نظریه ریسمان در فیزیک

 String theory

نظریه‌ی ریسمان یکی از پیچیده‌ترین نظریه‌های فیزیک می باشد که با هدف ایجاد وحدت و هماهنگی میان نیرو‌ها‌ی طبیعت و فرمول‌بندی همه‌ی قوانین طبیعت در یک نظریه‌ی واحد طراحی شده است. در سال ۱۶۶۵ نیوتون با افتادن یک سیب نیوتون به قانون جهانی گرانش رسید و پی‌برد نیرویی که سیب را به طرف زمین می‌کشد با نیرویی که ماه را در مدار خود به دور زمین نگه می‌دارد باید یکی باشد و این گونه شد که نیوتون آسمان و زمین را در یک نظریه‌ی واحد به‌نام جاذبه یکی نمود. معادلات نیوتون به‌اندازه‌ای دقیق عمل می‌کردند که دانشمندان تا سال‌ها برای پیشبرد اهدافشان به معادلاتی بیش از آن نیاز نداشتند. اما مشکلی وجود داشت، در واقع نیوتون به خوبی نمی‌دانست که جاذبه چگونه کار می‌کند. در اوایل سال‌ها‌ی ۱۹۰۰، یک منشی گمنام به نام آلبرت اینشتین که در دفتر ثبت اختراعات سوییس کار می‌کرد، همزمان روی رفتار نور نیز مطالعه داشت. او در ۲۶ سالگی به کشفی راه‌گشا دست‌یافت و متوجه‌شد که سرعت نور، نوعی از سرعت حد کیهانی است وهیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت‌کند. در واقع ۸ دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به ما برسد. حال فرض‌کنیم خورشید از بین برود، طبق نظر نیوتون به محض ناپدید‌شدن خورشید، سیارات از مدار‌های خود به سوی فضا منحرف می‌شوند. به‌عبارت دیگر، جاذبه سریع‌تر از نور حرکت می‌کند. اما اینشتین نشان داد که این صحیح نیست. او مدعی شد که گرانش همان خمیدگی‌ها و پیچ‌و‌تاب‌ها‌ی ساختار فضا و زمان است و این مسئله را در قالب نظریه‌ی نسبیت عام بیان کرد. اکنون اگر آن فاجعه‌ی کیهانی را دوباره مرور کنیم، پس از ناپدید شدن خورشید، فرو رفتگی ساختار فضا به‌جا‌ی خود بازگشته و یک آشفتگی به‌وجود می‌آورد و طبق محاسبات اینشتین، سرعت حرکت این آشفتگی‌ها دقیقا برابر سرعت نور است بنابر‌این ۸ دقیقه طول می‌کشد تا این آشفتگی به زمین برسد و زمین را از مدار خود منحرف کند. اینشتین هدف بزرگ‌تر‌ی داشت و آن یکی کردن گرانش جدید با نیرو‌ی الکترو‌مغناطیس بود که قبلا توسط ماکسول یگانه شده بود. در واقع ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس در طبیعت بسیار مشهود است. ماکسول الکتریسیته و مغناطیس را در چند معادله توضیح داد.

این نظریه یک چهارچوب نظری را فراهم می‌آورد که در آن ذرات نقطه‌ای فیزیک ذرات با اشیاء یک بعدی به نام ریسمان‌ها جایگزین شده‌اند. این نظریه به توصیف این می‌پردازد که چگونه ریسمان‌ها در فضا منتشر شده و با یکدیگر برهم‌کنش دارند. در مقیاس های بزرگتر از ابعاد ریسمان‌ها، ریسمان‌ها شبیه ذرات نقطه‌ای هستند که جرم، بار، و دیگر خواص آنها توسط وضعیت ارتعاشی هر ریسمان مشخص می‌شود. در نظریه ریسمان، یکی از حالت های متعدد ارتعاشی متناظر با گراویتون است؛ ذره ای در مکانیک کوانتومی که نیروی گرانش را حمل می‌کند. لذا نظریه ریسمان به نوعی نظریه گرانشی کوانتوم هم می‌باشد.

