مفاهیم پایه نظریه‌ی ریسمان – قسمت دوم

تئوری ابر ریسمان

تئوری ابر ریسمان، کوششی از سوی متخصصان تئوری ریسمان است تا تمام ذرات بنیادی در طبیعت در قالب تئوری ریسمان بگنجند. همانطور که می‌دانیم تئوری ریسمان برای بوزون‌ها یا حاملان نیرو مطرح شد. اما در آن فرمیون‌ها جایی نداشتند. در ابر ریسمان، فرمیون‌ها یا همان ماده‌ساز، وارد قلمرو ریسمان شدند و بخشی از ارتعاش ریسمان‌‌ها را برای ساخت آنها در نظر گرفتند.

در ابتدا تصور می‌شد که این یکی از قدرتمندترین تئوری‌ها برای گرانش کوانتومی است که همه چیز را در قالب یک نظریه‌ی وا حد شرح می‌دهد. نام ابر ریسمان برگرفته از ابرتقارن تئوری ریسمان است. از این جهت آن را ابر تقارن تئوری ریسمان نام‌گذاری کردند که ابر ریسمان به وسیله‌ی ابرتقارن، فرمیون‌ها را در خود جای داد . ممکن است برای شما این سؤال مطرح شده باشد که چرا دانشمندان برای داشتن یک تئوری واحد تلاش می‌کنند ؛ چرا می‌خواهند نسبیت و مکانیک کوانتوم را در هم ادغام کنند؟ در پاسخ باید گفت که این دو تئوری انقلابی در نقاطی با یکدیگر تناقص دارند. پس باید متحد شوند تا دنیای ما به طرز درستی شرح داده شود . در واقع با توسعه میدان‌های کوانتومی می‌توان موضوع را برای نیروهای الکترومغناطیسی و قوی و ضعیف هسته‌ای بسط داد، اما نه برای گرانش. زیرا در گرانش معنای دیگری می‌یابد.

موفقیت اصلی تئوری ریسمان که موجب شد تا آن را کاندیدای تئوری گرانش کوانتومی قرار دهند، تبدیل نمودارهای فاینمن به صورت دو بعدی بود که مشکل بی‌نهایت شدن انتگرال را برای آن حل می‌کرد. زیرا دیگر نقطه صفری در آن خود‌نمایی نمی‌کرد. پس تئوری ریسمان یکی از بحران‌ها را رد کرد و این یعنی‌ اینکه می‌توانست به صورت مهم جلوه‌گر شود. تئوریهای ابر ریسمان در تئوری M به هم می‌پیوندند. .

انواع نظریه ریسمان

باید گفت که چندین نظریه ریسمان وجود دارد. اما تنها تعداد کمی از آنها می‌توانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریه‌ی 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 فیزیکدانان در فهم طبیعت کمک کنند.

به طور کلی دو گونه نظریه ریسمان وجود دارد:

۱) ریسمان بوزونی

۲) اَبَر ریسمان

انواع تئوری ریسمان

همانطور که ذکر شد این تئوری اصولاً برای شرح رفتار بوزون‌ها ارائه شد. از این جهت یکی از شاخه‌های این تئوری به بوزون‌ها اختصاص دارد .

این شاخه بوزونیک نامیده می‌شود که در آن تنها بوزون‌ها نقش ایفا می‌کنند. یعنی فقط بوزون‌ها را شامل می‌شود و در آن هر دو نوع ریسمان‌ها، یعنی ریسمان‌های باز و بسته وجود دارد. در این نوع تئوری، تاکیون‌ها نیز دارای نقش هستند. تاکیون‌ها ذراتی فرضی هستند که تصور می‌شود سرعتشان از سرعت نور بیشتر است و تاکنون هرگز مشاهده نشده‌اند. همچنین این تئوری ذرات فرشی و غیر فیزیکی دیگر به نام گاستس یا شبح را پیش‌بینی می‌کند.

در این نوع از تئوری تعداد ابعاد از تمام انواع این تئوری بیشتر است و بیست و شش بعد است. این در واقع نوع اصلی این تئوری می‌باشد.

نوع دیگر تئوری ریسمان که دارای ۱۰ بعد است، ماده و نیرو را در بر می‌گیرد. یعنی هم فرمیون‌ها و هم بوزون‌ها در آن نقش دارند و به وسیله‌ی ابر تقارن به هم ربط داده می‌شوند. البته این نوع تئوری ابر ریسمان نامیده می‌شود که تئوری‌ای، تعمیم یافته است.

در این تئوری که نوع I نامیده می‌شود هر دو نوع ریسمان باز و بسته نقش دارد، ولی در آن تاکیونی وجود ندارد و همچنین تقارن آن از نوع (SO32) است.

