مفاهیم پایه نظریه‌ی ریسمان – قسمت سوم

تاریخچه نظریه ریسمان

نظریه ریسمان نخستین بار برای توضیح نیروی بین‌هسته‌ای قوی پیشنهاد شد. لیکن معلوم شد که مدل کرومودینامیک کوانتومی (QCD) که اینک بخشی از مدل استاندارد است، در توضیح این پدیده بسیار موفق‌تر است. طبیعتاً نظریه‌ی ریسمان به نفع کرومودینامیک کوانتومی وانهاده شد.

بعدها نظریه‌ی ریسمان به عنوان یک تئوری نامتناقض گرانش کوانتومی از نو توسط برایان گرین و شوارتز مطرح شد. این‌بار اندازه و مقیاس ریسمان‌ها بسیار کوچک‌تر از ریسمان‌های توضیح‌دهندهٔ نیروی ضعیف در نظر گرفته شد. به این احیای مجدد نظریه‌ی ریسمان، اصطلاحاً انقلاب نخست ابرریسمان گفته می‌شود. پیشوند ابر در ابتدای کلمه‌ی‌ ریسمان به این دلیل آمده‌است که برای داشتن یک نظریه‌ی ریسمان فاقد تناقض و همچنین امکان داشتن ریسمان‌های فرمیونی (که در نهایت به توضیح خواص ذرات فرمیونی خواهد پرداخت)، نیاز به معرفی یک تقارن جدید موسوم به ابرتقارن در کنش ریسمان داریم. به این موضوع پیشتر اشاره‌ی گذرایی شد. به هرحال چنان که پیشتر اشاره شد تنها پنج نظریهٔ ریسمان نامتناقض داریم. و این سؤال هم مطرح بود که کدام یک از این نظریه‌ها توصیف‌گر طبیعت‌اند.

نظریه‌ی اِم (M-Theory)

در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن و دیگران ثابت کردند که پنج نظریه‌ی ابرریسمان موجود، بی‌ارتباط به هم نیستند و با گونه‌ای روابط همزادی (duality) به هم مربوط می‌شوند. ایشان نشان دادند که این پنج نظریه درواقع پنج «نمود» (جلوه) گوناگون از یک نظریه‌ی مادر و بزرگ‌تر هستند. یعنی این نظریه‌ی مادر که آن را نظریه‌ی ام (تلفظ می‌شود نظریه‌ی اِم) نام نهادند، در شرایط خاص به هر یک از این پنج نظریه تقلیل می‌یابد (بسته به شرایط به نظریه‌های مختلف). عموماً از این واقعه به عنوان انقلاب دوم ابرریسمان یاد می‌شود.

فیزیکدانان هنوز شناخت کاملی از نظریه‌ی ام ندارند، حتی بر سراینکه «ام» در نام نظریه دقیقاً مبین چیست اختلاف نظر وجود دارد. بعضی می‌گویند «ام» به معنی مادر است. برخی می‌گویند «ام» مخفف «ماتریس» است. برخی دیگر (البته به شوخی) می‌گویند «ام» (M) از واژگون‌کردن حرف نخست نام ویتن (W) می‌آید.

هرچه هست هم‌اکنون بسیاری از فیزیکدانان به دنبال کشف و درک نظریه‌ی ام هستند. احتمالاً یافتن نظریه‌ی ام از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر خواهد بود، زیرا این نظریه قادر خواهد بود تمام دنیا را در بنیادین‌ترین حالت توصیف کند.

باید توجه داشت که نظریه‌ی ریسمان (و به تبع آن نظریه‌ی ام)، نظریه‌ای فاقد پارامتر آزاد است. یعنی جایی برای تنظیم پارامترها به کمک آزمایش باقی نمی‌گذارد. به بیان روشن‌تر خواص تمام ذرات باید از روی معادلات ریاضی درآورده شود. بنابراین مثلاً این نظریه باید بگوید چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپین آن یک‌دوم و چرا بار الکتریکی آن بهمان مقدار است.