نظریه ریسمان موضوع گسترده و متنوعی است که تلاش دارد تا تعدادی از مسائل عمیق فیزیک بنیادی را حل کند. نظریه ریسمان برای مسائل متعددی در فیزیک سیاهچاله و کیهان شناسی اولیه جهان اعمال شده و موجب پیشرفت های عمده‌ای در ریاضیات محض گردیده است. به علت این که نظریه ریسمان توضیح یکپارچه‌ای از گرانش و فیزیک ذرات ارائه می دهد، کاندیدی برای نظریه همه چیز است؛ مدل ریاضیاتی خود-بسنده که تمام نیروهای بنیادی و اشکال مختلف ماده را توصیف می‌نماید. با وجود کارهای زیادی که روی این مسائل انجام شده است، هنوز مشخص نیست که نظریه ریسمان تا چه حد توصیف‌گر جهان واقعی است یا این که اصولاً این نظریه تا چه میزان آزادی عمل در انتخاب جزئیاتش را می‌دهد. نظریه ریسمان اولین بار در اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی به عنوان نظریه‌ای برای نیروی هسته ای قوی مورد مطالعه قرار می‌گرفت، تا این که این ایده رها شده و پس از آن به هدف کرومودینامیک کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفت. سپس مشخص شد که دقیقاً همان ویژگی هایی که مطالعه نظریه ریسمان‌ها را به عنوان نظریه ای برای نیروی قوی هسته‌ای نامناسب می‌ساخت، آن را کاندید امیدوار کننده‌ای برای نظریه گرانش کوانتومی می‌کند. اولین نسخه های نظریه ریسمان، یعنی نظریه ریسمان بوزونی، تنها ذره هایی به نام بوزون ها را به کار می‌گرفت. بعدها نظریه ریسمان به نظریه ابر ریسمان گسترش پیدا کرد، که رابطه ابرتقارنی بین بوزون ها و دسته ای دیگر از ذرات به نام فرمیونها را فرض قرار می‌داد. قبل از این که در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی حدسی زده شود مبنی بر این که تمام نسخه های نظریه ریسمان حالت‌های محدودتری از نظریه ریسمان ۱۱ بعدی، به نام نظریه M است، پنج نسخه سازگار از نظریه ریسمان‌ها وجود داشت. در اواخر ۱۹۹۷ میلادی، نظریه پردازان رابطه مهمی به نام تناظر AdS/CFT را کشف کردند، که نظریه ریسمان‌ها را به دیگر نظریه فیزیکی به نام نظریه میدان های کوانتومی مرتبط می‌ساخت.

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 بهترین 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. درباره کوارک ها در مرکز تحقیقات سرن، بسیار زیاد نظریه های مختلفی مطرح شده است. 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. نظریه ریسمان برخی حقایق را بر ما آشکار کرده که کوانتوم یا نسبیت قادر به آشکار کردن آن‌ها نبوده. برای نمونه طبق نسبیت عام، فضا می‌تواند پیچ و تاب بخورد، اما نمی‌تواند پاره شود. نظریه ریسمان بیان می‌کند که همواره انیشتین درست فکر نمی‌کرده است. در حقیقت اگر به اندازه‌ای بسیار زیاد کوچک شویم، خواهیم دید که در پوسته فضا-زمان نیز شکاف‌هایی وجود دارد که می‌توانند با گذشت زمان رشد کرده یا از بین بروند. بنابراین طبق نظریه ریسمان می‌توان صفحه فضا-زمان را سوراخ نمود و دو نقطه از آن را به یکدیگر متصل کرد. جالب است بدانید این دو سوراخ مرتبط با هم ناحیه‌ای از فضا تحت عنوان کرمچاله را بوجود می‌آورد که می‌توان با استفاده از آن در زمانی کوتاه به دوردست‌ها دسترسی داشت. از دیگر نتایج مهم نظریه ریسمان که می‌توان با استفاده از نحوه ارتعاش آن‌ها نوع ذره بنیادی تولید شده را تعیین نمود. برای نمونه، الکترون، شکل خاصی از ارتعاش را نتیجه می‌دهد. این نوع از ارتعاش با ارتعاش ریسمان به منظور تولید پروتون متفاوت است. توجه داشته باشید که نظریه ریسمان به چندین شکل مختلف ارائه شده، اما پایه ریاضیاتی آن‌ها یکسان هستند. این نظریه با انواع HO ،IIB ،I ،IIA و HE شناخته می‌شوند. بدون استفاده از نظریه M، به منظور توصیف کیهان با ریسمان، به ۱۰ بعد نیاز داریم. از این ابعاد، ۳ بعد فضا، ۱ بعد زمان و ۶ بعد ریزتاب‌های درونی ریسمان‌ها نشان می‌دهند. ادوارد ویتن در نظریه M، بعدی جدید نیز اضافه کرد. بعد اضافه شده توسط ویتن، قابلیتی انعطاف‌پذیر را به ریسمان می‌دهد. این بعد بیان می‌کند که چگونه یک ریسمان می‌تواند رشد کرده و توسعه یابد. یکی از نتایج جالبِ نظریه ریسمان، وجود عالم درون یک پوسته است. ابعاد این پوسته بیشتر از ابعاد عالم است. از این رو ذرات و اتم‌های قرار گرفته در این عالم قادر نخواهند بود فضای بیرون از این پوسته را درک کنند.

