弦理論

背景

一般の人々のために作られた超ひも理論の入門書は、まず物理学を説明しなければなりません。ひも理論をめぐる論争のいくつかは、物理学に対する誤解に起因しています。科学者にも共通する誤解は、自然界の説明では、その理論の予測が成功した場合には、その理論が真であることが証明されるという前提である。もう一つの誤解は、化学者を含む初期の物理科学者がすでに世界を説明しているということです。これは、ひも理論家たちが、説明のつかない「真実から解放された」状態になってから、奇妙な仮説を立て始めたという誤解につながっています。

古典領域

ニュートン物理学

ニュートンの万有引力の法則（UG）は、ガリレオの3つの運動法則と他のいくつかの仮定に加えて、1687年に発表されました。ニュートンの理論は、目に見える大きさの物体間の相互作用をモデル化することに成功し、現在では古典領域と呼ばれる一連の現象をモデル化した。クーロンの法則は電気的引力をモデル化した。マクスウェルの電磁場理論は電気と磁気を統合したもので、光学はこの分野から生まれたものです。

光の速度はその場を移動する観察者によって測定されたときに、しかし、速度の追加は、その場が、それと一緒に、またはそれに対して移動する観察者と相対的に遅くなるか、または速くなることを予測したが、ほぼ同じままであった。だから、電磁場に対して、観察者は、速度を失い続けた。それでも、これは力学の法則は、慣性を示すすべてのオブジェクトのために同じ仕事を言う相対性理論のガリレオの原則に違反していませんでした。

慣性の法則によって、物体に何の力も加えられていないとき、物体はその速度、すなわち速度と方向を保持します。不変の方向に一定の速度で一様に運動している物体も、静止している速度ゼロの物体も、慣性を経験します。これはガリレオの不変性を示しており、機械的相互作用が変動なく進行することを示しています。

相対性理論

特殊相対性理論

1905年、アインシュタインの特殊相対性理論は、マクスウェルの電磁場とガリレオ相対性理論の両方の正確さを説明するために、場の速度は絶対的であり、普遍的な定数であり、空間と時間は物体のエネルギーに相対する局所的な現象であると述べた。したがって、相対運動中の物体は、その運動量の方向に沿って短くなり（ローレンツ収縮）、事象の展開が遅くなる（時間拡張）。物体に乗っている人は、その乗り物に搭載されているすべての測定装置が長さの収縮と時間の拡張を経験しているので、その変化を検出することはできません。相対的な休息を経験している外部の観察者だけが、その移動経路に沿って短縮され、そのイベントが遅くなるように、相対的な動きの中でオブジェクトを測定します。特殊相対性理論は、空間と時間を絶対的なものとするニュートンの理論から、重力を説明することができなくなった。

同等性原理によって、アインシュタインは、重力または一定の加速度のいずれかの下にあることが物理的なメカニズムを共有する可能性があります区別できない経験であることを推論した。提案されたメカニズムは、最大のエネルギー密度の場所に向かって移動することによって、その緊張を緩和し、剛体の中でプログレッシブな緊張を確立する3次元空間内の局所的なエネルギー密度の結果、プログレッシブな長さの収縮と時間の拡張だった。特殊相対性理論は、重力場の限定的なケースであろう。特殊相対性理論は、3次元空間全体のエネルギー密度が一様である場合に適用され、したがって、重力場が場所から場所へと一様にスケールされているので、物体が加速を経験しないので、重力がない理由です。

一般相対性理論

1915年、アインシュタインの一般相対性理論は、ローレンツ多様体としてモデル化された4次元時空で重力を新たに説明した。時間は、3次元空間の3次元と融合した1次元であり、3次元空間のすべての出来事は、水平方向に2次元、垂直方向に1次元の時間軸に沿った点を意味しています。日常生活の中でさえ、人はその両方を述べたり、暗示したりする。人は、「2012年10月10日の午後9時にアパート3Dのフランクリン通りと交差する123メインストリートのビルで会いましょう」と言ったり、少なくとも意味したりする。時間座標を省略したり、欠落させたりすることで、人は求めていた出来事が存在しない時に、空間の中の正しい場所、つまり過去や未来の、おそらく午後6時や午前12時に到着することになる。

