اَبر ریسمانها و گرانش کوانتومی

بیگ بنگ: برای درک و فهم سوالاتی همچون، جهان از کجا آمده؛ چرا و چطور ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش بیگ بنگ رخ داد و آیا قبل از آن چیزی وجود داشته است، و اگر وجود داشته، آن چیز چیست؟ ما نیاز به درک بهتر تکینگی هایی همچون سیاهچاله ها و تکینگی ای که تولد خود جهان را مشخص می کند، داریم.

big-bangبه گزارش بیگ بنگ، برای رسیدن به این منظور، اکثر دانشمندان معتقدند که یک «نظریه ی کوانتومی گرانش» (که با عنواین دیگری چون «گرانش کوانتومی» یا «اتحاد» و «نظریه همه چیز» نیز از آن نام برده می شود) مورد نیاز است، که ترکیبی از نظریه نسبیت عام(بهترین نظریه فعلی برای اجرام بسیار بزرگ) و نظریه کوانتوم (بهترین نظریه فعلی برای ذرات بسیار کوچک) میباشد. این مفاهیم ممکن است از اساس ناسازگار به نظر برسند، حتی آلبرت اینشتین که نیمی از عمر خود را وقف وحدت میان آن دو نظریه کرد، نهایتا کوتاه آمد. ولی تلاش ها برای پیدا کردن راهی برای ایجاد این پیوند، همچنان در جبهه های مختلف علمی ادامه دارد.

در دهه ۱۹۷۰، قویترین نظریه ی کاندیدا در این زمینه «ابرگرانش» بود، یک نظریه میدان که اصول ابرتقارنی و نسبیت عام را ترکیب می نماید. گرچه این نظریه در ابتدا بسیار امیدوار کننده ظاهر شد، اما خیلی زود مشخص شد که محاسبات پیچیده ی این نظریه به حدی طولانی و سخت است که ممکن هست هرگز به اثبات نرسد. در حوالی سال ۱۹۸۴، مایکل گرین و جان شوارتز در مقاله ای پیشگامانه ی خود، تحول قابل توجهی در دنیای فیزیک نظری به وجود آوردند. و در همین راستا نظریه ریسمان (یا به طور خاص، نظریه ابرریسمان) به شکلی جدی تر مورد حمایت قرار گرفت. تغییر پارادایمی که گاهی از آن به عنوان «انقلاب اول ابرریسمان» یاد می شود.

نظریه ریسمان در اواخر دهه ۱۹۶۰ در نتیجه تلاش های گابریل ونزیانو، لئونارد ساسکیند و دیگر فیزیکدانان آن زمان مطرح شد. این نظریه بیان می کند که ساختار پایه جرم، ذراتی نقطه مانند نیستند، بلکه رشته هایی تک بعدی مرتعشی از انرژی است که به شکل غیر قابل تصوری کوچک هستند. آنها فقط طول دارند و هیچ بعد دیگری ندارند، یک تکه رشته یا ریسمان ِ بی نهایت نازک. ریسمانها ممکن است باز باشند (یعنی ابتدا و انتها داشته باشند) یا بسته باشد (یعنی به شکل یک حلقه درآیند). مدت ها این ریسمانها به صورت نوار دو بعدی (برای ریسمانهای باز) و یا حلقه (ریسمانهای بسته) معرفی می شدند.

bigbang_superstringsتصویری هنری از نهادهای اساسی نظریه ابرریسمان توسط فلاویو روبلس

ممکن است بین این دیدگاه که جهان از ریسمان ها تشکیل شده است، در برابر دیدگاهی که جهان را ساخته شده از ذرات نقطه مانند(شکلی که تاکنون در آزمایشات علمی مشاهده شده است) می داند تنقاضی آشکار به نظر بیاید. اما دلیل این تناقض این است که ریسمانها به حدی کوچک هستند که تشخیص شکلشان حتی با برترین تلکنولوژِی هایی که در دست داریم هم غیر ممکن است. بنابراین آنها به شکل ذرات بسیار ریز بدون شکل به نظر می رسند، مثل ذرات گرد و غبار که با چشم غیر مسلح به صورت نقطه دیده می شوند و در زیر میکروسکوپ مشخص می شود که آنها هم شکل های متنوعی دارند. برای درک بهتر اندازه ی بی نهایت کوچک ریسمانها، اگر یک ریسمان را به اندازه یک موش تصور کنید، در این مقیاس یک الکترون اندازه ای برابر منظومه شمسی خواهد داشت.

