M理论入门
此条目介绍的是主题的导论，行文力图简单、通俗易懂，避免深奥术语。关于该主题的详细描述，请见“M理论”。简单的说，M理论给出了一种宇宙基本物质的想法。截至2022，科学界尚未给出任何实验证据来支持M理论能用来描述真实世界。即使M理论尚未有一个完善的数学表述，它依旧是“万有理论”的有利竞争者，即它可以把重力与其它的力，如电磁力等整合。M理论旨在以合理的数学方式统合量子力学与广义相对论下的重力。相较之下，其它理论如回圈量子重力被物理学家、研究员与学生认为是较不优雅的，因为它将重力与其他基本力（如电磁力等）完全分开。[1][2][3]
背景
在20世纪的早期，长久以来被视为是建构物质最小单元的原子被证实包含更多构成元素，分别是质子、中子和电子，它们被称为次原子粒子。在1960年代，其他次原子粒子开始被发现。1970年代时，质子、中子以及其他强子被发现他们是由更小的粒子夸克所构成。而标准模型是一套用来描述这些粒子交互作用的规则。
1980年代，一个更新的理论物理学数学模型，弦论诞生了。它展示了所有已知各种的次原子粒子都可以被一种假想的、一维的“弦”所构成。“弦”是一种无限小的构成单元，只有长度，而没有高度或宽度。
为了使弦论在数学上有一致性,弦必须位在一个具有十个维度的宇宙中。然而，我们所处的宇宙只有四个维度：三个空间维度（长度、宽度、高度）以及一个时间维度，这貌似存在著矛盾。为了“拯救”他们的理论，弦论学家解释说其他六个维度是无法被直接测量的；这个说法依靠一个复杂的数学物件，卡拉比-丘流形来解释。维度数后来又增加到十一维，因为对于十维理论的不同解释都会指向五个部分理论。在建立第十一个维度上，超引力理论也负责了十分重要的部分。
这些“弦”会在各个维度振动，并且依照他们的振动方式，他们在三维空间可能会以物质、光或重力的形式被观测。振动方式决定了他们以物质或能量形式存在，并且所有形式的物质与能量都是弦振动的结果。
因为不同版本的等式不断出现，弦论被认为遭遇到了瓶颈。最终，五个主要的弦理论被建立了。各理论最大的差异在于弦在多少维度中振动，以及弦的特征（如有些弦具开口，有些弦是封闭的，等）。并且，所有的理论都是可利用的。对于五个看似相互矛盾的等式组能用来描述同一件事，多数科学家感到不舒服。
1995年，一场举办在南加州大学弦论会议上的演讲中，普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕认为，弦论的五个不同版本应该是以不同角度来对同一件事进行解释。[4] 他提出一个统一理论，称作“M理论”，其中的“M”并没有被特别定义，不过通常被视为代表“膜（membrane）”。不过，“矩阵（matrix）”、“大师（master）”、“母亲（mother）”、“怪物（monster）”、“神秘（mystery）”以及“魔法（magic）”等字也有被宣称过。M理论将所有弦理论纳在一起，它借由将弦视为一个在11维度的时空中振动的二维膜上的一维切片来达成此举。更高维物体（如在三维中振动的水滴或球，甚至是更多维度）的振动是M理论中重要的一环，[5] 不过，对于膜的基本理论尚在发展中。相对于在经典物理学中的一点、弦论中的一维弦，以及M理论中的二维膜，高维物体更难进行数学运算。
地位
M理论尚不完善，但其数学方式已经有了十分详尽的发展。不过，至今为止尚无实验证据能支持M理论。[1]基于一些更基本的议题，部分物理学家对于M理论是否能指向一个描述真实世界的物理理论保持著怀疑态度。[6]
不过，因为其数学上的优雅与相对的简易性，一些宇宙物理学家被M理论所吸引，因为他们期待著有个简单的方法来描述整个宇宙。
M理论能吸引如此多兴趣的原因包括其自然的预测了重力子（一个自旋-2的粒子，被假设来产生重力）的存在。除此之外，M理论也预测了类似黑洞蒸发的现象。其他一同角逐统一理论的对手，如渐进安全性重力、E8理论、非交换几何及因果费米子系统 ，都没有展现出数学一致性。另一个重力量子化的方式是回圈量子重力，但它并不是一个统一理论。许多物理学家认为，相较于M理论，回圈量子重力较不具优雅性，因为它认为重力与其它的基本力是不同的。[1][2]
参见
参考来源
- ^ 1.0 1.1 1.2 Wolchover, Natalie. The Best Explanation for Everything in the Universe. The Atlantic. December 2017 [2018-02-07]. （原始内容存档于2020-11-15）.
- ^ 2.0 2.1 Physicists and Philosophers Debate the Boundaries of Science | Quanta Magazine. Quanta Magazine. 2015-12-16 [2018-02-07]. （原始内容存档于2020-11-15）.
- ^ Devlin, Hannah. Tying loose ends? Gravitational waves could solve string theory, study claims. The Guardian. 2017-07-05 [2018-02-07]. （原始内容存档于2020-11-15） （英语）.
- ^ University of Southern California, Los Angeles, Future Perspectives in String Theory, March 13-18, 1995, E. Witten: Some problems of strong and weak coupling. [2017-04-08]. （原始内容存档于2020-11-15）.
- ^ Quantum gravity – Does string/M-theory address higher-dimensional membrane vibration modes?. [2017-08-05]. （原始内容存档于2020-11-15）.
- ^ 李·斯莫林, April 2007:Response to review of The Trouble with Physics by 约瑟夫·波尔钦斯基.
延伸阅读
- Greene, B. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. W·W·诺顿公司. 1999. ISBN 978-0-375-70811-4.
- Greene, B. The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality. 克诺夫出版社. 2004. Bibcode:2004fcst.book.....G. ISBN 978-0-375-41288-2.
- Miemic, A.; Schnakenburg, I. Basics of M-theory. 德国物理学会. 2006, 54 (1): 5–72. Bibcode:2006ForPh..54....5M. S2CID 98007313. arXiv:hep-th/0509137
. doi:10.1002/prop.200510256. - Musser, G. The Complete Idiot's Guide to String Theory. Alpha Books. 2008. ISBN 978-1-59257-702-6.
- Smolin, L. The Trouble with Physics. Houghton Mifflin. 2006. ISBN 978-0-618-55105-7.
- Woit, P. Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Continuing Challenge to Unify the Laws of Physics
. Basic Books. 2006. ISBN 978-0-465-09275-8.
