実を基本レベルで説明する統一された物理仮説です。成功すれば、宇宙の構造に関する多くの疑問が解明される可能性がある。

物質と質量の説明

現代の研究の主なタスクの 1 つは、実際の粒子の解決策を見つけることです。

弦理論は、弦のさまざまな高次振動状態によってハドロンなどの粒子を説明する概念として始まりました。現代の定式化のほとんどでは、私たちの宇宙で観察されている物質は、弦やブレーンの最低エネルギー振動の結果です。より高い振動は、現在私たちの世界に存在しない高エネルギー粒子を生成します。

これらの質量は、弦とブレーンがどのようにコンパクト化された余分な次元に包まれているかを示しています。たとえば、数学者や物理学者によってトーラスと呼ばれる、ドーナツ形状に折りたたまれる単純化されたケースでは、紐は次の 2 つの方法でこの形状の周りを包み込むことができます。

トーラスの中央を通る短いループ。
トーラスの外周全体を囲む長いループ。

短いループは軽いパーティクル、長いループは重いパーティクルになります。トーラス状に圧縮された次元に紐を巻き付けると、質量の異なる新しい要素が形成されます。

超ひも理論は、長さから質量への移行を簡潔かつ明確に、シンプルかつエレガントに説明します。ここでの折り畳まれた次元はトーラスよりもはるかに複雑ですが、原理的には同じように機能します。

想像するのは難しいですが、糸がトーラスの周りを同時に 2 方向に巻きつき、その結果、異なる質量を持つ異なる粒子が生成される可能性さえあります。ブレーンは余分な次元を包み込むこともでき、さらに多くの可能性を生み出します。

空間と時間の定義

超弦理論の多くのバージョンでは、測定値が崩壊し、現在の技術レベルでは測定できなくなります。

超弦理論が空間と時間の基本的な性質をアインシュタイン以上に説明できるかどうかは、現時点では不明です。その中で、測定値は文字列の相互作用の背景であり、独立した実際の意味はありません。

すべての文字列相互作用の合計の導関数としての時空の表現に関して、十分に開発されていない説明が提案されました。

このアプローチは一部の物理学者の考えと一致せず、仮説の批判につながりました。競争理論は、空間と時間の量子化を出発点として使用します。最終的には、同じ基本仮説に対する異なるアプローチに過ぎないことが判明するだろうと信じている人もいます。

重力量子化

この仮説が確認された場合、主な成果は重力の量子論となるでしょう。一般相対性理論における現在の記述は量子物理学と一致しません。後者は、小さな粒子の挙動に制限を課すことにより、非常に小さなスケールで宇宙を探索しようとすると矛盾が生じます。

勢力の統一

現在、物理学者は、重力、電磁気力、弱い核相互作用、強い核相互作用という 4 つの基本的な力を知っています。超弦理論から、それらはすべてかつては 1 つのものの現れだったということになります。

この仮説によると、ビッグバン後に初期宇宙が冷えるにつれて、この単一の相互作用が、現在機能しているさまざまな相互作用に分割され始めました。

高エネルギー実験により、いつかこれらの力の統合を発見できるようになるでしょうが、そのような実験は現在の技術開発をはるかに超えています。

5つのオプション

1984 年の超弦革命以来、開発は猛烈なペースで進められてきました。その結果、1 つの概念ではなく、タイプ I、IIA、IIB、HO、HE と呼ばれる 5 つの概念が存在し、それぞれが私たちの世界をほぼ完全に説明しましたが、完全ではありませんでした。

物理学者たちは、普遍的な真の公式を見つけることを期待して弦理論のバージョンを検討し、5 つの異なる自己完結型バージョンを作成しました。それらの特性の一部は世界の物理的現実を反映していましたが、その他は現実に対応していませんでした。

M理論

1995 年の会議で、物理学者のエドワードウィッテンは、5 つの仮説の問題に対する大胆な解決策を提案しました。新しく発見された二重性に基づいて、それらはすべて、ウィッテンによる超弦の M 理論と呼ばれる単一の包括的な概念の特殊なケースになりました。その重要な概念の 1 つは、複数の次元を持つ基本的なオブジェクトであるブレーン (膜の略) でした。著者は完全なバージョンを提案したわけではなく、まだ存在していませんが、超弦の M 理論は簡単に以下の特徴で構成されています。

11 次元 (10 空間次元と 1 時間次元)。
同じ物理的現実を説明する 5 つの理論につながる二重性。
ブレーンは 1 次元を超える文字列です。

結果

その結果、1 つではなく 10,500 のソリューションが出現しました。一部の物理学者にとって、これは危機を引き起こしましたが、他の物理学者は、私たちの存在によって宇宙の性質を説明する人間原理を受け入れました。理論家が超ひも理論をナビゲートする別の方法を見つけるかどうかはまだわかりません。

いくつかの解釈は、私たちの世界が唯一のものではないことを示唆しています。最も過激なバージョンでは、無限の数の宇宙の存在が可能になり、その中には私たちの宇宙の正確なコピーが含まれているものもあります。

アインシュタインの理論は、ワームホールまたはアインシュタイン・ローゼン橋と呼ばれる崩壊した空間の存在を予測しています。この場合、離れた 2 つのエリアが短い通路で結ばれます。超ひも理論ではこれだけでなく、平行世界の遠く離れた点の接続も可能になります。異なる物理法則を持つ宇宙間を移行することも可能です。しかし、量子重力理論によってそれらの存在は不可能になる可能性があります。

多くの物理学者は、空間体積に含まれるすべての情報がその表面に記録された情報に対応するホログラフィック原理により、エネルギースレッドの概念をより深く理解できるようになると信じています。

超ひも理論では時間の複数の次元が可能になり、それらを横断する移動が可能になると信じている人もいます。

さらに、この仮説は、宇宙が 2 つのブレーンの衝突によって創造され、創造と破壊のサイクルを繰り返すというビッグバンモデルに代わるモデルを提供します。

宇宙の最終的な運命は常に物理学者の関心を集めており、超弦理論の最終バージョンは物質の密度と宇宙定数を決定するのに役立ちます。これらの値を知ることで、宇宙学者は、宇宙が爆発するまで縮小し、すべてが再び始まるかどうかを判断できるようになります。

それが開発されテストされるまで、それがどのような結果をもたらすかは誰にもわかりません。アインシュタインは、方程式 E=mc 2 を書きましたが、それが核兵器の出現につながるとは想定していませんでした。量子物理学の創造者たちは、それがレーザーやトランジスター作成の基礎になるとは知りませんでした。そして、そのような純粋に理論的な概念がどのような結果をもたらすかはまだわかりませんが、歴史は、何か優れた結果が確実に得られることを示しています。

この仮説について詳しくは、Andrew Zimmerman の著書『Superstring Theory for Dummies』を参照してください。

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