M理論

M理論是物理學中將各種相容形式的超弦理論統一起來的理論。此理論最早由美國數學物理學家愛德華·威滕於1995年春季在南加州大學舉行的一次弦理論會議中提出。威滕的報告牽起了一股研究弦理論的熱潮，被稱為。弦理論學者在威滕的報告之前已經識別出五種不同的超弦理論。儘管這些理論看上去似乎非常不一樣，但多位物理學家的研究指出這些理論有著微妙且有意義的關係。特別而言，物理學家發現這些看起來相異的理論其實可以透過兩種分別稱為S對偶和T對偶的數學變換所統合。威滕的猜想有一部份是基於這些對偶的存在，另有一部份則是基於弦理論與11維超重力場論的關係。儘管尚未發現M理論的完整表述，這種理論應該能夠描述叫膜的二維及五維物體，而且也應該能描述低能量下的11維超引力。現今表述M理論的嘗試一般都是基於矩陣理論或AdS/CFT對偶。威滕表示根據個人喜好M應該代表Magic，但應該要等到理論更基礎的表述出現後才能決定這個命名的真正意義。有關M理論數學架構的研究已經在物理和數學領域產生了多個重要的理論成果。弦理論學界推測，M理論有可能為研發統合所有自然基本力的統一理論提供理論框架。當嘗試把M理論與實驗聯絡起來時，弦理論學者一般會專注於使用額外維度緊緻化來建構人們所處的四維世界候選模型，但是到目前為止，物理學界還未能證實這些模型是否能產生出人們所能觀測到的物理現象。背景.量子引力與弦.現代物理學中一個最深層問題就是量子引力。現在對引力的理解是來自阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，是經典物理學框架內的表述。然而，非引力的力則是由量子物理學的框架所描述，這是一套完全不同的表述，用於描述基於機率的物理現象。為了使廣義相對論與量子力學原則一致，因此需要一套引力的量子理論，但當使用量子理論的平常方式去描述引力時就出現了難題。弦理論是一種嘗試使引力與量子力學一致的理論框架。粒子物理學的類點粒子在弦理論中被一種叫弦的一維物體所取代。弦理論描述弦是如何在空間中傳播及與其他弦之間的相互作用。在某一個形式的弦理論中只會有一種弦，看起來可能像普通線的線圈或線段，而且能夠以不同的方式振動。一根弦在比弦尺度大得多的距離下看起來就像是普通粒子，而其質量、電荷及其他性質則視乎弦的振動態而定。就這樣所有不同的基本粒子都可以被視為振動的弦。弦的其中一個振動態產生引力子，它是一種承載引力的量子力學粒子。弦理論共有多個形式：I型、IIA型及IIB型，還有雜交弦理論的兩味，但IIA和IIB型則只包括閉弦。這五種理論中的每一種都是由M理論不同的特殊極限個案所產生的。這種理論與它的前身弦理論一樣，是引力的量子理論的一個例子。它用量子力學的規則描述了一種像人們所熟悉的引力那樣的力。維度數.人們在日常生活中有熟悉的空間三維：長、闊、高。愛因斯坦的廣義相對論把時間視作於空間三維同等的維度；時間和空間在廣義相對論並不是分開的實體，而是統合成了四維時空。引力現象在這個框架下被視為時空幾何的後果。儘管四維時空能很好地描述宇宙，但是物理學家還是有多個理由去研究其他維度。一些個案中的不同維度數時空模型在數學上比較容易處理，而且能夠更好地計算和更易瞭解整個模型。在凝聚態物理學中也有二維或三維時空能有用地描述現象的情況。最後還有實際上可以超過四維的情況，不過此時額外維度則需要避過觀測。弦理論和M理論的一個顯著特徵就是需要額外的時空維度，以清除在數學上的矛盾。