بیگ بنگ: بر اساس نظریه ریسمان، ذرات نامرئی زیراتمی از ریسمان‌های خیلی کوچکی ساخته‌ شده‌اند و در الگوی مشخصی ارتعاش می‌کنند. هر الگوی ارتعاشی به مثابه یک ذره متفاوت است. الکترون چیزی به جز ریسمانی که در یک الگو به ارتعاش بپردازد، نیست. پروتون هم در الگوی متفاوتی ارتعاش می‌کند. این فقط یک مفهوم ریاضی است؛ هیچ شواهد آزمایشی در دست نیست که از نظریه ریسمان پشتیبانی کند.

به گزارش بیگ بنگ، چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارد: گرانش، الکترومغناطیس، نیروهای هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. یکی از اهداف اصلی فیزیکدانان، ارائه نظریه‌ای است که بتواند همۀ این نیروها را توصیف کند. فیزیکدانان نظری ضمن تلاش برای متحد ساختن نیروها با یکدیگر، به ایده‌ها و نظریه‌های جدید و جالبی در طول شش دهه گذشته رسیده‌اند. یکی از نویدبخش‌ترین نظریه‌های این دانشمندان، «نظریه ریسمان» است. این نظریه به چالش‌برانگیزترین مفهوم در فیزیک تبدیل شده و می‌خواهد دو ستون فیزیکِ قرن بیستم یعنی نظریه نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتومی را با هم ادغام کند. به عبارت ساده، نظریۀ ریسمان چارچوب جامعی است که می‌تواند کل واقعیت فیزیکی را تبیین کند.

ایدۀ اصلی نظریه ریسمان

هر چیزی که اطراف‌تان وجود دارد را بردارید. فرض کنیم یک سیب از روی میز برداشتید. سیب از چه چیزی ساخته شده؟ خب برای پاسخگویی به این پرسش باید نگاه عمقی‌تری به آن بیندازید. اگر آن را تا جای ممکن بزرگنمایی کنید، دیر یا زود مولکول‌ها را مشاهده خواهید کرد. اما این پایان ماجرا نیست؛ اگر بیشتر آن را بزرگنمایی کنید، نهایتا اتم‌ها را نیز خواهید دید. اتم‌ها نیز پایان ماجرا نیستند زیرا اگر بیشتر زوم کنید، به الکترون‌ها و نوترون‌ها می‌رسید. هسته نیز خودش از پروتون و نوترون ساخته شده است.

اگر یکی از این ذرات را بردارید (مثلاً یک نوترون) و آن را بزرگنمایی کنید، به ذرات کوچکتری تحت عنوان کوارک‌ها می‌رسید. اینجاست که ایدۀ جنجالی “نظریه ریسمان” وارد می‌شود؛ یعنی چیز دیگری درون این ذرات کوچک وجود دارد. بر اساس این ایده، هیچ چیزی درون کوارک‌ها وجود ندارد، اما نظریه ریسمان می‌گوید که یک رشته کوچک ریسمان‌مانند از انرژی درون آن خواهید یافت که به سیم‌های ویولن شباهت دارند. وقتی سیم یا ریسمان را بردارید، شروع به ارتعاش کرده و نوت موسیقی کوچکی ایجاد می‌کند. با این حال، ریسمان‌های ریز در نظریه ریسمان به تولید نوت موسیقی نمی‌پردازند. در عوض، زمانی که ارتعاش می‌کنند، ذرات را پدید می‌آورند. هر ارتعاش به مثابه ذرات مختلف است.

بنابراین، کوارک همان ریسمانی است که در الگویی خاص ارتعاش می‌کند؛ الکترون نیز بعنوان ِ ریسمانی در نظر گرفته شده که در الگویی متفاوت ارتعاش می‌کند. پس اگر همۀ این ذرات را کنار هم قرار دهید، می‌بینید که سیب چیزی به جز چند ارتعاش در ریسمان نیست. اگر نظریه ریسمان درست باشد (هنوز به اثبات نرسیده است)، به این نتیجه می‌رسیم همه چیز در جهان چیزی به جز سمفونیِ کیهانی از ریسمان نیست که مشغول رقص و ارتعاش‌اند.