برای درک بهتر، یک میز بیلیارد را تصور کنید. فرض کنید خود میز فضایی سه‌بعدی بوده و توپ‌های قرار گرفته روی آن، اتم‌ها و ذرات تشکیل‌دهنده عالم باشند. با برخورد توپ‌‌های قرار گرفته روی میز به یکدیگر، امواج صوتی در طول میز منتشر می‌شود. طبق نظریه ریسمان، امواج گرانشی نیز می‌توانند در نتیجه پیچ و تاب خوردن صفحه فضا-زمان منتشر شده و به خارج از این عالم منتقل شود. و یکی از چالش های نظریه ریسمان این است که کل نظریه تعریفی که در تمام شرایط ارضاء کننده باشد را ندارد. یکی دیگر از مشکلات این است که به نظر می رسد این نظریه طیف گسترده ای از جهان های ممکن را توصیف می کند، و این مسئله تلاش برای توسعه نظریه فیزیک ذرات بر اساس نظریه ریسمان ها را به امری غامض و پیچیده تبدیل ساخته است.

انواع نظریه ریسمان

چندین نظریه ریسمان وجود دارد. اما تنها تعداد کمی از آن‌ها می‌توانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریهٔ ریسمانی که در طیف ذراتش (یعنی در حالت‌های مختلف نوسانی‌اش) ذره‌ای دارد که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند نمی‌تواند مدل خوبی از طبیعت باشد. چون به سرعت بیشتر از سرعت نور اشاره دارد که درکش سخت‌تر است اما حتی نظریه‌های ریسمانی که مدل خوبی از طبیعت نیستند می‌توانند به فهم فیزیکدانان از این نظریه و نظریه‌هایی که می‌توانند به فهم طبیعت کمک کنند.

به‌طور کلی دو گونه نظریه ریسمان وجود دارد:

ریسمان بوزونی : نخستین و ساده‌ترین گونه نظریه ریسمان است. به‌طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متأسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذره‌ای که سریعتر از نور حرکت می‌کند) وجود دارد بنابراین نمی‌تواند مدلی از طبیعت باشد. همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در مکانیک آماری) پیروی می‌کند بنابراین به‌طور طبیعی نمی‌تواند توصیف‌گر ذراتی مثل الکترون باشد. البته این نظریه در توصیف ذرات میدانی مانند گراویتون‌ها و فوتون‌ها موفق است.

ابرریسمان : با استفاده از فرض ابرتقارن یعنی در مقابل هر ذره بوزی ذره‌ای فرمیی داریم گونه‌ای نظریه است که قابلیت آن را دارد که توصیف‌گر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان غالباً ده است. در حال حاضر پنج نظریه ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. این پنج نظریه شامل گونه I، ‏ IIA ‏ IIB و دو نظریه ابرریسمان دیگر که به هتروتیک معروف‌اند می‌شود.