一般相対性理論は、空間と時間を収束させ、両者を近傍のエネルギー密度に対して相対的に仮定し、唯一の定数や絶対値を質量ではなく、真空中の光速とすることで、これまで想像もしなかった自然界のバランスと対称性を明らかにしたのである。すべての物体は常に直線に沿って光速で移動している。それに相当するものは、測地線や世界線と呼ばれる曲面上で、質量／エネルギーの近傍で幾何学的に「曲線を描く」4次元時空を自由落下するような抵抗の最も少ない経路である。

真空中の光速の物体は、3次元空間を最大の速度で移動しているが、イベントの進化は見られず、時間の中で凍結されている。表示されている宇宙は、与えられた場所に対する相対的なものであるが、その周辺の質量/エネルギーが述べられると、アインシュタインの方程式は、宇宙のあらゆる場所で何が起こっているか、あるいは起こったか、あるいは起こるだろうかを予測している。普及した概念は、アインシュタインの理論で相対的な主観的または恣意的を示唆していることをアインシュタインのいくつかの後悔には、後に彼はそれを一般論と命名する必要があると思った。

宇宙論

電磁場のメッセンジャー粒子である光子は、このフィールド内の観測者がこのイメージを解読し、3次元空間内を移動して反応するのに十分な時間の流れを持っている間に、宇宙を越えて時空を超えてイメージを運ぶが、この時空を超えたイメージを追い抜くことは決してできない。私たちの宇宙が始まったと推定されるビッグバンから40万年後の宇宙の状態は、宇宙マイクロ波背景（CMB）として表示されていると考えられています。

1915年には、宇宙は完全に我々は今、天の川銀河と呼ばれるものであり、静的であると考えられていた。アインシュタインは、最近発表された重力場の方程式を操作して、宇宙が拡大または縮小していたという結果を発見した。理論はどちらの方向時間不変で操作可能である）彼は任意に宇宙のバランスをとるために宇宙論的定数を追加する理論を修正しました。1930年近く、エドウィン・ハッブルの望遠鏡データは、一般相対性理論を通して解釈され、宇宙が膨張していることを明らかにした。

1916年、第一次世界大戦の戦場にいたカール・シュワルツシルトがアインシュタインの方程式を操作し、シュワルツシルトの解がブラックホールを予測した。数十年後、宇宙物理学者は、おそらくすべての銀河の中心に超巨大なブラックホールが存在することを確認した。ブラックホールは、星の形成と破壊を制御することで、銀河の形成と維持を導いているようだ。

1930年代には、一般相対性理論によれば、目に見えない物質に囲まれて銀河を支えていないと銀河がバラバラになってしまうことが指摘され、1970年代には暗黒物質が認められるようになりました。1998年には、宇宙の膨張が減速しているのではなく、加速していることが推論され、可視物質と暗黒物質の両方を加速させるのに十分な広大なエネルギー密度が宇宙全体に存在し、暗黒エネルギーの広大なフィールドが存在していることが示された。どうやら、宇宙の構成がわかっているのは5％以下で、残りの95％は謎の暗黒物質と暗黒エネルギーだそうです。

量子領域

奇妙なメカニック

1920年代までに、空間と時間の極小スケールで電磁場の動作を調べるために、量子力学（QM）が開発されました。しかし、電子-電磁場の力のキャリアである光子と相互作用する物質粒子-は、完全に機械的原理を無視しているように見えるだろう。量子粒子の位置を瞬間から瞬間まで予測することは誰にもできませんでした。

スリット実験では、電子はその前に置かれた1つの穴を通って移動します。しかし、1個の電子は、その前に何個あっても、複数の穴を同時に通過します。単一の電子は検出板上に干渉パターンを残し、まるで単一の粒子がすべての穴を同時に通過した波であるかのように見えます。それなのに、これは観測されていないときにだけ発生した。予想された事象に光を当てると、光子と電界との相互作用で電子は一つの位置に置かれることになる。

