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M理论(物理理论)_百度百科138246六尾中特


更新时间:2020-01-10  浏览刺次数:


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  当作“物理的终极理论”而倡议的理论,M理论愿望能藉由单一个理论来声明十足物质与能源的性质与交互关联。其联络了五种超弦理论十一维空间的超引力理论。为了富裕理解它,爱德华·威滕博士感触必要挖掘新的数学东西。1984至1985年,弦理论爆发第一次革命,其主题是闪现“失常自由”的兼并理论;1994至1995年,弦理论又产生既外向又内在的第二次革命,弦理论演变成M理论。

  在围棋游玩中,只有围与不围这样很少的几条则则,加上诟谇两色棋子,却无妨弈出五花八门的对局。与此坊镳,今世科学感应,自然界由很少的几条则则掌管,而存在着无尽多种这些运用秩序答应的状态和坎阱。任何尚未露出的力,必将是极微弱的,或其效应将受到生硬的边界。这些效应,要么被畛域在极短的间隔内,要么只对极其出格的客体起功用。

  科学家异常自傲地认为,我们表现了齐全的力,并没有什么脱漏。但是,在刻画这些力的秩序时,大家却贫窭同样的自傲。20世纪科学的两大支撑——量子力学广义相对论——竟然是不相容的。广义相对论在微观准则上违背了量子力学的原则;而黑洞则在另一终点模范上向量子力学自身的基础底细寻事。面对这一窘境,与其说物理学不再绚丽,还不如道这预示着一场新的革命。

  萨拉姆(A.Salam)和温伯格(S.Weinberg)的弱电归并理论,把区别描写电磁力弱力的两条则律,简化为一条规律。而M理论的最后方针,是要用一条文律来描述已知的全部力(电磁力、弱力、强力、引力)。今朝,有利于M理论的注解突飞猛进,已取得令人抖擞的进取。M理论成功的象征,在于让量子力学广义相对论在新的理论框架中相容起来。

  同弦论肖似,M理论的关头概念是超对称性。所谓超对称性,是指玻色子费米子之间的对称性。玻色子是以印度加尔各答大学物理学家玻色(S.N.Bose)的名字命名的;费米子于是发起奉行曼哈顿工程的物理学家费米E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整数自旋,而费米子具有半整数自旋。相对论性量子理论预言,粒子自旋与其统计素质之间生存某种相关,这一预言已在自然界中获取令人感叹的注解。

  在超对称物理中,十足粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与向来粒子所有雷同的量子数(色、电荷、沉子数轻子数等)。玻色子的超错误肯定是费米子;费米子的超朋侪势必是玻色子。即使尚未找到超对称差错保存的确实讲明,但理论家仍必定它的生存。我们感到,由于超对称是自发破缺的,超朋侪粒子的质地肯定比从来粒子的大良多,以是才无法在现有的加疾器中探测到它的生活。

  局限超对称性,还供给将引力也纳入物理归并理论的新门说。爱因斯坦广义相对论,是遵循广义下的某些恳求导出来的。在超对称时空坐标变动下,限定超对称性则预言生存“超引力”。在超引力理论中,引力互相作用由一种自旋为2的玻色子(引力子)来传递;而引力子的超友人,是自旋为3/2的费米子(引力微子),它转达一种短程的相互作用。

  在M理论式样中,岁月分为两种,一种是我们们世俗意义上的时候(即现行天下对人类理由上的时分)。再有一种被定义为“虚时刻”,虚时间没有所谓的发端和遣散,而是接连生存的工夫,是用于描画超弦的一条无矢坐标轴。

  M理论感触能量在自身维度下不守恒,能量会在本身绮翘中逃逸到其我膜,而弦分为开弦和关弦,引力子弦与另三种弦差异,是一个自旋为2的玻色子,理论中被定义为自由的合弦,可能被传布到寰宇膜外的高维空间以及此外寰宇膜,故能量场在自身维度(现行寰宇空间)下逃逸了更多。

