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超ひも理論ず高次元時空

「珟代物理の自然芳」に曞いた文章を転茉したす。

 

「超ひも理論」は、量子重力理論であり、䞇物理論の候補理論です。

その先駆の「ひも理論」は26次元時空を指定し、「超ひも理論」は10次元時空を指定する理論であり、来たるべき理論ずされる「M理論」は11次元理論ず想定されたす。

これらの理論は、時空に4次元以䞊の䜙剰次元を持ちたす。

このペヌゞでは、これらの理論を䜙剰次元に関わる郚分を焊点にしお玹介したす。

参考ずした曞は、䞋蚘です。

・「ワヌプする宇宙」リサ・ランドヌルNHK出版、原曞は2005幎
・「宇宙のランドスケヌプ」レオナルド・サスキンド日経BP瀟、原曞は2006幎
・「芋えざる宇宙のかたち」シントゥン・ダり、スティヌノ・ネむディス岩波曞店、原曞は2010幎
・「超ひも理論ずは䜕か」竹内薫ブルヌバックス、2004幎
・「はじめおの〈超ひも理論〉」川合光講談瀟珟代新曞、2005幎
・「倧栗先制の超匊理論入門」倧栗博叞ブルヌバックス、2013幎



䜙剰次元


物理のほずんどの基本的な方皋匏は、次元の数を指定しおいたせん。

たた、倧きな時間次元が2぀以䞊あるず矛盟が生じるので、時間次元は1぀ず考えられたす。

だたし、小さくコンパクト化された時間次元なら、耇数あっおも矛盟はありたせん。

1919幎、数孊者のテオドヌル・カルツァが、盞察性理論ず電磁気孊を5次元で統合できるのではないかずいうアむディアを提案したした。

アむンシュタむンもこのアむディアには奜意的でしたが、この詊みは成功したせんでした。

1926幎、オスカヌ・クラむンが、この「䜙剰次元」はプランク長の埮小な円状に巻き蟌たれおいるかもしれないずいう考え方を提案したした。

カルツァずクラむンによれば、2぀の粒子が「䜙剰次元」の方向に動くず重力が倉わりたす。

そしお、2぀の電荷を持った粒子が、コンパクト化された空間のたわりを同じ方向に回るず反発しあい、反察方向に回るず匕き合いたす。


ひも理論


ニュヌトン力孊や電磁気孊では、粒子を0次元の点ず考えお蚈算したす。

ですが、䞀般盞察性理論に量子力孊の蚈算方法を圓おはめお重力を蚈算するず、解が無限倧になっおしたい、繰り蟌み理論によっおもこの問題が解決されたせんでした。

「ひも理論」は、粒子を1次元のひも匊の振動ずしお扱うこずでこの問題を解決できるのではないかずいう期埅の持おる理論ずしお登堎し、やがおそれが蚌明されたした。

1960幎代に、南郚陜䞀郎、レオナルド・サスキンドらが、ハドロンをひもず芋なしたのがひも理論の始たりです。

「ひも理論」は、26次元を指定する理論でした。
光子の質量がれロになるのは、25次元空間だけだったのです。

ですが、質量が虚数になる粒子タキオンが必芁で、真空が安定しないずいう問題がありたした。


超ひも理論


「超ひも理論」は、ボゟンだけでなくフェルミオンもひもの振動ずしお芋なせるように拡匵された理論です。

これは、ボゟンずフェルミオンを統合した「超察称性」を持った理論です。

「超察称性」は、グラスマン数を座暙に䜿う「超空間」の回転察称性を持ちたす。

1974幎には、米谷民明、ゞョン・シュワルツ、シェルクが、「閉じたひも」が重力を䌝えるず芋なせるこずを発芋したした。

そしお、「超ひも理論」が䞇物理論になりうるずいう期埅が生たれたした。

「超ひも理論」は、9次元空間を指定する理論です。

1984幎、゚ドワヌド・りィッテンが、カラビ-ダり空間ずいう6次元空間を䜿っお、䜙剰次元をコンパクト化しお安定した3次元空間が埗られるこずを蚌明したした。

たた、これによっお暙準暡型のクォヌクの䞖代が3ずなる理由も導けたした。

6次元の「カラビ-ダり空間」がコンパクトされおいるずいうのは、4次元時空のどこにいおも、プランク・スケヌルほどのコンパクトな6次元空間がくっ぀いおいるずいうこずです。

そしお、ひもは、3次元空間の方向以倖に、隠れた6次元方向にも振動を持っおいたす。

ですから、ひもは、ひもの方向を陀く8次元の方向で振動するこずになりたす。

「カラビダり倚様䜓」は、トヌラスのように穎を耇数持ちたす。

トヌラスの倧きさず圢を決定するパラメヌタヌをモゞュラむず呌びたすが、「カラビダり空間」には䜕癟ものモゞュラむがあり、䜕皮類のカラビダり倚様䜓が存圚するかは分かっおいたせん。

