بیگ بنگ: گفته‌ها حاکی از آن است که آلبرت اینشتین در آخرین ساعات عمرش بر روی زمین چیزی را تند و بدخط بر روی یک تکه کاغذ نوشته و سعی داشته “نظریه همه چیز” را فرمول‌بندی کند. حدود 60 سال بعد، یک چهرۀ افسانه‌ای دیگر در فیزیک نظری به نام استیون هاوکینگ با تفکراتی مشابه از دنیا رفت. می‌دانیم که هاوکینگ تصور می‌کرد «نظریۀ M» بهترین شرط‌بندی ما برای دستیابی به نظریه‌ کاملی از کیهان است. اما این نظریه چیست و چه چیزی را توصیف می کند؟

به گزارش بیگ بنگ، از زمان فرمول‌بندی نظریه‌ نسبیت عام اینشتین در سال 1915، هر فیزیکدان دربارۀ درک دنیای بی‌نهایت کوچک اتم‌ها و اجرامی با مقیاس بی‌نهایت بزرگ کیهان، رویاپردازی کرده است. درحالیکه مقیاس بی‌نهایت بزرگ کیهان با معادلات اینشتین توصیف می شود، دنیای بی‌نهایت کوچک اتم‌ها و ذرات با دقت فوق‌العاده زیاد توسط مدل استاندارد فیزیک، پیش‌بینی می‌شوند.

درک فعلی ما حاکی از آن است که فعل و انفعال بین اشیاء فیزیکی با چهار نیروی بنیادی توصیف می‌شود. دو نیرو – گرانش و الکترومغناطیس – در سطح ماکروسکوپی به ما مربوط می‌شوند و در زندگی روزمره با آنها سر و کار داریم. دو نیروی دیگر که فعل و انفعالات هسته‌ای قوی و ضعیف را برعهده دارند؛ در یک مقیاس بسیار کوچک عمل می‌کنند و فقط در فرآیندهای زیراتمی با آنها سر و کار داریم.

“مدل استاندارد فیزیک” یک چارچوب یکسان را برای سه عدد از این نیروها فراهم می‌کند، اما گرانش به طور ثابت در این فرایند حضور ندارد. نسبیت عام علی‌رغم شرح دقیق پدیده‌های بزرگ مقیاس مثل مدار سیارات یا پویایی کهکشان‌ها، در اجرام ریز مقیاس درهم شکسته می‌شود. براساس مدل استاندارد، تمام نیروها با ذراتی خاص به هم متصل شده‌اند. برای گرانش، ذره‌ای که گراویتون نام دارد این کار را انجام می‌دهد. اما در زمان محاسبۀ چگونگی فعل و انفعالات ذرات گراویتون‌، آنها به بی‌نهایت‌های ِ بی‌معنا ختم می‌شوند.

نظریۀ گرانش باید در هر مقیاسی معتبر باشد و ماهیت کوانتومی ذرات بنیادی را در نظر بگیرد. این کار باعث می‌شود گرانش در یک چارچوب یکسان با سه نیروی بنیادی دیگر ارتباط برقرار کند، در نتیجه “نظریه همه چیز” می تواند شکل بگیرد. البته، از زمان مرگ اینشتین در سال 1955، پیشرفت زیادی صورت گرفته و امروزه بهترین داوطلب ما «نظریۀ M» نام دارد.

انقلاب ریسمان:

برای درک ایدۀ بنیادی نظریه‌ M، باید به دهۀ 70 میلادی برگردیم. یعنی زمانیکه دانشمندان تشخیص دادند؛ بجای توضیح کیهان بر اساس ذرات بنیادی، می‌توان جهان را در قالب ریسمان‌های(رشته‌های) نوسانی کوچکی از انرژی، توصیف کرد. این طرز تفکر جدید دربارۀ عناصر سازنده بنیادی طبیعت، مسائل نظری زیادی را حل کرد. به‌طورکلی، نوسان خاص ریسمان‌ها را می‌توان به عنوان گراویتون تفسیر کرد. و برخلاف نظریۀ استاندارد گرانش، نظریه‌ ریسمان می‌تواند فعل و انفعالاتش را به طور ریاضیاتی توصیف کند، بدون اینکه به بی‌نهایت‌های عجیبی ختم شود. از این رو، گرانش در نهایت در یک چارچوب متحد قرار می گیرد.

پس از این کشف هیجان‌انگیز، فیزیکدانان نظری بسیار تلاش کردند تا پیامدهای این ایدۀ ابتدایی را درک کنند. هرچند، همانطور که اغلب برای تحقیقات علمی پیش می‌آید، تاریخچه نظریۀ ریسمان فراز و نشیب‌هایی را تجربه کرده است. در ابتدا، مردم گیج و سردرگم شدند، زیرا این نظریه وجود یک ذره را پیش‌بینی کرده بود که سریعتر از سرعت نور حرکت می‌کند و آن را «تاکیون» نام داشت. این پیش‌بینی مخالف با تمام پیش‌بینی‌های آزمایشگاهی بود و شک و تردیدهای جدی را در مورد نظریۀ ریسمان ایجاد کرد.

