NOVA｜講師紹介｜エレガント・ユニバース｜超ひもの科学｜PBS

The Science of Superstrings

今日の物理学者は、迷いに苦しんでいるようです。 彼らは、宇宙がどのように機能しているかを説明する2つの別々の理論を受け入れています。 そのため、このような「曖昧さ」を払拭するために、「曖昧さ解消法」を開発しました。

残念ながら、この2つの理論は互いに補完し合うものではありません。

残念ながら、これらの理論は互いに補完し合うものではありません。重力の働きを記述する一般相対性理論は、時空のゆがみやカーブがある滑らかで流れるような宇宙を暗示しています。 量子力学は不確定性原理を持ち、宇宙は無限に小さいスケールで乱れ、混沌としており、事象は確率的にしか予測できないことを意味する。

ほとんどの物理学者は、宇宙が 2 つの別々の (そして時には矛盾する) 理論に従って動いていることを受け入れるのに苦労しています。

ほとんどの物理学者は、宇宙が2つの別々の（時には矛盾する）理論に従って動いていることを受け入れがたく、宇宙がすべての観測とデータを説明する単一の理論によって支配されている可能性が高いと考えるのです。 一般相対性理論で説明される最も弱い重力、場の量子論で説明される電磁気力、強い力、弱い力の4つの自然界の力を1つの傘にまとめる理論である。

アインシュタインは、電磁気学と重力学を統合することで、統一理論を追求しました。

超弦理論は弦理論とも呼ばれ、4 つの力をすべて統一し、それによって一般相対性理論と量子力学を統一しようとするものです。 その核となるのは、「すべての粒子は、振動する小さなエネルギーの束でできている」という非常にシンプルな考え方だ。 (弦理論は、このエネルギーの束が弦のように見えることから名づけられた)。 このひもは、通常のひもとは異なり、長さ（平均10〜33センチメートル）はあるが太さはない。

現在受け入れられている、素粒子スケールでの宇宙の仕組みに関する実験的に検証された理論では、すべての物質は点状粒子で構成され、点状粒子を通して相互作用しているとされています。 標準モデルとして知られるこの理論では、私たちの世界の構成要素として機能する素粒子と 4 つの基本的な力のうちの 3 つを説明しています (これらの粒子のリストについては、素粒子チャートと基本力粒子チャートを参照してください)。

弦理論では、素粒子と、物質粒子間の相互作用を媒介する基本的な力の担い手のそれぞれは、バイオリンの異なる音が固有の弦振動に対応するように、固有の弦振動パターンに対応する。 弦がどのように振動するかによって、その粒子の電荷、質量、スピンなどの性質が決定される。 弦理論の方程式は、現在知られているような素粒子（電子、クォーク、光子など）を生み出す可能性があるが、詳細な数値予測はまだできないため、考えられる振動パターンの組み合わせが、既知の物質や力を担う粒子をすべて正しく説明しているかどうかはわからない。 弦には、末端が開いているものと、閉じてループを形成しているものがある。

一般相対性理論と量子力学を統合するのは、文字列の性質です。

一般相対性理論と量子力学を統合するのは、この弦の性質です。 一般相対性理論では、重力の担い手とされる重力子はゼロ距離で作用することはできない。 このジレンマを解決してくれるのが、弦である。 弦は一次元であり、長さがあるため、小さな距離での相互作用を「塗り潰す」ことができる。 この「にじみ」によって、重力子が他の量子場粒子と相互作用するのに十分なほど時空が滑らかになり、2つの法則が統一されるのである。

しかし、超弦理論はその優雅さゆえに、代償を伴うものです。 理論が一貫しているためには、宇宙は3つ以上の空間次元を持っている必要があります。 実際、弦理論では、9つの空間次元と1つの時間次元、合計10次元の宇宙を予測しています。 (9つの空間次元は、私たちが日常的に体験している3つの拡張次元と、既存の技術では見ることができない、理論的に考えられている6つの小さな丸まった次元で構成されています。 この6つの次元は、見慣れた3次元の世界のどの点にも存在する。 3次元以上の空間的な次元の存在は、超ひも理論の研究者でさえイメージできないほど難しい概念である。

たとえば、2 次元の平らな表面を持つ 1 枚の紙を思い浮かべてみてください。

たとえば、2次元の平らな表面を持つ紙を想像してください。この表面を丸めると、筒状になり、1つの次元が丸くなります。 ここで、その表面を巻き続けると、巻き上がった内側の次元が消えて、筒が単に線のように見えるほど強く巻かれることを想像してください。

これらのカールした次元は、カラビ・ヤウ形状として知られる特定の複雑な構成を取ることがあります。 残念ながら、これらの形には何万ものバリエーションが存在し、どれが私たちの宇宙の余分な次元を正しく表しているのかを知ることは困難です。 なぜなら、この余剰次元の形状が、弦の振動のパターンを決定するからである。