  在M理论中生活多数平行的是膜,膜彼此功用碰撞导致崭露四种根本粒子,显现电磁波和物种(宇宙大爆炸的来源)。

  广义相对论没有对时空维数规律上限,在任何维黎曼流形上都能创立引力理论。超引力理论却对时空维数法规了一个上限——11维。更吸引人的是,曾经注明,11维不单是超引力答允的最大维数,也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。刻画强力的规则模型,即量子色动力学,是基于定域对称群SU(3)的规范理论,它的量子叫做胶子,功用于一个叫“色”的内禀量子数上。刻画弱力和电磁力的温伯格-萨拉姆模型,是基于SU(2)×U(1)的典范理论。这个规范群效用在“味道”上,而不是在“表情”上,它不是精细的,而是自觉破缺的。由于这些意义,许多物理学家开始思虑11维的超引力理论,期望这即是我谋求的关并理论。

  不外,在手征性当前,引力理论的一根支柱猝然崩裂了。手征性2是自然界的一个关键特点,很多自然宗旨都有如同于人的左手与右手那样的对称性。像中微子的自旋,就悠久是左手的。

  20世纪20岁首,波兰人卡卢扎(T.Kaluza)和瑞典人克莱因(O.Klein),呈现从高维空间约化到可稽查的4维时空的机制。若11维超引力中的7维空间是紧致的,且其尺度为10-33厘米(缘此其不被发现),就会导出粒子物理规矩模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。然而,在时空从11维紧致化到4维时,却无法导开头征性来。到了1984年,超引力丢失领头理论名望,超弦理论取而代之。那时,“让11维见鬼去吧!”——“夸克之父”盖尔曼(M.Gell-Mann)的这句名言,表示了不少物理学家对11维的失望心绪。

  然而,弦论绝非美轮美奂,至少可从四方面对它追问。起初,人们本将弦论当作物理统一理论来追寻,它的五种分歧理论却又给出了五种不同的世界,若人类保存在其中的一种全国之中,那么此外四种理论形容的寰宇,又是何等样的生物寓居此中呢?其次,若将粒子看作弦,那为什么不将它们看作膜,抑或看作p维客体——胚(brane)呢?再者,看待弦论的操演验证,古代的粒子加快器款式,清晰受到身手和经费两方面边界,然而新的花式又在何处?末端,超对称性答允时空的最大维数是11维,为什么弦论只到10维就戛但是止了呢?余下的那一维是逃逸了,仍旧隐藏起来了呢?

  史册线年起初了弦论的第二次革命。以还,五种不同的弦论在性质上被注明是等价的,它们能够从11维时空的M理论导出。经历了十年勤劳特出的勤恳,人们居然又回到了从来的时空维数,否认之狡赖本来是条奥密的哲理。

  M理论的11维线维时空普朗克质地mP的单一标度表征。若将11维时空中的一个空间维度,取成半径为R的圆周,就没闭系将它与模范ⅡA的弦论相关起来。表率ⅡA弦论有一个无尽纲弦耦合常数gs,它由膨胀子场Φ(一种属于典范ⅡA超引力多浸态的无质料标量场)的值相信。楷模ⅡA的质量标度ms的平方,给出基本ⅡA弦的张力,11维与10维的ⅡA的参数之间的相干为(略去数值因子2π)ms2=RmP3,gs=Rms。

  ⅡA理论中频频掌管的微扰分析,是将ms固定而对gs发展。从第二个相干式可见,这是看待R=0的展开,这也就是为什么在弦微扰论中没有展现11维注脚的出处。半径R是一个模(modulas),它由带有平展势的无质料标量场的值笃信。若这个模取值为零,对应于ⅡA理论;若取值无穷大,则对应于11维理论。

  杂优弦HE与11维理论也有如同的相干,差别在于紧致的空间不再是圆周,而是一条线段。这个紧致化会出现两个平行的10维切面,而每个体又对应于一个E8楷模群。引力场存在于块中。从11维时空更能声明,为什么选拔E8×E8表率群才会是量子力学“异常自由”的。

