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77888老彩民高手论坛j M理论(物理理论)_百度百科

  发布于 2019-10-30   阅读()  

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  举动“物理的终极理论”而提倡的理论,M理论守候能藉由单一个理论来注脚统统物质与能源的本质与交互关连。其聚闭了五种超弦理论十一维空间的超引力理论。为了充裕明了它,爱德华·威滕博士感触提供发觉新的数学东西。1984至1985年,弦理论爆发第一次革命,其核心是发明“失常自由”的连结理论;1994至1995年,弦理论又发作既外向又内在的第二次革命,弦理论演酿成M理论。

  在围棋游戏中,唯有围与不围云云很少的几条则则,加上好坏两色棋子,却能够弈出变化无穷的对局。与此仿佛,现代科学感触,自然界由很少的几条规则策画,而留存着无穷多种这些放置序次允许的样式和组织。任何尚未发明的力,必将是极软弱的,或其效应将受到热烈的片面。这些效应,要么被限制在极短的隔绝内,要么只对极其特殊的客体起效率。

  科学家卓殊自傲地感应,所有人感觉了统统的力,并没有什么脱漏。然则,在描写这些力的规律时,所有人却缺欠同样的骄横。20世纪科学的两大维护——量子力学广义相对论——果真是不相容的。广义相对论在微观准绳上违背了量子力学的标准;而黑洞则在另一极端轨范上向量子力学本人的底蕴搬弄。面对这一逆境,与其说物理学不再灿烂,还不如谈这预示着一场新的革命。

  萨拉姆(A.Salam)和温伯格(S.Weinberg)的弱电配合理论,把分歧刻画电磁力弱力的两条规律,简化为一条规律。而M理论的最后目标,是要用一条则律来形容已知的统统力(电磁力、弱力、强力、引力)。如今,有利于M理论的阐发扶摇直上,已赢得令人激昂的进展。M理论得胜的标帜,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理论的要紧概念是超对称性。所谓超对称性,是指玻色子费米子之间的对称性。玻色子于是印度加尔各答大学物理学家玻色(S.N.Bose)的名字命名的;费米子是以提倡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,粒子自旋与其统计实质之间存在某种合系,这一预言已在自然界中取得令人赞叹的证实。

  在超对称物理中,全部粒子都有本身的超对称朋侪。它们有与原先粒子齐备相似的量子数(色、电荷、重子数轻子数等)。玻色子的超同伴一定是费米子;费米子的超同伴必定是玻色子。假使尚未找到超对称同伴存储的的确解叙,但理论家仍相信它的存储。我们感应,由于超对称是自觉破缺的,超同伴粒子的质地必定比原先粒子的大许多,所以才无法在现有的加速器中探测到它的留存。

  个人超对称性,还需要将引力也纳入物理互助理论的新途路。爱因斯坦广义相对论,是根据广义下的某些乞请导出来的。在超对称时空坐标改变下,部分超对称性则预言保留“超引力”。在超引力理论中,引力彼此作用由一种自旋为2的玻色子(引力子)来传递;而引力子的超朋侪,是自旋为3/2的费米子(引力微子),它转达一种短程的彼此感化。

  在M理论体例中,岁月分为两种,一种是你世俗道理上的岁月(即现行六合对人类原理上的韶光)。另有一种被定义为“虚时间”,虚时间没有所谓的最先和闭幕,而是连续存在的光阴,是用于描画超弦的一条无矢坐标轴。

  M理论感到能量在自身维度下不守恒,能量会在我方绮翘中逃逸到其我膜,而弦分为开弦和合弦,引力子弦与另三种弦差别,是一个自旋为2的玻色子,理论中被定义为自由的闭弦,能够被鼓吹到全国膜外的高维空间以及此外天地膜,故能量场在自身维度(现行宇宙空间)下逃逸了更多。

  在M理论中存在多数平行的是膜,膜彼此影响碰撞导致发生四种基础粒子,发生电磁波和物种(六合大爆炸的路理)。

  广义相对论没有对时空维数准则上限,在任何维黎曼流形上都能扶植引力理论。超引力理论却对时空维数律例了一个上限——11维。更吸引人的是,依然注明,11维不仅是超引力批准的最大维数,也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。描写强力的法例模型,即量子色动力学,是基于定域对称群SU(3)的模范理论,它的量子叫做胶子,功用于一个叫“色”的内禀量子数上。描述弱力和电磁力的温伯格-萨拉姆模型,是基于SU(2)×U(1)的样板理论。这个表率群效用在“味道”上,而不是在“脸色”上,它不是显然的,而是自愿破缺的。由于这些理由,很多物理学家起初咨询11维的超引力理论,盼望这即是我谋求的连结理论。

