Wprowadzenie do M-teorii - Introduction to M-theory

W kategoriach nietechnicznych M-teoria przedstawia ideę o podstawowej substancji wszechświata . Od 2020 roku nauka nie dostarczyła żadnych eksperymentalnych dowodów na poparcie koncepcji, że teoria M jest opisem rzeczywistego świata. Chociaż nie jest znane pełne matematyczne sformułowanie M-teorii, ogólne podejście jest głównym pretendentem do uniwersalnej „ teorii wszystkiego ”, która jednoczy grawitację z innymi siłami, takimi jak elektromagnetyzm . Teoria M ma na celu ujednolicenie mechaniki kwantowej z siłą grawitacji ogólnej teorii względności w matematycznie spójny sposób. Dla porównania, inne teorie, takie jak pętlowa grawitacja kwantowa, są uważane przez fizyków i badaczy/studentów za mniej eleganckie, ponieważ zakładają, że grawitacja jest całkowicie różna od sił, takich jak siła elektromagnetyczna.

Tło

We wczesnych latach XX wieku atom – od dawna uważany za najmniejszy element budulcowy materii – okazał się składać z jeszcze mniejszych elementów zwanych protonami , neutronami i elektronami , które są znane jako cząstki subatomowe . Inne cząstki subatomowe zaczęto odkrywać w latach 60. XX wieku. W latach 70. odkryto, że protony i neutrony (i inne hadrony ) same składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami . Model Standardowy jest zbiorem zasad, które opisuje interakcje tych cząstek.

W latach 80. pojawił się nowy model matematyczny fizyki teoretycznej , zwany teorią strun . Pokazał, w jaki sposób wszystkie różne cząstki subatomowe znane nauce mogą być zbudowane z hipotetycznych jednowymiarowych „strun”, nieskończenie małych cegiełek, które mają tylko wymiar długości, ale nie wysokość czy szerokość.

Jednak, aby teoria strun była matematycznie spójna, struny muszą znajdować się we wszechświecie o dziesięciu wymiarach . Jest to sprzeczne z doświadczeniem, że nasz prawdziwy wszechświat ma cztery wymiary: trzy wymiary przestrzeni (wysokość, szerokość i długość) i jeden wymiar czasu. Aby „ocalić” swoją teorię, teoretycy strun dodali wyjaśnienie, że istnieje sześć dodatkowych wymiarów, ale nie można ich wykryć bezpośrednio; zostało to wyjaśnione przez wyrafinowane obiekty matematyczne zwane rozmaitościami Calabiego-Yau . Liczbę wymiarów zwiększono później do 11 w oparciu o różne interpretacje teorii 10-wymiarowej, które doprowadziły do powstania pięciu teorii cząstkowych, jak opisano poniżej. Teoria supergrawitacji odegrała również znaczącą rolę w ustaleniu konieczności 11. wymiaru.

Te „struny” wibrują w wielu wymiarach iw zależności od tego, jak wibrują, mogą być postrzegane w przestrzeni trójwymiarowej jako materia, światło lub grawitacja. To wibracja struny określa, czy wydaje się ona być materią czy energią, a każda forma materii lub energii jest wynikiem wibracji strun.

Opisana powyżej teoria strun napotkała problem: odkryto inną wersję równań, potem kolejną, a potem jeszcze inną. Ostatecznie powstało pięć głównych teorii strun. Główne różnice między teoriami dotyczyły przede wszystkim liczby wymiarów, w których rozwijały się struny, oraz ich cech (niektóre były pętlami otwartymi, inne były pętlami zamkniętymi itp.). Co więcej, wszystkie te teorie wydawały się wykonalne. Naukowcy nie byli zadowoleni z pięciu pozornie sprzecznych zestawów równań opisujących to samo.