しかし、不確かさの原理により、量子粒子の正確な位置と運動量を確実に決定することはできません。粒子の位置の決定が大きいほど運動量の決定が低くなるように、観測/測定機器と粒子の相互作用が粒子を偏向させ、その逆も同様です。

量子化された場の理論

量子力学をフィールド全体に拡張することで、一貫したパターンが現れました。場所から隣接する場所へ、そこに存在する粒子の確率は、確率の波のように上昇と下降、つまり確率密度の上昇と下降を繰り返します。観測されていない場合、どのような量子粒子でも重畳状態になり、1つの粒子であってもフィールド全体を埋め尽くすことになります。しかし、粒子はフィールド内のどこにでもあるわけではなく、隣接する場所にあったかどうかに関連して、明確な確率で存在しています。マクスウェルの電磁場の波形は、確率的な事象の蓄積によって生成された。粒子ではなく、数学的な形は一定であった。

フィールドを特殊相対性理論に設定すると、完全な電磁場の予測が可能になりました。こうして相対論的量子場理論（QFT）が生まれました。電磁場のうち、それは相対論的量子電気力学（QED）です。弱磁場と電磁場を合わせたものが相対論的電気弱理論(EWT)です。強磁場の場合は相対論的量子色力学(QCD)である。これが素粒子物理学の標準モデルとなった。

物理学専攻

質量を含むように標準モデルを一般相対論に設定すると、無限大の確率密度が現れます。確率は通常0から1-0%から100%の範囲にあるので、これは正しくないと推定されています。理論物理学者の中には、この問題が標準モデルにあるのではないかと疑っている人もいますが、標準モデルでは、各粒子は原理的に無限に小さくなりうるゼロ次元の点で表されます。しかし、量子物理学では、プランク定数は、場が分割できる最小のエネルギー単位であり、おそらく粒子の最小サイズを知る手がかりになるだろう。そこで、重力を量子化して量子重力の理論を開発しようという試みが行われています。

コンセプト

フレームワーク

弦理論は、ミクロのスケールでは、アインシュタインの4次元時空は、それぞれがカールした6つの空間次元を含むカラビ・ヤウ多様体の場であり、したがって、古典的な領域に提示された3つの空間次元に拡張されていないことを仮定しています。弦理論では、各量子粒子は、長さがプランク長である振動エネルギーの1次元弦に置き換えられます。弦は移動すると、幅をトレースするので、2次元のワールドシートになります。6次元カラビ・ヤウ空間内を振動して移動すると、弦は量子粒子になります。この方法では、一般相対性理論を説明するための仮説的な重力子が簡単に現れます。

理論

弦理論は、26の次元が多くの少ない次元として振る舞うボソニック弦理論として始まりました。しかし、これはエネルギー粒子であるボソンのみをモデル化し、物質粒子であるフェルミオンを省いたものでした。つまり、ボソニック超弦理論では物質を説明することができなかったのです。しかし、ボソニック超弦理論に超対称性を加えることで、フェルミオンが実現し、超弦理論は超弦理論となり、物質も説明できるようになったのです。

(超対称性(SUSY)を含む量子場理論のバージョンでは、各ボソンは対応するフェルミオンを持ち、その逆も同様です。つまり、各エネルギー粒子には対応する物質粒子があり、各物質粒子には対応するエネルギー粒子がありますが、観測されない相手の方がより質量があり、超対称性があります。これらの超対称性のパートナーは法外な予測に見えるかもしれませんが、多くの理論家や実験家は、標準模型の超対称性のバージョンを支持しています。)

物議を醸す

実験不可能な非科学的？

すべての分子はエネルギーの弦であるという弦理論の主張は、厳しい批判を受けています。ひも理論には多くのバージョンがありますが、標準モデルで説明されている観測データをうまく予測できるものはありませんでした。M理論は現在では無数の解を持つことが知られており、多くの場合、奇妙なことや存在しないことを予測している。ある者は、ひも理論家は望ましい予測だけを選択していると主張している。

