基本内容
M理論(M-theory)是為“物理的終極理論”而提出的理論。物理學家希望能用一個理論來解釋所有的物質與能源的本質和交互關系。它試圖把4種作用力--電磁力、引力、強核力和弱核力統一起來。它還試圖結合當前所有5種超弦理論和11維的超引力理論。為了充分了解它,愛德華·威滕認為需要發明新的數學工具。M理論的“M”包含有許多意思,例如魔術(magic)、神秘(mystery)、膜(membrane)或矩陣(matrix)等等。為了充分了解它,愛德華·威滕博士認為需要發明新的數學工具。
1984—1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現“反常自由”的統一理論;1994-1995年,弦理論又發生既外向又内在的第二次革命,弦理論演變成M理論。第二次弦革命的主将威滕(EdwardWitten)被美國《生活》周刊評為二次大戰後第六位最有影響的人物。
另一則定義:
M理論系由劉易斯、亞倫(Louis Allen)所提出。針對社會、經濟等觀點,對管理者及被管理者之真實态度調查所得,而提出一綜合性管理定義之理論。弦現在被認為是物質的最基本的構成體
最早被認為是分子,後來被發現分子是由原子組成的,再後來發現原子内有電子和原子核,再後來發現原子核内由質子和中子,後來發現質子是由3個誇克組成的,那誇克是基本單位麼?不是,後來科學家又發現了很多像誇克的基本粒子,大概有64種之多
1984年左右,一位科學發現了超弦理論,認為弦是構成物質的最基本單位,不過弦太小了,大概如果說原子有太陽系那麼大的話,那弦隻有地球上的一棵樹那麼大,所以要想觀察到弦目前是不可能的,所以現在隻是理論,無法證明
不過我那天看新聞,歐洲的核子研究中心在今年9月就要建立了,到時候利用量子加速器可能會證明一些有關弦的東西
關于M理論是建立在弦理論的基礎上的一種理論,它的最終目标是要用一條規律來描述已知的所有力(電磁力、弱力、強力、引力)。
M理論還未完善
m理論好比一張拼圖,外圍的圖快非常好拼,而裡邊的一些圖片就比較難拼了,因為缺口太多了。
m理論就是這樣,現在還非常不完善,而且概括一切科學内容以也太難了。
3.霍金所指的M-理論
英國著名物理學家斯蒂芬·霍金在自己的新書《大設計》中表示,宇宙并非上帝所造,現代科學可以解釋宇宙的起源,宇宙是在物理定律“M-理論”的作用下,引發大爆炸而形成。霍金所指的“M-理論”(一種弦理論)是物理學家試圖通過一連串物理定律解釋宇宙萬物的“物理終極理論”,這一理論尚在艱難的完善過程中。霍金表示,“M-理論”就是愛因斯坦一直夢寐以求的統一場論。
霍金在《大設計》中指出:“由于萬有引力等定律的存在,宇宙能夠而且也必定是無中生有,自我創造,無須祈求上帝之手讓宇宙運轉,自我創造是宇宙、人類存在的原因。”
霍金的此番言論推翻了他早年發表的上帝創造宇宙的思想。1988年,霍金在《時間簡史》中認為,創造萬物的上帝與科學理解宇宙可以并存。他說:“我們若能發現一套完美的理論,這将是人類理性的終極勝利,因為,屆時我們應會理解上帝的心意。”
新言論也對牛頓的理念提出了質疑,牛頓認為,宇宙由上帝所創造,因為宇宙無法自然地從混沌中産生。
在新書中,霍金以1992年發現的一顆行星為例,作為推翻牛頓理念的依據。該行星圍繞另一顆恒星而不是太陽運行。霍金在書中寫到:“這與我們所處的星球環境非常類似:一個太陽、地球與太陽之間的距離以及太陽的質量都恰到好處,這表明,我們所處的星球環境并非如此特别,因此,地球是被上帝精心設計來讨好人類的這一觀點也站不住腳。”
他還據此認為,其他行星上也可能存在生命,也可能有另外的宇宙存在,這就是他所謂的“多重宇宙”觀念。