  早在本世纪初,德国女学者诺特(E. Noether)阐明了一条出名定律:对称性对应于某一种物理守恒定律。电荷、色荷,以及其余守恒荷,都能算作是诺特荷。某些粒子的性情在场变形下纠合巩固,如此的守恒律称为拓扑的,其守恒荷为拓扑荷。苦守守旧观点,轻子夸克被认作是基本粒子,而单极子等指导拓扑荷的孤子是派生的。是否能颠倒过来猜念呢?即猜念单极子带诺特荷,而电子带拓扑荷呢?这一猜想被称作蒙托南-奥利夫(Montonen-Olive)猜想,它给物理盘算带来了猜度不到的惊喜。带有e荷的基础粒子等价于1/e的拓扑孤子,而粒子的荷对应于它的相互效用耦关强度。夸克的耦合强度较强,是以不能用微扰论盘算,但可用耦合强度较弱的对偶理论打算。

  这方面的一个争执性进展,是由印度物理学家森(AshokeSen)取得的。全部人证明,在超对称理论中,一定生存既带电荷又带磁荷的孤子。当这一揣摸实践到弦论后,它被称作S对偶性。S对偶性是强耦关与弱耦合之间的对偶性,由于耦合强度对应于膨鼓子场Φ的值。杂优弦HO与规范I弦可阅历各自的膨胀子场相关起来,即Φ(I)+Φ(HO)=0。

  弱HO耦关对应Φ(HO)=-∞,而强HO耦合对应Φ(HO)=+∞。可见,杂优弦是I型弦的非微扰激发态。云云,S对偶性便解释了一个永久令人嫌疑的题目:HO弦与I型弦,有着肖似的超对称荷和楷模群SO(32),却有着出格不同的本质。

  在弦论中,还保存着一种在大小紧致体积之间的对偶性,称作T对偶性。举例来说,ⅡA理论在某一半径为RA的圆周上紧致化和ⅡB理论在另一半径为RB的圆周上紧致化,两者是等价的,且有合连RB=(ms2RA)-1。

  所以,当模RA从无量大变到零时,RB从零变到无量大,这给出了ⅡA和ⅡB之间的合连。两种杂优弦间的相合,虽有本领细节的差别,素质却是雷同的。

  弦论另有一个定向回转的对称性,如将定向弦举行投影,将会得到两种差异的终局:扭曲的非定向开弦和不扭曲的非定向闭弦。这就是ⅡB型弦和I型弦之间的合连。在M理论的言语中,这一收场被谈成:开弦是狄利克雷胚的衍生物。

  有质料的矢量粒子有3个极化态,而无质地的光子唯有2个极化态。无质料态没闭系看作是有质量态的临界状态。在4维时空的中,用小群闪现形容光子态。小群表现又称短揭示,这一代数组织可能推行到11维超对称理论。临界质料也会在M理论中重现。由诺特定理,能量和动量守恒是时空平移对称性的推行。超对称荷的妨害易子是能量和动量的线性齐集,这是超引力代数根柢。然而,两个分别超对称荷的窒碍易子,却可生成新的荷。这个荷称作大旨荷Q。对付带有主题荷的超代数也有一个短表示,它将与M理论的非微扰结构紧密合连。

  对待带有重心荷的粒子态,代数坎阱包括着物理合连m≥Q,即质量将大于中央荷的齐备值。若粒子态是短闪现的话,该联系取临界景象m=Q,广泛称为BPS态。这一本质的最先式样是前苏联学者博戈莫尔内(E.B.Bogomolnyi)、美国学者普拉萨德(M.K.Prasad)和萨默菲尔德(C.M.Sommerfield)在酌量楷模场中单极子时出现的。

  倘使将BPS态概念掌管到p胚,这时主旨荷用一个p秩张量来描绘,BPS条目化作p胚的单位体积质量等于荷密度。处于BPS态的p胚将是一个生存某种超对称性的拙劣有效理论的解。Ⅱ型弦与11维超引力都含有两类BPS态p胚,一类称为电的,另一类称为磁的,它们都存在了一半的超对称性。