با این وجود، این مسئله در اوایل دهه 80 میلادی با معرفی چیزی به نام «اَبَرتقارن» در نظریۀ ریسمان حل شد. اَبَرتقارن پیش‌بینی می‌کند که هر ذره‌ای یک ابرهمزاد دارد و همین وضعیت در واقع تایکون را از بین می‌برد. این موفقیت ِ اولیه در واقع «اولین انقلاب ریسمان» نامیده می‌شود. یک ویژگی جذاب دیگر این است که نظریه ریسمان به 10 بُعد از فضا-زمان نیاز دارد. در حال‌ حاضر، فقط چهار بُعد را می‌شناسیم: عمق، ارتفاع، عرض و زمان. اگرچه این مسئله یک مانع بزرگ به نظر می‌رسد، راه‌حل‌های گوناگونی پیشنهاد شده و امروزه به عنوان یک ویژگی برجسته در نظر گرفته می‌شود، نه یک مشکل.

مثلأ ممکن است مجبور شویم در یک جهان چهار بُعدی بدون دسترسی به ابعاد اضافی زندگی کنیم. یا ابعاد اضافی می‌توانند در یک مقیاس کوچک «فشرده شوند» به‌گونه‌ای که آنها را تشخیص ندهیم. هرچند، فشرده‌سازی‌های مختلف، مقادیر متفاوتی از ثابت‌های فیزیکی و همچنین قوانین فیزیک گوناگونی را ایجاد می‌کند. یک راه‌حل احتمالی این است که جهان ما تنها یکی از تعداد زیادی «چندجهانیِ» نامحدود باشد که با قوانین فیزیک متفاوتی اداره می‌شود. این مسئله عجیب به نظر می‌رسد اما فیزیکدان نظری زیادی با این ایده موافقند. اگر متقاعد نشده‌اید، می‌توانید رمان “سرزمین تخت”(Flatland)، داستان عاشقانه‌ای از چندین بُعد، نوشتۀ ادوین ابوت را مطالعات کنید؛ در این رمان، کاراکترها مجبورند در دو بُعد از فضا زندگی کنند و قادر به تشخیص بُعد سوم نیستند.

نظریه‌ M:

اما یک مسئلۀ دیگر وجود داشت که در آن زمان نظریه‌پردازان ریسمان را آزار می‌داد. طبقه‌بندی دقیق نشان می داد که پنج نظریۀ ریسمانِ همسو اما متفاوت وجود دارد و مشخص نبود که چرا طبیعت یکی از این پنج مورد را انتخاب کرده است.

در این زمان بود که نظریۀ M وارد بازی شد. در حین دومین انقلاب ریسمان‌ها در سال 1995، فیزیکدانان این فرضیه را مطرح کردند که پنج نظریۀ ریسمان ِ همسو در واقع تنها اشکال متفاوتی از یک نظریۀ واحد میباشند که در فضا-زمان را در یازده بُعد توصیف می کنند و نظریۀ M نامیده می شود. این نظریه شامل هرکدام از نظریه‌های ریسمان در بافت‌های فیزیکی متفاوت است، اما هنوز برای تمامی آنها معتبر می‌باشد. این تصویر به‌ شدت خارق‌العاده از کیهان باعث شده بیشتر فیزیکدانان «نظریۀ M» را به عنوان نظریۀ همه چیز بدانند – نظریۀ همه چیز از لحاظ ریاضیاتی نسبت به نظریات داوطلبِ دیگر با نظریه‌ M انطباق بیشتری دارد.

با این وجود، تاکنون نظریۀ M سعی کرده پیش‌بینی‌هایی را ارائه دهد که قابل آزمایش باشند. هم اکنون اَبَرتقارن در برخورد‌دهنده‌ هادرونی بزرگ در حال آزمایش است. اگر دانشمندان شواهدی از ابرهمزاد را پیدا کنند، نظریۀ M قدرت پیدا می‌کند. اما هنوز یک چالش برای فیزیکدانان نظری وجود دارد، زیرا باید پیش‌بینی‌های قابل آزمایشی انجام دهند، همچنین فیزیکدانان تجربی باید آنها را آزمایش کنند. بیشتر فیزیکدانان و کیهان‌شناسان ِ بزرگ مشتقاند که شرح زیبا و ساده‌ای از کیهان، را ارائه دهند تا همه چیز را به سادگی شرح دهند. اگرچه هنوز بطور کامل به آنجا نرسیده‌ایم، بدون ذهن‌های خلاق و تیزهوش افرادی مثل هاوکینگ هرگز نمی‌توانستیم به اینجا برسیم.

ترجمه: سحر  الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: theconversation.com