ひも理論は多くの予測をしているので、検証可能な予測をしていないという主張は誤りである。どの理論も、自然現象のある領域の予測モデルであり、おそらく説明モデルであるが、検証可能なものはない。標準モデルまでのすべての従来の物理理論は、自然界の観測不可能な側面について主張してきました。標準モデルでさえも、自然界については様々な解釈がある。標準モデルを運用する際には、素粒子物理学者がこれまでに同定した素粒子種の数を2倍にした超対称性を持つバージョンにすることが多い。

誰も文字通り空間を測ることはできないのに、ニュートンは絶対的な空間と時間を仮定し、ニュートンの理論は明示的な予測を行い、高度に検証可能で、200年の間、予測的に成功したが、それでも自然界を説明するものとして、理論は捏造されてしまったのである。物理学者たちは、物質を物質に直接引き付けるそのような魅力的な力は存在しないこと、ましてやその力が宇宙を瞬時に横断することは言うまでもないと認めている。それでもニュートンの理論は科学のパラダイムである。

隠された次元？

空間の隠された次元性という考えは、オカルト的なものに見えるかもしれない。ループ量子重力の理論家の中には、量子重力の提唱者であるループ量子重力の理論家の中には、粒子が形を作るまでは空間は形を持っていると仮定して、弦理論を根本的に間違っていると考えている人もいます。つまり、彼らは空間が様々な形をしていることを疑っているのではなく、粒子が空間の形を決定していると考えているだけなのである。一般相対性理論によって予測された時空の渦は、明らかに確認されている。

自然に真実であると解釈される場合は、量子粒子を0次元の点として表現する標準モデルは、すでに時空が渦巻く形の海、量子の泡であることを示しています。ひも理論家は自然がよりエレガントであると考える傾向があり、ループ理論家のリー・スモリンは、生物学の現代合成を修辞的な装置として使用しながら、ロマンティックなものとして却下しています。追加された空間次元を検出するための実験はこれまでのところ失敗しているが、まだそれらの兆候が現れることができる可能性があります。

そんなにたくさんの解決策があるのか？

M理論には何兆個もの解がある。ひも理論のリーダーであるレナード・サスキンドは、M理論がそれを示しているように、この宇宙が存在する理由の謎を解決する逆説的なサポートとして、ひも理論の解の可塑性を解釈しますが、常におおよその結果が得られる一般的なパターンの変種です。

一般相対性理論は、1915年にはフィクションの中以外では想像もつかないような多くの発見をもたらしました。量子粒子のダイナミクスを説明しようとしたアインシュタインの方程式の解であるアインシュタイン-ローゼン橋は、時空間の2つの遠い点を結ぶ近道を予測しています。一般的にワームホールと呼ばれているアインシュタイン-ローゼン橋は疑われているが、反証はされていない。これは、理論のすべての結果が正確でなければならないわけではないことを示しているか、または現実は観測不可能な方法で非常に奇妙なものであることを示している。

多世界

素粒子物理学の標準モデルでさえ、科学の大衆的なアカウントが説明されていない好奇心として省略したり、言及したりする奇妙な可能性を示唆しています。理論は従来からコペンハーゲン解釈を受けており、それによって、観測者や機器がフィールドと相互作用するまでは、フィールドは可能性だけであり、どれも現実ではない。しかし、波動関数の崩壊は、実験的に確認されたわけでも、数学的にモデル化されたわけでもなく、単に仮定されただけであり、量子領域の波動関数や古典領域の粒子関数とのばらつきは発見されていません。

1957年にヒューエベレットは、彼の"相対的な状態"の解釈を説明しました。エバレットは、波動関数が崩壊しないことを維持し、すべての物質と相互作用が量子波動粒子から構築されていると推定されるので、量子場のすべての可能な変化は、数学的な方程式によって示されているが、歴史の異なるコースが同時に発生している現実のものです。この解釈では、場と相互作用するものは何であれ、観察者の状態と相対的な場の状態、つまりそれ自身の量子場の波形に結合します。今では、量子領域から古典領域への明らかな移行の多くの物理学者の解釈は、波動関数の崩壊ではなく、量子デコヒーレンスです。