  在10维弦论中,据弦张力Tp与弦耦关常数gs的依托合联,p胚可分成三类。当Tp孤傲于gs,且与弦质料参数的联系为Tp∽(ms)p+1,则称胚为根基p胚;这种景象仅产生在p=1时,故又称它为根本弦;这又是在弱耦合下仅有的解,故它又是仅可摆布微扰的弦。当弦张力Tp∽(ms)p+1/gs2,则称胚为孤子p胚;究竟上这仅发生在p=5时,它是基本弦的磁对偶,记作NS5胚。当Tp∽(ms)p+1/gs,则称胚为狄利克雷p胚,记作Dp胚,其本质介于根本弦和孤子之间。资历磁对偶性,Dp胚将与Dp′胚合联起来,个中p+p′=6。

  在11维时空中,生活两类p胚:一类是曾被命名为超膜的M2胚,另一类称为M5胚的5胚,它们互为电磁对偶。11维理论仅有一个特性参数mP,它与弦张力Tp的关系为Tp∽(mP)p+1。将11维理论资历个中1维空间作圆周紧致化,能导出ⅡA型理论。那么,p胚在这个紧致化历程中将做出什么转机呢?p胚的空间维数可以占据或不攻下紧致维。要是霸占,M2胚将卷曲成基础弦,M5胚卷曲成D4胚;假使不攻克,M2胚化作D4胚,M5化作NS5胚。

  当年,很多物理学家之所以放弃11维超引力,寡情地让它“见鬼”去,乃因威滕等人觉得,在将11维紧致化到4维时,无法导下手征性。十年后,威滕又否认了本身,这一狡赖正是威滕雄浑浩博玄学气休的涌现。究竟上,孤傲于人类而存在的外部世界,就像一个巨大而长久的谜,对这个寰宇作凝望沉思,就像谋求解放一样,吸引着每一个具有哲学气息的物理学家。

  威滕和荷拉伐(PeterHorava)涌现,从11维的M理论可以找得手征性的根源。我们将M理论中的一个空间维数裁减成一条线段,获得两个用该线维时空。粒子和弦仅生计于线段两端的两个平行的时空中,它们经历引力互相合连。物理学家推测,世界中全部的可见物质位于其中的一个,而困扰着物理学家的暗物质则在另一个平行的时空中,物质与暗物质之间仅资历引力联贯系。如此,便可奇妙地说明宇宙中为什么生活看不到的质量。

  这一图象具有极其要紧的物理意义,可用来检验M理论。70岁首,物理学家已融会到,齐全互相用意的耦闭强度随能量波折,即耦闭常数不再是常数,而是能量的函数,并给它取了个局面的名称——跑步耦合常数。90年月,物理学家又暴露,在中,电磁力、弱力与强力的耦闭强度,汇聚在能量标度E约为1016吉电子伏的那一点上。物理学家们为这一得胜叫好不已,少许带有姑息情结的批评家乃至认为,超对称已获得末了的告捷,不必再等待2005年在LHC对撞机上的磨练熟练。

  然而,这里只合并了宇宙四大基本彼此效用中的三个,再有一个引力。对这一面类首先会意的引力,又将何如料理呢?给人开导的是,上述三力统一的耦关强度与无穷纲量GE2(G为牛顿引力常数)相近,而不相当。在威滕-荷拉伐计划中,可采取线段的尺寸,使已知的四种力通盘会聚在同一能量标度E上。这就是叙,引力的量子效应,将在比普朗克能量标度低得多的标度(E≈1016吉电子伏)上起影响,这无疑将对寰宇学显现所有的功用。若是宇宙学家们仰面看看自身的窗外,简略会警告到暴风雨正在酝酿,但是绝大普及人仍持续浸溺在庆贺准绳世界模型的杯光酒影之中。

