古典科学としての物理学の目標は、私たちの世界の法則を研究することです。 これらのパターンのほとんどは、日常生活でそれらを適用するのに十分にすでに研究されています。 そして、現代の物理学者は、研究の規模を一方向と他方向の両方で変更することにしました。
2つの基本的な物理理論を検討してください。 これらの最初のものは、一般に知られている一般相対性理論です。 相対性理論は、宇宙の起源と発展の問題に答え、宇宙の大規模な振る舞いをよく説明します。 第二-量子力学-それどころか、マイクロワールドの物理学を説明する上で大きな成功を収めました。 これら2つの理論を組み合わせて、宇宙のほぼ完全な画像を取得します。核間相互作用から銀河の挙動まで。
しかし、世界の統一された全体像を得るには1つの落とし穴があります。多くの計算と実験によって確認されたこれらの大規模な理論は、互いに完全に互換性がありません。 各理論には、独自の基礎、独自の数学的および物理的原理があります。 銀河相互作用への量子力学の適用、および核相互作用を研究するための相対性理論の使用は、ばかげた結果をもたらします。 解決方法は1つしかありません。相対性理論と量子力学の両方の理論と一致する新しい理論を考え出し、同時にそれらを組み合わせることです。 すべての統一理論を作成することは、アインシュタインの時代から物理学者の主な仕事です。 統一理論のタイトルの候補の1つは弦理論です。
ちょっとした歴史
いつものように、すべては数学から始まりました。 18世紀、有名な数学者レオンハルトオイラーは、彼自身が発明した関数の性質を研究しました。 これらの関数の1つはオイラーベータ関数と呼ばれます。 次のようになります。
積分計算に精通している人々にとってそれほど難しくない。 オイラーは関数の特性を説明しましたが、実際の応用は見つかっていませんでしたが、2世紀にわたってベータ関数は忘れられていました。
1968年、スイスのCERNで働いていた若い物理学者Gabriel Venezianoは、核相互作用に関与する粒子のすべての特性がオイラーベータ関数を使用して記述できることを偶然発見しました。 この式は、粒子の相互作用を説明するために完全に機能しましたが、その理由は誰にもわかりませんでした。 有名なアインシュタインの式をとると、その物理的意味は「エネルギーは質量に比例する」というフレーズで表現できます。 オイラーの公式には物理的な意味はありませんでした。変数にすぎず、特定の値を割り当てると、実験と一致する結果が得られます。 2年後、そのような意味が見つかりました-物理学者は、素粒子が振動する1次元のストリングに置き換えられると、そのようなストリングの相互作用はオイラー公式の形で表されることを発見しました。 一次元性とは、そのようなストリングの太さがその長さに比べて無限に小さいことを意味します。
ストリングは十分に小さいため、素粒子のように見えます。したがって、すでに実施されている実験と矛盾しません。 弦理論は現在、元の形式から劇的に変化していますが、基本的な考え方は同じままです。
宇宙のメカニズムとしてのひも
この図は、ひも理論に関する典型的な素人の考えをかなりよく表しています。 現実には、すべてが正反対です。すべては弦理論に由来し、量子力学と相対性理論の両方と非常によく一致しています。 これに加えて、この理論は重力の説明も見つけます。これはニュートンのものから求められてきました。 このような汎用性は、すべての物質が最小の文字列で構成されているという考え方の不合理さよりも重要です。
弦理論の基本的な考え方を説明するために、1次元の弦は、弦として私たちになじみのある楽器の形で表すことができます。 ギターを例にとってみましょう。 各弦の振動には、2つの重要な特性があります。
1.音量の原因となる振幅。
2.ピッチを決定する周波数。
周波数の差が1 Hz未満の音は、人間の耳ではほとんど区別できません。 音の周波数が大きくなるほど、この周波数の変化は知覚されにくくなります。 したがって、音楽では、隣接する音の周波数差は、低音の1 Hzから高音の数百ヘルツまで変化します。 一般に、音楽作品の演奏では、受け入れられた音符に対応する特定の限られた周波数のセットのみを取得します。 330 Hzの周波数または349 Hzの周波数でmiを再生できますが、音楽ではそれらの間の周波数にアクセスできません。 この特定のタイプの振動はモードと呼ばれ、すべての可能なモードの全体は振動スペクトルと呼ばれます。
振動エネルギーは、音の大きさと振動のモードに依存します。 直観的には、大きくて高い音は、静かで低い音よりも多くのエネルギーがあることを理解できます。 次に、アインシュタインの手にギターを渡します。アインシュタインの手は、エネルギーが一般に質量に比例することに気付きます。 弦理論では、この関係は正確に使用されます。素粒子の質量は、弦の振動エネルギーによって決定されます。
物理学者は、より抽象的な推論を使用して、ストリングモードと粒子特性との間に、電荷、重力作用に対する粒子応答など、他の関係があることを発見しました。 さらに、同じ原理は、粒子の特性だけでなく、粒子自体にも当てはまります。 光子、グルーオン、U中間子、およびその他のエキゾチックな粒子は、同一の弦の異なる振動モードです。
これは次の結論につながります。弦のすべての可能な振動モード、演奏できる「ノート」を知っていれば、すべての素粒子のすべての特性を説明できます。 統一された場の理論に対する真剣な入札ですね。
9次元ギター
ギタリストのギターを考えてみてください。 ギターのデザインにより、弦は特定の特定の方向にのみ振動します。 ストリングを上から下または下から上に叩くか、ストリングを手前に引き離して放します。 弦が自由な3次元空間の2点間で固定された場合、振動の可能な方向の数が増加します。 3つよりも多くの測定値を自由に使用できるため、振動の可能な方向の数も増加します。 ただし、3次元に厳しく制限されています。
しかし、弦理論ではそうではありません。 さらに調査すると、新たな漁獲量が発生しました。たとえば、負の確率など、いくつかの計算が不可能な結果をもたらしました。 物理学者はこの問題について長い間苦労し、すべての計算が一致する解決策を見つけました。宇宙は10次元-9つの空間と1つの時間を持つべきです。
どういうわけか、時間ディメンションとの関係を築くことができたら、さらに6つのディメンションはどこから来ているのでしょうか。 これらの6つの次元は複雑です-それらは非常に小さいため、通常のスケールではそれらを考慮することができません。 円を作った自動車は、3次元空間の同じ座標に戻ります。 この円の上で、彼は6つの圧延された次元を何度も渡ります。 ただし、非常に小さい文字列の場合、複雑な測定値の座標は重大な意味を持ち始めます。
次は？
ひも理論の発展を止めることはできません。 10次元理論はスーパーストリング理論と呼ばれます。 測定値が再び予想されるものと一致しなくなったとき、新しい11次元が導入されました。 そのため、M理論が登場しました。膜、3次元、4次元の文字列である2次元の文字列の類似体が登場したため、文字列の言及は名前から消えました。 理論の複雑さは毎年増加しますが、これまでのところ、その発展は行き詰まりに達しておらず、いつかすべての統一理論になる可能性があります。
何を読む？
1. スティーブン・ホーキング、「時間の簡単な歴史」、「一言で言えば世界」、「すべての理論」 -人気のある言語で、世界の現代の絵について語っています。
2. ブライアン・グリーン、「エレガントな宇宙。 スーパーストリングス、隠された次元、および最終理論の検索」は、不必要な物理学のないストリング理論に関する優れた本です。
3. 角道夫、「超弦理論入門」は、物理学を知り、さらに詳しく知りたい人のための本格的な教科書です。