نظریه ریسمان چگونه ما را به نظریه همه چیز می‌رساند؟

درست مانند پدر‌ومادر جدا‌شده‌ای که در جشنی شرکت‌ کرده‌اند، فیزیک هم از دو بخش جدا ترکیب شده که نمی‌توانند باهم باشند. این دو بخش نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هستند. بسیاری از پژوهشگران دهه‌ها به‌دنبال جداکردن این دو بخش در قالب نظریه‌ای به‌نام «نظریه‌ی ریسمان» بوده‌اند. این نظریه تلاش می‌کند نیرو‌ی گرانش را با رفتار ذرات زیر‌اتمی تطبیق‌ دهد.

درست مانند بسیاری از فیزیک‌دانان سراسر جهان، فیزیک‌دانان نظری دانشگاه پرینستون نیز همچنان رؤیا‌ی آشتی‌دادن پدرومادر فیزیک را در سر می‌پرورانند. نظریه‌ای که فیزیک‌دانان روی آن کار می‌کنند به «نظریه‌ی همه‌چیز» شهرت دارد.

طبق گفته‌ها‌ی اخیر کاترین زاندونلا، مدیر ارتباطات دانشگاه پرینستون، فیزیک‌دانان نظری این دانشگاه به موفقیت‌ها‌یی در زمینه‌ی ریاضیات نظریه دست‌ یافته‌اند.

زاندونلا گفت:

نکته‌ی مهم و درخورتوجه این است که گرانش، یعنی نیرو‌یی که باعث باز‌گشتن توپ بیسبال به زمین و رشد‌ سیاه‌چاله‌ها می‌شود، به‌صورت خود‌کار با رفتار خاص و عجیب ذرات زیر‌اتمی تشکیل‌دهنده‌ی جهان اطراف ما ارتباط دارد. این ارتباط میان گرانش و ذرات زیر‌اتمی نوعی سنگ روزتا برای فیزیک خواهد‌ بود. سنگ روزتا سنگی بود که متن یونانی و مصری باستان روی آن حک و کلید دست‌یابی به خط و زبان مصر باستان شده بود.

مسئله‌ی این دو تئوری فقط مسئله‌ی تلفیق آن‌ها نیست؛ بلکه با ترجمه‌ی زبان یکی از آن‌ها به زبانی دیگر، می‌توان کاری کرد که حد‌اقل با یکدیگر حرف‌ بزنند. متأسفانه برای این کار باید ساختار نظریه‌ی ریسمان را شکل داد و این کار، فیزیک‌دانان را از یکدیگر جدا کرده است. پیش‌تر، درباره‌ی مدل ریاضیاتی نظریه‌ی ریسمان شنیده‌ایم؛ اما افراد کمی آن را درک کرده‌اند.

اصلی‌ترین مشکلی که باید حل‌ شود، مشکل «بی‌نهایت‌ها» است. اگر در فرمولی، عدد قرار‌ دهیم و از آن جواب معنی‌دار نگیریم، درحقیقت، فرمول به‌کاررفته‌ی ما نمی‌تواند چیزی را پیش‌بینی کند و ارزشی ندارد.

نظریه‌ی کوانتوم برای بیشترِ بر‌هم‌کنش‌ها‌ی بین ذرات جواب قاطعی به ما می‌دهد. جواب‌ها‌ی این نظریه نه‌تنها معنی‌‌دارند؛ بلکه با داده‌ها‌ی آزمایشگاهی نیز مطابقت بسیار خوبی دارند. متأسفانه گرانش مسئله‌ای عجیب است. هم‌اکنون، می‌توانیم از توصیف ساختار فضازمان با نسبیت عام اینشتین، بر‌هم‌کنش ضعیف بین اجرام دور از یکدیگر را توصیف‌ کنیم.

زمانی‌که ریاضیاتی با پایه‌ی احتمال و توصیف‌کننده‌ی ذرات حمل‌کننده‌ی نیرو را به فضا‌زمان نسبیت عام اعمال می‌کنیم، به جواب‌های بی‌نهایت و بی‌معنی می‌رسیم؛ دقیقا مانند دو انسانی که سر یکدیگر فریاد می‌کشند. ترکیب گرانش با دو نیرو‌ی هسته‌ای و نیز نیرو‌ی الکترو‌مغناطیسی، نظریه‌ی واحدی به‌وجود می‌آورد. این نظریه چگونگی پدیدارشدن جهان کنونی ما از یک سیستم فیزیکی را به‌سادگی توضیح می‌دهد.

