نظریه ریسمان چیست؟ نگاهی جامع به ماهیت و مفهوم آن
نظریه ریسمان، ایده‌ای در فیزیک نظری است که براساس آن واقعیت‌های جهان هستی از رشته‌های ارتعاشی بی‌نهایت کوچکی تشکیل شده‌اند که حتی از اتم‌ها، الکترون‌ها و کوارک‌ها هم کوچک‌تر هستند.
براساس این نظریه، ارتعاش، پیچ‌وتاب‌خوردن و تاشدن این ریسمان‌ها اثراتی را در ابعاد بسیار کوچک از خود برجای می‌گذارد که انسان تفاسیر مختلفی از آن‌ها دارد؛ از فیزیک ذرات گرفته تا پدیده‌هایی مانند گرانش که در مقیاس بزرگ هستند.
نظریه‌ی ریسمان به‌عنوان نظریه‌ای فراگیر مطرح شده است تا چهارچوب واحدی را برای متحد‌کردن نسبیت عام و مکانیک کوانتومی تدوین کند؛ دو نظریه‌ی بسیار مهمی که می‌توان گفت زیربنای فیزیک مدرن به‌شمار می‌روند.
با وجود عملکرد بسیار مناسب مکانیک کوانتومی در توصیف رفتار چیزهای بسیار کوچک و توضیحات قانع‌کننده‌ی نظریه‌ی نسبیت عام درخصوص اتفاقات بسیار بزرگ، این دو نظریه درکنار یکدیگر عملکرد چندان خوبی ندارند. برخی از دانشمندان بر این عقیده هستند که نظریه ریسمان می‌تواند با حل‌کردن معماهای این دو نظریه، بر یکی از مشکلات بزرگ و حل‌نشده‌ی فیزیک غلبه کند.
براساس گفته‌های جان شوارتز، فیزیک‌دان موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا که یکی از بنیان‌گذاران نظریه ریسمان محسوب می‌شود، پس از مطرح‌شدن این نظریه در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ و اوایل ۱۹۷۰، محبوبیت آن در بین فیزیکدانان نظری در نوسان بود. پس از انتشار مقالات بی‌شمار، برگزاری کنفرانس‌های متعدد، پیشرفت نفس‌گیر و محبوبیت نظریه این در دهه‌های گذشته، اکنون نظریه ریسمان دورتر از همیشه به‌نظر می‌رسد.
مطرح‌شدن عقاید مختلف پیرامون ایده‌ی نظریه ریسمان، تاثیر عمیقی روی فیزیک و ریاضیات گذاشته است. درحال‌حاضر چه بخواهیم و چه نخواهیم نظریه‌ی ریسمان در دنیای ما وجود دارد و هنوز هم عده‌ای به آن استناد می‌کنند.
نظریه ریسمان چیست؟
نظریه ریسمان (String theory) یکی از روش‌های پیشنهادی برای تولید نظریه‌ی همه چیز است؛ مدلی که تمام ذرات و نیروهای شناخته‌شده‌ی جهان را توصیف می‌کند و جایگزین مدل استاندارد فیزیک می‌شود که همه چیز را به جز گرانش توضیح می‌دهد. براساس این نظریه، عناصر بنیادین سازنده‌ی طبیعت، نه ذراتی مانند الکترون بلکه ریسمان‌ها هستند.
بسیاری از دانشمندان به دلیل زیبایی ریاضیاتی نظریه ریسمان، به آن اعتقاد دارند. معادلات این نظریه زیبا توصیف شده است و توصیفات آن از جهان فیزیکی بسیار قانع‌کننده درنظر گرفته می‌شود. نظریه ریسمان درواقع یک نظریه‌ی گرانش کوانتومی است که تئوری‌های گرانش و مکانیک کوانتوم را به‌زیبایی با هم ترکیب می‌کند.
جالب اینجا است که برخی از ایده‌های نظریه ریسمان برای حل مسائل ریاضی و سایر رشته‌های فیزیک نظری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به‌عبارت بهتر می‌توان گفت که نظریه‌ی ریسمان زبانی است که به فیزیکدانان نظری در بررسی و حل ریاضیات جهان کمک می‌کند. فیزیکدانان از نظریه‌ی ریسمان به‌عنوان چهارچوبی برای توصیف چگونگی تاثیر نیروهایی مانند گرانش روی ذرات کوچک همچون الکترون‌ها و پرتون‌ها استفاده می‌کنند.
در نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین، گرانش نیرویی است که فضازمان را در اطراف اجرام عظیم خم می‌کند و یکی از چهار نیرویی است که فیزیکدانان از آن برای توصیف طبیعت استفاده می‌کنند؛ اما برخلاف سایر نیروها ازجمله الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف، گرانش آن‌قدر ضعیف است که نمی‌توان آن را در مقیاس ذره تشخیص داد یا مشاهده کرد. درعوض اثرات گرانش فقط در مقیاس قمرها، کهکشان‌ها، سیارات و ستارگان، چشمگیر و مهم است.
به‌نظر می‌رسد گرانش به‌عنوان یک ذره وجود خارجی ندارد و نظریه‌پردازان تنها می‌توانند پیش‌بینی کنند که ذره‌ی گرانشی چگونه می‌تواند باشد. وقتی اخترفیزیکدانان می‌کوشند تا پیامد برخورد دو ذره بنیادی این‌چنینی (گراویتون) را محاسبه کنند، آنچه به‌دست می‌آورند مقدار بی‌نهایتی از انرژی انباشته‌شده در فضایی کوچک است.
یکی از راهکارهای احتمالی که نظریه‌پردازان از فیزیکدانان هسته‌ای در دهه‌ی ۱۹۷۰ الهام گرفتند، خلاص‌شدن از ایده‌ی ذرات گراویتون مشکل‌ساز و نقطه‌مانند است. درعوض، فرض بر این است که فقط رشته‌ها می‌توانند با هم برخورد کنند و بدون آنکه به بی‌نهایت‌های غیرممکن فیزیکی اشاره داشته باشند، به‌طور دقیق به مکان اولیه‌ی خود بازمی‌گردند.
به‌گفته‌ی ماریکا تیلور، متخصص نظریه‌ی ریسمان و فیزیک‌دان نظری در دانشگاه ساوتهمپتون، یک جسم تک‌بعدی همان چیزی است که بی‌نهایت‌های به‌دست‌آمده در محاسبات را مهار می‌کند.
نظریه‌ی ریسمان در توصیف استاندارد جهان، ذرات ماده و نیرو را تنها با یک عنصر جایگزین می‌کند: ریسمان‌های ارتعاشی کوچکی که به اشکال پیچیده می‌چرخند و از نگاه ما درست مانند ذرات هستند. براین‌اساس ریسمانی با طول مشخص که به نوت خاصی برخورد می‌کند، ممکن است ویژگی‌های یک فوتون را به‌دست آورد یا ریسمان دیگری که تا شده و با فرکانس متفاوتی ارتعاش می‌کند، می‌تواند نقش کوارک را بازی کند.
نظریه‌ی ریسمان علاوه‌بر مهارکردن گرانش، به‌دلیل توانایی بالقوه‌اش در توضیح ثابت‌های بنیادین مانند جرم الکترون جذاب محسوب می‌شود. نظریه‌پردازان امیدوار بودند که گام بعدی یافتن راهی صحیح برای توصیف تاشدن و حرکت ریسمان‌ها و هر چیز دیگری باشد که به‌دنبال آن‌ها می‌آید.
باوجود امیدواری‌های نظریه‌پردازان، سادگی اولیه‌ی نظریه‌ی ریسمان به پیچیدگی غیرمنتظره‌ای ختم شد؛ زیرا محاسبات ریاضی ریسمان‌ها در ۴ بعد آشنا برای ما (۳ بعد فضا و یک بعد زمان) کار نمی‌کند. این نظریه در ریاضی به ۱۰ بعد نیاز داشت که ۶ بعد آن فقط برای چشم‌انداز ریسمان‌های کوچک مشاهده‌پذیر است. درست مانند سیم برقی که برای پرندگان آسمان همچون خطی تک‌بعدی به‌نظر می‌رسد و برای مورچه‌ای که روی آن راه می‌رود، استوانه‌ای سه‌بعدی است.