弦理論中的時空是10維的，而M理論的時空則為11維。為了使用這些理論來描述真實的物理現象，就必需想像這些額外維度不會被實驗觀測到的情況。緊緻化是物理理論中一種修改維度數的方法。緊緻化假設一些額外維度被“捲曲”成圓環狀。在這些被捲起的時空趨向於非常小的極限時，就能得有效時空維度數較低的理論。緊緻化可以透過考慮多維物件來解釋，如橡膠水管。如果從足夠距離外看橡膠水管的話，它看起來就只有一維，就是長度。然而，向水管靠近的話，就會發現它的第二維圓周。因此在橡膠水管表面爬行的螞蟻能以二維方式移動。對偶.從M理論不同極限所得出的理論之間實際上有著非常有意義的關係。這些不同的物理理論間其中一個能夠存在的關係叫S對偶。一套理論中的一強相互作用粒子集，在某些個案下可被視為另一套完全不同理論中的一弱相互作用粒子集，這樣的一種關係就是S對偶。籠統地來說，強相互作用粒子有著頻密的結合和衰變，而弱相互作用粒子則並不經常。結果是I型弦理論在S對偶下與SO(32)雜交弦理論等效。而IIB型弦理論也類似地以S對偶與自身有意義地聯絡著。而不同弦理論間的另一種關係就是T對偶。這裡要考慮的是在圓環狀額外維度中傳播的弦。T對偶中在半徑為p。例如，IIA型弦理論在T對偶下與IIB型等效，而雜交弦理論的兩個形式也是由T對偶所聯絡。“對偶”這個詞一般來說指的是兩個看起來不一樣的的物理系統原來是有意義的等效系統。若兩種理論由對偶所聯絡的話，則是指一種理論可以透過某些方式變換成與另一種理論看起來一樣的理論。這樣就可以說兩種理論在變換下互為對偶。換句話來說，兩種理論是同一現象的數學上不同的描述而已。超對稱.另一種對M理論起到作用的重要物理概念就是超對稱。這是一種存在於某些理論中的數學關係，是聯絡一種叫玻色子的粒子和另一種叫費米子的粒子的。籠統地來說，費米子是構成物質的，而玻色子則是傳遞相互作用的。在擁有超對稱性的理論中，每一種玻色子都有對應的費米子，反之亦然。將超對稱性作為區域性對稱時，所得的量子力學理論會自動包括引力。這樣的理論叫超引力理論。加入了超對稱概念的弦理論叫超弦理論。超弦理論有數種不同的形式，全部都歸入了M理論的框架。超弦理論在低能量時可用10維時空的超引力估算。類似地，M理論在低能量時則可用11維時空的超引力估算。膜.在弦理論及如超引力理論的相關理論中，膜是一種將點的概念推廣到更高維度的物體。比方說，點粒子可被視為零維上的膜，而弦則可被視為一維上的膜。同時，亦可考慮更高維的膜。它們在p+1維體積叫“世界體積”。物理學家很多時候會研究與電磁場相似的場，而電磁場就是膜的世界體積內活動。“膜”一詞。在弦理論中產生基本粒子的基礎物體為一維弦。儘管現時對M理論所描述的物理現象仍不是很瞭解，但是物理學家知道M理論所描述的是二維膜與五維膜。現時對M理論的絕大部份研究都是在嘗試能更好地理解這些膜的性質。歷史與發展.卡魯扎-克萊因理論.包括阿爾伯特·愛因斯坦和赫爾曼·閔可夫斯基在內的物理學家和數學家在二十世紀初期開拓出使用四維幾何來描述物理世界的手段。這些研究的頂點就是愛因斯坦的廣義相對論表述，把引力與四維時空的幾何聯絡起來。廣義相對論的成功使得研究人員著手研究用更高的維度幾何來解釋其他力。西奧多·卡魯扎於1919年的研究指出，在五維時空中電磁力與引力會統合成一種力。這項研究後來被奧斯卡·克萊因改進，並指出卡魯扎提出的額外維度能夠以半徑為10−30公分的環狀形式存在。不論是卡魯扎-克萊因理論還是愛因斯坦後來的嘗試，統一場論的開發從沒有完全成功過。