یکی از اقدام‌ها‌یی که برای رسیدن به نظریه‌ی همه‌چیز می‌توان انجام داد، نگاه متفاوت به ذرات است. باید ذرات را به‌گونه‌ای توصیف کرد که هم‌زمان هم ویژگی‌ها‌ی نقطه‌ای و گسسته‌بودن آن‌ها حفظ و هم به ویژگی‌ها‌ی موجی و نوسانی آن‌ها در فضازمان چهار بعدی توجه‌ شود.

نظریه‌ی ریسمان این کار را انجام می‌دهد. در این نظریه، ذرات به‌صورت اجرام تک‌بُعدی درنظر گرفته می‌شوند که با رفتن از بُعدی به چند بُعد، تغییرشکل می‌دهند. به‌عبارتِ‌دیگر، ذرات به‌شکل خطوطی هستند که در بازه‌ی فرکانسی خاصی ارتعاش دارند و هر فرکانس، ذره‌ای با ویژگی‌ها‌ی منحصر‌به‌فرد ایجاد می‌کند.

این نظریه در قسمت‌ها‌ی دیگر فیزیک نیز کار‌ می‌کند. در دهه‌ی ۱۹۹۰، سه نفر از پژوهشگران دانشگاه پرینستون نظریه‌ی ریسمان را بر نیرو‌ی هسته‌ای قدرتمندی اعمال‌ کردند. ذره‌ی حمل‌کننده‌ی نیرو‌ی هسته‌ای قوی «گلوئون» نام دارد. نام این ذره از کلمه‌ی لاتین glue به‌معنی «چسب» گرفته‌ شده و ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پروتون و نوترون را در‌کنار یکدیگر نگه‌ می‌دارد. این پژوهشگران متوجه‌ شدند همین فرایند می‌تواند به آن‌ها در فهم تابش سیاه‌چاله‌ها کمک‌ کند.

چند سال بعد، ژون مالداسنا، یکی دیگر از پژوهشگران پرینستون، توضیح فرا‌گیر و گسترده‌تری درباره‌ی بزرگ‌مقیاس‌ها مانند چگونگی تغییرشکل فضازمان به‌وسیله‌ی جرم و نظریه‌ی «میدان‌‌ها‌ی ذرات زیر‌اتمی» ارائه داد. بعد از بیست سال، هنوزهم نظریه‌ی ریسمان به زبان مشترک پدرومادر فیزیک در قالب نظریه‌ی میدان روح تازه می‌بخشد.

مالداسنا گفت:

امیدواریم بتوانیم تکینگی مرکز سیاه‌چاله را بفهمیم. اگر از عهده‌ی فهم این موضوع بر‌آییم، می‌توانیم راهی به درک انفجار بزرگ (Big Bang) نیز پیدا‌ کنیم.

لئونارد ساسکیند، پژوهشگر دانشگاه استنفورد، به‌تازگی مقاله‌ی خود درباره‌ی انبساط حجمی سیاه‌چاله مطابق AdS/CFT را منتشر کرده‌ است. هر ایده‌ی جدید درعمل باید آزمایش‌ و درستی آن دیده‌ شود؛ حتی پدر این نظریه نیز گاهی شک و تردید خود را درباره‌اش ابراز می‌کند. تردیدی که درباره‌ی این نظریه وجود‌ دارد آن است که آیا ریاضیات آن، واقعیت را توصیف می‌کنند یا فقط بازتاب کم‌عمقی از حقیقتی عمیق‌تر هستند؟

ساسکیند به‌تازگی در مصاحبه‌ای گفته‌ است:

حدس من این است که نظریه‌ی همه‌چیز جهان هر‌چه باشد، به نظریه‌ی ریسمان بی‌ربط نیست؛ اما نظریه‌ی ریسمان هم به این شکل و با این دقت و ظرافت ریاضی نمی‌تواند نظریه‌ی توصیف‌کننده‌ی ذرات باشد.

ممکن است نظریه‌ی ریسمان بتواند پدرومادر فیزیک را به صحبت‌کردن وادار کند و حتی ممکن است راهی برای  متصل‌کردن مکانیک کوانتومی نسبیت عام به ما نشان‌ دهد. باوجوداین، مسلما راه درازی برای جمع‌کردن خانواده‌ی فیزیک به دور یکدیگر در پیش داریم و طبیعتا برای کریسمس قرار نیست این اتفاق بیفتد.