اما زیبایی نظریه ریسمان تظاهر آن در همه چیزهای موجود در جهان است، همه اجرام و نیروها از یک عنصر یگانه ساخته شده اند. ریسمانها از جرم و انرژی فوق العاده متمرکزی تشکیل شده اند که مانند سیم های ویلون در حال ارتعاش هستند، هر نوع ارتعاش خاصی مربوط به یک ذره بنیادی است(الکترون، پروتون و…). نشر یا جذب یک ذره با تقسیم شدن یا به هم پیوستن دیگر ریسمانها انجام می پذیرد، و نیروهای وارد بر ذرات با ریسمان هایی که به ریسمانهای آن ذرات در یک شبکه پیچیده متصل است، در ارتباط هستند.

بر اساس نظریه ریسمان، جهان نوعی سمفونی است و قوانین فیزیکی هارمونی آن هستند. ارتعاشات ریسمانها در یک دنیای ۱۰ بعدی رخ می دهد، هر نقطه ی تک بعدی از فضای معمولی ما مشتمل بر یک ساختار پیچیده هندسی شش بعدی است که در فضایی در مقیاس پلانک(کوچکترین فاصله شناخته شده از هر چیزی، حدود ۳۵-^۱۰×۱٫۶ متر) در هم پیچیده است. کیفیت ارتعاشی این ریسمان های ریز از انرژی، جایگزین توصیفات کوانتومی جهان از ذرات و میدان ها شده است. قدرت ارتعاش چیزی است که ما در جهان به عنوان جرم می بینیم، و الگوهای ارتعاشی نیروهای بنیادین هستند.

تفکر ترکیب ابعاد اضافی با فضا-زمان به ایده فیزیکدان لهستانی، تئودور کالوتسا در سال ۱۹۱۹ و همچنین اسکار کلین فیزیکدان سوئیسی برنده جایزه نوبل، که مستقلا در سال ۱۹۲۶ در این باره تحقیق میکرد، بر می گردد. آنها این سوال را مطرح کردند که چرا نتوانیم الکترومغناطیس و گرانش را در یک جهان ۵ بعدی با هم متحد کنیم؟ یا اینکه ممکن است الکترومغناطیس با خمیدگی در بعد پنجم ارتباط داشته باشد، همانطور که طبق نظریه نسبیت عام، گرانش ناشی از خمیدگی در فضا-زمان چهار بعدی است. در واقع نظریه ریسمان در ابتدا با یک رویکرد ۲۶ بعدی مطرح شد و بعدا با کشف پدیده ای ریاضیاتی به نام «خمینه کالابی-یائو» به تئوری ۱۰ بعدی که به عنوان نظریه ابرریسمان (کوتاه شده عبارت نظریه ابرتقارنی ریسمان) شناخته می شود، کاهش یافت.

bigbang_calabi_yaoنمایی از خمینه کالابی-یائو در نظریه ابرریسمانها

نسبیت عام به طور ضمنی گرانش را خمیدگی در فضا-زمان چهار بعدی تفسیر می کند، نظریه ابرریسمان بر این اساس پایه ریزی شده که نسبیت عام با مکانیک کوانتوم سازگار شود. ابرریسمان تلاشی است امیدوار کننده برای نظریه ای که مدتهاست می خواهد کوانتوم و گرانش را با هم ترکیب کند. در واقع در فراتر از ۱۰ بعد، (که به جز چهار بعدی که با آنها آشنایی داریم بقیه آنها ریسمان های پیچ خورده کوچکی در مقیاس پلانک هستند) حتی ممکن است تمامی نیروهای بینیادی طبیعت در یک تعریف به عنوان «نظریه همه چیز» خلاصه شوند، چیزی که به عنوان گرانش کوانتومی، شناخته می شود.