有些基督教科學家對霍金的觀點做出了回應,他們聲稱,霍金對上帝的理解存在誤區,上帝可以解釋目前宇宙中很多無法解釋的問題。科學和宗教國際社會組織的主席喬治·埃利斯表示,霍金的最新言論把公衆帶入了一個兩難處境:隻能在宗教和科學之中選擇其一。
《大設計》将于9月9日面世,同《時間簡史》一樣,該書也由霍金與美國物理學家羅納德·姆羅迪諾聯袂撰寫。
去年,霍金辭去了英國劍橋大學盧卡斯數學教授的職務,這是科學界最為崇高的教職之一,牛頓是第二任,在位33年,而霍金在位也達30年之久。
理論概述
M理論,是為“物理的終極理論”而提議的理論,希望能借由單一個理論來解釋所有物質與能源的本質與交互關系。物理學家希望能用一個理論來解釋所有的物質與能源的本質和交互關系。它試圖把4種作用力--電磁力、引力、強核力和弱核力統一起來。它還試圖結合當前所有5種超弦理論和11維的超引力理論。
1984—1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現“反常自由”的統一理論;19941995年,弦理論又發生既外向又内在的第二次革命,弦理論演變成M理論。第二次弦革命的主将威滕(EdwardWitten)被美國《生活》周刊評為二次大戰後第六位最有影響的人物。
M理論的“M”包含有許多意思,例如魔術(magic)、神秘(mystery)、膜(membrane)、矩陣(matrix)或母親(mother)等等。亦有人認為這個M字代表着威滕本人(Witten的"W"反轉便是"M")
在圍棋遊戲中,隻有圍與不圍這樣很少的幾條規則,加上黑白兩色棋子,卻可以弈出千變萬化的對局。與此相似,現代科學認為,自然界由很少的幾條規則支配,而存在着無限多種這些支配規律容許的狀态和結構。任何尚未發現的力,必将是極微弱的,或其效應将受到強烈的限制。這些效應,要麼被限制在極短的距離内,要麼隻對極其特殊的客體起作用。
科學家非常自信地認為,他們發現了所有的力,并沒有什麼遺漏。但是,在描述這些力的規律時,他們卻缺乏同樣的自信。20世紀科學的兩大支柱——量子力學和廣義相對論——居然是不相容的。廣義相對論在微觀尺度上違背了量子力學的規則;而黑洞則在另一極端尺度上向量子力學自身的基礎挑戰。面對這一困境,與其說物理學不再輝煌,還不如說這預示着一場新的革命。
薩拉姆(A.Salam)和溫伯格(S.Weinberg)的弱電統一理論,把分别描述電磁力和弱力的兩條規律,簡化為一條規律。而M理論的最終目标,是要用一條規律來描述已知的所有力(電磁力、弱力、強力、引力)。當前,有利于M理論的證據與日俱增,已取得令人振奮的進展。M理論成功的标志,在于讓量子力學與廣義相對論在新的理論框架中相容起來。
同弦論一樣,M理論的關鍵概念是超對稱性。所謂超對稱性,是指玻色子和費米子之間的對稱性。玻色子是以印度加爾各答大學物理學家玻色(S.N.Bose)的名字命名的;費米子是以建議實施曼哈頓工程的物理學家費米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整數自旋,而費米子具有半整數自旋。相對論性量子理論預言,粒子自旋與其統計性質之間存在某種聯系,這一預言已在自然界中得到令人驚歎的證實。
在超對稱物理中,所有粒子都有自己的超對稱夥伴。它們有與原來粒子完全相同的量子數(色、電荷、重子數、輕子數等)。玻色子的超夥伴必定是費米子;費米子的超夥伴必定是玻色子。盡管尚未找到超對稱夥伴存在的确切證據,但理論家仍堅信它的存在。他們認為,由于超對稱是自發破缺的,超夥伴粒子的質量必定比原來粒子的大很多,所以才無法在現有的加速器中探測到它的存在。
