M理论（物理理论）

M理论

物理理论

M理论：是为“物理的终极理论”而提议的理论，希望能藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。其结合了所有超弦理论（共五种）和十一维的超引力理论。而M理论的最终目标，是要用一条规律来描述已知的所有力(电磁力、弱力、强力、引力)。按照M理论观点，空间不是三维的，是11维时空，只不过多余的纬度蜷缩到了微观世界。

基本内容

M理论(M-theory)是为“物理的终极理论”而提出的理论。物理学家希望能用一个理论来解释所有的物质与能源的本质和交互关系。它试图把4种作用力--电磁力、引力、强核力和弱核力统一起来。它还试图结合当前所有5种超弦理论和11维的超引力理论。为了充分了解它，爱德华·威滕认为需要发明新的数学工具。M理论的“M”包含有许多意思，例如魔术（magic）、神秘（mystery）、膜（membrane）或矩阵（matrix）等等。为了充分了解它，爱德华·威滕博士认为需要发明新的数学工具。

1984—1985年，弦理论发生第一次革命，其核心是发现“反常自由”的统一理论；1994-1995年，弦理论又发生既外向又内在的第二次革命，弦理论演变成M理论。第二次弦革命的主将威滕(EdwardWitten)被美国《生活》周刊评为二次大战后第六位最有影响的人物。

另一则定义：

M理论系由刘易斯、亚伦(Louis Allen)所提出。针对社会、经济等观点，对管理者及被管理者之真实态度调查所得，而提出一综合性管理定义之理论。弦现在被认为是物质的最基本的构成体

最早被认为是分子，后来被发现分子是由原子组成的，再后来发现原子内有电子和原子核，再后来发现原子核内由质子和中子，后来发现质子是由3个夸克组成的，那夸克是基本单位么？不是，后来科学家又发现了很多像夸克的基本粒子，大概有64种之多

1984年左右，一位科学发现了超弦理论，认为弦是构成物质的最基本单位，不过弦太小了，大概如果说原子有太阳系那么大的话，那弦只有地球上的一棵树那么大，所以要想观察到弦目前是不可能的，所以现在只是理论，无法证明

不过我那天看新闻，欧洲的核子研究中心在今年9月就要建立了，到时候利用量子加速器可能会证明一些有关弦的东西

关于M理论是建立在弦理论的基础上的一种理论，它的最终目标是要用一条规律来描述已知的所有力(电磁力、弱力、强力、引力)。

M理论还未完善

m理论好比一张拼图，外围的图快非常好拼，而里边的一些图片就比较难拼了，因为缺口太多了。

m理论就是这样，现在还非常不完善，而且概括一切科学内容以也太难了。

3.霍金所指的M-理论

英国著名物理学家斯蒂芬·霍金在自己的新书《大设计》中表示，宇宙并非上帝所造，现代科学可以解释宇宙的起源，宇宙是在物理定律“M-理论”的作用下，引发大爆炸而形成。霍金所指的“M-理论”（一种弦理论）是物理学家试图通过一连串物理定律解释宇宙万物的“物理终极理论”，这一理论尚在艰难的完善过程中。霍金表示，“M-理论”就是爱因斯坦一直梦寐以求的统一场论。

霍金在《大设计》中指出：“由于万有引力等定律的存在，宇宙能够而且也必定是无中生有，自我创造，无须祈求上帝之手让宇宙运转，自我创造是宇宙、人类存在的原因。”

霍金的此番言论推翻了他早年发表的上帝创造宇宙的思想。1988年，霍金在《时间简史》中认为，创造万物的上帝与科学理解宇宙可以并存。他说：“我们若能发现一套完美的理论，这将是人类理性的终极胜利，因为，届时我们应会理解上帝的心意。”

新言论也对牛顿的理念提出了质疑，牛顿认为，宇宙由上帝所创造，因为宇宙无法自然地从混沌中产生。

在新书中，霍金以1992年发现的一颗行星为例，作为推翻牛顿理念的依据。该行星围绕另一颗恒星而不是太阳运行。霍金在书中写到：“这与我们所处的星球环境非常类似：一个太阳、地球与太阳之间的距离以及太阳的质量都恰到好处，这表明，我们所处的星球环境并非如此特别，因此，地球是被上帝精心设计来讨好人类的这一观点也站不住脚。”