Przemawiając na konferencji poświęconej teorii strun na Uniwersytecie Południowej Kalifornii w 1995 roku Edward Witten z Institute for Advanced Study zasugerował, że pięć różnych wersji teorii strun może opisywać tę samą rzecz widzianą z różnych perspektyw. Zaproponował jednoczącą teorię zwaną „ M-teorią ”, w której „M” nie jest konkretnie zdefiniowane, ale ogólnie rozumiane jako „membrana”. Twierdzono również o słowach „matryca”, „pan”, „matka”, „potwór”, „tajemnica” i „magia”. Teoria M połączyła wszystkie teorie strun. Dokonał tego, twierdząc, że struny są naprawdę jednowymiarowymi kawałkami dwuwymiarowej błony wibrującej w 11-wymiarowej czasoprzestrzeni . Drgania obiektów wyższych wymiarów (jak trójwymiarowa wibrująca plama lub kula, a nawet więcej możliwych wymiarów) są z pewnością częścią M-teorii, ale podstawowa teoria bran jest wciąż w toku. Obiekty o wyższych wymiarach są znacznie trudniejsze do matematycznego obliczenia niż punkt w fizyce klasycznej, struna jednowymiarowa w teorii strun lub membrany dwuwymiarowe w teorii M.

Status

Teoria M nie jest kompletna, ale bardzo szczegółowo zbadano matematykę tego podejścia. Jednak jak dotąd nie istnieje żadne eksperymentalne wsparcie dla teorii M. Niektórzy fizycy są sceptyczni, że takie podejście kiedykolwiek doprowadzi do powstania teorii fizycznej opisującej nasz rzeczywisty świat, ze względu na fundamentalne kwestie.

Niemniej jednak niektórych kosmologów pociąga M-teoria ze względu na jej matematyczną elegancję i względną prostotę, budząc nadzieję, że prostota jest powodem, dla którego może ona opisywać nasz świat.

Jedną z cech teorii M, która wzbudziła duże zainteresowanie, jest to, że w naturalny sposób przewiduje ona istnienie grawitonu , cząstki o spinie 2 , co do której istnieje hipoteza, że ma pośredniczyć w działaniu siły grawitacji. Co więcej, M-teoria w naturalny sposób przewiduje zjawisko przypominające parowanie czarnej dziury . Konkurencyjne teorie unifikacji, takie jak asymptotycznie bezpieczna grawitacja , teoria E8 , nieprzemienna geometria i przyczynowe układy fermionowe, nie wykazały żadnego poziomu spójności matematycznej. Innym podejściem do grawitacji kwantowej jest pętlowa grawitacja kwantowa , teoria niejednocząca; wielu fizyków uważa, że pętlowa grawitacja kwantowa jest mniej elegancka niż teoria M, ponieważ zakłada, że grawitacja jest zupełnie inna od innych podstawowych sił.

Zobacz też

Historia teorii strun

Bibliografia

Dalsza lektura

Greene, B. (1999). Elegancki wszechświat: superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie ostatecznej teorii . WW Norton . Numer ISBN 978-0-375-70811-4.
Greene, B. (2004). Tkanina kosmosu: przestrzeń, czas i tekstura rzeczywistości . Alfred A. Knopf . Kod Bibcode : 2004fcst.book.....G . Numer ISBN 978-0-375-41288-2.
Miemic, A.; Schnakenburg, I. (2006). „Podstawy teorii M”. Fortschritte der Physik . 54 (1): 5-72. arXiv : hep-th/0509137 . Kod Bib : 2006 Dla Ph..54....5M . doi : 10.1002/prop.200510256 . S2CID 98007313 .
Musser, G. (2008). The Complete Idiot's Guide to the String Theory . Alfa Książki . Numer ISBN 978-1-59257-702-6.
Smolin L. (2006). Kłopoty z fizyką . Houghton Mifflin . Numer ISBN 978-0-618-55105-7.
Woit, P. (2006). Nawet się nie myli: niepowodzenie teorii strun i ciągłe wyzwanie ujednolicenia praw fizyki . Książki podstawowe . Numer ISBN 978-0-465-09275-8.

Zewnętrzne linki

Posłuchaj tego artykułu ( 7 minut )

Ten plik audio został utworzony na podstawie rewizji tego artykułu z dnia 6 listopada 2014 r. i nie odzwierciedla kolejnych edycji.

The Elegant Universe – trzygodzinny miniserial z Brianem Greene'em autorstwa NOVA (daty transmisji PBS: 28 października i 4 listopada 2003). Różne obrazy, teksty, filmy i animacje wyjaśniające teorię strun i M-teorię.
Superstringtheory.com – „Oficjalna witryna internetowa poświęcona teorii strun”, stworzona przez Patricię Schwarz. Doskonałe odniesienia do teorii strun i teorii M dla laika i eksperta.

Languages

In other projects