局部超對稱性,還提供将引力也納入物理統一理論的新途徑。愛因斯坦廣義相對論,是根據廣義時空坐标變換下的某些要求導出來的。在超對稱時空坐标變換下,局部超對稱性則預言存在“超引力”。在超引力理論中,引力相互作用由一種自旋為2的玻色子(引力子)來傳遞;而引力子的超夥伴,是自旋為3/2的費米子(引力微子),它傳遞一種短程的相互作用。
曆史玩笑
證明理論
廣義相對論沒有對時空維數規定上限,在任何維黎曼流形上都能建立引力理論。超引力理論卻對時空維數規定了一個上限——11維。更吸引人的是,已經證明,11維不僅是超引力容許的最大維數,也是納入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小維數。
描述強力的标準模型,即量子色動力學,是基于定域對稱群SU(3)的規範理論,它的量子叫做膠子,作用于一個叫“色”的内禀量子數上。描述弱力和電磁力的溫伯格-薩拉姆模型,是基于SU(2)×U(1)的規範理論。這個規範群作用在“味道”上,而不是在“顔色”上,它不是精确的,而是自發破缺的。由于這些理由,許多物理學家開始探讨11維的超引力理論,期望這就是他們尋求的統一理論。
然而,在手征性面前,引力理論的一根支柱突然倒塌了。手征性2是自然界的一個重要特征,許多自然對象都有類似于人的左手與右手那樣的對稱性。像中微子的自旋,就始終是左手的。
20世紀20年代,波蘭人卡盧紮(T.Kaluza)和瑞典人克萊因(O.Klein),發現從高維空間約化到可觀測的4維時空的機制。若11維超引力中的7維空間是緊緻的,且其尺度為10-33厘米(緣此其不被覺察),就會導出粒子物理标準模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)對稱群。但是,在時空從11維緊緻化到4維時,卻無法導出手征性來。到了1984年,超引力喪失領頭理論地位,超弦理論取而代之。當時,“讓11維見鬼去吧!”——“誇克之父”蓋爾曼(M.Gell-Mann)的這句名言,表達了不少物理學家對11維的失望情緒。
曆史的變化
從1984年起,人們認定10維時空是最佳選擇,10維時空的弦論替代了11維時空的超引力理論。曾流行過五種弦論,其不同在于未破缺的超對稱性荷的數目,以及所帶有的規範群。在10維時空中,最小的旋量具有16個實分量,有三種弦論的守恒超荷恰巧對應于這種情況,它們是類型Ⅰ、雜優弦HE和HO。
其餘兩種弦論含有2個旋量超荷,稱為類型Ⅱ弦。其中,類型ⅡA的旋量具有相對的手征性,類型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二種雜優弦,分别帶有E8×E8規範群和SO(32)規範群。類型Ⅰ弦也具有SO(32)規範群,它是開弦,而其餘的4種弦是閉弦。重要的是,它們都是反常自由的,即弦論提供了一種與量子力學相容的引力理論。在這些理論中,HE弦至少在原則上能解釋所有已知粒子和力的性質,當然也包括手征性在内。
然而,弦論絕非美輪美奂,至少可從四方面對它诘難。首先,人們本将弦論當作物理統一理論來追尋,它的五種不同理論卻又給出了五種不同的宇宙,若人類生活在其中的一種宇宙之中,那麼其餘四種理論描述的宇宙,又是何等樣的生物居住其中呢?其次,若将粒子看作弦,那為什麼不将它們看作膜,抑或看作p維客體——胚(brane)呢?再者,關于弦論的實驗驗證,傳統的粒子加速器方法,顯然受到技術和經費兩方面限制,然而新的方法又在何處?最後,超對稱性容許時空的最大維數是11維,為什麼弦論隻到10維就戛然而止了呢?餘下的那一維是逃逸了,還是隐藏起來了呢?
曆史真會開玩笑,在人們讓11維“見鬼”十年之後,1994年開始了弦論的第二次革命。此後,五種不同的弦論在本質上被證明是等價的,它們可以從11維時空的M理論導出。經曆了十年艱苦卓絕的辛勞,人們居然又回到了原來的時空維數,否定之否定實在是條奧妙的哲理。