  可是,在手征性面前,引力理论的一根庇护猛然崩裂了。手征性2是自然界的一个吃紧特征,好多自然倾向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,就永远是左手的。

  20世纪20年代,波兰人卡卢扎(T.Kaluza)和瑞典人克莱因(O.Klein),发明从高维空间约化到可观测的4维时空的机制。若11维超引力中的7维空间是紧致的,且其模范为10-33厘米(缘此其不被察觉),就会导出粒子物理标准模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。然而,在时空从11维紧致化到4维时,却无法导入手下手征性来。到了1984年,超引力丧失领头理论职位,超弦理论取而代之。当时,“让11维见鬼去吧!”——“夸克之父”盖尔曼(M.Gell-Mann)的这句名言,表明了不少物理学家对11维的失望心境。

  可是,弦论绝非美轮美奂,至少可从四方面对它质问。开初,人们本将弦论算作物理配合理论来追寻,它的五种辨别理论却又给出了五种分辩的天地,若人类生活在个中的一种天下之中,那么此外四种理论刻画的世界,又是何等样的生物寓居个中呢?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,对于弦论的践诺验证,古代的粒子加快器技艺,显明受到手腕和经费两方面部分,但是新的手法又在那里?结果,超对称性答应时空的最大维数是11维,为什么弦论只到10维就戛不过止了呢?余下的那一维是逃逸了,依然躲避起来了呢?

  历史线年早先了弦论的第二次革命。从此,五种永诀的弦论在实践上被注脚是等价的,它们能够从11维时空的M理论导出。通过了十年繁重隽拔的辛劳,人们果真又回到了原来的时空维数,狡赖之抵赖实在是条秘密的哲理。

  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,就可能将它与表率ⅡA的弦论关系起来。规范ⅡA弦论有一个无量纲弦耦合常数gs,它由膨鼓子场Φ(一种属于典范ⅡA超引力多沉态的无质地标量场)的值断定。榜样ⅡA的质量标度ms的平方,给出基础ⅡA弦的张力,11维与10维的ⅡA的参数之间的干系为(略去数值因子2π)ms2=RmP3,gs=Rms。

  ⅡA理论中屡次专揽的微扰分解,是将ms固定而对gs发展。从第二个干系式可见,这是对付R=0的开展,这也就是为什么在弦微扰论中没有察觉11维叙明的道理。半径R是一个模(modulas),它由带有平整势的无质料标量场的值决定。若这个模取值为零,对应于ⅡA理论;若取值无限大,则对应于11维理论。

  杂优弦HE与11维理论也有仿佛的相合,别离在于紧致的空间不再是圆周,而是一条线段。这个紧致化会发生两个平行的10维切面,而每一边又对应于一个E8范例群。引力场保存于块中。从11维时空更能注脚,为什么采纳E8×E8范例群才会是量子力学“异常自由”的。

  早在本世纪初,德国女学者诺特(E. Noether)声明了一条出名定律:对称性对应于某一种物理守恒定律。电荷、色荷,以及别的守恒荷,都能作为是诺特荷。某些粒子的特点在场变形下毗连不变,如斯的守恒律称为拓扑的,其守恒荷为拓扑荷。听命传统看法,轻子夸克被认作是根基粒子,而单极子等引导拓扑荷的孤子是派生的。是否能颠倒过来猜想呢?即猜想单极子带诺特荷,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,它给物理打算带来了猜想不到的惊喜。带有e荷的根基粒子等价于1/e的拓扑孤子,而粒子的荷对应于它的相互用意耦闭强度。夸克的耦合强度较强,于是不能用微扰论策动,但可用耦合强度较弱的对偶理论盘算。

  这方面的一个打破性转机,是由印度物理学家森(AshokeSen)获得的。我注解,在超对称理论中,必然存储既带电荷又带磁荷的孤子。当这一推断推广到弦论后,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胀子场Φ的值。杂优弦HO与规范I弦可体验各自的膨胀子场关联起来,即Φ(I)+Φ(HO)=0。

