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M-理論是物理學中的一種理論,它統一了超弦理論的所有一致版本。這種理論的存在最初是由Edward Witten在1995年春天在南加州大學的弦理論會議上推測出來的。Edward Witten的宣佈引發了一系列被稱為第二次超弦革命的研究活動。
圖 Edward Witten
在Edward Witten宣佈之前,理論物理學家已經確定了大概五種版本的超弦理論。雖然這些理論最初看起來非常不同,但是幾位物理學家的研究表明,這些理論是以錯綜複雜和奇妙的方式相關的。特別是,物理學家發現,顯然不同的理論可以透過稱為S-對偶性和T-對偶性的數學變換來統一。Edward Witten的猜想部分基於上述這些二元性的存在,部分基於弦理論與稱為十一維超引力的場論的關係。
雖然M理論的完整表述尚不清楚,但該理論應描述稱為branes的二維和五維物體,並應在低能量下用十一維超重力近似。制定M-理論的現代嘗試通常基於矩陣理論或AdS / CFT對應。
根據Edward Witten的說法,M應該根據品味代表“魔法”,“神秘”或“膜”,對M理論的數學結構的研究已經在物理學和數學中產生了重要的理論成果。更具推測性的是,M理論可以為為發展所有自然基本力量的統一理論提供框架。將M理論與實驗聯絡起來的嘗試通常側重於對其額外維度進行壓縮以構建我們的四維世界的候選模型,儘管到目前為止還沒有任何證據證明在高能物理實驗中觀察到了物理學現象。
M理論的二元性:S-對偶性和T-對偶性作為M理論的不同極限而出現的理論結果以非常奇異的方式相關。這些不同物理理論之間可能存在的關係之一稱為S-對偶性。這種關係表明,在某種情況下,一種理論中的強相互作用粒子的集合可以被視為完全不同理論中弱相互作用粒子的集合。粗略地說,如果它們經常組合和衰變,並且如果它們很少這樣做,那麼一組粒子被認為是強烈相互作用的。型別I字串理論證明與SO異構字串理論的S-對偶性相當。類似地,IIB型弦理論透過S-對偶以非平凡的方式與其自身相關。
不同弦理論之間的另一種關係是T-對偶性。這裡考慮圍繞圓形額外維度傳播的字串。T-對偶性表明圍繞半徑為R的圓傳播的弦等同於圍繞半徑為1 / R的圓傳播的弦,在一個描述中的所有可觀察量都用雙重描述中的量來識別。例如,字串在圍繞圓傳播時具有動量,並且它還可以圍繞圓圈纏繞一次或多次。弦繞圈旋轉的次數稱為繞圈號。如果在一個描述中一個字串有動量p和繞組數n,在雙重描述中它將具有動量n和繞組數p。例如,IIA型弦理論相當於透過T-對偶性的IIB型弦理論,並且兩種版本的雜種弦理論也與T-對偶性相關。
一般而言,二元性這一術語指的是兩種看似不同的物理系統以非平凡的方式變得等效的情況。如果兩種理論透過二元性相關聯,則意味著一種理論可以以某種方式進行轉換,從而最終看起來就像其他理論一樣。換句話說,這兩種理論在數學上是對同一現象的不同描述。
圖 弦理論二元論圖。黃色箭頭表示S-二元性。藍色箭頭表示T-對偶性。
結論對於M理論,主流物理學界也無法給出明確的對與錯,因此我的回答只是簡單介紹下M理論的來龍去脈和一些可以輔助驗證對與錯的結論,希望讀者去粗取精,自行篩選。
關於M理論的文章,還是要慎重閱讀。
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這個理論也只是猜想,弦只是作用,但是怎麼作用的不知道。只是人類前進的一個梯子,很快就會被更好的理論代替的。