نظریه ابر ریسمان همچنین ممکن است راهی برای توضیح مشکل پیچیده دیگری که سالهاست در فیزیک حل نشده پیدا کند، اینکه چرا گرانش در مقایسه با دیگر نیروهای بنیادی اینقدر ضعیف است. اگرچه ریسمانها برای دیدن و اندازه گیری بسیار کوچک هستند، فرض بر این است که احتمالا اثرات گرانشی می تواند فقط بر ابعاد بالاتر اعمال شود که ما نمی توانیم آنها را احساس کنیم. هر چند حقایق زیادی از این ریسمانهای بسیار کوچک(که احتمالا آنها را هرگز نخواهیم دید) به دست آمده است. سوال این است که آیا نظریه ریسمان کاملا علمی است یا صرفا دیدگاهی فلسفی است.

نظریه ابرریسمان اعتبار خود را تماما از ریاضیات به دست آورده است، و در حیطه انتزاعی و نظری ناموفق باقی مانده است، به خصوص اینکه ما نه به وضوح قادر به مشاهده اشیاء بسیار کوچک هستیم، نه توانایی تجسم مفاهیم چند بعدی آن را داریم. علاوه بر این، حداقل پنج نظریه مختلف ابرریسمان وجود دارند که اگرچه جذاب هستند ولی هیچکدام به طور قطعی پذیرفته نشده اند. در همین راستا در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن، شواهدی ارائه داد که با گنجاندن بعد یازدهم به ده بعد قبلی، ممکن است قادر شویم نظریات مختلف ریسمان را در قالب یک نظریه کلی تر آشتی دهیم، همچنین ممکن است نظریه ابرریسمان را با نظریه ابرگرانش (که از اوایل دهه ۱۹۸۰ تا حد زیادی نادیده گرفته شده بود) سازگار کنیم.

با اضافه شدن بعد یازدهم، عنصر اصلی سازنده جهان از ریسمان به «غشاء» تغییر کرد، که منجر به ایجاد نظریه «غشاء» یا «نظریه ام» شد، اولین تعریف از نظریه ام را برت اوروت، در سال ۲۰۰۱ ارائه داد. خیلی زود روشن شد که بعد یازدهم حتی از ابعاد نجومی نظریه ریسمان هم بیگانه تر است، طولش بی نهایت اما عرضش فقط ۲۳-^۱۰ متر است، بنابراین از لحاظ نظری در هر نقطه با عرض یک کواردیلیونم متر از جهان سه بعدی ما وجود دارد، اما برای ما کاملا نامحسوس است.

تصویری هنری از خطوط موج دار غشاء

نظریه ام و اضافه کردن بعد یازدهم، با فرضیه جهان های چندگانه نیز سازگار است، راه حلی که اگرچه برای بیشتر مشکلات پیچیده فیزیک نظری مناسب است، اما بی نهایت سخت و غیر قابل اثبات است. برای مثال اگر غشاء ها را متحرک و ناهموار فرض کنیم، پدیده های مختلفی همچون تکینگی ها (و خود بیگ بنگ) می توانند نتیجه برخوردهای تصادفی بین ناهمواری های غشاء ها در نظر گرفته شوند، بیگ بنگ اولیه ی جهان ما نیز فقط یکی از برخورد های پایدار در جهانهای موازی است. این چشم انداز از بعد یازدهم، نسبت به تصورات اولیه ی آرام و شناور غشاء ها تصویر فعال و خشن تری ارائه می دهد. همچنین نشان می دهد که زمان در حقیقت می تواند به دنبال اولین تکینگی از بیگ بنگ به وجود آمده باشد. وجود تعداد نامتناهی جهان مختلف ایده ی شگفت انگیزی است، که در هر یک از این جهان ها قوانین فیزیکی متفاوتی برقرار است و در هر زمان در یکی از آنها یک بیگ بنگ در حال رخ دادن است.