چه کسی نظریه ریسمان را مطرح کرد؟
نظریه‌ی ریسمان به‌طور تصادفی در سال ۱۹۶۹ کشف شد. در آن سال، فیزیک‌دانی ایتالیایی به‌نام «گابریله ونتسیانو» فرمولی را برای توصیف پراکندگی چهار ریسمان نوشت که اکنون با نام دامنه‌ی ونتسیانو شناخته می‌شود. ونتسیانو در تلاش بود تا فیزیک ذراتی مانند پروتون و نوترون را توصیف کند، نه ریسمان‌ها. در سال‌های بعد، فیزیکدانان سراسر جهان شروع به کشف نظریه‌ی ریسمان از همان فرمول اولیه کردند.
تصویر کامل نظریه ریسمان درطول پنجاه سال بعد واضح‌تر شد. در دهه‌های ۱۹۷۰، ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ ایده‌های کاملا جدیدی مطرح شد و بینش بسیار عمیقی درباره این نظریه شکل گرفت. نظریه ریسمان هنوز هم زمینه‌ای فعال است که محققانی از سراسر جهان در آن مشغول مطالعه هستند.
آیا نظریه ریسمان اثبات شده است؟
احتمالا این سوال برای شما هم مطرح شده است که آیا فیزیکدانان توانسته‌اند نظریه ریسمان را به‌طور قطعی اثبات کنند یا نه؟ در پاسخ باید گفت تاکنون هیچ آزمایشی نتوانسته به‌طور قطعی این نظریه را به‌عنوان نظریه‌ی بنیادی طبیعت به اثبات برساند؛ البته ایده‌های مختلف نظریه ریسمان، درطول پنجاه سال گذشته آزمایش‌های نظری و ریاضی بی‌شماری را پشت‌سر گذاشته‌اند.
اثبات نظریه‌ها در فیزیک بنیادی معمولا زمان‌بر هستند. اینشتین اولین بار در سال ۱۹۱۵ امواج گرانشی را پیش‌بینی کرد؛ اما این امواج تازه صد سال بعد در سال ۲۰۱۵ درجریان آزمایش لایگو شناسایی شدند. همین اواخر نیز دانشمندان در کشفی دیگر، امواج گرانشی زمینه را شناسایی کردند. آزمون‌های فیزیک ذرات، رصدخانه‌های امواج گرانشی یا اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی در آینده ممکن است نظریه‌ی ریسمان را به‌طور قطعی در بوته‌ی آزمایش قرار دهند.
در نظریه ریسمان چند بعد وجود دارد؟
نظریه ریسمان ۱۰ بعد کلی فضازمان را پیش‌بینی می‌کند؛ اما نکته‌ی اصلی اینجا است که ما در جهانی با چهار بعد (سه بعد فضا و یک زمان) زندگی می‌کنیم. خوشبختانه رسیدن از ۱۰ به ۶ بعد امکان‌پذیر است؛ بدین صورت که می‌توان ۶ بعد پیش‌بینی‌شده‌ی نظریه ریسمان را به شکلی فشرده درآورد. بااین‌حال این ابعاد متراکم‌شده تنها با آزمایشی بزرگ و دقیق مانند «برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ»، بزرگ‌ترین برخوددهنده‌ی ذرات در دنیا مشاهده‌پذیر هستند.
نظریه ریسمان چگونه تکامل یافت؟
نظریه ریسمان امروزی با نظریه‌ای که در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ مطرح شد، مطابقت ندارد. محققان بر سر این موضوع اختلاف دارند که آیا نظریه ریسمان با وجود اصلاحاتش هنوز بهترین کاندیدا برای نظریه همه‌چیز است یا اینکه نظریه‌پردازان باید آن را به نفع نظریات دیگر کنار بگذارند.