پیچیدگی نامتناسب

نظریه‌ی ریسمان در اواخر دهه ۱۹۶۰ و به عنوان ابزاری برای توضیح نیروهای قوی بین ذرات اتمی شکل گرفت، ولی در دهه ۱۹۷۰ با نظریه موفق‌تر کرومودینامیک کوانتومی جایگزین شد. نظریه ریسمان نیز به راه خودش رفت و لایه‌های عجیب و غریب‌تری از پیچیدگی‌های ریاضی را کسب کرد. بعضی از فیزیک‌دانان آن را نفرین‌شده خواندند، زیرا برای آزمایش نظریه‌های منتج از آن به انرژی‌هایی خیلی بیشتر از آن چیزی نیاز است که می‌توان در شتاب‌دهنده‌های ذرات به آنها دست یافت.

ولی در سال ۲۰۰۵، نظریه ریسمان راه خود را البته به طور غیر مستقیم، به داخل یک شتاب‌دهنده باز کرد: برخورد دهنده یون‌های سنگین نسبیتی، RHIC در آزمایشگاه ملی بروک ‌هیون نیویورک. دانشمندان کشف کردند که نظریه‌ی ریسمان می‌تواند به اندازه کرومودینامیک کوانتوم در توضیح نیروهای قوی هسته‌ای در یک پلاسمای کوارک-گلوئون موثر باشد. این حالت جدید ماده که شامل اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها است، در ترکیبات یون‌های داغ طلا که در شتاب‌دهنده تولید شده بود، شکل گرفت. کلید این کشف یک تکنیک ریاضی در نظریه ریسمان بود که اصول هالوگرافی را شکل می‌دهد که در آن، اطلاعات موجود در یک چند بعدی می‌تواند در یک بعد پایین‌تر از آن نگاشته شود؛ مثل تصویری سه بعدی که می‌توان آن را در یک تصویر هالوگرام مسطح دو بعدی ذخیره کرد.

از آن زمان، پژوهشگرانی مانند ساچدف و هارتنول تکنیک‌های هالوگرافی را به حوزه سرد‌تر ماده‌چگال گسترش دادند. همان ابزارهای نظریه ریسمان که برای توضیح رفتار ذرات در شتاب‌دهنده استفاده شده بود، کمک کرد که بتوان رفتار نقاط بحرانی کوانتومی را توجیه کرد؛ تغییرات در موادی که تا نزدیک به نقطه صفر مطلق سرد می‌شدند و در آن هنگام تاثیرات مکانیک کوانتوم بر رفتار آن غالب می‌شد.

در عوض، این به فیزیک‌دان‌ها کمک کرد تا رفتار کوانتومی را در بسیاری از سیستم‌ها تشریح کنند که شامل شبکه‌های فوق سرد اتمی تحریک شده با لیزر می‌شد و اکنون هم ابررسانایی دمای بالا به آن اضافه شده است.

پیتر وویت، از منتقدان سرشناس نظریه ریسمان و از ریاضی‌دانان دانشگاه کلمبیا در نیویورک، می‌گوید که این نحوه استفاده از نظریه ریسمان به عنوان یک ابزار می‌تواند مفید باشد، ولی به هیچ عنوان آزمایشی برای خود نظریه ریسمان محسوب نمی‌شود. او می گوید: «فقط به این دلیل که یک مدل در زمینه خود خوب کار می‌کند، به این معنی نیست که شما می‌توانید کل فیزیک را یک‌پارچه کنید و به نظریه‌ای پایه‌ای که همه چیز از آن ناشی شود، برسید».

جوزف پولچینسکی، از نظریه‌پردازان نظریه ریسمان در انستیتوی کاولی و سومین برگزارکننده کارگاه، چنین اسدلال می‌کند که اگر ابزارهای مشابه نظریه ریسمان که برای تشریح سیاه‌چاله‌ها استفاده شده‌اند، بتوانند رفتار الکترون‌ها را در یک فلز توجیه کنند؛ این تقاطع می‌تواند کاربردهای نظریه ریسمان را در یک حوزه را برای کاربرد در دیگر حوزه‌ها نیز ممکن سازد.

او اضافه می‌کند که هیجان همچنان در حال افزایش است. این انستیتو ۱۱۰ تقاضا برای کارگاه دریافت کرده بود، در حالی که تنها برای ۳۰ نفر جا وجود داشت و تا آنجا که او به یاد می‌آورد، ورود به هیچ کارگاهی سخت‌تر از این نبوده است.

آیا حقیقتاً نظریه‌ی ریسمان علمی‌است؟

بعضی از فیزیکدانان معتقدند که نظریه‌ی ریسمان اصولاً نظریه‌ای علمی نیست چرا که هیچ پیش‌بینی ابطال‌پذیری نمی‌کند و در بهترین شرایط تنها به توضیح واقعیات موجود می‌پردازد.