失敗原因的其中一部份是因為克魯扎-克萊因理論預測了一種從未見過的粒子，而另一部份則是它不能正確預測電子的質量電荷比。而且開發這些理論的時候，其他物理學家才開始發現量子力學，也就是最終能成功描述像電磁力的已知力的理論，還有到二十世紀中期才被發現的新核力。因此幾乎過了五十年，物理學界才重新認真對待額外維度。超引力的早期研究.新的概念和數學工具為廣義相對論帶來新鮮的見解，亦為1960至70年代帶來了現在被稱為的光景。物理學家在1970年代中開始研究將廣義相對論與超對稱的高維度理論，也就是所謂的超引力理論。廣義相對論並沒有為時空可行的維度數設定極限。雖然它一般是用四維空間表述，但是要以同樣的方程式寫下任何維度數的引力場也是可能的。由於超引力理論為維度數設定了上限，因此限制較多。維爾納·納姆於1978年的研究證明瞭具一致性的超對稱理論的時空維度上限為11維。巴黎高等師範學校的、和於同年證明瞭超引力不但允許最高11維，而且實際上維數最多時理論才是最優雅的。不少物理學家最初希望透過緊緻化11維超引力，來使得建構四維世界的擬真模型變得可行。他們希望這種模型能為自然的四種基本力提供統一的描述，這四種基本力是電磁力、強和弱核力，以及引力。物理學界對11維超引力的興趣很快就因為發現了各種問題而衰減。其中一個問題就是物理定律看起來像是會分辨順時針及逆時針方向，這個現象又叫手徵性。愛德華·威滕與其他研究者發現緊緻化11維並不能輕易地導出手徵性。由於弦理論能夠統合粒子物理學與量子引力，因此不少物理學家在1984年的期間都轉而研究弦理論。弦理論與超引力理論不同的是，它能夠容納標準模型的手徵性，同時又能得出與量子效應一致的引力理論。另一個讓物理學家們在1980至90年代對弦理論趨之若鶩的原因就是弦理論具有的高度唯一性。普通的粒子理論要考慮任何的粒子集時，就只需使用能描述該粒子集經典行徑的任意拉格朗日量。而弦理論的可能性就窄得多了：截至1990年代為止，弦理論只有五種自洽的形式。弦理論間的關係.儘管自洽的弦理論種類並不多，但是存在不止一種自洽表述這點仍構成一個謎題。然而，當物理學家開始更仔細地檢驗這些理論時，他們發現這些理論的聯絡方式是既微妙又有意義的。克勞斯·蒙託寧說明瞭耦合常數為N4超對稱楊米爾斯理論與耦合常數為1/g的同樣理論等效。也就是說，一個強相互作用的粒子系統中有等效描述，反之亦然。幾位物理學家在1990年代將蒙託寧-奧利夫對偶推廣成聯絡不同弦理論的S對偶。曾以四維雜交弦為背景來研究S對偶。與成功證明瞭大耦合常數的IIB型弦理論與小耦合常數的同樣理論在S對偶下是等效的。理論物理學家們還發現了不同的弦理論是可以用T對偶來聯絡的。這種對偶意味著在不同時空幾何下傳播的弦可能在物理學上是等效的。膜與五膜.弦理論延伸了普通的粒子物理學，它將零維的點粒子提升成一維的物體——弦。因此理論物理學家在1980年代末期就很自然地研究起用二維的或更高維度的膜來取代粒子。這些物體早在1962年就已被保羅·狄拉克研究過，到了1980年代再有一群為數不多的熱心物理學家重新研究它們。超對稱嚴重地限制了膜維度的可能數。埃裡克·伯格雪夫在這項發現後不久就研究了十一維其中一維捲成環狀的緊致化情況。在這個設定中可以設想薄膜包住環狀維度。若環狀的半徑足夠小的話，則此膜看起來就跟十維時空的弦一樣。達夫與他的研究夥伴實際上亦證明瞭這種構造所得出的正是IIA型超弦理論的弦。