نظریه ریسمان چیست؟

نظریه ریسمان (String Theory) یکی از درخشان‌ترین و بحث برانگیزترین اندیشه‌های اثبات نشده در دنیای فیزیک به شمار می‌آید. در قلب این نظریه، ایده‌ای نهفته‌ است که یک قرن است جریان فیزیک را به دست گرفته ؛ برخی مفاهیم بنیادین فیزیکی و اشکال مختلف نیرو‌ها، ذرات، برهمکنش‌ها، همه و همه را در یک چارچوب معین گرد هم جمع کرده و به نمایانگر واقعیت بدل گشته است.

به جای چهار نیروی بنیادی مستقل که عبارت‌اند از : نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی الکترومغناطیس و نیروی گرانشی یک نظریه واحد بوجود آمده که همه‌ی آنها را در بر می‌گیرد.

در بسیاری از موارد، نظریه ریسمان رقیبی جدی برای نظریه کوانتوم گرانشی است که فقط در مقیاس‌های وسیع انرژی کارایی دارد. هرچند تاکنون هیچگونه آزمایش تجربی در تایید این نظریه انجام نشده است اما دلایل تئوری متقاعدکننده‌ای برای پذیرش آن وجود دارند.

اگر نظریه ریسمان را به طبیعت تعمیم دهیم، شباهت‌های زیادی میان پدیده‌هایی که ظاهرا با یکدیگر غیرمرتبط هستند دیده می‌شود. بر اساس قوانین نیوتن، وقتی دو جسم یکدیگر را جذب و یا دفع می‌کنند، در واقع این ذرات الکتریکی باردار آن‌ها هستند که یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند.

در نظریه ریسمان نوسان کردن یک آونگ، حرکت یک فنر به سمت جلو یا عقب و یا حرکت یک سیاره در مدار به دور ستاره خودش مشابه یکدیگر هستند. همچنین امواج گرانشی، امواج آب و یا امواج نور، همگی هرچند از خواستگاه‌های بنیادین فیزیکی متفاوتی برخواسته‌اند اما ویژگی‌های قابل توجه مشابه‌ای دارند. به همین ترتیب، اگرچه شاید فهم آن برای خیلی‌ها دشوار باشد اما باید گفت از دید نظریه ریسمان، کوانتوم ذرات و کوانتوم گرانش از منظر‌های مختلفی مشابه هم هستند.

بر اساس نظریه کوانتوم شما باید محاسبات جمع کلی را برای ذره مدنظر انجام دهید. شما در این روش راهی برای محاسبه جایی که ذره وجود داشته، دارد و خواهدداشت، ندارید؛ چرا که یک عدم قطعیت ذاتی برای طبیعت وجود دارد.

نظریه ریسمان، نظریه‌ای پیچیده است که ریسمان‌هایی پایه‌ای را به عنوان واقعیت ما و بخش بنیادین هر ماده‌ای قلمداد می‌کند. دنیله آماتی، فیزیکدان نظری در زمینه ذرات معتقد است که نظریه ریسمان، فیزیک قرن ۲۱‌امی است که بر حسب اتفاق از اواخر قرن ۲۰‌ام سر در آورده است.

تئوری ریسمان

برای دهه‌ها، دانشمندان نظریه‌های مختلفی پیرامون آنچه در ورای بعد سوم است ارائه می‌کردند و سعی داشتند نظریه‌ای واحد ارائه کنند تا همه‌ی فعالیت‌های ممکن در جهان توجیه پذیر باشد. در طول صد سال گذشته و بیشتر، عده‌ی زیادی درصدد این کار برآمدند اما گویی امری نشدنی به شمار می‌رفت؛ گذشت و گذشت تا نظریه ابرریسمان یا ریسمان، پاسخ به چنین ابهاماتی را ممکن کرد.

نظریه ریسمان در تلاش است تا ایده‌های اینشتین در نظریه نسبیت عام را با مکانیک کوانتوم پیوند بزند تا بدین طریق بتواند نظریه کوانتوم را در گرانش به کار ببندد. در حقیقت نظریه ریسمان پلی است میان قوانین حاکم بر فضا زمان و مکانیک کوانتوم که در مجموع چهار قانون حاکم بر طبیعت را متحد کرده است.

برایان گرین، فیزیکدان نظری، در جریان Ted Talk سال ۲۰۰۵ سعی داشت اساس این نظریه را با تغییر دانش و نگرش ما نسبت به ماده توضیح دهد.

او در ابتدا توضیح می‌دهد که همه مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند، اتم‌هایی که خود الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها را شامل‌ و در نهایت به کوارک‌ها تجزیه می‌شوند. سپس با توضیح نظریه ریسمان، سعی در به چالش کشیدن این دانش تجربی ما می‌کند. او معتقد بود تاریخ مصرف این دیدگاه به پایان رسیده است. نظریه ریسمان در واقع بیان می‌کند تمام این ذرات زیراتمی بنیادی و غیرقابل تجزیه، ریسمان‌هایی تک بعدی هستند. این ریسمان‌ها که دائما در حال ارتعاش، تغییر شکل و تعامل با فضای اطراف‌اند، همه‌‌ی آن چیزی را که ما می‌بینیم شکل می‌دهند (ویدیوی توضیحات برایان گرین درباره تئوری ریسمان را در انتهای مقاله مشاهده خواهید کرد).

نظریه‌های زیادی وجود داشتند که منجر به تکامل اولیه نظریه ریسمان در سال ۱۹۶۸ شدند. از همان ابتدای سده ۱۹۰۰ دانشمندانی با ارائه نظریه “یکپارچه” سعی در توسعه دانش ما نسبت به جهان شناخته شده داشتند. اما در حال حاضر با اینکه نظریه ریسمان به طریق تجربی و با انجام آزمایش هنوز به اثبات نرسیده است، اما برخی فیزیکدانان نظری مانند ادوارد ویتن، به جستجوی خود برای یافتن احتمالات منشاء گرفته از این نظریه ادامه می دهند.

