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弦论向M理论的演变

祝您有美好的一天，亲爱的哈布拉社会。长时间不在后，我决定再次拿起笔式键盘。今天，我们将尝试将弦论的演变追溯到M理论，并找到以下问题的答案：是什么促使科学家发展了这种理论，他们必须面对哪些问题以及人类现在最聪明的头脑正在打破头脑。

弦理论


在Habré上已经有一篇关于弦理论的文章。简而言之，科学家在1968年注意到，一个名为Euler beta函数的数学函数理想地描述了参与所谓的强相互作用（即宇宙中四个基本相互作用之一）的粒子的特性。

在进一步检查中，这一事实得到了证实，有趣的是，该功能在早期主要用于描述张紧的弦的振动。

看到这一切，研究人员提出了一个合理的问题：“但是，如果基本粒子根本不是粒子，而是微观的细线，那么我们在实践中观察到的不是粒子运动的轨迹，而是沿着这根线传递的振动轨迹吗？ ”。此外，振动的性质还表明哪种微粒在我们面前：一种振动（振动模式）是一种微粒，另一种是另一种。

最初的研究表明，弦理论在描述观察到的现象方面已取得了巨大的成功。弦振动的一种模式可以被识别为引力子。其他振动模式表现出光子和胶子的特性。

有充分的理由，弦理论似乎能够将宇宙的所有四个基本相互作用减少为一个-一维弦的振动以及相应的能量传递。此外，弦论还使我们能够从数学的角度解释微观世界的基本常数。显而易见的是，例如为什么基本粒子的质量恰好是它们的实际质量。

另外，弦论为在一个理论的框架内将广义相对论（广义相对论）和量子力学相结合提供了希望。在计算中，结果表明弦的自然振动能够阻尼和平衡量子涨落，从而消除了微观层面的扰动，因此，GR和量子力学无法成为朋友。

然而，在对该理论的更深入研究和验证中，发现了与实验数据后果严重的矛盾。例如，在弦理论中，作为弦的一种振动模式之一，必然存在一个粒子-转速计（其质量平方小于零，并且以大于光速的速度移动）-这暗示着弦的不稳定状态，并清楚地表明弦理论需要修改。

超弦理论


1971年，创建了一种改进的弦理论，称为“ 超级弦理论 ”。

为了理解这些修改，让我们尝试处理诸如spin之类的特性。。有一个通用的解释“在手指上”旋转的本质的版本：旋转是粒子需要绕其轴旋转以使其与开始时相同的旋转次数。对于一个单元内的自旋，似乎一切都清楚了（可以将不规则形状的任何对象分配为一个等于“ spin”的“自旋”），并尝试想象一个需要绕轴滚动两次以使其看起来与开始相同的对象的形状，您可以查看一下右边的插图。它描绘了一种四冲程发动机，当曲轴旋转720°时，它会返回到原始状态，这类似于半整数旋转。

目前，据信基本粒子只能具有半整数或整数自旋。玻色子是具有整数自旋的那些粒子。费米子是自旋为半整数的粒子。基于此，弦论的第一个版本仅描述了玻色子，这就是为什么它也被称为“ 玻色子弦论 ”的原因。超弦理论包括费米子-通过这种方法，解决了速度子的存在问题以及该理论中的许多其他矛盾！

但是有一些新问题。在超弦理论中，事实证明，每个玻色子必须有一个对应的费米子，即玻色子和费米子之间必须存在一定的对称性。这种对称性以前曾被预测过-以“ 超对称性 ”为名”。但是实验上，超对称费米子的存在尚未得到证实。这可以通过以下事实来解释：根据计算，超对称费米子在微观世界中应具有巨大的质量，因此，在普通条件下无法获得它们。为了记录它们，需要巨大的能量，这是当光粒子以几乎光速碰撞时获得的。

即使是现在，他们仍在尝试在大型强子对撞机的实验中记录超对称费米子，但到目前为止仍未成功。

多维宇宙


同时，超弦理论的方程式不希望与量子理论相一致，因此给出了负数或更大的概率单位。

为了理解该理论进一步发展的前提，我们简要介绍一下历史。早在1919年，德国数学家卡卢萨（Kaluza）给爱因斯坦写了一封信，说明他的理论。符合麦克斯韦的电磁场理论，这在普通的三维宇宙中是不可能实现的。同时代人嘲笑该理论，不久，最初对该理论感兴趣的爱因斯坦对此幻灭了。

1926年，物理学家Oscar Klein也对Kaluza的工作感兴趣，并改进了他的模型。根据克莱因的说法，事实证明确实存在额外的维度，但它是“缩减的”并固定在自身的形式上。此外，第四维非常紧密地收缩-达到了基本粒子的大小，因此我们没有注意到它。该理论被称为Kaluza-Klein的五维世界（时空+时间为四个维度），但直到20世纪80年代，它仍然被遗忘。

试图解释弦理论与量子力学不一致的科学家提出，计算中的问题是由于这样的事实，即我们理论中的弦只能在我们宇宙的三个方向上波动。现在，如果琴弦可以在四个维度上振动...