  当人们试图兼并广义相对论和量子力学来完善M理论时碰着了一个烦杂,不确信性原理意味着乃至“微薄的”空间也充分了虚粒子和反粒子对,爱因斯坦的方程E=MC²意味着它们有无穷的能量,这使它们会把宇宙屈曲到无量小,以是人们引进了一种叫做沉正化的体例来料理这个问题,即用此外的无限大来抵消无尽大,自旋1/2和自旋3/2的能量是负的,抵消了自旋0,1,2的正能量,这就撤消了大多数的无尽大,但人们疑虑仍有无穷大生存了下来,且即使这局势在本质上行的通,但在数学上颇令人怀疑。

  广泛觉得,M理论就不是由练习筑设的。纵然原则模型能声明许多用具,不外物理学家统统靠熟练来配置统一广义相对论和量子力学的模型基本上是不没合系的,来因实践室的高能范畴黑白常大白的。实习不能够得到大爆炸的高能条件,即使称心弦论最低要求能量条目都险些不可能。按现代趋势,理论物理末了会融入若干拓扑的熔炉中成为一体,也即是,理论物理便是新几多。新多少学兼并相对论与量子力学。超弦与M理论只是一个极其粗糙的过渡。

  现在,物理学中同时存在两个精准而相互冲突的理论模型——广义相对论和量子理论,这不是自然界的错,而是物理学失去了方向。

  引力能否量子化?暗物质与能量能否注释?黑洞内中能否探查和多天下的生计性?

  试验无法达到主意。这些迷失的东西惟有靠数学特别是多少本事找到。物理模型的争持在于大家们几何理论的 罅隙,在连续的统一场中如何完成模范场的分裂的几多量子化和拓扑化是要害。要是新几何圈套不能完全弄出来,物理学家不不妨从理论上料理全部人的沉要题目。

  今生理论物理已经沦为数学嬉戏,而m理论的数学寄自愿体验理论物理来管辖。物理只需要实例,数学的根基结构务必源于自身。

  有大家感触,几多足够天下和物体曲折,它与物理稹密邻接,不可阔别。有许多人感应物理是摆布科学或几许独揽榜样。

  物理的理论不能粗糙归于独霸,随着物剃头展,物理逐步几何化,多少开端能说明它对基础概念、相对论中黎曼几多和量子力学中的希尔伯特空间和群和拓扑,如今超弦更是几何主导。物理与若干不是垄断联系那么简单,假若而今的几多内容能将完全物理概念纳入自己的注解,几何统统从脚到头齐备主宰物理。在物理,几多,代数的合连中,多少处于大旨

  尽管M理论已得回累累硕果,不过各式迹象评释,一经窥见的但是是些“雪泥鸿爪”云尔,最深层的阴私尚待表现,什么是M理论的真面庞,还是是一个未决标题。纵然M理论的乐成,使弦论学家摆脱了当年的窘境,但你们必将以“以前坎坷还记否?途长人困蹇驴嘶。”来胀动本身,希望在此后几年中显示M理论的真脸蛋。

  美国学者苏什金(LeonardSusskind)等人,进行了一次新实验,我们们称M理论为矩阵理论(英语中矩阵一词,也是以M开头的)。试图给M理论下一个尽心的定义。矩阵理论的根柢是无穷多个0胚(也即是粒子),这些粒子的坐标(即时空名望)不再是通俗的数,而是相互之间不能对易的矩阵。在矩阵理论中,时空自己成了一个吞吐的概思,这一办法使物理学家大为奋起。施瓦茨呼吁大众眷注这些斟酌,同时指出矩阵理论含有一个严重的未决题目:“当多个空间紧致维数出目下,在矩阵理论中用环面Tn紧致化将会遭遇困难,能够会找到更好的紧致化形状,否则新的商讨是须要的。”

  爱因斯坦说:“对付这个寰宇,最不行分解的是,这个全国是无妨领会的。”即日,对待M理论,最不成了解的是,它公然一经把了解全国推进了一大步。

  当其全班人们模范的力不保存时,完整受引力作用的格式城市坍缩成黑洞。地球之是以没有被它自身的浸量压垮,是来历构成它的物质很硬,这硬度基础于电磁力。同样,太阳之是以没有坍缩,也可是道理太阳内里的核应声展现了宏伟的外向力。假使地球和太阳失去这些力,就会在短短的几分钟之内屈曲,且越缩越速。随着退缩,引力会填充,压缩的疾度也随之加速,从而将它们占领在逐步飞翔的时空曲折里,变成黑洞。从外部看黑洞,那儿的时刻好似盘桓了,不会看到进一步的改观。黑洞所代表的,就是受引力效率格局的终末平衡态,该态相称于最大的熵。尽管对普通的量子引力尚不体认,霍金(StephenHawking)却掌管量子论,得胜地对黑洞提出了一个熵的公式。这个到底,不常被叫做黑洞悖论。

  在廿多岁就办理规范场量子化标题的荷兰理论物理学家胡夫特(G.tHooft),曾向弦学者提出看待弦论为何没能管辖黑洞题目的质询。那时人们并不分解,这底细是驳诘,如故煽惑?不外,在弦论演化成M理论之际,完整的疑难很快没落了。胡夫特这位物理感觉特殊尖利的天赋,在山雨欲来之际听到了雷声,但所有人也没能推测到,来的是何等样一场风暴!

  在某些风景下,Dp胚可能注释成为黑洞,畏惧更妥贴地谈是黑胚,就是任何物质(包括光在内)都不能从中逃逸的客体。所以,开弦没闭系算作是有一个体隐私在黑胚之中的闭弦。可以将黑洞看成是由7个紧致维的黑胚构成的,从而M理论将为管束黑洞悖论供给途径。霍金以为黑洞并不是齐备黑的,它可能辐射出能量。黑洞有熵,熵是用量子态数目来衡量的一个式样的无序水平。在M理论之前,怎样盘点黑洞量子态数目,人们手忙脚乱。斯特龙明格(AndrewStrominger)和瓦法(CumrunVafa)使用Dp胚款式,盘算了黑胚中的量子态数目。所有人露出,计算所得的熵与霍金预言的完整同等。这无疑是M理论得到的又一项出色成绩。

  10维弦论紧致化到4维的系统有成千上万般,不同格式展现出4维寰宇中差异的运行机制。于是,不信弦的人以为,这基础就没作展望。只是,在M理论中,黑胚有望处置这一快苦。现已声明,当黑胚包绕着一个洞减弱时,黑胚的质地将会没落。这一本质将对时空自己产生绝妙的效力,它将变革经典拓扑学的法例,使得时空拓扑发作转移。一个带有若乾洞的时空,无妨遐念成一块沪上的早点——蜂糕。在黑胚影响下,它造成了另一块蜂糕,即造成了另一带有差异数目洞的时空。掌管这一体式,能够把完整区别的时空关联起来。如此,对弦紧致题目的质问,就简单统治了。M理论结尾将遵守某种极值理由,采用一个安祥的时空,弦就在这个时空中生计下来。接下来便是,震动着的弦将产外行类已知的粒子和力,也即是展现出人类所处的实际寰宇。

  超弦论与M理论评判远远的跨越了人类的假想,但广义相对论与量子力学的兼并还卓殊辽远。

  现代科学家没有人能画出完好的Hubble图,法则寰宇学的R--W度规杜撰成立,把Hubble定律硬插入,是以Hubble常教H的取值,没有人们公认的精准值。对天下察看的数据贯通,人人所需,在国际网站上天文学的顶尖学者的论文没有精准的H值。

  霍金哲学文章《大着想》中指出M理论没合系是注解天下来源的终极理论,并能够是爱因斯坦穷极一生所追寻的统一场理论的结果答案。宇宙是自发造成的,而不须要一个第一激劝力来慰勉宇宙的造成;

  威滕谈:“M在这里没关系代表魔术(magic)、KK直播电脑版大富翁9843红遍天下,诡秘(mystery)或膜(membrane),依全部人所好而定。”

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