ویتن، در مصاحبه‌ای با Nova نظریه ریسمان را این چنین توصیف کرد:

یگانگی میان نیرو‌ها و ذرات مختلف به این دلیل بوجود می‌آید که همه‌ی آنها حاصل انواع مختلفی از ارتعاشات یک رشته هستند. با درک کنونی ما، باید گفت در نظریه ریسمان، هیچ چیزی بنیادی‌تر از ریسمان وجود ندارد.

ادوارد ویتن در طول زندگی خود، سهم عمده‌ای از گسترش فیزیک عصر خود را به دوش کشیده است. او با نوشتن کتاب “توضیحی بر نظریه M“؛ نظریه‌ای که همه‌ی تنوع‌های موجود در نظریه ریسمان یعنی نوع I، نوع IIA ، نوع IIB و انواع هتروزی (SO(32 و E8xE8 را یکپارچه کرد.

در دهه ۱۹۹۰ تصورات بر این بود که این ۵ نوع بایستگیِ کاملا جدا از هم، به گونه‌ای که تنها یکی از آن‌ها که با محدودیت‌های انرژی روی زمین منطبق است، باید معتبر باشد. طبق نظریه‌سازی‌های ویتن، همزادی‌ها و تعاملاتی میان ذرات وجود دارد که می‌تواند نظریات مختلف را به هم پیوند زند. برای درک بهتر این ارتباط تصویر زیر کارساز است.

همزادی‌ها و تعاملات میان ذرات

چرا ریسمان‌ها؟

برخی با مطالعه نظریه ریسمان به این نتیجه می‌رسند که تنها با یک نظریه جالب و در حد یک سری احتمالات طرف هستند و نه چیزی بیشتر؛ اما مطالعات بیشتر از احتمالاتی سخن می‌گویند که خیلی بیشتر از یک داستان فریبنده است.

زمانی که برای اولین بار نظریه گرانش طی یک وحی باورنکردنی، توسط آیزاک نیوتون کشف شد، تغییراتی بنیادین رخ داد و کاربرد‌های عملی این کشف، بی‌درنگ نمود پیدا کرد. ولی اینجا در مورد نظریه ریسمان، چنین روندی را شاهد نیستیم.

از نظریه گرانش نیوتون، نظریه نسبیت عام اینشتین و تا نظریه گرانش ۱۰ بعدی برانس و دیکس؛ این مثالی از تکامل نظریه‌ها. آنها دائما در حال تغییر هستند و همین موضوع نوآوری‌ها، اختراعات و در نهایت پیشرفت‌های دانشمندان و در مجموع جامعه بشری را منجر می‌شود. بدون این پیشرفت و دانش، پرواز‌ها، کاوش‌های فضایی و پزشکی مدرن نیز به آن شکلی که امروز می‌بینیم، هرگز به وجود نمی‌آمد.

همانند نظریه ریسمان، اگر سایر مرزهای فیزیک نظری نیز به همین شکل جابه‌جا شوند، ممکن است روزی به سطحی از اطلاعات ارزشمند دست پیدا کنیم که نقطه نظر‌های ما را پیرامون مسایل علمی دستخوش تغییر کند. به همین ترتیب شاید نظریه M یک راه‌حل اثبات شده برای یک معادله واحد نباشد، اما تا همین جا هم، اطلاعات مرتبط با اشیاء ۲ و ۵ بعدی و هم چنین توانایی درک همگرایی میان همزادی‌ها، توانسته بینش ارزشمندی را برای درک نظریه ریسمان به دانشمندان منتقل کند.

انواع نظریه ریسمان

نظریه‌های مختلفی درباره نظریه ریسمان وجود دارد اما تعداد انگشت‌شماری از آن‌ها به‌خوبی می‌توانند توصیفی برای طبیعت باشند. به‌عنوان مثال نوعی از تئوری استرینگ وجود دارد که در طیف ذرات آن که در حالت‌های مختلف نوسانی‌اش، ذره‌ای دارد که سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کند نمی‌تواند مدل مناسبی از طبیعت باشد؛ چراکه درک سرعتی که به بیشتر از سرعت نور اشاره داشته باشد، سخت است.

اما در همین نظریه‌هایی که شاید نتوانند به خوبی طبیعت را مدل کنند، مفاهیمی نهفته است که ‌می‌تواند به درک تئوری استرینگ و نظریه‌هایی که از آن نشات می‌گیرد، کمک کند.

با این اوصاف، دو نوع نظریه ریسمان وجود دارد:

ریسمان بوزونی

اَبَرریسمان

۱. ریسمان بوزونی

اولین و ساده نوع نظریه ریسمان است. ریسمان بوزونی به ۲۶ بعد برای سازگاری با پیش‌فرض‌های فیزیکی مانند تقارن لورنس نیاز دارد؛ اما متاسفانه در طیف ذراتی که در این نظریه مطرح می‌شود، ذره‌ای وجود دارد که سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کند و بنابراین نمی‌تواند مدل مناسبی از طبیعت باشد.

۲. ابرریسمان

با استفاده از این فرض که در مقابل هر ذره بوزی، ذره‌ای فرمی وجود دارد (فرض ابرتقارن)، نظریه ابرریسمان می‌تواند طبیعت را توصیف و مدل کند. تعداد بعدهای مورد نیاز در نظریه ابرریسمان ۱۰ بعد است و در حال حاضر نیز پنج نظریه مختلف ابرریسمان وجود دارد که می‌تواند توصیف‌گر طبیعت باشد.