弦理論の基礎と発展の歴史

弦理論（げんりろん、英: string theory）とは、自然界の基本的な構成要素を0次元の「点粒子」ではなく、1次元の広がりを持つ「弦（ひも）」として捉えて記述する物理学の理論的枠組みである。「ひも理論」や「ストリング理論」とも呼ばれ、量子力学と一般相対性理論を統合する有力な候補の一つとして研究されている。

概要

従来の素粒子物理学では、電子やクォークなどの素粒子を内部構造を持たない0次元の点として扱ってきた。しかし、この点粒子モデルを重力場に応用すると、プランクスケールという極微の領域において無限大の発散が生じ、計算が破綻するという困難があった。弦理論では、粒子を1次元の弦としてモデル化することにより、この発散の困難を回避し、自然界の4つの基本相互作用（重力、電磁気力、強い相互作用、弱い相互作用）を統一的に記述する試みとして発展してきた。

歴史的背景

弦理論の起源は、1943年にヴェルナー・ハイゼンベルクが提唱したS行列理論のプログラムにまで遡ることができる。その後、1960年代を通じて強い相互作用（ハドロン）に関する多くの共鳴状態が発見され、それらを記述するための数学的モデルが模索された。

1968年、ガブリエーレ・ヴェネツィアーノはハドロンの散乱実験データを記述するオイラーのベータ関数を用いた散乱振幅（ヴェネツィアーノ振幅）を発見した。これが双対共鳴模型の端緒となった。1970年には、南部陽一郎、レオナルド・サスキンド、ホルガー・ベック・ニールセンが独立に、このオイラー形式のモデルを「振動する1次元の弦」であるという物理的解釈へと昇華させ、ハドロンの弦理論として発表した。

その後、ハドロンの強い相互作用を説明する理論としては量子色力学が主流となったため、初期の弦理論は一時的にその座を譲ることになった。しかし、1984年にマイケル・グリーンとジョン・シュワルツが超対称性を取り入れた超弦理論を発表したことで、重力を含む統一理論としての弦理論が再び脚光を浴びることとなった。