نوع دیگر تئوری ریسمان که IIA نامیده می‌شود، دارای ۱۰ بعد است که طبق معمول نه بعد فضایی و یک بعد زمان دارد. در این نوع، تنها ریسمان‌های بسته خودنمایی کرده و نقش‌ها را بر عهده می‌گیرند. در آن تاکیون وجود ندارد. در آن نیرو و ماده به عبارت دیگر فرمیون‌ها و بوزون‌ها نقش دارند. ولی فرمیون‌ها بدون جرم و با اسپین دو جهته فرض می‌شوند. در آن ابر تقارن نقش مهمی دارد‌.

نوع چهارم تئوری ریسمان تفاوتی اندکی با نوع سوم دارد. این نوع تئوری که IIB نامیده می‌شود، در واقع ابر ریسمان است، زیرا در آن ماده و نیرو به وسیله ابر تقارن با یکدیگر پیوسته شده‌اند و در قالب یک تئوری ریسمان در آمده‌اند. تعداد ابعاد در این نوع، ده می‌باشد. در آن تاکیون بی‌ نقش و اثر است. ریسمان‌های بسته نقش‌ها را بر عهده می‌گیرند. اما تفاوت آن در اسپین آن با تئوری قبلی است. یعنی دارای فرمیون‌های بدون جرم است که تنها در یک جهت اسپین دارند.

نوع پنجم را HO می‌نامند. این هم نوعی ابر ریسمان است که در آن ماده و نیرو به وسیله ی ابرتقارن به هم پیوند یافته‌اند. تعداد ابعاد در این تئوری معادل سه مدل قبلی یعنی ده می‌باشد. و نوعی تئوری اکتشافی (هتروتیک) است .

یعنی میان حرکت ریسمان در جهات مختلف مثلا چپ و راست با یکدیگر تفاوت دارد. گروه تقارن در آن مانند نوع دوم است، یعنی SO (32). در آن تاکیون وجود ندارد و فقط ریسمان‌های بسته نقش دارند.

نوع دیگر که HE نامیده می‌شود دارای ۱۰ بعد می‌باشد و مانند چهار نوع قبلی ابر ریسمان است و شامل نیرو و ماده است که به وسیله ی ابر تقارن به هم پیوند یافته‌اند با این تفاوت که گروه تقارن آن از نوع E8×E8 است. در آن تاکیونی وجود ندارد. همچنین در آن فقط ریسمان‌های بسته وجود دارند. این نوع نیز مانند نوع پنجم، هتروتیک یا اکتشافی است.

ریسمان بوزونی

نخستین و ساده‌ترین گونه‌ی نظریه‌ی ریسمان است. به طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورننس) دارد. متأسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذره‌ای که سریعتر از نور حرکت می‌کند) وجود دارد. بنابراین نمی‌تواند مدلی از طبیعت باشد (تاکیون یک ذره‌ی فرضی است). همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در مکانیک آماری) پیروی می‌کند. بنابراین به طور 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 فرمیونی داریم)، گونه‌ای از نظریه است که قابلیت آن را دارد که توصیف‌گر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان‌ها، غالبا ده است. در حال حاضر پنج نظریه‌ی ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. این پنج نظریه شامل گونه‌ی I، ‏ IIA ‏ IIB و دو نظریه‌ی ابرریسمان دیگر که به هتروتیک معروف‌اند می‌شود.

دی- وسته (D Brane)

مفهوم دیگری که وابستگی به ریسمان دارد، دی- وسته است. دی-وسته‌ها اشیایی هستند که دو سر ریسمانهای باز روی آنها می‌لغزند. این اشیاء، می‌توانند صفربعدی تا تعداد ابعاد فضایی (غیر زمانی) بسیار باشند. به دی- وسته‌ی دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر، «پوسته» یا دی‌- ۲وسته می‌گویند. (نام دی- وسته هم به قرینه‌ی پوسته انتخاب شده‌است). دی – ۱ وسته خود به شکل ریسمان است. به همین منوال می‌توانیم دی‌-۰ وسته‌ و غیره داشته ‌باشیم. حرف «دی» که در ابتدای این کلمه‌ها می‌آید حرف نخستین نام دریشله (ریاضیدان‌) است. بنابراین دی‌-‌وسته‌ی هرچند بعدی که داشته‌باشیم، آن را به صورت «دی‌-‌تعداد ابعاد وسته» می‌نویسیم.

در سال‌های اخیر دی‌‌-‌وسته‌ها اهمیت فزاینده‌ای یافته‌اند و به خودی خود اهمیت دارند. یعنی اهمیت آنها دیگر فقط به خاطر این نیست که دو سر ریسمان‌ها روی آنها می‌لغزد. مثلاً با چیدن دی‌‌-وسته‌ها در فضا و از این رو محدود کردن جاهایی که ریسمان می‌تواند آغاز یا انجام یابد می‌توان نظریه‌های پیمانه‌ای مختلف ایجاد کرد. همچنین می‌توان کنش توصیف‌کننده‌ی یک دی‌‌-وسته را نوشت.

ادامه دارد …