  弱HO耦合对应Φ(HO)=-∞,而强HO耦合对应Φ(HO)=+∞。可见,杂优弦是I型弦的非微扰煽惑态。如斯,S对偶性便注明了一个永世令人困惑的标题:HO弦与I型弦,有着宛若的超对称荷和范例群SO(32),却有着出格区分的实质。

  在弦论中,还保留着一种在大小紧致体积之间的对偶性,称作T对偶性。举例来叙,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。

  因此,当模RA从无尽大变到零时,RB从零变到无量大,这给出了ⅡA和ⅡB之间的干系。两种杂优弦间的相干,虽有技术细节的阔别,实际却是相似的。

  弦论还有一个定向反转的对称性,如将定向弦举行投影,将会博得两种划分的已矣:扭曲的非定向开弦和不扭曲的非定向合弦。这即是ⅡB型弦和I型弦之间的联系。在M理论的途话中,这一终了被途成: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,而无质料的光子只要2个极化态。无质量态能够看作是有质料态的临界形式。在4维时空的中,用小群流露描写光子态。小群吐露又称短透露,这一代数布局能够实施到11维超对称理论。临界质地也会在M理论中浸现。由诺特定理,能量和动量守恒是时空平移对称性的扩展。超对称荷的反对易子是能量和动量的线性拼凑,这是超引力代数内幕。不过,两个别离超对称荷的驳倒易子,却可天分新的荷。这个荷称作核心荷Q。对待带有大旨荷的超代数也有一个短泄露,它将与M理论的非微扰构造逼近相干。

  对于带有要旨荷的粒子态,代数布局包罗着物理相干m≥Q,即质量将大于主题荷的千万值。若粒子态是短出现的话,该关联取临界景况m=Q,平凡称为BPS态。这一本质的开始体式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)在争执楷模场中单极子时发明的。

  要是将BPS态概念掌握到p胚,这时要旨荷用一个p秩张量来刻画,BPS条款化作p胚的单位体积质量等于荷密度。处于BPS态的p胚将是一个存在某种超对称性的笨拙有效理论的解。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,它们都保留了一半的超对称性。

  在10维弦论中,据弦张力Tp与弦耦合常数gs的寄托联系,p胚可分成三类。当Tp孤立于gs,且与弦质量参数的关系为Tp∽(ms)p+1,则称胚为基础p胚;这种情景仅发作在p=1时,故又称它为根本弦;这又是在弱耦合下仅有的解,故它又是仅可利用微扰的弦。当弦张力Tp∽(ms)p+1/gs2,则称胚为孤子p胚;内幕上这仅发作在p=5时,它是根基弦的磁对偶,记作NS5胚。当Tp∽(ms)p+1/gs,则称胚为狄利克雷p胚,记作Dp胚,其性子介于基础弦和孤子之间。经过磁对偶性,Dp胚将与Dp′胚合系起来,其中p+p′=6。

  在11维时空中,保全两类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维理论仅有一个特点参数mP,它与弦张力Tp的干系为Tp∽(mP)p+1。将11维理论体验其中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嫁呢?p胚的空间维数可能占据或不占领紧致维。若是攻陷,M2胚将卷曲成基本弦,M5胚卷曲成D4胚;若是不攻陷,M2胚化作D4胚,M5化作NS5胚。

  早年,很多物理学家之因而摈弃11维超引力,无情地让它“见鬼”去,乃因威滕等人感应,在将11维紧致化到4维时,无法导开首征性。十年后,威滕又含糊了自己,这一否认正是威滕雄浑浩博形而上学气休的揭发。底子上,单独于人类而存储的外部天地,就像一个重大而永世的谜,对这个寰宇作审视浸思,就像钻营解放一样,吸引着每一个具有哲学气休的物理学家。

  威滕和荷拉伐(PeterHorava)发觉,从11维的M理论能够找到手征性的开始。全部人将M理论中的一个空间维数缩短成一条线段,赢得两个用该线维时空。粒子和弦仅存在于线段两端的两个平行的时空中,它们通过引力相互关连。物理学家料到,寰宇中全体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经验引力陆续系。这样,便可奇妙地证明寰宇中为什么保全看不到的质量。

  这一图象具有极其要紧的物理原理,可用来考验M理论。70年月,物理学家已领会到,统统彼此感化的耦合强度随能量转移,即耦合常数不再是常数,而是能量的函数,并给它取了个境地的名称——跑步耦合常数。90年代,物理学家又感觉,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。物理学家们为这一成功叫好不已,极少带有浪漫情结的申斥家甚至感应,超对称已获得末了的胜利,无须再盼望2005年在LHC对撞机上的磨练实施。