安德魯·施特羅明格於1990年發表了相近的結果，指出使用5維的弱相互作用膜來描述10維的強相互作用弦可能可行。物理學家在剛開始時並不能證明這項關係，原因有二。一方面蒙託寧-奧利夫對偶當時仍待證明，另一方面5維膜的量子特性當時在技術上仍然存在不少疑問。上述兩項難題的第一項由於1993年解決，他確立了某些物理理論需要同時帶電荷和磁荷的物體方能成立，正如蒙託寧和奧利夫在研究中預測的那樣。儘管研究取得了這樣的進展，弦與5維膜的間的關係依然是一項假說，這是因為物理學家仍未成功將膜量子化。邁克爾·達夫、拉姆茲·胡裡和他們的研究團隊從1991年開始研究弦理論的一種特殊緊殊化，它將10維中的4維捲起來。如果只考慮包圍這些額外維度的5維膜的話，則那膜就正如1維弦一樣。於是這樣的話就能將之前弦與膜間的假說關係簡化成弦與弦之間的關係，而後者可被用於測試已經確立的理論技巧。第二次超弦革命.普林斯頓高等研究院的愛德華·威滕在南加州大學1995年的弦理論研討會中講話時，提出了一套出人意表的理論，就是全部五種超弦理論實際上都是一種11維時空理論的不同極限個案。威滕的報告將之前關於S對偶、T對偶和絃理論含有二維和五維膜的全部研究成果都綁在一起了。網際網路在威滕報告後的數月內出現了數以百計的新論文，確認了膜在新理論中是有著重要角色的。今日這股研究熱潮被稱為。在威滕報告後其中一項重要的發展就是1996年威滕與弦理論家合作的研究。威滕與霍扎瓦使用了兩個10維邊界的分量來研究特殊時空幾何上的M理論。他們的研究為M理論的數學架構提供了線索，同時亦建議瞭如何把M理論與真實世界的物理聯絡起來。命名的由來.一些物理學家最初指出新理論是膜的基本理論，但是威滕對理論中膜的角色存疑。霍扎瓦與威滕在1996年的一篇論文中寫道：由於那種11維理論是超膜理論，但是仍然有理由去懷疑那個詮釋，我們會不負責地叫它作M理論，把M與membranes的關係留給未來解決。在沒有理解M理論的真正意義和架構的情況下，威滕提議根據個人口味M應該代表Magic，而這個命名的真正意義要等到理論更基礎的表述出現後才能下決定。矩陣理論.BFSS矩陣理論.矩陣在數學上是數字或其他資料的矩形陣列。在物理學上就是將矩陣標記用在數學表述中重要地方的某種物理理論。矩陣模型描述了在量子力學框架下一組矩陣的性質。矩陣理論的一個重要例子就是由湯姆·班克斯、、和李奧納特·蘇士侃於1997年所提出的BFSS矩陣理論。這套理論描述了一組9個大型矩陣的性質。他們在論文中除了展示其他證明，還成功證明瞭11維超重力描述了這套矩陣理論的低能量極限。這些計算引導了他們提出BFSS矩陣理論與M理論完全等價。因此可以使用BFSS矩陣理論作為正確M理論表述的原型，以及在相對簡單的設定下研究M理論特性的工具。非交換幾何學.在幾何學中引入座標一般都是有用的。例如，為了研究歐幾裡得平面上的幾何，可以把平面上的所有點與一對軸之間的距離定義為坐標xyyx。乘法的這種性質叫交換律，而幾何學與坐標的交換代數這個關係是大部份現代幾何學的起點。非交換幾何學是一門嘗試歸納這個情況的數學分科。這門學科改為考慮乘法不遵從交換律的數字相近物件，例如矩陣，而不使用普通數字。這門學科的研究者想像這些非交換物件是一些更通用化“空間”概念中的坐標，然後利用與普通幾何學間的對比來證明這些通用空間中的定理。阿蘭·科納、和在1998年發表的論文中指出矩陣理論的某些方面是由所描述，那套特殊理論中的空間坐標是不符合交換性質的。