宇宙はどのようにしてもっと多くの次元を持つことができるのか

弦理論は、物理学者がいつかすべてを説明できると期待している、いわくつきの理論です……すべてを説明する。

すべての力、すべての粒子、すべての定数、すべてのものを1つの理論的屋根の下に置き、私たちが見るものはすべて、小さな、振動する糸の結果であるというものです。 理論家は1960年代からこのアイデアに取り組んでおり、彼らが最初に気づいたことの1つは、理論が機能するためには、私たちが慣れ親しんでいる4次元よりも多くの次元が存在する必要があるということでした。 ビッグバン理論への代替案を説明（インフォグラフィック）

次元の災害

ひも理論では、振動するひも状の小さなループ（この理論では、それが現実の基本オブジェクトです）は、異なる粒子（電子、クォーク、ニュートリノなど）や自然界の力の担い手（光子、グルーオン、重力子など）として現れています。 その方法は、振動である。 それぞれの弦は非常に小さいので、私たちには点のような粒子にしか見えませんが、ギターの弦から異なる音を出すのと同じように、それぞれの弦は異なるモードで振動することができるのです。 つまり、ある方向に振動する弦はすべて電子のように見え、別の方向に振動する弦はすべて光子のように見える、というようにです。

しかし、この数学が機能するためには、私たちの宇宙には4次元以上の次元がなければならないのです。 これは、通常の時空では、弦が世界のあらゆる種類の粒子として完全に自己表現するために必要な、あらゆる方法で振動する十分な「余地」を与えられないからである。

言い換えれば、弦は単にくねくねするだけではなく、超次元的にくねくねするのである。 しかし、私たちが宇宙を見渡すと、通常の3つの空間次元と時間の次元しか見えません。 もし宇宙が4次元以上であれば、私たちは今頃気づいているはずです。

ひも理論が要求する余分な次元は、宇宙での私たちの日常体験とどう折り合いをつけることができるのでしょうか。

Curled up and compact

ありがたいことに、弦理論家は、この一見過激に見える考え方の歴史的先例を指摘することが出来ました。 そして彼は、方程式に5次元を加えたときに、特に興味深いことを発見した。 相対性理論の方程式は次元の数を気にしないのです。 この条件によって新しいものが飛び出してきた。 カルーザは通常の4次元の一般相対性理論の方程式を回復し、さらに電磁気学の表現を再現する新しい方程式を追加しました。

それでも数十年後、別の物理学者オスカー・クラインが、カルーザのアイデアに量子力学的な解釈を与えようとしました。 7067>

超ひも理論の多様体

余分な次元が本当にそんなに小さいのなら、今までに気づかなかったはずです。 あまりに小さいので、我々の高エネルギー実験で直接探ることは望めません。

さらに数学的洞察を深め、弦理論に必要な余分な 6 空間次元は、2 人の著名な物理学者の名前をとってカラビ・ヤオ多様体と呼ばれる特定の構成に包まれなければならないことが判明した。 しかし、ストリング理論で許される唯一の多様体はありません。

およそ10^200,000あります。

6つの次元がそれ自身に巻きつく必要があり、それを行うためにほとんどあらゆる可能な方法を与えると、…それが加算されることが判明しました。 そして、それぞれの可能な構成は、その中の弦の振動の仕方に影響を与えます。 弦の振動の仕方がマクロな世界での振る舞いを決めるので、多様体を選択するごとに、独自の物理学を持つ個別の宇宙が生まれる。

つまり、我々が経験するような世界を生み出すことができる多様体は1つだけなのだ。

残念ながら、超ひも理論では、少なくともまだ答えを出すことができない。 問題は、超ひも理論がまだ完成していないことです。私たちには、本物に近づくことを期待するさまざまな近似法があるだけですが、今のところ、それがどの程度正しいのか見当もつきません。

弦理論家の反応は「風景」と呼ばれるもので、様々な多様体によって予測されるすべての可能な宇宙の多元宇宙であり、我々の宇宙は多くの中の一点に過ぎないのだそうです。

そしてこれが、今日の超ひも理論の位置づけであり、ランドスケープ上のどこかです。

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Paul M. Sutter は SUNY Stony Brook と Flatiron Institute の天体物理学者で、Ask a Spaceman と Space Radio のホスト、そして Your Place in the Universe の作者でもあります。 (パート 3: 次元は運命)」というエピソードを、iTunes および http://www.askaspaceman.com から入手可能な Ask A Spaceman ポッドキャストでお聞きください。 John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T., Dhruv R. に感謝する。 Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. この作品の元になる質問をしてくれた皆さんです! Twitterで#AskASpacemanを使って質問するか、Paul @PaulMattSutter と facebook.com/PaulMattSutter をフォローしてください。

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