  不过,这里只连结了天地四大根本相互效率中的三个,再有一个引力。对这私家类最先了解的引力,又将怎样处理呢?给人开垦的是,红姐网六肖,上述三力联络的耦合强度与无量纲量GE2(G为牛顿引力常数)左近,而不很是。在威滕-荷拉伐宗旨中,可抉择线段的尺寸,使已知的四种力总计会聚在联合能量标度E上。这就是道,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)上起作用,这无疑将对世界学发生所有的感化。要是全国学家们举头看看本身的窗外,大概会警戒到暴风雨正在酝酿,然则绝大普遍人仍陆续重溺在庆祝规矩天下模型的杯光酒影之中。

  当人们试图团结广义相对论和量子力学来齐备M理论时遇到了一个贫困,不决意性事理意味着以至“空匮的”空间也鼓满了虚粒子和反粒子对,爱因斯坦的方程E=MC²意味着它们有无限的能量,这使它们会把六闭盘曲到无量小,因而人们引进了一种叫做沉正化的观点来约束这个问题,即用另外的无穷大来抵消无量大,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,这就歇灭了大普遍的无量大,但人们怀疑仍有无穷大保留了下来,且虽然这技艺在实践上行的通,但在数学上颇令人疑惑。

  有人感触,物理理论必需反应实质六关的运行。这是否是讲物理模型具备由实行决议?

  广博觉得,现在的M理论就不是由实验树立的。纵然原则模型能说明许多东西,然则物理学家完善靠试验来扶持关营广义相对论和量子力学的模型基本上是不能够的,来由试验室的高能局限诟谇常明白的。施行不可能取得大爆炸的高能条件,假设餍足弦论最低乞请能量条款都实在不可能。按今世趋势,理论物理结果会融入几何拓扑的熔炉中成为一体,也即是,理论物理就是新几何。新多少学统一相对论与量子力学。超弦与M理论不外一个极其严密的过渡。

  当前,物理学中同时生存两个准确而相互矛盾的理论模型——广义相对论和量子理论,这不是自然界的错,而是物理学失去了倾向。

  引力能否量子化?暗物质与能量能否表明?黑洞内部能否探查和多全国的保全性?

  实施无法到达方针。这些迷失的东西唯有靠数学希奇是几许本领找到。物理模型的冲突在于全班人几许理论的 缺少,在继续的勾结场中如何告竣规范场的支解的几何量子化和拓扑化是严重。如果新几何结构不能完善弄出来,物理学家不可以从理论上管束你们的首要问题。

  今世理论物理仍旧沦为数学游玩,而m理论的数学寄希望始末理论物理来拘束。物理只供应实例,数学的根本组织必定源于自身。

  有里手觉得,多少胀满宇宙和物体改观,它与物理慎密连关,不成分辨。有许多人认为物理是掌管科学或几许利用表率。

  物理的理论不能明净归于操纵,随着物理发展,物理逐渐几许化,几何开始能注明它对根基概想、相对论中黎曼若干和量子力学中的希尔伯特空间和群和拓扑,眼前超弦更是多少主导。物理与多少不是掌管干系那么明净,假使如今的多少内容能将全数物理概念纳入自己的解说,几许完善从脚到头完满主宰物理。在物理,几何,代数的相合中,几何处于大旨

  纵然M理论已博得累累硕果,但是各种迹象说明,已经窥见的但是是些“雪泥鸿爪”罢了,最深层的神秘尚待流露,什么是M理论的真姿态,已经是一个未决题目。纵使M理论的得胜,使弦论学家脱节了过去的窘境,但我们们必将以“往日险阻还记否?途长人困蹇驴嘶。”来煽惑全班人方,期待在以后几年中感觉M理论的真姿首。

  美国学者苏什金(LeonardSusskind)等人,实行了一次新考查,大家们称M理论为矩阵理论(英语中矩阵一词,也因此M初阶的)。试图给M理论下一个专注的定义。矩阵理论的底蕴是无穷多个0胚(也就是粒子),这些粒子的坐标(即时空职位)不再是通常的数,而是互相之间不能对易的矩阵。在矩阵理论中,时空我方成了一个含糊的概想,这一手腕使物理学家大为激昂。施瓦茨号召大众体贴这些斟酌,同时指出矩阵理论含有一个首要的未决标题:“当多个空间紧致维数出方今,在矩阵理论中用环面Tn紧致化将会遇到清贫,恐怕会找到更好的紧致化技能,否则新的龃龉是必需的。”