它一方面確立了矩陣理論和M理論之間的聯絡，另一方面也確立了矩陣理論和非交換幾何學的聯絡。這很快就導致了非交換幾何學和其他各種物理理論間的重要聯絡相繼被發現。AdS/CFT對偶.概述.一些物體具有時間空間範圍，如電磁場等，而應用在這些物體上的量子力學就是量子場論。量子場論是粒子物理學研究基本粒子的基礎理論，而其中這些粒子是由基本場的激發所描述。而凝聚態物理學也會使用量子場論來模擬類似於粒子的準粒子。物理學家們可以透過反德西特/共形場論對偶來表述M理論及研究其性質。AdS/CFT對偶由胡安·馬爾達西那於1997年末提出，這項理論結果意味著在某些個案中M理論是等同於一種量子場論。AdS/CFT對偶除了為數學家和物理學家就弦和M理論的數學結構提供了啟發之外，它還為解決在傳統計算技巧無效區間中的量子場論提供了多方面的線索。在AdS/CFT對偶中，時空的幾何是由愛因斯坦場方程中某些叫反德西特空間的所描述。非常基本地來說，反德西特空間是一個數學模型，其中點與點間的距離概念，與日常歐幾裡德幾何中的距離概念不一樣。反德西特空間與有著密切的關係，而雙曲空間可用左圖的圓盤表示。左圖為由三角形和正方形所組成的密鋪。用某種方式可以為點間的距離下定義，使得所有三角形和正方形都是一樣大小的，並且圓周的外邊界與其內部任一點的距離為無限。現在想像一疊雙曲圓盤，其中每一片圓盤代表某時間的宇宙態。而由此形成的幾何物體就是反德西特空間。它看起來像實心的圓柱體，其中每一片截面都是雙曲圓盤。右圖中時間以垂直方向行進。這圓柱體的表面在--對偶中有著重要的角色。反德西特空間跟雙曲圓盤一樣，它的彎曲方式使得內部任何一點與邊介面的距離為無限遠。這樣的結構雖然描述了只有二維空間加一維時間的假想宇宙，但還是可推廣至適用於任何維數。雙曲空間實際上是可以超過二維的，把這些雙曲空間“疊起來”就能形成反德特空間的高維度模型。反德西特空間的重要特點在於其邊界。這種邊界有一個特性，就是在任何點的區域性範圍都和閔考斯基時空很像，而閔考斯基時空就是非重力物理所用的時空模型。因此可以構建一套“時空”由反德西特空間邊界提供的輔助理論。而這項觀察正是--對偶的起點，因為--對偶把反德西特空間的邊界視為共形場論的“時空”。對偶主張共形場論相等於反德西特空間主體的重力理論，也就是說兩者可以像有“字典”的那樣將計算互相翻譯。一套理論中的每一件實體在另一套理論中都有對應的實體。比方說，重力理論中的單一粒子可能對應邊界理論中的某粒子集。此外，兩套理論的量化預測也是一致的，例如說重力理論中兩個粒子碰撞的機率是40%，那麼共形場論的對應粒子集碰撞機率也會是40%。六維(2,0)超共形場論.AdS/CFT對偶其中一項特別的實踐指出，積空間上"S"4表示）。由於時空在現實世界中是4維的，最少在宏觀上是這樣的，因此對偶的這個形式並不能作為重力的現實模型。同樣道理，由於對偶另一邊的理論所描述的是6維世界，因此不能作為任何現實世界系統的可行模型。然而，物理學家們已經證實(2,0)理論對研究量子場論的一般性質有重要作用。這套理論確實包括了不少數學上有趣的有效場論，而且引出了聯絡這些場論的新對偶。例如，路易斯·阿爾達伊證明瞭把曲面上理論緊緻化後，得出的是一種4維量子場論，而且還找到一種聯絡這套理論的物理和某些與曲面本身有關的物理概念的對偶，叫。理論學者們最近把這些概念開拓至研究以緊緻化降至3維的理論。(2,0)理論除了在量子場論的應用之外，它還在純粹數學中衍生出重要結果。例如，威滕使用(2,0)理論的存在性來為數學中一種叫幾何朗蘭茲綱領的假想關係作出“物理”解釋。威滕在後續的研究中證明瞭(2,0)理論可用於理解一種叫的數學概念。霍瓦諾夫同調由於2000年前後開發，是紐結理論的工具，紐結理論是研究各種不同紐結形狀並將之分類的數學分科。數學上(2,0)理論的另一種應用則是大衛·格約託、和安德魯·奈茨克的研究，使用物理概念來推匯出內的新成果。ABJM超共形場論.AdS/CFT對稱的另一項實踐，就是指出"AdS"4×"S"7等同於3維上一種叫ABJM理論的量子場論。在這個形式的對偶中，M理論中其中7維捲了起來，餘下非緊緻化的4維。由於人們所處的宇宙的時空為4維，所以這個形式的對偶給出了某程度上較真實的重力描述。在這個形式的對偶中出現的ABJM理論還有其他各種有趣的理由。由奧弗爾·阿哈羅尼和胡安·馬爾達西那開拓的ABJM理論，與另一種量子場論陳-西蒙斯理論有著密切的關係。後者因其與紐結理論而被威滕於1980年末推廣開來。除此之外，ABJM理論還被用於解決凝聚態物理學難題用的半現實模型。唯象學.概述.M理論除了是一門吸引了巨大研究興趣的理論學科，還為真實世界物理模型的構築提供了結合廣義相對論和粒子物理學標準模型的框架。唯象學是物理學家利用較理論化的概念來構建真實自然模型的理論物理學分科。而弦唯象學則是弦理論中嘗試構建出基於弦和M理論的現實粒子物理模型的部份。這些模型一般都是基於緊緻化。物理學家們以弦或M理論的10或11維空間為出發點，假定出額外維度的形狀。他們能透過所選取的大概形狀，構建出與粒子物理學標準模型粗略相近的模型，模型裡面還包括著未被發現的粒子，這些粒子一般都是與已知類似的粒子的超對稱伴子。其中一種從弦理論中推匯出現實物理的常用方法就是以10維雜交理論為起點，並假設其6維額外維度的形狀類似於6維的卡拉比-丘流形。它是一種特殊的幾何形體，以數學家和丘成桐命名。卡拉比-丘流形為從弦理論中提取現實物理提供了不少途徑。其他相近的方法可用於以M理論來構建出能某程度重現4維世界物理的模型。一方面是因為理論和數學上的難點，而另一方面則是因為測試這些理論所需的實驗溫度極高，所以現時並沒有實驗證據能一致地指出這些模型中的任一種是自然基礎的正確描述。因此引起了社群中的一部份人批評這種統一手法，以及質疑繼續研究這種難題的價值。理論學者研究弦唯象學的另一手法，就是假設M理論7維額外維度的形狀與相似。這是一種由牛津大學數學家所構建的特殊7維形體。由於現時在數學上對G2流形的理解仍然很有限，因此物理學家要充份地開發這種弦唯象學的手法很有難度。比方說，數學家和物理學家常常對空間假設一項叫“光滑”的數學特性，但如果想從G2流形在存在性、唯一性和性質上都有不少的未決問題，而且數學家還沒有一套對這種流形的系統性搜尋方式。雜交M理論.由於G2流形有著不少的難點，因此嘗試以M理論來構建現實物理理論時，主要都是用11維時空緊緻化這種較直接的方式。威滕、霍扎瓦、及其他研究者開發了一種叫雜M交理論的方法。這個方法把M理論11維中的其中1維想像成環狀。若環狀很小的話，則時空實際上變成了10維。然後就可以假設10維中的6維形成了卡拉比-丘流形。若這個卡拉比-丘流形也被視為微小的話，則所得的理論為4維。雜交M理論已被用於構建膜宇宙學的模型，其中可觀測宇宙被視為存在於高維度環繞空間的一張膜上。它還衍生出不需要依賴宇宙暴漲理論的另類早期宇宙理論。註釋.參閲.