초현이론
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초현이론(치우게리로응, 영: superstring theory)은, 물리학의 이론, 가설의 하나.물질의 기본적 단위를, 크기가 무한하게 작은 0 차원의 점입자가 아니고, 1 차원의 확꾸중을 가지는 현이다고 생각하는 현이론에, 초대칭성이라고 할 생각을 더해 확장한 것.초끈이론, 슈퍼 스트링 이론이라고도 불린다.
우주의 모습이나 그 탄생의 메커니즘을 밝혀내, 동시에 원자, 소립자, 쿼크라고 한 미소한 것의 한층 더 그 전세계를 설명하는 이론의 후보로서 세계의 첨단 물리학으로 활발하게 연구되고 있는 이론이다.이 이론은 현재, 이론적인 모순을 제거하는 것에는 성공하고 있지만, 더욱 불완전한 점을 지적하는 전문가도 있어 또 실험에 의해 검증하는 것이 곤란해도 보이고 있기 때문에, 물리학의 정설이 되기까지는 도달하지 않았다.
목차
개론
초현이론이 등장하기 이전에 가장 작은 스케일을 기술한 이론은 장의 양자론이다.그곳에서는 입자를 점, 즉 점입자로서 취급해 왔다(국소 장의 이론에 대신하는, 확대를 가진 입자의 개념을 도입한 S행렬 이론이나 비국소장 이론 등도 있었다).한편, 초현이론으로는 입자를 현의 진동으로서 나타낸다.1960년대, 이탈리아의 물리학자, 가브리에이레・베네트아노가 핵자의 내부에서 일하는 강한 힘의 성질을 베타 함수로 나타내, 그 식이 나타내 보이는 구조가 「현(string)」에 의해서 기술되는 것에 난부 요이치로, 레오나르도・사스킨드, 홀거・베크・닐슨등이 깨달은 것으로부터 시작된다.
현에는 「닫은 현」과「열린 현」의 2 종류를 생각할 수 있어 열린 현은 스핀 1의 게이지 입자(광자, 위크보손, 아교 온 등에 상당)를 포함해, 닫은 현은 스핀 2의 중력자를 포함한다.열린 현의 상호작용을 생각하면 아무래도 닫은 현, 즉 중력자를 포함하지 않을 수 없다.그 때문에, 강한 힘만을 기술하는 이론이라고 파악하는 것은 어려운 것을 알았다.
반대로 말하면, 현을 기본 요소라고 생각하는 것으로, 자연스럽게 중력을 양자화한 것을 얻을 수 있다고 생각할 수 있다.그 때문에, 초현이론은 만물의 이론이 될 수 있을 가능성이 있다.초현이론은 소립자의 표준 모형의 여러가지 입자를 도출할 수 있는 큰 자유도를 가져, 그것을 바탕으로 현재까지 여러가지 모델이 제안되고 있다.
이와 같이 지극히 작은 현을 우주의 최소 기본 요소라고 생각해 자연계의 모든 힘을 수학적으로 표현하자고 하는 것이, 이른바 현이론(초현이론, M이론을 포함한다)이 목표로 하는 (곳)중에 있다.
이 이론의 상정하는 「끈」의 크기가 실증 불가능하게 생각될 만큼 작은(프란크 긴 노정도로 하면 10-35 m) 일등에서, 물리학의 정설로서의 지위를 얻는에는 이르지 않았다.또 향후 실증될지도 미지수의 이론이다.
기본적인 설명
일반 상대성 이론과 양자 역학의 타협을 붙인 이론(료코 중력 이론)을 구축하는 것은, 물리학자를 괴롭힐 수 있고 있던 대문제였다.초현이론은, 그 문제를 해결할 가능성을 가진 이론이다.
초현이론에는 5개의 버전이 있어, 각각 타입 I, IIA, IIB, 이질 SO(32), 이질 E8×E8로 불린다.이 5개의 초현이론은 이론의 정합성이기 때문에 10 차원 시공이 필요하다.공간의 3 차원에 시간을 더한 4 차원이, 우리의 인식하는 차원수이다.우리가 인식할 수 없는 나머지의 6 차원은, 료코 레벨로 콤팩트화 되어 작은 에너지로는 관측할 수 없다고 여겨지는[1].또, 11 차원초중력 이론을 그 저에너지 극한으로 포함한 M이론은 더욱 1 차원을 더해 합계 11 차원을 필요로 하는[2].이것들 6개의 이론은 여러가지 상대성에 의해서 서로 연결되고 있는[3].초현이론의 5개의 버전을 통합하는 것으로서 M이론이 주목받고 있다.