他还据此认为，其他行星上也可能存在生命，也可能有另外的宇宙存在，这就是他所谓的“多重宇宙”观念。

有些基督教科学家对霍金的观点做出了回应，他们声称，霍金对上帝的理解存在误区，上帝可以解释目前宇宙中很多无法解释的问题。科学和宗教国际社会组织的主席乔治·埃利斯表示，霍金的最新言论把公众带入了一个两难处境：只能在宗教和科学之中选择其一。

《大设计》将于9月9日面世，同《时间简史》一样，该书也由霍金与美国物理学家罗纳德·姆罗迪诺联袂撰写。

去年，霍金辞去了英国剑桥大学卢卡斯数学教授的职务，这是科学界最为崇高的教职之一，牛顿是第二任，在位33年，而霍金在位也达30年之久。

理论概述

M理论，是为“物理的终极理论”而提议的理论，希望能借由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。物理学家希望能用一个理论来解释所有的物质与能源的本质和交互关系。它试图把4种作用力--电磁力、引力、强核力和弱核力统一起来。它还试图结合当前所有5种超弦理论和11维的超引力理论。

1984—1985年，弦理论发生第一次革命，其核心是发现“反常自由”的统一理论；19941995年，弦理论又发生既外向又内在的第二次革命，弦理论演变成M理论。第二次弦革命的主将威滕(EdwardWitten)被美国《生活》周刊评为二次大战后第六位最有影响的人物。

M理论的“M”包含有许多意思，例如魔术（magic）、神秘（mystery）、膜（membrane）、矩阵（matrix）或母亲（mother）等等。亦有人认为这个M字代表着威滕本人(Witten的"W"反转便是"M")

在围棋游戏中，只有围与不围这样很少的几条规则，加上黑白两色棋子，却可以弈出千变万化的对局。与此相似，现代科学认为，自然界由很少的几条规则支配，而存在着无限多种这些支配规律容许的状态和结构。任何尚未发现的力，必将是极微弱的，或其效应将受到强烈的限制。这些效应，要么被限制在极短的距离内，要么只对极其特殊的客体起作用。

科学家非常自信地认为，他们发现了所有的力，并没有什么遗漏。但是，在描述这些力的规律时，他们却缺乏同样的自信。20世纪科学的两大支柱——量子力学和广义相对论——居然是不相容的。广义相对论在微观尺度上违背了量子力学的规则；而黑洞则在另一极端尺度上向量子力学自身的基础挑战。面对这一困境，与其说物理学不再辉煌，还不如说这预示着一场新的革命。

萨拉姆(A.Salam)和温伯格(S.Weinberg)的弱电统一理论，把分别描述电磁力和弱力的两条规律，简化为一条规律。而M理论的最终目标，是要用一条规律来描述已知的所有力(电磁力、弱力、强力、引力)。当前，有利于M理论的证据与日俱增，已取得令人振奋的进展。M理论成功的标志，在于让量子力学与广义相对论在新的理论框架中相容起来。

同弦论一样，M理论的关键概念是超对称性。所谓超对称性，是指玻色子和费米子之间的对称性。玻色子是以印度加尔各答大学物理学家玻色(S.N.Bose)的名字命名的；费米子是以建议实施曼哈顿工程的物理学家费米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整数自旋，而费米子具有半整数自旋。相对论性量子理论预言，粒子自旋与其统计性质之间存在某种联系，这一预言已在自然界中得到令人惊叹的证实。

在超对称物理中，所有粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与原来粒子完全相同的量子数(色、电荷、重子数、轻子数等)。玻色子的超伙伴必定是费米子；费米子的超伙伴必定是玻色子。尽管尚未找到超对称伙伴存在的确切证据，但理论家仍坚信它的存在。他们认为，由于超对称是自发破缺的，超伙伴粒子的质量必定比原来粒子的大很多，所以才无法在现有的加速器中探测到它的存在。