نظریه‌ی ام و مسایل فلسفی مربوط به آن و سرنوشت ناپیدایش

در اینجا طنز کوچکی مطرح می‌شود: ما انسان‌ها یا قابلیت آن را داریم که به کشف نظریه‌ی ام نایل شویم یا خیر. یعنی نظریه‌ی ام، اصولاً یا قابل کشف/فهم هست یا نیست. در نهایت به نظر می‌آید که این نظریه‌ی ام است که در مورد قابل کشف/فهم بودن یا نبودن خود تصمیم گرفته است! چون بالاخره ما انسان‌ها محصول جهانی هستیم که بر اساس قوانین نظریه‌ی ام کار می‌کند.

به علاوه این پرسش بنیادی‌تر هم مطرح است که آیا اصلاً نظریه‌ی ام وجود دارد؟ چرا طبیعت باید موجودی قانونمند و در درجه‌ی بعد، قابل فهم باشد. اینشتین معتقد بود که غیرقابل‌فهم‌ترین چیز در مورد طبیعت این‌است که طبیعت قابل فهم است. متأسفانه یا خوشبختانه از هیچ‌کجا آیه‌ای نیامده‌است که نظریه‌ی ام، به عنوان نظریه‌ی همه چیز یا نظریه‌ی وحدت‌بخش وجود دارد تا حالا ما به دنبال آن باشیم. هرچند که به نظر می‌آید تمام فیزیکدانان ریسمان‌کار، به طور ضمنی معتقداند که نظریه‌ی ام وجود دارد و همچنین قابل درک برای ما انسان‌ها است وگرنه بعید بود عمر خود صرف آن کنند. اما این فرض تماماً برخاسته از خوشبینی مفرط است که خوشبختانه تاکنون خلاف آن ثابت نشده‌است.

همچنین این احتمال (هرچند بسیار اندک) وجود دارد که روزی ثابت شود نظریه‌ی ریسمان اساساً نادرست است. اتفاقی شبیه این امر در مورد نظریه‌ی متغیر پنهان چندین سال قبل رخ داد. ریسمان‌کارها معتقدند که شانس از بیخ و بن نادرست بودن نظریه‌ی ریسمان بسیار بسیار اندک و حتی نزدیک صفر است. چرا که تاکنون شواهد بسیار زیادی مبنی بر صحت آن یافت شده‌است. ممکن است آزمایش‌های آینده جهت تحقیقات را تغییر دهد، ولی احتمال تکذیب این نظریه چنانکه که گفته شد تقریباً صفر است.

ابعاد اضافی در تئوری ریسمان

اینشتین کیهان را چهار بعدی فرض کرد که سه بعد فضایی دارد و یک بعد زمانی پیوسته به آنها که بافت فضا – زمان را به وجود می‌آورند .

در مقاله‌ی انواع تئوری ریسمان ذکر کردیم که حد اقل ابعاد در تئوری ریسمان بالاتر از ده تا است.

حال سؤال این جا است که این ابعاد از کجا آمده‌اند و اصولا تئوری ریسمان برای آنها چه توجیه منطقی دارد ؟

تئوری بوزونیک ریسمان ابعاد خود را به وسیله‌ی معادله‌ی پلایکف شرح می دهد.

اما در رابطه با توجیه تئوری ریسمان می‌توان این گونه گفت:

در این تئوری تعداد ابعاد آن قدر زیاد است که باید تعداد آنها را با انگشتان دست درج کرد .

این بدان معنا است که اگر شما فاصله‌ی بین دو نقطه را اندازه گیری کنید، سپس با زاویه ی مشخصی دوران کنید و دوباره فاصله را اندازه گیری کنید، آنگاه فاصله یکسان خواهد بود. اگر این ابعاد خاص را در نظر بگیریم، در این شرایط ابعاد جهان به جای چهارتا به بیست وشش تا می‌رسد . هر چند که در تئوری M تعداد آنها به ۱۰ الی ۱۱ عدد می رسد .

متخصصان تئوری ریسمان برای شرح این موضوع دو راه مختلف را در نظر می‌گیرند .

راه اول فشرده‌گی ابعاد است که می‌گوید تعداد ابعاد اضافی که ۶ تا ۷ عدد هستند، آن قدر فشرده و کوچک هستند که در دوران ما در پدیده‌ها قابل کشف نیستند . یعنی این ۶ یا ۷ بعد در این لوپ بر روی یکدیگر فشرده‌اند .