حالا بیایید پنج عنصر اصلی نظریه ریسمان را با هم بررسی کنیم:

1- ابعاد بیشتر

در حال حاضر، نظریه ریسمان تنها یک ایده ساده است. هیچ شواهد و قرائن مستقیم وجود ندارد، مبنی بر اینکه این نظریه توصیف درستی از طبیعت می‌دهد. نظریه ریسمان این شرط را مطرح می‌کند که وجود ابعاد بیشتر در جهان را بپذیریم. ما در حال حاضر در سه بعد فضایی زندگی می‌کنیم، اما نظریه ریسمان از وجود شش بعد، به اضافۀ چهار بعد رایج صحبت می‌کند.

2- ابَرتقارن

دو دستۀ اصلی از ذرات بنیادی به نام بوزون و فرمیون در جهان وجود دارد. نظریه ریسمان پیش‌بینی می‌کند که رابطه‌ای میان این دو ذره وجود دارد که ابَرتقارن نامیده می‌شود. بر اساس این نوع تقارن، بوزون باید در ازای هر فرمیون و بالعکس وجود داشته باشد. اصل ابرتقارن در بیرون از نظریه ریسمان کشف شد. با این حال، ادغام آن در نظریه ریسمان باعث می‌شود، برخی عبارات در معادلات کنار گذاشته شوند و منطقی به نظر آیند.

بدون این اصل، معادلات نظریه ریسمان به ناهمخوانیِ فیزیکی ختم می‌شود؛ مثل سطح انرژی خیالی و مقادیر بی‌نهایت. به عبارت دیگر، ترکیبِ ایدۀ ابرتقارن با نظریه ریسمان به نظریه بهتری تحت عنوان «نظریه اَبَرریسمان» منجر می‌گردد. فیزیکدان‌ها ابراز امیدواری کرده‌اند که آزمایش با شتاب‌دهنده ذرات و مشاهدات ِ اخترشناسی سرانجام بتواند از وجود چند ذره ابرمتقارن پرده برداشته و از چارچوب نظریِ نظریه ریسمان پشتیبانی کند.

3- اتحاد نیروها

فیزیک مدرن دو قانون کاملاً متفاوت دارد: نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. نظریه نسبیت اجرام بزرگ را در مقیاس سیاره‌ها، کهکشان‌ها و کیهان مطالعه می‌کند، اما مکانیک کوانتومی به مطالعۀ اجسام کوچک در طبیعت می‌پردازد که در کوچک‌ترین مقیاس قرار دارند و به سطح انرژی اتم‌ها و ذرات ریزاتمی مربوط می‌شود. هنوز به خوبی این مسئله درک نشده که گرانش چگونه بر ذرات کوچک تاثیر می‌گذارد. نظریه‌هایی که به دنبال توصیف گرانش بر اساس اصول مکانیک کوانتومی هستند، نظریه‌های گرانش کوانتومی نامیده می‌شوند و یکی از نویدبخش‌ترینِ آنها نظریه ریسمان است.‌

4- ریسمان‌های باز و بسته

ریسمان‌ها در نظریه ریسمان دو نوع هستند: ریسمان‌های باز و ریسمان‌های بسته. دو ریسمان باز می‌تواند در انتها به یکدیگر ملحق شوند و یک حلقه بسته به وجود آورند. یا چند ریسمان باز می‌توانند در یک انتها به هم ملحق شوند تا ریسمان باز جدیدی به وجود آورند. چنین ریسمان‌هایی که ریسمان‌های نوع یک نام دارند، می‌توانند وارد 5 نوع برهم‌کنش اصلی شوند.

این برهم‌کنش‌ها به قابلیت یک ریسمان برای ملحق شدن در انتها و جدایی‌شان بستگی دارد. دانشمندان بر این باور هستند که ریسمان‌های بسته دارای ویژگی‌های خاصی هستند که می‌تواند گرانش را در مکانیک کوانتومی توصیف کند.