현의 진동은, 콤팩트화 되고 있는 6 차원에 의해 제약을 받아 그 진동의 형태에 의해, 특정의 료코를 형태 만들고 있다.초현이론으로는 기본적 물체는 1 차원의 현이었지만, M이론으로는 더해진 이제 1 차원에 의해서 기본적 물체는 2 차원의 막이라고 제창되고 있다.
또 초현이론으로 표기되는 10 차원안에는 D브레인으로 불리는 여러가지 차원의 확꾸중을 가진 소리톤이 존재한다.D브레인은, 원래 1 차원의 현이 단 점을 가질 수 있는 공간으로서 정의되고 있는 것이지만, 중력자등이 닫은 현은 이 공간에 의존하지 않고 브레인간을 왕래한다.
초현이론은 중력의 양자론의 유력한 후보이며, 현시점에서도 특수한 조건아래에서라면 블랙 홀의 엔트로피에 관한 문제에 대답할 수가 있다.블랙 홀의 엔트로피는 표면적에 비례하고 있지만, 이 사실을 D브레인에 붙은 현 상태를 열거한다, 라고 하는 방법으로 이끌어내고 있다.이것은 열역학의 엔트로피를 통계역학의 수법으로 이끌어내는 것에 대응하고 있다.
우주론에의 응용
브레인묘상을 우주론에 적용한 이론은, 브레인 월드로 불려 전형적인 모형으로는 우리는 이 브레인 위에 살고 있게 된다.또 이 모델로는, 양자 역학으로 사용되는 3살의 힘에 대해서, 왜 중력이 극단적으로 약한 것인지를 설명이 붙여진다고 하고 있다.즉, 다른 3살의 힘, 즉, 전자기력(전자력이라고도 한다), 약한 힘, 강한 힘과 비교해 약한 것은, 다른 차원에 그 대부분이 도망쳐 버리고 있기 때문에라고 생각할 수 있다.
이것에 관련하고, 예를 들면 우주론의 인플레이션을 브레인의 운동으로 파악하는 등, 여러가지 연구가 이루어지고 있다.덧붙여 빅뱅은 우리의 존재하는 우주가 소속하는 막과 다른 막의 접촉에 의한 에너지가 원인으로 일어났다고 하는 모델도 있어, 에키피로틱 우주론으로 불리고 있다.통상의 인플레이션을 도출하려고 하는 시도도 진행중이다.
역사
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카르트=클라인 이론
초현이론은 10 차원 시공에서만 이론이 정식화되기 위해, 초현이론에 근거한 많은 모델로는, 현실의 4 차원 시공을 이끌기 위해서 「카르트=클라인 이론」의 아이디어를 응용하고 있다.
1919년, 테오 실업 수당・카르트는 5 차원 시공상에서의 일반 상대성 이론(중력)을, 4 차원 시공에서는, 맥스웰 방정식(전자기력)을 생각한다고 하는 이론의 원이 되는 아이디어를 알베르트・아인슈타인에게의 편지 중(안)에서 분명히 했다.논문은 당분간 아인슈타인의 책상안에 있었지만, 그 후 아인슈타인의 조력을 얻어 1921년에 발표되었다.
1926년이 되고, 오스칼・클라인이 카르트의 이론을 수정해 5 차원 시공의 이론에 잉여 차원을 매우 작은 스케일에 끼워 넣는다고 하는 콤팩트화의 이론을 짜넣은 이론을 발전시켜, 카르트=클라인 이론으로서 알려지게 되었다.
현이론 초기
1950년대말부터 1960년대에 걸쳐 강한 상호작용을 하는 입자(중성자)가 많이 발견되어 그러한 분류와 그 구성의 과정에 대한 고찰을 시작할 수 있었다.초현이론의 원이 된 현이론은, 이러한 입자 사이에 일하는 강한 힘의 성질을 기술하기 위해서 생각되었다.
우선, 1950 년대초에 튜리어・렛제는, 중성자의 산란 실험에 대하고, 공명 상태의 정지 질량의 2승과 스핀과의 사이에 직선 관계가 있는 것을 찾아냈다(렛제 궤도).1968년에 이탈리아의 가브리엘・베네트아노는, 렛제 궤도를 재현하는 매우 간단한 공식에서 「산란 진폭」으로서 표현했다(베네트아노 진폭).
그 공식을 바탕으로, 중성자는 진동하는 현이다고 발표한 것이, 1970년의 난부 요이치로, 레오나르도・사스킨드, 홀거・베크・닐슨이다.각각 독립에 발표된 그들의 현이론으로는, 중성자는 입자는 아니고 진동하는 현으로부터 구성되어 입자는 각각의 진동 모드에 대응한다고 하는 것이었다.다만 이 이론으로는, 현의 진동에 이론의 불안정성을 나타내는 타키온이 포함된다고 하는 결함이 내포 되고 있었다.