به نظر می رسد که، وجود جهان های موازی برای اکثر مشکلات برجسته این نظریه راه حل قابل قبولی است. برای مثال بعضی فیزیکدانان (به ویژه لیزا راندال) معتقدند که نظریه ام ممکن است علت ضعیف بودن نیروی گرانش در جهان ما را توضیح دهد، بر همین اساس ریسمان های بازی ِ با نام گراویتون وجود دارند که با نیروی گرانش در ارتباط هستند، این ریسمان ها ممکن است که به خوبی با غشای سه بعدی جهان ما درگیر نباشند بنابراین ما فقط قادر به احساس بخش کوچکی از کل این نیرو هستیم.

نظریه ابر ریسمان (و انشعاب آن، نظریه ام) به هیچ وجه تنها نامزد «نظریه همه چیز» نیست. و رویکردهای دیگری هم در این زمینه مطرح شده اند، این رویکردها شامل: ۱- «نظریه گرانش کوانتومی حلقه» (که در آن فضا توسط ساختار شبکه ای به نام (شبکه اسپین) تعریف شده است، و ذرات در فواصل پلانکی به هم تاب خورده و بافته شده اند و زمان هم در مراحل مجزا گسترش یافته است) ۲-«مثلث بندی دینامیکی سببی»(رویکری مستقل از پس زمینه که میکوشد که نشان دهد خود فضا-زمان چگونه تکامل می یابد.) ۳-«مجموعه های سببی» (که اصل بنیادی آن این است که فضا-زمان اساساً گسسته است و رویدادهای فضا-زمان با یک ترتیب پاره‌ای (جزئی) به هم مرتبط اند.) و نظریه جدیدی به نام ۴- «نظریه فوق العاده ساده از همه چیز» میباشند.

ترجمه: امین میرزایی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: physicsoftheuniverse.com

(27 نفر , میانگین : 4٫93 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=53537
تحریریه‌ی بیگ بنگ

تحریریه‌ی بیگ بنگ

وب سایت بیگ بنگ یک سایت علمی، تحقیقاتی میباشد که توسط تعدادی از علاقمندان به علم و دانش اداره می شود. این سایت از اواخر سال 1390 تاکنون به فعالیت خود در این حوزه ادامه داده است.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۵ پاسخ‌ها

  1. Aio گفت:

    راهی هم وجود داره که این تئوری ها در قالب یک آزمایش فیزیکی به اثبات برسند یا مشاهده بشن؟ منظورم از مشاهده،اثرات یا عوارضی هست که میتونند در دنیای ما داشته باشند،مثل نسبیت عام..

  2. مريم گفت:

    اگه مقیاس اندازه گیرى یا اسکیل رو اینطورى تصور کنیم که یک الکترون به اندازه نه منظومه شمسى و نه حتى کهکشان راه شیرى بلکه به اندازه یه خوشه کهکشانى شامل حدود مثلا ده هزار کهکشان به اندازه کهکشان راه شیرى در نظر بگیریم اونوقت یه جسمى به اندازه یه مورچه و نه یک موش دقیقا تکلیفش و تعریفش چیه؟ آیا اصلا میتونیم مقیاس یا اسکیلمون رو تا این اندازه بزرگ در نظر بگیریم؟ آیا این اندازه ها اصلا تو نظریه همه چیز میگنجه؟ آیا بازهم یه مورچه رو با این اندازه میتونیم یه جسم سه بعدى و این جهانى فرض کنیم؟

  3. پوریا گفت:

    هنوز ۴ بعد رو به خوبی نمیشناسم دنبال ۱۱ بعد هستیم؟؟؟؟ واقعا جای انیشتین خالیه . کاشکی بودش یکم میخندیدیم دور همی . ماده تاریک و سیاه چال ها و گرانش اینا چیزایی هستن که بشر باید روی شناختشون وقت بذاره و به جواب خیلی از سوالا میرسه این که برن دنبال نظریه هایی که فعلا اثباتش دور از دسترسه منطقی نیست.

  4. پوریا گفت:

    مورچه اگه سه بعد نداشت له نمیشد زیر دستمون.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *