مفاهیم پایه نظریه‌ی ریسمان – قسمت اول

نظریهٔ ریسمان (به انگلیسی: String Theory) شاخه‌ای از فیزیک نظری و بیشتر مربوط به حوزه فیزیک انرژی‌های بالاست.

این نظریه در ابتدا برای توجیه کامل نیروی هسته‌ای قوی به وجود آمد، ولی پس از مدتی با گسترش کرومودینامیک کوانتومی کنار گذاشته شد و در حدود سالهای ۱۹۸۰ دوباره برای اتحاد نیروی گرانشی و برطرف کردن ناهنجاری‌های تئوری ابرگرانش وارد صحنه شد.

بنابر این نظریه، ماده در بنیادی‌ترین صورت خود، نه ذره بلکه ریسمان مانند است. یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون و غیره) اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته ‌شوند، ریسمان هستند. ریسمان می‌تواند بسته (مثل حلقه) یا باز (مثل بند کفش) باشد.

همانطور که حالت‌های مختلف نوسانی در سیمهای سازهای زهی مثل گیتار صداها (نتها)ی گوناگونی ایجاد می‌کند، حالتهای مختلف نوسانی این ریسمانهای بنیادین نیز به صورت ذرات بنیادین گوناگون جلوه‌گر می‌شود.

خاصیت مهم اَبَرْریسمان که فیزیکدانان را به سمت خود کشاند این بود که این نظریه به طرزی بسیار طبیعی گرانش (نسبیت عام) و مدل استاندارد (نظریهٔ میدان کوانتوم) که سه نیروی دیگر موجود در طبیعت (یعنی نیروی الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) را توصیف می‌کند به هم مرتبط می‌سازد.

تا همین اواخر، دانشمندان نتوانسته بودند تقریباً هیچ چیزی را با استفاده از نظریه ریسمان (استرینگ تئوری) که بعضی‌ها به آن «نظریه همه چیز» هم می‌گویند، توضیح دهند؛ ولی در کارگاه انستیتوی فیزیک نظری کاولی در سانتاباربارای کالیفرنیا، دانشمندان از این نظریه برای پیشرفت در حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک ماده چگال استفاده کردند: منشا و ریشه ابررسانایی گرم.

نظریه ریسمان چنین بیان می‌کند که ریسمان‌های مرتعشی که در ده بعد وجود دارند، پایه و اساس دنیای قابل مشاهده را تشکیل می‌دهند و چگونگی ارتعاش آنها، ذرات یا نیروهای بین آنها را تفکیک می‌کند. به رغم این‌که این فرض پایه‌ای هنوز در شک و تردید است و با دانسته‌ها و تجهیزات فعلی بشر هم آزمایش تجربی آن محال است؛ بعضی از ابزارهای ریاضی که در چند سال گذشته در نظریه ریسمان استفاده شده بودند، برای توضیح رفتار مواد داغ حالت پلاسما و شبکه‌های فوق سرد اتم‌ها به‌کار گرفته شدند.

آخرین ادعا در مورد نظریه ریسمان، ابزاری کلیدی در توضیح رفتار معمولی موادی است که در دماهای نسبتا بالا، الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می‌دهند. این حالت را ابررسانایی می‌نامند و نظریه‌ای که ابررسانایی مرسوم را در دماهایی نزدیک به صفر مطلق (منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد) توجیه می‌کند، نظریه کاملی است؛ ولی نظریه‌ای که رفتار گروه دوم موادی را که در دمای تقریبا ۷۹ کلوین (منفی ۱۹۴ درجه سانتی‌گراد) خاصیت ابررسانایی را از خود بروز می‌دهند، توجیه کند، هنوز به صورت یک معما باقی مانده است. نظریه‌پردازان فعال در نظریه ریسمان امیدوارند که با توضیح رفتار معمولی این مواد، در دمایی فقط کمی بالای دمایی که در آن دما، این مواد از خود ویژگی ابررسانایی را بروز می‌دهند، بتوانند خود پدیده ابررسانایی در دمای بالا را بهتر کنترل کنند.

سابیر ساچدف، از نظریه‌پردازان ماده‌چگال در دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «این بدین معنا است که ما با استفاده از توضیح نظریه ریسمان، در آستانه درک حالت جدیدی از ماده قرار داریم».

همچنین ساچدف و همکارانش در یک گردهم‌آیی کارگاهی، از هر یک از حضار خواستند که مدل ادعایی خود را برای توجیه ابررسانایی در دمای بالا با استفاده از نظریه ریسمان ارائه دهند و برای ثبت آن، برگه‌ای را دست به دست بین شرکت‌کنندگان چرخاندند که در ابتدا هیچ چیزی روی آن نوشته نشده بود.

شان هارتنول محقق دوره فوق‌دکترای دانشگاه هاروارد، که یکی دیگر از برگزار کنندگان این کارگاه بود نیز بر این باور است که یافتن کاربردهای جدید برای ریاضیات نظریه ریسمان، انرژی تازه‌ای را وارد این حوزه می‌کند. او می‌گوید: «اکنون به نظر می‌رسد که با دیگ جوشانی از افکار و نظرات جدید روبرو هستیم».