남부등의 현이론으로는 보스 입자만을 기술하고 있어 페르미 입자는 취급할 수 없다고 하는 문제도 있었지만, 당시는 페르미 입자를 포함해 보스 입자 이외의 기술을 현이론을 확장하는 것으로 해를 얻으려는 학자는 소수파였다.1971년에, 프랑스의 P.라몬, A.누보, 미국의 J.슈바르츠의 3명에 의해서 보스 입자와 페르미 입자의 양쪽 모두를 취급할 수 있는 모형이 제창되었다.이 모형이, 초현이론으로 발전해 나가게 된다.
제1차 스트링 혁명
1984년, 그린과 존・슈바르츠에 의해서, 10 차원의 초중력 이론 및 초현이론으로 언노멀리가 없는 이론이 존재하는 것이 나타나면, 초현이론은 각광을 받게 되었다. 특히 E8×E8의 게이지장을 포함한 헤테로틱초현이론에 있고, 이론의 정의되는 10 차원의 쳐 여분의 6 차원을 카라비야우 다양체로 콤팩트화한 이론은, 저에너지로 의 초대칭성을 가지는 이론이 이끌리고 중력을 포함한 통일 이론의 후보로서 활발히 연구되었다.
그러나, 여분의 6 차원이 콤팩트화 되는 메커니즘이 불명한 것, 콤팩트화로서 가능한 다양체의 종류가 무수히 있어, 그 중에서 1개를 골라내는 것이 섭동론의 범위로는 불가능한 것등의 곤란이 존재했다.
제2차 스트링 혁명
1995년, 포르틴스키에 의해 D브레인이 초현이론의 소리톤해인 것이 나타나 또, 윗텐에 의해 지금까지 알려져 있던 5개의 초현이론을 통일하는 11 차원의 M이론이 제창되면, 초현이론은 다시 각광을 받게 되었다.이 2는, 그때까지 예상되고 있던 여러 가지의 상대성(S상대성, T상대성)과 조합하는 것으로, 지금까지 섭동론의 범위에서 밖에 정의되어 있지 않았던 초현이론의 비섭동적인 성질의 이해가 깊어지게 되었다.또, D브레인의 저에너지로의 성질은 초대칭 게이지이론으로 기술되기 위해, 게이지이론을 이용해 초현이론의 성질을 조사하는 것, 반대로, D브레인의 적당한 배위를 생각하는 것으로 게이지이론의 비섭동적인 성질을 조사하는 것이 가능해져, 정력적으로 연구되었다.
이 D브레인은, 블랙 홀의 엔트로피의 표식을 통계역학적으로 도출할 때에도 이용되어 초현이론이 중력의 양자론인 것의 방증이 되었다.또, 마르다세나에 의한 AdS/CFT 대응은, 완전히 별개의 이론인 초대칭 게이지이론과 초중력 이론이, 어느 극한의 아래에서 등가가 되는 것을 예상해, 초현이론이나 중력 이론, 게이지이론에 대해서 새로운 지견을 주게 되었다.
현상
초현이론은, 현시점에서는 관측이나 실험 사실을 설명하기까지는 도달하지 않지만, 상기와 같은 블랙 홀의 문제에의 회답, 우주론이나 현상론의 모형에의 다대한 영향, 그리고 홀로그래피 원리의 구체적인 실현 등, 그 성과를 올리려면 짬이 없다.초현이론에 회의적인 발언을 하고 있던 스티븐・호-킹도, 근년은 초현이론의 성과를 이용한 연구를 발표하고 있다.
한편, Not Even Wrong[4](국역：스트링 이론은 과학이나)[5]를 집필한 Peter Woit, The Trouble With Physics(국역：미주하는 물리학)[6]을 집필한 Lee Smolin와 같이, 초현이론은 현실적으로 검증 불능인 뿐만이 아니고, 물리학 연구 전체에 유해하다라고 하는 반대파・회의파도 존재하고 있다.
문제점
- 「초현이론」으로는 현재로서는 관측되어 있지 않은 10 차원이라고 하는 다수의 차원을 필요로 하는 점으로 문제가 있다.초고에너지로의 실험이 가능하면 그러한 차원을 직접 확인해, 이론을 검증할 수 있을 가능성이 있지만, 21 세기 초두의 기술적 전망으로는 불가능하다고 되고 있다.
- 초대칭성 이론과 같게, 현재 관측되고 있는 소립자의 배정도의 신입자의 존재를 예언한다.
- 중력의 양자론의 유력 후보로 되어 있지만, 현재의 초현이론은 배경 의존의 이론 형식이며, 배경 독립이 아닌 이론은 진정한 료코 중력 이론에는 될 수 없다고 하는 비판이 있다.
- 카라비야우 공간의 형상 등에 의존하고, 방대한 수의 초현이론이 존재 할 수 있다.그러한 파라미터를 조정하고, 우리의 우주의 물리 법칙과 적합하는 초현이론을 골라내는 것은 계산량의 면으로부터 매우 곤란한 일이 판명되어 있다.방대한 수의 초현이론이, 각각 다른 우주를 나타낸다라는 생각도 있지만, 우리의 우주의 법칙을 얻을 수 있지 않으면, 실용 이론으로서는 의미가 없을지도 모른다.
이 때문에 초현이론을 물리학의 가설로서 취급하는 것에 의문을 가지는 물리학자도 많다.또 현이론의 실적에 대해서는 현재로서는 노벨 물리학상은 주어지지 않았다.현이론에 중요한 공헌을 완수한 난부 요이치로, 데이빗・글로스등은 다른 실적으로 수상하고 있다.
그렇지만, 현재도 탐구를 하고 있는 분야이기도 해, 한편 또, 그 연구의 발전은 수많은 대 통일이론 및, 초통일 이론의 후보의 하나로서 지금도 수많은 연구를 하고 있다.
각주
- ^야자와 사이언스 오피스 「최신 소립자론」학습연구사, 1990년, 77~79 페이지.
- ^브라이언・그린; 하야시이치・하야시대 (뜻)이유 「우아한 우주초끈이론이 모든 것을 해명한다」소우시사, 2002년, 383~384페이지.ISBN 4-7942-1109-0。
- ^브라이언・그린; 하야시이치・하야시대 (뜻)이유 「우아한 우주초끈이론이 모든 것을 해명한다」소우시사, 2002년, 398~401페이지.ISBN 4-7942-1109-0。
- ^ Woit, Peter (2006). Not Even Wrong. Jonathan Cape. ISBN 978-0224076050.
- ^피터・워이트 「스트링 이론은 과학인가」마츠우라 슌스케역, 오즈치사, 2007년.ISBN 978-4-7917-6369-6。
- ^리・스모린 「미주하는 물리학」마츠우라 슌스케역, 랜덤 하우스 코단샤, 2007년.ISBN 978-4-270-00292-6。
참고 문헌
원론문
1992년 이후의 논문의 프리프린트는, arXiv의 hep-th섹션으로 읽을 수 있다.일본 국내에서는, 교토 대학 기초 물리학 연구소의 미러를 사용하는 것이 추천 되고 있다.
교과서
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- Joseph Polchinski (2005). String Theory. Cambridge University Press. ISBN 978-0521672276.
- Joseph Polchinski (2005). String Theory Vol. 2. Cambridge University Press. ISBN 978-0521672276. - D-브레인의 발견자가 쓴 교과서로, 90년대 중반의 발전까지가 결정되고 있다.
- 오오타 노부요시 「초현이론・브레인・M이론」슈프린가페아라크 도쿄〈슈프링거 현대 이론 물리 시리즈〉, 2002년.ISBN 978-4431709701。 - 저자가 오사카 대학 이학계 대학원(전기 과정)의 강의로 사용한 노트를 집계한 것.
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- David McMahon (2008). String Theory DeMYSTiFieD. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0071498708.
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읽을 거리
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- 레나드사스킨드(저), 무라타 요코((뜻)이유), 우주의 풍경-우주의 수수께끼에 끈이론이 대답을 낸다—, 일경 BP 2006 ISBN 978-4822282523
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- 무라야마 히토시(저), 우주는 무엇으로 되어 있는 것인가-소립자 물리학으로 푸는 우주의 수수께끼, 환동사신서, 2010, ISBN 978-4-344-98188-1
- 이토영남(저), 포켓 도해 최신초끈이론이~구 아는 책, 히데카즈 시스템, 2011, ISBN 978-4798031675
- 오구리 히로시(저), 중력이란 무엇인가-아인슈타인으로부터 현악기의 고저를 조절하는 것 이론에, 우주의 수수께끼에 강요하는, 환동사신서, 2012, ISBN 978-4-344-98261-1
- 하시모토행사(저), 초끈이론을 파파에 배워 본 천재 물리학자・나니와판교수의 70분 강의, 코단샤, 2015, ISBN 978-4061531543
관련 항목
관련 이론
외부 링크
- 개다래나무성(2009년 2월 4일). "눈으로 보는 초현이론(초끈이론)". 초현이론의 해설. 2011년 12월 27일 열람.
- The Elegant Universe(동영상) (영어)
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