برای درک بهتر یک تکه چوب را تصور کنید. اگر شما در یک فاصله ی معین از آن قرار داشته باشید، شما چوب را در یک بعد مشاهده می‌کنید که همان طول آن است. اگر شما از آن فاصله کمی جلوتر آیید، می‌توانید بعد دوم آن را نیز مشاهده کنید که با هم محیط چوب مورد نظر را می‌سازند. و اگر به همین ترتیب نزدیک و نزدیک‌تر شوید، ابعاد اضافی را مشاهده خواهید کرد. تئوری ریسمان نیز برای مشاهده‌ی این ابعاد چنین توجیهی می‌کند. در واقع هر نقطه از این در روی تکه چوب مورد نظر، عدد هر بعد را برای ما مشخص می‌کند . برای مثال یک عدد مکان در بعد اول را مشخص می‌سازد. دیگری مکان را در بعدی دیگر مشخص می‌کند. در واقع این شماره‌ها برای ابعاد اضافی نیز وجود دارد که در حوضه‌ی دید کنونی ما نیستند و در هم فشرده شده‌اند.

دیگر توجیه این است که در دنیای ۱+۳ خود فرو رفته‌ایم. در این صورت این فرض یک چیز ریاضی به نام D – Brane را وارد می‌کند که دنیای ما بر اساس تئوری جهان برین است .

زیرا یک تئوری که اخیراً دانشمندان در رابطه با جهان پنج بعدی مطرح کرده اند تقریبا با این موضوع تطابق دارد که می گوید ما در دنیای خود فرو رفته ایم و ابعاد بزرگتر را نمی بینیم .

مثلا گرانش که یک نیروی بنیادی در طبیعت است یک بعد مخفی فرض می شود نیروهای بنیادی دیگر را تولید می کند . در مورد این موضوع که گرانش نیرو های دیگر را تولید می کند آزمایش های زیادی وجود دارد . اما این هنوز یک فرض قابل استفاده نیست .

نظریه ریسمان بیان می کند که انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نیست.

متنی که در زیر می خوانید، نوشته ای است از گابریل ونزیانو(Gabriele veneziano) فیزیکدان نظری مرکز تحقیقات فیزیک ذره‌ای اروپا (CERN ) که در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ به عنوان پدر نظریه ریسمان شناخته شد.

نظریه‌ی‌ ریسمان بیان می‌کند که انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نبوده، بلکه صرفاً پیامد وضعیتی بوده که مدت‌ها قبل از آن زمان وجود داشته است. زیرا غالب کیهان‌شناسان، مطرح کردن زمانی قبل از انفجار بزرگ را مانند این می‌دانستند که کسی جایگاه شمال قطب شمال را از شما بپرسد. یونانیان باستان درباره منشأ زمان مناظرات و مباحثه های فراوانی ترتیب می‌دادند. ارسطو که از بی‌آغازی زمان طرفداری می‌کرد، استنادش بر این اصل بود که از هیچ، چیزی به وجود نمی‌آید. پس اگر عالم در هیچ مرحله‌ای از زمان نتوانسته باشد خود را از نیستی به هستی در آورد، الزاماً می‌بایست همواره وجود می‌داشته است.

پس به این دلیل و دلایلی دیگر، زمان باید به طور نامحدود در گذشته و آینده امتداد داشته باشد. امّا دین‌شناسان مسیحی نظری دگرگونه داشتند. آگوستین استدلالش بر این بود که آفریدگار بیرون از فضا و زمان حضور دارد و قادر است که این ساختارها را همانطور که دیگر جنبه‌‌های دنیای ما را خلق می‌کند، به وجود آورد. دو دلیل سبب شد که کیهان‌شناسان معاصر نتیجه مشابهی بگیرند. یکی از آنها نسبیت عام و دیگری شواهدی بودند که از مشاهده انبساط جهان به دست آمدند که بر طبق آنها دو فیزیکدان نامی یعنی استفان هاوکینگ و راجر پنروز در سال ۱۹۶۰ ثابت کردند که زمان نمی‌تواند به طور نا محدود رو به گذشته ادامه داشته باشد و اگر در طول زمان رو به عقب برویم، بالاجبار باید به نقطه تکینگی برسیم.