超ひも理論とは この世界は11次元である 万物の理論

今回はこの世界が11次元であるとする理論についてご説明します。難解な理論なのでご注意を、

今住んでいるこの世界は何次元か知っていますか？

画像のように縦、横、高さの3次元だと考えている方が多いのではないかと思います。

物理の世界では『時間』を含めた4次元空間であるという捉え方がされています。

しかし、最新の「理論物理学」と呼ばれる計算や考察によって世界の物理法則を解き明かそうとする学問では、この世界は11次元であり、私たちはあくまでもその中の4次元を認識しているだけ、という理論が存在します。

その理論の名前は「超ひも理論」もしくは「超弦理論」と呼ばれる現在の研究対象として非常に人気な理論です。

超ひも理論という名前ならば『ひも理論もあるのではないか？』と思った方もいると思います。

もちろんあります。

この話をするためには、量子力学という分野の物理学の話を少ししていく必要があります。

量子力学とは、私たちが知っている物質を構成している「分子」や「原子」のような最小の単位だと思われていたものが実はさらに小さな「素粒子」といわれる存在によって構成されているのだということが明らかになったことまたその素粒子という存在が、粒子=物体としてだけでなく、それが１つしかなくても「波動」としての性質を持つことから、『粒子と波動の二重性』という両方の性質を持つこれらを「量子」と名付け、その性質を研究することで、さらに量子によって構成された私たちの世界、宇宙の歴史に至るまで解き明かそうとする物理学の分野です。

つまり、とてもミクロな世界の学問なのです。

さて、この素粒子と呼ばれるものですが、現在主流となっている理論も含めて基本的には大きさを持たないものもしくは非常に小さなものであると考えられています。

その上で、素粒子には発見されていないものも含めて性質の異なる多くの種類が存在していると言われています。

しかし、ひも理論ではこれらの素粒子が全て同じものでできていると考えています。この同じものこそが非常に小さく短いひもなのです。

ひも理論では、同じひもがどのように揺れているか、すなわちどのような波を作っているかによってそれぞれの量子の性質が決まるというふうに考えています。

元々ひも理論というのは「ハドロン」という複合粒子（いくつかの素粒子が結びついたもの）の一種についてその「ハドロンを構成している粒子を単体で取り出せない」という性質を説明するために考案された理論でした。

つまり、ハドロンとはひもであり、ハドロンを構成する粒子は「ひもの両端」にあたるというように考えることで、もしひもを切ったとしてもそこには新たなひもの両端が生まれるにすぎないという説明を考え出したのです。

しかし、このハドロンのひも理論と呼ばれた理論は成り立つのが26次元空間に限られるなど多くの矛盾を抱え、ハドロンの性質に関しては新たに提唱された『量子色力学』の方が優勢にとなったことで下火になりました。

ハドロンを構成する粒子を引き離すと別に新たな粒子が生まれ、引き離した粒子と新たに合わさることで2つのハドロンになる

という量子色力学の理論はハドロンについての性質をひも理論よりもずっと無理なく説明することができたのです。

これによってほとんど忘れられた理論になったひも理論は、非常に細々とではありますが研究され続けていました。

超ひも理論への道のり

ひも理論の研究が続けられていた一番の理由は、この理論がハドロン以外にも言える可能性があったからです。

特に『閉じたひも』すなわち輪ゴムのような形状の切れ目なく輪のようになったひもによって、重力を伝える量子として想定されている「重力子」について説明できるらしい、ということは物理学的な「すべての力」を完全に一つの理論にまとめる『万物の理論』へとつながる可能性があったのです。

ですが、万物の理論についても当時はひも理論とは全く別の有力な仮説があり、ひも理論はあくまで古い研究だと一般的に物理界では思われていました。

しかし、そこに持つ一つの量子力学の仮説が加わったことで、ひも理論は新たな進化を遂げ『超ひも理論』として最新物理学の表舞台に躍り出ることになります。

ひも理論が超ひも理論へと発展し、万物の理論の有力候補の一つになるには2つの大きな「ストリング革命」と呼ばれる研究の転換点がありました。

まず一つが、最初のひも理論より少し前の1966年に発表された「超対称性理論」をひも理論の考え方に取り入れることで矛盾のない理論を１つ導くのに成功したのです。

素粒子や複合粒子はその性質によって『フェルミ粒子』と『ボース粒子』に分けられますが、素粒子のそれぞれに、「フェルミ粒子ならボース粒子、ボース粒子ならフェルミ粒子の対になる相棒が存在する」

という仮説が超対称性理論であり、超ひも理論の超はこの理論をあらわしています。

この超対称性理論と組み合わせることで超ひも理論が10次元の世界で成り立つこと、また現実に測定することのできない6次元分が非常に複雑でとても小さな形に折り畳まれているとすることでまずは計算上で矛盾がない理論ができあがる、という研究結果が、1984年に発表されたのです。

これによってひも理論は10年の時を経て、超紐理論に進化し再び脚光を浴びることとなりました。

実際には6次元を観測する方法が全く無いなどこの理論は様々な問題を抱えてはいたのですが、超ひも理論の研究を行う物理学者も増えたことで最初に発表されたものとは別の超ひも理論も考察され、最終的には5つの超ひも理論が提案されることになりました。

そして1995年、「第二次ストリング革命」では5つの超ひも理論が11次元の世界で統一できることが判明したのです。この統一された超ひも理論のことは『M理論』とればれ素粒子の形状をひもからさらに発展させて2次元の広がりを持つ膜であると解釈するようになりました。

さらにDブレーンという概念が考え出されたことで

現代の万物の理論の最先端研究が形になったのです。

Dブレーンとは、元々粒子のひもの先端が結びついていると考えられる面と考えられていました。

閉じたひも、つまり重力以外の開いたひもはそれぞれ特定のDブレーンに端が繋がっていると考えて、閉じたひもである重力子だけはDブレーンに縛られず他の次元へも重力を伝えられると考えました。

現代ではさらにブレーンワールド宇宙論という私たちの宇宙も巨大なDブレーンだとする仮説も出てきています。

この宇宙は超ひも理論では11次元から時間軸を除いた10次元の中で、3つの次元にまたがって広がっているDブレーンだから

『私たちの宇宙は3次元+時間しか認識できない』

ということです。

そのため超ひも理論は私たちの宇宙の万物の理論となるだけではなく、さらに宇宙よりも大きな空間が存在する可能性すらも含んだ壮大な理論になっています。

記事を読んでいただきありがとうございます。

どうでしたか？結構難解な理論でしたけど、この世界が11次元とは想像できませんね。4次元までは想像できます。3次元の立方体がたくさんある次元だと。

もしかしたら4次元のたくさんある立方体の中で生きている私たちですが、他の立方体に行くことがパラレルワールド（並行世界）へ行くこととなるのかもしれません。