به طور سنتی فضایی که ریسمان‌ها در آن فعالیت دارند، بیست و شش بعدی است (البته همیشه اینطور نیست چنان که در زیر توضیح داده خواهد شد). عدد بیست و شش از روی ضوابط ریاضی و نظریهٔ گروهها (برای حفظ تقارن لورنتس) به دست می‌آید. این امر ممکن است در ابتدا کمی ثقیل و مشکل‌زا به نظر برسد. چرا که به هرحال ما در اطراف خود چهار بعد (سه بعد مکانی و یک بعد زمانی) بیشتر احساس نمی‌کنیم پس این بعدهای اضافه کجایند؟ پاسخی که معمولاً به این پرسش داده می‌شود اینست که این بعدها برخلاف چهار بعد دیگر) کوچک و نیز فشرده (معادل انگلیسی compact) هستند. فشرده یعنی آنکه اگر در جهت آنها به اندازهٔ کافی پیش‌روی کنید به جای اول خود باز می‌گردید. کوچک بودن هم معنایش اینست که برای آنکه به جای نخست بازگردید باید مسافت خیلی کمی را طی کنید.

برای نمونه یک لولهٔ بینهایت دراز را در نظر بگیرید. سطح این لوله مسلما دوبعدی است. یعنی مورچه‌ای که روی سطح این لوله قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. فرض کنید که سر مورچه در راستای طول لوله‌است. مورچه می‌تواند یا عقب-جلو برود یا چپ-و-راست. اما اگر به‌فرض این مورچه به اندازهٔ کافی (یعنی به اندازهٔ محیط لوله) در جهت چپ حرکت کند به جای اول خود باز می‌گردد اما قضیه در مورد عقب جلو رفتن صدق نمی‌کند. پس یکی از بعدهای این فضای دوبعدی (یعنی یکی از بعدهای سطح لوله) فشرده و یکی نافشرده است.

اینک فرض کنید که این مورچه روی یک توپ قرار دارد. باز هم می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند منتهی این‌بار در هر جهتی روی سطح کره مستقیم حرکت کند، پس از طی مسافتی (برابر با محیط دایرهٔ عظیمهٔ کره) به جای نخست بازمی‌گردد. پس این بار هر دو بعد این فضای دوبعدی (یعنی سطح توپ) فشرده است.

بازگردیم به فضای دوبعدی سطح لوله. این بار فرض کنید که محیط این لوله خیلی کم باشد یا مثلاً به جای لوله یک کابل برق داشته‌باشیم. برای مورچه (اگر به اندازهٔ کافی کوچک باشد)این کابل هنوز یک سطح دو بعدی است یعنی وقتی که روی سطح کابل قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. اما برای ما انسان‌ها کابل برق یک شی یک بعدی محسوب می‌شود چون فقط درازای آن قابل درک است.

حالتی بسیار شبیه به این در مورد این بعدهای اضافه در نظریه ریسمان رخ می‌دهد. به این معنی که ما به خاطر اندازهٔ بزرگ خود از درک این ابعاد اضافی عاجز هستیم اما این ابعاد برای بعضی از ذره‌ها با انرژی زیاد قابل دسترسی است.

تئوری ریسمان در ابتدا برای شرح بوزون‌ها به ویژه هادرون‌ها که ذراتی سنگین در حمل نیروی قوی هسته‌ای هستند ارائه شده بود. از جهتی این تئوری به راحتی می‌توانست تئوری میدان‌های کوانتومی که در رابطه با به وجود آمدن ذرات و واکنش‌های بین آنها را شرح دهد. دانشمندان بر آن شدند تا به وسیله‌ی این تئوری، تئوری گرانش کوانتومی را تعریف کنند. به همین دلیل آن را یک گزینه برای نظریه‌ی همه چیز دانستند. برای این که این تئوری کامل شود، می‌بایست فرمیون‌ها نیز به آن وارد می‌شدند. با ورود فرمیون‌ها، نظریه‌ای با نام ابر ریسمان به وجود آمد که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت.

یکی از مؤلفه های مهم و چشم‌گیر تئوری ریسمان ابعاد اضافی آن است که تعداد آنها برابر ۱۰ و ۱۱ و ۲۶ تاست. زیرا این تئوری برای شرح موضوعات نیاز به این ابعاد دارد. این بحث آن قدر جزئیات دارد که خارج از بحث این مقاله است.

اما جالب است که بدانیم خود ریسمان‌ها دو نوع هستند که عبارتند از :

۱- ریسمان‌های باز که دارای دو نقطه‌ی پایانی مشخص هستند.

۲- ریسمان‌های بسته که در آن نقاط پایانی‌اش به هم پیوسته و یک حلقه‌ی کامل را تشکیل می‌دهند. این‌ها دارای خواصی هستند که اندکی با هم تفاوت می‌کند. از طرفی طول ریسمان معادل طول پلانک می‌باشد که با تکنولوژی‌های کنونی اصلا قابل تصور هم نیست.

ادامه دارد...