■超弦理論って結局なんなの？

超ひも理論は、光子からクォークに至るまで、すべての粒子がゼロ次元の点ではなく1次元のひもであるという理論的枠組みのこと。

もし、あらゆる文脈で成り立つ超ひも理論のバージョンが発見されれば、宇宙の性質を記述するための単一の数学的モデルとして機能することになり、重力を説明できない物理学の標準モデルに取って代わる「万物の理論」となるとされる。

超ひも理論の全貌を理解するには、広範な勉強が必要だが、超ひも理論の主要な要素を知れば、その核となる概念の基本的な理解が得られるだろう。

1. 弦とブレーン

弦は一次元のフィラメントで、開いた弦と閉じた弦の2種類がある。

開放弦は両端がつながっておらず、閉鎖弦は閉じたループを形成する。

ブレーン（「膜」という言葉に由来する）はシート状の物体で、その両端に弦を取り付けることができる。

ブレーンは量子力学のルールに従って時空を移動することができる。

2. 追加の空間次元

物理学者は、宇宙には3つの空間次元があると認めているが、超ひも理論家は、空間の追加次元を記述するモデルを主張している。

超ひも理論では、カラビ・ヤウ多様体と呼ばれる複雑な折りたたみ形状にしっかりと圧縮されているため、少なくとも6つの追加次元は検出されない。

3. 量子重力

弦理論は量子物理学と一般相対性理論を融合させようとしているため、量子重力理論である。

量子物理学は原子や素粒子のような宇宙で最も小さな物体を研究するが、一般相対性理論は通常、宇宙でよりスケールの大きな物体に焦点を当てる。

4. 超対称性

超弦理論としても知られる超対称性は、2種類の粒子、ボソンとフェルミオンの関係を記述する。

超対称弦理論では、ボソン（または力の粒子）は常にフェルミオン（または物質の粒子）と対になるものを持ち、逆もまた同様である。

超対称性の概念はまだ理論的なもので、科学者はまだこれらの粒子を見たことがない。

一部の物理学者は、ボソンとフェルミオンを生成するには、とてつもなく高いエネルギーレベルが必要だからだと推測している。

これらの粒子は、ビッグバンが起こる前の初期の宇宙に存在していたかもしれないが、その後、現在見られるような低エネルギーの粒子に分解されたのかもしれない。

大型ハドロン衝突型加速器（世界で最も高エネルギーの粒子衝突型加速器）は、ある時点でこの理論を支持するのに十分なエネルギーを発生させるかもしれないが、今のところ超対称性の証拠は見つかっていない。

5. 統一された力

弦理論家は、相互作用する弦を使って、自然界の4つの基本的な力（重力、電磁気力、強い核力、弱い核力）がどのように万物の統一理論を作り出しているかを説明できると考えている。

＜超弦理論の歴史＞

• 1968: 欧州原子核研究機構（CERN）に所属するイタリアの理論物理学者ガブリエレ・ヴェネチアーノは、様々な粒子加速器から収集したデータを用いて超ひも理論の基礎を構築した。彼は、200年前のオイラー・ベータ関数の公式を使って、強く相互作用する粒子の物理的特徴を説明できることに気づき、二重共鳴モデルを構築した。
• 1970: レナード・サスキンド、ホルガー・ニールセン、南部陽一郎の3人の物理学者が、ヴェネチアーノのモデルを用いて、宇宙が小さな振動する弦でできていることを示唆したことから、「弦理論」と呼ばれるようになる。
• 1971: 理論物理学のピエール・ラモン教授が超対称性の概念を提唱し、超弦理論の発展に着手。
• 1974: 日本の物理学者、米谷民明が超ひも理論に重力子（重力を担う量子粒子）の性質を持つ粒子が含まれていることを発見。
• 1984: イギリスの物理学者マイケル・グリーンとアメリカの物理学者ジョン・シュワルツが、グリーン・シュワルツ・メカニズムとして知られるようになったI型超ひも理論におけるアノマリー・キャンセレーションを発見。この出来事は超ひも理論のアイデアを超対称性とさらに結びつけ、最初の超ひも革命を起こした。
• 1985: プリンストン弦楽四重奏団」（デイヴィッド・ゴス、ジェフリー・ハーヴェイ、エミール・マーティネック、ライアン・ローム）が、超弦とボソニック弦のハイブリッドである閉じた弦であるヘテロティック弦を発見。
• 1995年：ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の理論物理学者、エドワード・ウィッテンが、弦理論の5つの異なるバージョンは実際には別々の理論ではないことを示唆した。ウィッテンは、それらはM理論と呼ばれる一つの理論の限界の変化に過ぎないと提唱した。M理論のアイデアは、第二次超弦理論革命を起こした。

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