5- نظریه M

دانشمندان با گذشت زمان به نسخه متفاوت از نظریه اَبَرریسمان دست یافتند: نسخه‌های نوع 1، نوع IIA، نوع IIB و دو نسخۀ نظریه ریسمان هتروتیک. اما در سال 1995، یک فیزیکدان نظری آمریکایی به نام «ادوارد ویتن» همۀ این نظریه‌ها را در یک نظریه 11 بُعدی به موسوم به نظریه M ادغام کرد. این نظریه شاید چارچوبی باشد برای ارائه نظریه متحدی که همۀ نیروهای اساسی در طبیعت را متحد سازد.

کاشف نظریه ریسمان که بود؟

نظریه ریسمان از یک برنامه تحقیقاتی به نام «نظریه S-ماتریس» سرچشمه می‌گیرد که ورنر هایزنبرگ آن را در سال 1943 آغاز کرد. هدف اصلی این برنامه، جایگذاری نظریه میدان کوانتومی محلی بعنوان اصل اساسیِ فیزیک ذرات بنیادی بود. شتاب‌دهنده‌های ذرات در دهه 1950 و 1960 میلادی هادرون‌ها را به وفور تولید کردند. فیزیکدان‌ها مدل‌های بسیار متفاوتی برای توصیف الگوی اسپین و جرم این ذرات معرفی کردند؛ ذراتی که برهم‌کنش قوی با یکدیگر دارند.

یک فیزیکدان نظری ایتالیایی به نام گابریل ونزیانو نقش مهمی در ساخت این مدل‌های اولیه ایفا کرد. او بنیانِ نظریه ریسمان را در سال 1968 پی‌ریزی کرد، یعنی زمانی کشف کرد ریسمان‌های ریز می‌توانند برهم‌کنش هادرون‌ها را تبیین کنند. او در سال 1991 مقاله‌ای منتشر کرد که چگونگی کسب یک مدل کیهان‌شناسی تورمی را از نظریه ریسمان نشان می‌داد. امروز تلاش تعداد زیادی از محققان باعث شده تا نظریه ریسمان به موضوع گسترده‌ای تبدیل شود و با ریاضی محض، کیهان‌شناسی، فیزیک ماده و گرانش کوانتومی پیوند داشته باشد. البته نظریه ریسمان نمی‌تواند بعنوان نظریۀ همه چیز تلقی شود.

“نظریه همه چیز” یک چارچوب فرضی در فیزیک است که همه جنبه‌های فیزیکیِ جهان را با یکدیگر ادغام می‌کند. رسیدن به چنین نظریه‌ای رویایی است که فیزیکدان‌های نظری در سر می‌پرورانند. بر اساس نظریه ریسمان، هر چهار نیروی اصلی زمانی یک نیروی واحد در آغاز جهان بودند؛ یعنی تا 10 اِلی 30 ثانیه پس از بیگ‌بنگ. نظریۀ همه چیز دید محققان را به پلاسمای کوارک-گلوان و بسیاری دیگر از نتایج ارتقا بخشیده است. بر اساس نظریه ریسمان، حدود 10 به توان 500 جهان یا یک چندجهانیِ وسیع می‌تواند وجود داشته باشد.

اگرچه نظریه ریسمان‌ها تاکنون شواهد تجربی نداشته، اما پاسخ‌های قانع‌کننده‌ای در خصوص برخی مباحث فیزیکی ارائه کرده است. این نظریه الهام‌بخشی برای مبحث ابَرَتقارن بود، به ما کمک کرد تا آنتروپی سیاهچاله را درک کنیم، همچنین توانست رویکردهای جدیدی برای محاسبات سنتی در خصوص نظریه میدان کوانتومی، ارائه کند. در پایان باید گفت که شاید نظریه ریسمان نتواند در قامتِ نظریه همه چیز ظاهر شود، اما می‌تواند بعنوان حوزه مجزایی از تحقیقات در گوشه‌ای از علم به کار خود ادامه دهد. شاید سرانجام ما را به مسیر درست هدایت کند و ما جنبه‌های تازه‌ای از جهان کوانتومی را کشف کنیم.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع:  rankred.com