计算表明，在这种情况下，问题仍然存在，但是方程式中的矛盾数量减少了。研究人员不断增加测量的数量，直到他们在太空中引入多达9个测量为止，最后，超弦理论与量子力学和GR融合。此刻在历史上是“ 弦理论的第一次革命 ””。正是从那一刻起，人们开始惊呼我们实际上生活在一个十维的宇宙中-时间上的一维，我们熟悉的三个维被部署为宇宙维，其余六个维在微观尺度上被最小化，因此是不可见的。

从实际的角度来看，由于我们正在谈论的是小规模的琴弦和复杂的测量，而目前尚无法用现代设备进行固定，因此目前尚无法通过实验进行确认或反驳。

随着进一步的发展，科学家在理论上能够建立六个崩溃维度的总体视图，而我们的世界仍然保持原样。该视图对应于名为“ Calabi-Yau流形 ”的数学对象。“（在右边。）。但是，尽管计算了这些对象的一般形式，但并没有带来任何希望的结果，但是事实证明，没有实验就无法确定确切的形式。而且，在没有找到我们宇宙的卡拉比尤空间的确切形式的情况下，整个超弦理论基本上都简化为在咖啡渣上算命了。

但是，这项工作仍在继续，并且逐渐地，科学家们设法从可以描述我们宇宙的假说的整体中分离出五种或多或少合理的理论。这是5种著名的超弦理论，它们都同样声称是唯一的一个真正的论题，同时看起来彼此不兼容，这引起了科学家的极大关注。

M理论


直到上世纪九十年代中期，才发生了所谓的“ 弦理论的第二次革命 ”。爱德华·维滕（Edward Witten）假设，各种超弦理论是尚未发展的11维M理论的不同局限性情况。

引入另一个维度作为整体并不会违反量子理论和广义相对论之间的联系，而且，它消除了超弦理论中许多累积的问题。包括成功地将所有五个超弦理论交叉成一个单一的M理论，今天，毫不夸张地说，物理学家在宇宙知识方面的最高成就。

根据M理论，事实证明，宇宙的基础不仅是一维字符串。可能有字符串的二维类似物-膜，以及三维和四维...这些构造被称为branes（字符串-1-brane，隔膜-2-brane，等等）。 M理论在二维和五维骨架上运行，但即使骨架的基本理论仍在发展中。麸的存在尚未通过实验得到证实-在理论发展的现阶段，人们相信，从根本上讲，麸是不可观察的。

对于所有这些，低能量下的M理论都由11个维度的超重力来近似。与引力的联系使M理论成为争夺宇宙中所有基本相互作用之间的联系理论的竞争者，换句话说，就是“万物的统一理论”。

但是，M理论中Calabi-Yau空间最终形式的问题仍未解决-在宏观上，该理论应简化为众所周知且经过充分测试的基本粒子物理学。但是，事实证明，至少有10,100，甚至10,500，甚至是无限大的这种减少方法。而且，每个由此产生的四维理论都描述了自己的世界，该世界可能与现实相似，或者可能与现实存在根本差异。

所有这些都是由于以下事实：将粒子的属性视为振动弦的一种方法，并且振动弦的可能方法取决于其他测量的确切几何形状。现有的近似方程式满足大量不同的几何形状。也就是说，这些等式不仅在我们的世界中有效，而且在许多其他世界中（可能在任何世界中）都是有效的。如果这些近似方程是最终的，那么根据波普尔的观点，该理论可以被认为是不可证伪的，也就是说，这是一种不科学的理论。因此，找到确切的方程式可能仍会取代它。

目前，M理论的发展非常复杂，因为描述它的方程是如此复杂，以至于科学家大多只以其近似形式进行运算，这并不会导致结果准确性的提高。此外，经常出现这样的情况，即甚至还没有建立相应的数学方法来求解这些方程，这也产生了严重的问题。实际上，在最近物理学停滞不前的地方，经常是数学停滞不前。一些科学家说，只有在发生“数学突破”时，M理论才会得到显着发展。

弦理论，尤其是M理论，今天是现代物理学中发展最快的领域之一。而且，尽管有些科学家由于根本问题而颇为怀疑，但该理论最终是否会导致描述我们现实世界的物理理论。相当一部分研究人员没有放弃希望，他们相信，有一天，M理论将在一切事物的优雅和数学上优雅的统一理论中形成。

希望本文不会引起您的注意，如果您决定不浪费时间阅读，我将非常高兴。

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