局部超对称性，还提供将引力也纳入物理统一理论的新途径。爱因斯坦广义相对论，是根据广义时空坐标变换下的某些要求导出来的。在超对称时空坐标变换下，局部超对称性则预言存在“超引力”。在超引力理论中，引力相互作用由一种自旋为2的玻色子(引力子)来传递；而引力子的超伙伴，是自旋为3/2的费米子(引力微子)，它传递一种短程的相互作用。

历史玩笑

证明理论

广义相对论没有对时空维数规定上限，在任何维黎曼流形上都能建立引力理论。超引力理论却对时空维数规定了一个上限——11维。更吸引人的是，已经证明，11维不仅是超引力容许的最大维数，也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。

描述强力的标准模型，即量子色动力学，是基于定域对称群SU(3)的规范理论，它的量子叫做胶子，作用于一个叫“色”的内禀量子数上。描述弱力和电磁力的温伯格-萨拉姆模型，是基于SU(2)×U(1)的规范理论。这个规范群作用在“味道”上，而不是在“颜色”上，它不是精确的，而是自发破缺的。由于这些理由，许多物理学家开始探讨11维的超引力理论，期望这就是他们寻求的统一理论。

然而，在手征性面前，引力理论的一根支柱突然倒塌了。手征性2是自然界的一个重要特征，许多自然对象都有类似于人的左手与右手那样的对称性。像中微子的自旋，就始终是左手的。

20世纪20年代，波兰人卡卢扎(T.Kaluza)和瑞典人克莱因(O.Klein)，发现从高维空间约化到可观测的4维时空的机制。若11维超引力中的7维空间是紧致的，且其尺度为10-33厘米(缘此其不被觉察)，就会导出粒子物理标准模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。但是，在时空从11维紧致化到4维时，却无法导出手征性来。到了1984年，超引力丧失领头理论地位，超弦理论取而代之。当时，“让11维见鬼去吧！”——“夸克之父”盖尔曼(M.Gell-Mann)的这句名言，表达了不少物理学家对11维的失望情绪。

历史的变化

从1984年起，人们认定10维时空是最佳选择，10维时空的弦论替代了11维时空的超引力理论。曾流行过五种弦论，其不同在于未破缺的超对称性荷的数目，以及所带有的规范群。在10维时空中，最小的旋量具有16个实分量，有三种弦论的守恒超荷恰巧对应于这种情况，它们是类型Ⅰ、杂优弦HE和HO。

其余两种弦论含有2个旋量超荷，称为类型Ⅱ弦。其中，类型ⅡA的旋量具有相对的手征性，类型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二种杂优弦，分别带有E8×E8规范群和SO(32)规范群。类型Ⅰ弦也具有SO(32)规范群，它是开弦，而其余的4种弦是闭弦。重要的是，它们都是反常自由的，即弦论提供了一种与量子力学相容的引力理论。在这些理论中，HE弦至少在原则上能解释所有已知粒子和力的性质，当然也包括手征性在内。

然而，弦论绝非美轮美奂，至少可从四方面对它诘难。首先，人们本将弦论当作物理统一理论来追寻，它的五种不同理论却又给出了五种不同的宇宙，若人类生活在其中的一种宇宙之中，那么其余四种理论描述的宇宙，又是何等样的生物居住其中呢？其次，若将粒子看作弦，那为什么不将它们看作膜，抑或看作p维客体——胚(brane)呢？再者，关于弦论的实验验证，传统的粒子加速器方法，显然受到技术和经费两方面限制，然而新的方法又在何处？最后，超对称性容许时空的最大维数是11维，为什么弦论只到10维就戛然而止了呢？余下的那一维是逃逸了，还是隐藏起来了呢？

历史真会开玩笑，在人们让11维“见鬼”十年之后，1994年开始了弦论的第二次革命。此后，五种不同的弦论在本质上被证明是等价的，它们可以从11维时空的M理论导出。经历了十年艰苦卓绝的辛劳，人们居然又回到了原来的时空维数，否定之否定实在是条奥妙的哲理。

参考资料

1.宇宙大爆炸之前是什么·高三网