  爱因斯坦叙:“对于这个世界,最不可理睬的是,这个天下是能够清晰的。”克日,应付M理论,最不行了解的是,它居然仍然把清晰世界鼓动了一大步。

  当其所有人规范的力不保管时,全数受引力效力的体例都邑坍缩成黑洞。地球之所以没有被它大家方的重量压垮,是来历构成它的物质很硬,这硬度根源于电磁力。同样,太阳之因此没有坍缩,也不外因由太阳里面的核反映产生了巨大的外向力。假使地球和太阳遗失这些力,就会在短短的几分钟之内紧缩,且越缩越快。随着压缩,引力会增长,减少的速度也随之加快,从而将它们肃清在慢慢上涨的时空弯曲里,变成黑洞。从外部看黑洞,何处的年光好像结局了,不会看到进一步的转变。黑洞所代表的,就是受引力用意体系的结果均衡态,该态特地于最大的熵。即使目下对广大的量子引力尚不明了,霍金(StephenHawking)却诈欺量子论,胜利地对黑洞提出了一个熵的公式。这个内幕,不常被叫做黑洞悖论。

  在廿多岁就约束典范场量子化问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因何没能料理黑洞题目的质询。其时人们并不了然,这基础是诘责,已经挑拨?不过,在弦论演化成M理论之际,通盘的疑难很快磨灭了。胡夫特这位物理感触很是灵敏的天生,在山雨欲来之际听到了雷声,但大家也没能预见到,来的是何等样一场风暴!

  在某些情形下,Dp胚能够路明成为黑洞,也许更适当地说是黑胚,就是任何物质(网罗光在内)都不能从中逃逸的客体。因此,开弦能够作为是有一部分隐匿在黑胚之中的合弦。能够将黑洞看成是由7个紧致维的黑胚构成的,从而M理论将为收拾黑洞悖论供给道途。霍金感觉黑洞并不是完善黑的,它能够辐射出能量。黑洞有熵,熵是用量子态数目来衡量的一个系统的无序水平。在M理论之前,若何盘货黑洞量子态数目,人们手足无措。斯特龙明格(AndrewStrominger)和瓦法(CumrunVafa)戏弄Dp胚伎俩,打算了黑胚中的量子态数目。谁觉察,盘算所得的熵与霍金预言的具备一律。这无疑是M理论取得的又一项精巧劳绩。

  10维弦论紧致化到4维的款式有成千上千般,辨别格式发作出4维宇宙中分袂的运行机制。因此,不信弦的人感到,这根柢就没作瞻望。然则,在M理论中,黑胚有望处置这一速苦。现已阐明,当黑胚包绕着一个洞缩小时,黑胚的质料将会隐没。这一性子将对时空自己产生绝妙的沉染,它将调剂经典拓扑学的法则,使得时空拓扑爆发波折。一个带有若乾洞的时空,能够假想成一路沪上的早点——蜂糕。在黑胚效力下,它形成了另一块蜂糕,即酿成了另一带有分辨数目洞的时空。捉弄这一妙技,能够把全豹永别的时空相关起来。如许,对弦紧致问题的斥责,就任意约束了。M理论末了将依照某种极值意想,采纳一个平定的时空,弦就在这个时空中存储下来。接下来即是,动摇着的弦将产生人类已知的粒子和力,也即是发生出人类所处的本质天地。

  超弦论与M理论评判远远的横跨了人类的想象,但广义相对论与量子力学的纠合还十分迢遥。

  今世科学家没有人能画出完满的Hubble图,法规六合学的R--W度规诬蔑创办,把Hubble定律硬插入,于是Hubble常教H的取值,没有人们公认的切实值。对宇宙稽查的数据领悟,人人所需,在国际网站上天文学的顶尖学者的论文没有凿凿的H值。

  霍金哲学文章《大睡觉》中指出M理论可以是表明天地本原的终极理论,并可能是爱因斯坦穷极终生所追寻的配合场理论的结尾答案。宇宙是自愿发作的,而不需要一个第一激发力来驱使世界的出现;

  威滕叙:“M在这里可以代表戏法(magic)、诡秘(mystery)或膜(membrane),依他所好而定。”

  .Heterotic and Type I String Dynamics from Eleven Dimensions