M理論入門

専門用語を使わずに言えば、M理論は宇宙の基本的な物質についての考えを提示する。M理論の完全な数学的定式化は知られていないが、一般的なアプローチは重力を電磁力などの他の力と統合する普遍的な「万物の理論」の有力候補である。M理論は、量子力学と一般相対性理論の重力を数学的に一貫した方法で統合することを目指している。比較すると、ループ量子重力などの他の理論は、重力を電磁力などの力と完全に異なるものと仮定しているため、物理学者や研究者からはそれほど洗練されていないと考えられている。 ^{[1] [2] [3]}

20 世紀初頭、長い間物質 の最小の構成要素であると信じられていた原子は、陽子、中性子、電子と 呼ばれるさらに小さな構成要素で構成されていること、つまり素粒子で構成されていることが証明されました。他の素粒子は 1960 年代に発見され始めました。1970 年代には、陽子と中性子 (およびその他のハドロン) 自体がクォークと呼ばれるより小さな粒子で構成されていることが発見されました。標準モデルは、これらの粒子の相互作用を記述する一連の規則です。

1980 年代に、弦理論と呼ばれる理論物理学の新しい数学モデルが登場しました。このモデルは、科学で知られているさまざまな素粒子がすべて、仮想的な 1 次元の「弦」、つまり長さの次元のみを持ち、高さや幅を持たない極小の構成要素によって構築できることを示しました。これらの弦は複数の次元で振動し、その振動方法に応じて、3 次元空間で物質、光、または重力として見られる場合があります。弦理論では、あらゆる形態の物質は弦の振動の結果であると言われています。

しかし、弦理論が数学的に一貫しているためには、弦は 10次元の宇宙に存在していなければなりません。弦理論では、宇宙が 4 次元 (空間の 3 次元と時間の 1 次元) であると認識していることを、余分な 6 次元が「丸まって」いて、日常的に観測できないほど小さいと想像することで説明します。これは専門用語で「コンパクト化」と呼ばれます。これらの次元は通常、カラビ・ヤウ多様体と呼ばれる数学的オブジェクトの形状をとるように作られています。

5 つの主要な弦理論が開発され、すべての物質が弦でできているという原理と数学的に一致することが分かりました。弦理論に 5 つの異なるバージョンがあることは、パズルのようでした。

1995 年に南カリフォルニア大学で開催された弦理論会議で、高等研究所のエドワード・ウィッテンは、弦理論の 5 つの異なるバージョンは、異なる視点から見た同じものを説明している可能性があると示唆しました。 ^{[4]彼は、すべての弦理論を 1 つにまとめた「} M 理論」と呼ばれる統一理論を提唱しました。これは、弦が 11 次元時空で振動する丸まった 2 次元膜の近似であると主張することによって実現しました。ウィッテンによると、M は好みに応じて「魔法」、「謎」、「膜」の略語になる可能性があり、タイトルの真の意味は、理論のより深い理解が発見されたときに決定されるはずです。^[5]

M理論は完全ではなく、そのアプローチの数学はまだ十分に理解されていません。M理論は量子重力理論であり、他のすべての理論と同様に、その妥当性を確認する実験的証拠は得られていません。^[1]また、観測可能な宇宙を特別なものとして区別しておらず、したがって、第一原理から宇宙について測定できるすべてのものを予測することを目的としていません。

それにもかかわらず、物理学者の中には、M 理論の独自性と豊富な数学的特性に惹かれ、それが私たちの世界を単一の枠組みで記述できるかもしれないという希望を抱く人もいます。

M理論の大きな関心を集めている特徴の1つは、重力を媒介すると仮定されているスピン2の粒子である重力子の存在を自然に予測することです。さらに、M理論はブラックホールの蒸発に似た現象を自然に予測します。漸近安全重力、E8理論、非可換幾何学、因果フェルミオン系などの競合する統一理論は、いかなるレベルの数学的一貫性も示していません。

• 弦理論の歴史

• グリーン、B. (1999)。『エレガントな宇宙：超弦理論、隠れた次元、そして究極の理論の探求』。WWノートン。ISBN 978-0-375-70811-4。
• グリーン、B. (2004)。宇宙の構造：空間、時間、そして現実の質感。アルフレッド A. ノップフ。Bibcode : 2004fcst.book .....G. ISBN 978-0-375-41288-2。
• ミエミック、A.シュナケンブルグ、I. (2006)。 「M理論の基礎」。物理学要塞。54 (1): 5-72。arXiv : hep-th/0509137。Bibcode :2006ForPh..54....5M。土井：10.1002/prop.200510256。S2CID  98007313。
• マッサー、G. (2008)。弦理論完全入門。アルファブックス。ISBN 978-1-59257-702-6。
• スモーリン、L. (2006)。『物理学の悩み』ホートン​​・ミフリン。ISBN 978-0-618-55105-7。
• ウォイト、P. (2006)。『決して間違っていない：弦理論の失敗と物理法則の統一への継続的な挑戦』。ベーシックブックス。ISBN 978-0-465-09275-8。

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この音声ファイルは、2014 年 11 月 6 日付のこの記事の改訂版から作成されたもので、その後の編集は反映されていません。 (2014-11-06)

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• エレガントな宇宙 - NOVA によるブライアン・グリーン出演の 3 時間のミニシリーズ(オリジナル PBS 放送日: 2003 年 10 月 28 日および 11 月 4 日)。弦理論と M 理論を説明するさまざまな画像、テキスト、ビデオ、アニメーション。