これらの余分な次元は、10-35 メートルと小さいかもしれないし、1 ミリメートルの 10 分の 1 と大きいかもしれません。

これらの余分な次元は、10-35 メートル程度の大きさか、10 分の 1 ミリ程度の大きさかもしれません。 もしそうであれば、一部の物理学者は、重力がこれらの余分な次元を越えて漏れているかもしれないと考えており、これは重力が他の3つの力と比較して非常に弱い理由を説明するのに役立つかもしれません。

It’s a Match

弦理論は、すべての既知の物質粒子に、まだ発見されていない対応する「超」力の担い手粒子があり、すべての既知の力の担い手粒子には、まだ発見されていない対応の「超」物質粒子があるとすることも要求しています。 この考えは超対称性と呼ばれ、物質粒子と力の担い手粒子の関係を確立するのに役立っている。 スーパーパートナー（後述の「粒子とスパルティクル」参照）と呼ばれるこの理論上の粒子は、既知の対応する粒子よりも質量が大きいと考えられており、これが現在の粒子加速器や検出器でまだ観測されていない理由かもしれません。

* 重力子とヒッグス粒子はまだ実験的に確認されていません。粒子とそのスーパーパートナー候補の全リストは、「素粒子」www.pbs.org/nova/elegant/。

弦理論が説明できることの可能性は非常に大きいのです。

弦理論が説明できる可能性は非常に大きいです。

超ひも理論が説明できる可能性は非常に大きいです。 従来の理論では、それ以前の宇宙はゼロサイズに縮小しており、それは不可能でした。

ひも理論により、一般相対性理論で予測されながら、量子レベルでは完全に説明されてこなかったブラックホールの性質も明らかにすることができます。

また、一般相対性理論で予言されながら、量子レベルでは完全には説明されてこなかったブラックホールの性質を明らかにするのにも、弦理論は役立つかもしれません。 現在、一部の理論家は、ブラックホールと基本粒子は同一であり、その違いは、液体の水が氷に変化するような相転移に類似したものを反映していると考えている。

文字列理論はまた、ビッグバン以前の宇宙の様子や、空間が自己修復したりトポロジー的変化を起こしたりする能力など、空間と時間の進化や性質に関するさまざまな仮説への扉を開きます。

When It All Started

文字列理論はまったく新しいものではありません。 1960年代後半から進化を続けています。 一時期は、5つの理論がありました。 そして、1990年代半ばに、5つの理論を統合したM理論として知られる理論が登場しました。

ひも理論の最新の姿である M理論は、ひも理論の以前の 5 つのバージョンが、1 つの理論の 5 つの異なる側面に過ぎないことを明らかにしました。

超ひも理論のどの部分も実験的に確認されていません。これは、理論家がまだ理論を十分に理解しておらず、決定的な検証可能な予測ができないことが一因です。 さらに、弦は非常に小さく、原子の10億分の1以下と考えられており、現在の加速器や検出器などの技術では検出できないのです（下記の「基本的なものを求めて」を参照）。 弦理論はまだ実験的に検証することはできませんが、物理学者たちは、その側面のいくつかが、次のような存在を示すような状況証拠によってサポートされることを期待しています

• 余分な次元

  . 物理学者は、現在または将来の粒子加速器が、余分な次元の存在を示すのに役立つことを期待しています。 検出器は、我々の次元からそれらの余分な次元に漏れるはずの欠落したエネルギーを測定し、おそらくこれらの次元が存在する証拠を提供するかもしれません

• superpartner particles. 研究者は、現在および次世代の粒子加速器を使用して、弦理論によって予測されるスーパーパートナー粒子を探索します。

• 背景放射の変動。 宇宙は2.7度ケルビンという非常に低い温度の均一な放射線によって浸透しています。 これは、ビッグバンの当初の非常に高い温度から残されたものだと考えられています。 空中で1度ほどしか離れていない場所で温度を比較すると、10万分の1度という極めて小さな温度差があることが分かっている。 科学者たちは、ビッグバンの初期に文字列を作るのに必要なエネルギーが得られたときに残ったかもしれない、特定の形のさらに小さな温度差を探している。

基本的なものを求めて

衝突型加速器を使用している物理学者は、標準理論を構成する物質と力の粒子のほとんどについての証拠を発見しましたが、彼らはまだヒッグス粒子という力のキャリア粒子とされるものを探し求めているところです。 この図は、いくつかの粒子と力の統合が発見されたり理論化されたりしているエネルギーを示し（実線の円）、現在または計画中の衝突型加速器で調べることができるエネルギーを示しています（空白の円）。 物理学者は、2007年に稼働予定のスイスとフランスにあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器によって、ヒッグス粒子の証拠や、理論上の重力子や捉えどころのない超粒子についての示唆が得られると期待している。 強い力と電気的な弱い力を統一したり、理論上の弦を発見したりするには、現在の技術では不可能なほどのエネルギーを必要とするようだ。 しかし、一部の理論家は、弦のエネルギーは現在または計画中の加速器のエネルギーに近いかもしれないと考えています

。