デコヒーレンスでは、場との相互作用により、観測者は量子場の1つの決定論的な星座に入るので、すべての観測はその新しい、結合された量子状態に整列します。Everettの論文は、多くの世界の解釈を触発している、それによって私たちの宇宙の中で事実上または潜在的に無限の平行世界であることが予測されている、まだ他の世界からの各極小の距離。それぞれの世界の波形が普遍的であり、その数学的関係が不変であるように、平行世界は単にギャップを埋め、接触しません。

多くの宇宙

アインシュタインは、シュヴァルツシルト解によって予測されたブラックホールが実在することを疑っていました。現在では、ブラックホールは存在しないが暗黒エネルギーであるという説や、我々の宇宙にはブラックホールと暗黒エネルギーの両方が存在するという説もあります。アインシュタイン方程式のシュワルツシルト解を最大に拡張すると、ブラックホールの裏返し、つまりホワイトホールから出現した別の宇宙を予測することができます。おそらく、私たちの宇宙のビッグバンは、ビッグバウンドの半分であり、何かがブラックホールに崩壊し、私たちの宇宙はその反対側がホワイトホールとして飛び出してきたのではないでしょうか。

粒子は文字列？

物理学者は、量子粒子が標準模型で表現されているような0次元の点であることを広く疑っています。標準模型は、データを入力したときにそのストロークが関心のある現象を予測する形式主義-数学的な装置を提供しているのであって、それらの現象を決定するメカニズムの解釈ではありません。しかし、文字列理論家は、文字列は単に予測装置ではなく、実在するものであり、説明的なものであると楽観的に推測する傾向があります。今日の粒子加速器では、量子粒子自身のエネルギーを超えて、それがストリングスであるかどうかを判断するのに十分なエネルギーレベルで粒子を推進することはできません。しかし、この限界は量子重力の他の理論の検証にも存在します。量子粒子の構造を「観察」するための他の方法が提案されています。

逆説的に言えば、仮にテストで粒子がエネルギーの弦であることが確認されたとしても、それは粒子が弦であることを決定的に証明するものではありません。予測が成功したとしても、多くの可能性のある説明（不確定性の問題）があり、科学哲学者や一部の科学者は、科学的リアリズム、自然界の真の記述を提供していると仮定した場合、完璧な予測の成功さえも、成功した理論の説明の検証として受け入れません。

物質はエネルギー？

素粒子物理学者が加速器で粒子を衝突させて理論物理学者の予測した粒子をテストするという話は、量子粒子は実験家が割って構造を明らかにする小さなニュートン粒子であることを示唆しています。その代わりに、ある質量（電子ボルトというエネルギーで測定される）の2つの粒子を衝突させると、それらが結合してその質量／エネルギーの粒子になり、生成された粒子が予測されたものと一致するかどうかを「観察」することができます。

物理学者の間では、すべての粒子がエネルギーであることは議論の余地がない。ループ理論家は、時空そのものが粒子に変換されると主張しています。物質のエネルギーの特別な変種であることは、アインシュタインの特殊相対性理論の結果であり、そこにアインシュタインは、質量エネルギーの等価性、E=mc^2を定式化した。十分にエネルギッシュな光子が衝突すると、彼らは結合し、物質-物質の創造を生成することができます。すべての粒子は反粒子を持っているし、物質の原子は反物質の反原子を持っている、その組合は、エネルギーを残しながら、粒子と物質を全滅させる。

展開

それにより、カラビ・ヤウ空間はペアになる傾向があり、あるストリングの極端な振動モードでは、以前は困難であった解が、その反対の範囲の鏡のカラビ・ヤウ空間の幾何学を介して解くことができるようになります。

ひも理論は通常、2次元空間上の量子場理論である共形場理論で解かれます。分子が2次元に崩壊することが確認されている。そして、長い間素粒子だと思われていた電子は、電子を含む分子が1次元の経路を通ると、どうやら電子の3つの自由度を持った別々の3つの実体に分裂するようです。