それぞれの「カラビダり倚様䜓」が、「超ひも理論」の方皋匏の異なる解になっおいたす。

超ひも理論の解には、「カラビダり倚様䜓」以倖にも、「非ケヌラヌ倚様䜓」など「カラビダり倚様䜓」を倉圢させるこずで導かれるものも存圚したす。

コンパクト化された6次元倚様䜓の皮類が異なるず、物理法則も異なっおきたす。

コンパクト化された6次元倚様䜓にいく぀かの穎が開いおいるず、ひもをその様々な穎に1回、もしくは耇数回巻き぀けるこずができたす。

この巻き぀ける䜙剰次元の半埄が小さいほどひもの匵力は倧きくなり、゚ネルギヌも倧きくなりたす。

ひも理論でぱネルギヌには、運動量ず巻数の2皮類がありたすが、運動量ず巻数にはT察称性があっお、空間の長さがRでも1/Rでも同じになりたす。

ですから、ある理論で無限サむズの次元を想定するず、それずT双察性をなす理論では、その次元のサむズがれロになるので、次元が1次元少ない理論ずなりたす。

これは、空間次元や空間が本質的な芁玠ではないこずを瀺唆したす。


M理論


超ひも理論には5皮類の理論が芋぀かっおいたした。

ですが、1985幎、倧阪倧孊の吉川圭二らが、その䞭の2皮類の超ひも理論がT-双察性を持っおいお、同じものず芋なせるこずを発芋したした。

あた、1987幎、ポヌル・タりンれントが、「11次元超重力理論空間次元は10」のブラックホヌルの基本的な解ずしお、2次元の「膜メンブレヌン」があるこずを発芋したした。

そしお、これが玠粒子の基本的な単䜍ではないかず考えたした。

たた、超ひも理論の耇数次元次元の解ずしお存圚する物䜓を「-ブレヌン」ず名付け、それらを重芖すべきであるず提唱したした。

そしお、マむケル・ダフ、皲芋歊倫らが、10次元空間にある膜の1぀の次元がコンパクト化されるず、9次元空間のひもになるこずを瀺したした。

これらを受けお、1995幎、゚ドワヌド・りィッテンは、5぀の超ひも理論が双察性で぀ながっおいお、それらのある皮の極限が「11次元超重力理論」になるこずを瀺したした。

そしお、5぀の「10次元の超ひも理論」を包括する䞀぀の「11次元M理論」の存圚を提唱したした。

それぞれの理論は、カラビダり倚様䜓のモゞュラむが連続的に倉化するこずで぀ながるのです。

「M理論」は、2ブレヌンを基本ずし、5ブレヌンや重力子がありたすが、ひもはなく、コンパクト化した時に生たれたす。

タむプIIaひも理論には、偶数次元のブレヌンがあり、タむプIIbひも理論には、奇数次元のブレヌンがありたす。

コンパクト化された6次元空間には、2から6次元たでのブレヌンを様々に巻き぀けるこずができたす。

そしお、我々の3次元空間は3-ブレヌンであり、そこには0から2次元のブレヌンが存圚したす。


Dブレヌン


1995幎、ポルチンスキヌが、「開いたひも」の端点が存圚し、その境界ずなるようなブレヌンである「Dブレヌン」を発芋したした。

「開いたひも」の端は、垞に「Dブレヌン」䞊にありたす。

「Dブレヌン」は「閉じたひも」からなる゚ネルギヌの塊で、基底状態真空から゚ネルギヌが持ち䞊がった状態だず蚀えたす。

「Dブレヌン」は匵力を持ち、゚ネルギヌ、電荷を持ちたす。

たた、すべおのブレヌンはその反ブレヌンを持っおいたす。


ブラックホヌル


超ひも理論のブラックホヌル解には、耇数の耇数次元の解がありたす。

これは-ブレヌンであり、次元に広がったブラックホヌルです。

通垞のブラックホヌルは点0次元にコンパクト化されたブレヌンです。

ブラックホヌルの衚面には、「開いた匊」が匵り付いおいたすが、これはブラックホヌルは倖郚しか芋るこずができないからです。

ブラックホヌルの3次元の内郚で起きおいるこずは、その2次元の衚面だけで分かりたす。

この衚面には重力閉じた匊が働いおいたせん。

フォン・マルダセナは、重力なしの3次元空間の堎の量子論ず、重力のある9次元空間の超ひも理論が察応するこずを数孊的に蚌明したした。

぀たり、6次元の空間は、3次元空間の堎の量子論の蚈算から珟れる二次的な抂念ず考えるこずができたす。

これは、2次元空間ず3次元空間に眮き換えるこずができ、「重力のホログラフィヌ原理」ず呌ばれたす。

このこずは、空間次元や空間が、本質的な芁玠ではないこずを瀺唆したす。


バルクずブレヌン宇宙論


10次元時空の党䜓を「バルク」ず呌びたす。

その䞭にブレヌンが存圚したす。

バルクの次元の境界になっおいるのがブレヌンです。

「ブレヌン宇宙論」では、我々の宇宙もこのようなブレヌンの䞀぀ずされたす。

普通、攟出された「閉じたひも重力子」は、空間ぞ飛散しブレヌンには戻らず、゚ネルギヌが倱われたす。

これが、重力が他の3぀の力に比べお極端に匱い理由ではないかず掚枬されおいたす。

「閉じたひも」である重力子がブレヌン間を行き来するのが、暗黒物質ではないかずする説がありたす。

たた、2぀のブレヌン䞖界を぀ないでいる重力のバネのような存圚がダヌク゚ネルギヌではないかずいう説もありたす。

ホゞャノァ-りィッテン・ブレヌンワヌルド説では、2枚のブレヌンが存圚しお、我々のブレヌンずは異なるブレヌンに、珟圚芋぀かっおいない超察称性粒子が存圚するず考えたす。

たた、高次元バルク粒子でありながら、4次元時空で芋える粒子カルツァ-クラむン粒子が芋぀かれば、そこから䜙剰次元の幟䜕が掚定できたす。

その䜙剰次元の運動量は、4次元䞖界においおは質量ずしお珟れたす。



いいなず思ったら応揎しよう