همان‌طور که شوارتز می‌گوید، در سال‌های ۱۹۷۳ تا ۱۹۷۴ دلایل خوبی برای کنار گذاشتن نظریه ریسمان وجود داشت. در آن دوره، توجه فیزیکدانان از موضوعی که بیشتر شبیه کاوشی بی‌ثمر در ریسمان‌های نرم کشف‌نشدنی بود، به سمت شواهد قانع‌کننده‌تر از هادرون‌ها و ذرات زیراتمی متشکل از کوارک‌ها که رفتارشان با ریسمان‌ها توضیح‌دادنی نیست، معطوف شد. شوارتز می‌نویسد آنچه نظریه‌ای پررونق با صدها نظریه‌پرداز بود، به سرعت متوقف شد و فقط تعداد کمی از افراد سرسخت به دنبال‌کردن آن ادامه دادند.
در طول دهه‌ی بعد، چند دانشمند ۵ نسخه‌ی مختلف از نظریه‌ی ریسمان را پیگیری کردند. با گذشت زمان، محققان موفق شدند تا پیوندهای غیرمنتظره‌ای را بین این پنج ایده کشف کنند. این پیوندها توسط ادوارد ویتن، نظریه‌پرداز موسسه‌ی مطالعات پیشرفته در پرینستون جمع‌آوری شدند. ویتن، سال ۱۹۹۵ در کنفرانس نظریه ریسمان در دانشگاه کالیفرنیا این داده‌ها را ارائه کرد.
ویتن استدلال کرد که پنج نظریه‌ی ریسمان هرکدام بیانگر تقریبی از یک نظریه‌ی بنیادی‌تر و یازده بعدی بودند که در موقعیتی خاص رفتار می‌کنند؛ درست همان‌طور که نظریات نسبیت انیشتین با توصیف نیوتون از حرکت اجسام در سرعت‌های عادی مطابقت دارند. این ایده، آغازگر یکی از انشعابات نظریه ریسمان به نام نظریه M بود.
تلاش برای یافتن معادلات کلی نظریه ریسمان که در هر موقعیت ممکن کار می‌کنند، پیشرفت چندانی نداشت؛ اما وجود ادعایی این نظریه بنیادی، درک و اطمینان لازم را به نظریه‌پردازان داد تا تکنیک‌های ریاضی را برای پنج نظریه‌ی ریسمان ابداع کنند و آن‌ها را در هر زمینه‌ای که نظریه جواب می‌دهد، به‌کار ببرند.
رشته‌هایی که نظریه‌ی ریسمان درمورد آن‌ها صحبت می‌کند، بسیار کوچک‌تر از چیزی هستند که با فناوری‌های موجود دیده شوند. بااین‌حال یکی از موفقیت‌های نظری اولیه، توانایی فیزیکدانان در توصیف آنتروپی سیاهچاله در مقاله‌‌ای بود که سال ۱۹۹۶ در مجله‌ی Physics Letters منتشر شد.
منظور از آنتروپی، تعداد روش‌های ممکن برای مرتب‌کردن اجزای یک سیستم است؛ اما بدون آنکه بتوان اعماق نفوذناپذیر سیاهچاله را دید، کسی نمی‌تواند از نوع ذرات موجود در آن و ترتیبات آن‌ها مطلع شود. بااین‌حال در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰، استیون هاوکینگ و چند فیزیک‌دان دیگر، از قوانین ترمودینامیک و فیزیک کوانتوم برای محاسبه‌ی آنتروپی درون سیاهچاله استفاده کردند. محاسبات آن‌ها نشان داد که سیاه چاله‌ها باید دارای نوعی ساختار درونی باشند؛ اما اینکه این ساختار دقیقا چیست، یک راز باقی ماند.
بیشتر تلاش‌های انجام‌شده برای توصیف آرایش سیا‌چاله‌ها بی‌نتیجه باقی می‌مانند؛ اما پیکربندی‌های ریسمان‌های فرضی توانایی انجام این کار را دارد. به‌گفته‌ی تیلور، نظریه‌ی ریسمان توانسته شمارشی نقطه‌ای ارائه دهد. به‌عبارت بهتر، این نظریه توضیحی کاملا واقعی و نه صرفا ایده‌ای تقریبی، از فضای داخلی سیاه‌چاله‌ها دراختیار ما قرار داده است.
چهارچوب نظریه ریسمان هنوز با چالش‌های متعددی مواجه است. بااین‌حال، این نظریه تعداد زیادی راه غیرممکن برای تا کردن ۶ بعد اضافی ارائه می‌دهد. به‌نظر می‌رسد هر گزینه با ویژگی‌های گسترده‌ی مدل استاندارد حاکم بر فیزیک ذرات، متناسب است و هنوز امید اندکی برای تشخیص گزینه‌ی درست وجود دارد.
به‌گفته‌ی یک اخترفیزیک‌دان به‌نام ایتان سیگل، تمام مدل‌های موجود برای مدیریت ابعاد اضافی در نظریه ریسمان، به تعادلی بین ذرات نیرو و ذرات ماده به نام «ابرتقارن» متکی هستند. اما درست مانند ابعاد اضافی مورد نیاز نظریه ریسمان، ابرتقارن نیز در جهان ما مشاهده نمی‌شود.
علاوه بر تمام چالش‌های عنوان‌شده برای نظریه ریسمان توسط فیزیکدانان، کوانتا مگزین در سال ۲۰۱۸ معضلی دیگر را مطرح کرد. این وب‌سایت گزارش داد که معلوم نیست آیا نظریه ریسمان و انواع آن، با درک امروزی ما از جهان درحال انبساط که از انرژی تاریک انباشته شده، سازگار است یا نه.
برخی فیزیکدانان مانند پیتر وویت از دانشگاه کلمبیا باور دارند که مشکل اصلی پژوهش‌ها در زمینه‌ی یکسان‌سازی نظریه ریسمان، پیشرفت کند آن‌ها درطول ۳۰ سال اخیر نیست؛ بلکه مسئله این است که هر دانش جدید به‌دست‌آمده، به‌وضوح نشان داده است که این نظریه جوابگو نیست.
با وجود نگاه بدبینانه‌ی برخی از فیزیکدانان، تیلور همچنان معتقد است که مدل‌های امروزی بیش‌از‌حد ساده هستند و ویژگی‌هایی مانند ابرتقارن یا انبساط کیهانی ممکن است در نسخه‌های آتی گنجانده شوند. به‌باور او، عصر جدید نجوم امواج گرانشی می‌تواند اطلاعات تازه‌ای در مورد گرانش کوانتومی به ارمغان بیاورد و با تداوم پیگیری محاسبات ریاضی عمیق‌تر در نظریه ریسمان، پیشرفت بیشتر حاصل خواهد شد.
چرا نظریه ریسمان هنوز مهم است؟
صرف‌نظر از اینکه آیا می‌توان نظریه ریسمان را در قالب «نظریه همه چیز» قرار داد یا نه، ممکن است تنها در سایه‌ی ریاضی بتوان به‌چشم یک برنامه‌ی تحقیقاتی سازنده به آن نگاه کرد؛ زیرا به‌گفته‌ی تیلور حتی اگر ابرتقارن و ابعاد ده‌گانه نیز به‌طور کامل رد شوند، باز هم نظریه‌ی ریسمان به اتصال شاخه‌هایی از ریاضیات به یگدیگر کمک کرده است.
اتصال شاخه‌هایی از ریاضیات زمانی برجسته تر شد که فیزیک‌دانانی مانند ویتن ثابت کردند که نظریه‌های پنج‌گانه ریسمان درواقع یک نظریه‌ی تک‌والدی هستند و ارتباطات دوگانه‌ی اثبات‌شده توسط آن‌ها، بخش عمده‌ای از ریاضیات و فیزیک را به‌خود اختصاص می‌دهند. لازم به ذکر است که دوگانگی‌ها، به غلبه بر چالش‌های به‌وجود‌آمده در محاسبات کوانتومی کمک می‌کنند.
ویتن در سخنرانی سال ۲۰۱۹ خود در موسسه‌ی مطالعات پیشرفته اذعان کرد که دیگر مانند گذشته مطمئن نیست که نظریه ریسمان روزی به یک نظریه‌ی کامل فیزیک تبدیل خواهد شد؛ امادرعین‌حال معتقد است که این نظریه همچنان به‌عنوان یک حوزه‌ی پژوهشی سازنده در دنیای علم باقی خواهد ماند.
نظرات