جهانی بر پایه ارتعاشات : بازگشت نظریه ریسمان به صحنه علم

نظریه ریسمان نمرده است

26 دسامبر 2024 JSTOR Daily

دانشمندانی که به دنبال کشف اسرار جهان هستند، تمایل دارند مدلی بسازند که نشان دهد چگونه تمام نیروها و ذرات طبیعت با هم در ارتباط هستند. شاید مثل کنار هم گذاشتن لگوها، اما این‌بار نه با قطعات پلاستیکی بلکه با حلقه‌های کوچک یا رشته‌هایی از انرژی لرزان. این اتصال باید به صورت ریاضی انجام شود، نه از طریق قطعات فیزیکی.

نظریه ریسمان، که به آن اشاره می‌شود، مدعی است که معادلاتی با استفاده از "ریسمان‌های کوچک" می‌توانند معماهای اساسی طبیعت در مقیاس زیراتمی را حل کنند. این نظریه در فرهنگ عمومی نیز شهرت یافته است، به طوری که در سریال‌های مشهوری مانند تئوری بیگ‌بنگ یا NCIS به آن اشاره شده است. اما در میان فیزیکدانان، نظریه ریسمان با واکنش‌های متفاوتی مواجه بوده است.

در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، این نظریه امیدهای زیادی ایجاد کرد، اما به دلیل عدم تحقق وعده‌هایش، از جمله تلفیق گرانش با نظریه کوانتوم (که هنوز حل نشده باقی مانده)، کم‌رنگ شد. همچنین، نتوانست نشان دهد که نیروهای بنیادین طبیعت صرفاً اشکال مختلف یک نیروی واحد هستند.

با این حال، طرفداران نظریه ریسمان همچنان مشغول کار بر روی گره‌های این نظریه هستند. اگرچه موفقیت نهایی هنوز دور از دسترس است، اما پیشرفت‌های واقعی حاصل شده است. بسیاری از سؤالات در مورد کوچک‌ترین اجزای ماده و حتی ویژگی‌های کل جهان ممکن است با تلاش‌های این نظریه‌پردازان حل شوند.

فیزیکدانان فرناندو مارچسانو، گری شی‌یو و تیمو ویگاند در مقاله‌ای در بررسی سالانه فیزیک هسته‌ای و ذرات (۲۰۲۴) نوشته‌اند: «بسیاری از مشکلات حل‌نشده در فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی عمیقاً به هم مرتبط هستند. نظریه ریسمان ممکن است مسیری برای حل این مشکلات ارائه دهد.»

معادلات واقعیت

یکی از اهداف مهم نظریه ریسمان، توضیح مدل استاندارد فیزیک ذرات است. مدل استاندارد، که در نیمه دوم قرن بیستم توسعه یافت، فهرستی از تمام ذرات بنیادی طبیعت را ارائه می‌دهد. این مدل شامل ۱۲ ذره ماده (۶ کوارک و ۶ لپتون) و ۵ ذره نیرو (۴ بوزون و بوزون هیگز) است که وظیفه انتقال نیروها و ایجاد جرم برای برخی ذرات را بر عهده دارند.

اگرچه این جدول ساده به نظر می‌رسد، اما ریاضیات پشت آن پیچیدگی حیرت‌آوری دارد. این معادلات تقریباً تمام رفتارهای شناخته‌شده فیزیک ذرات را با دقت بالا توضیح می‌دهند. با این حال، مدل استاندارد نمی‌تواند تصویر کامل جهان را ارائه دهد.

مارچسانو و همکارانش نوشته‌اند: «علی‌رغم موفقیت‌های شگفت‌انگیز مدل استاندارد در توصیف رفتارهای مشاهده‌شده تا به امروز، دلایل محکمی وجود دارد که نشان می‌دهد این مدل کامل نیست.»

به عبارت دیگر، اگر نظریه ریسمان صحیح باشد، مدل استاندارد فقط بخش کوچکی از توصیف کامل ریاضی واقعیت خواهد بود.

برای مثال، این معادلات گرانش را شامل نمی‌شوند و نمی‌توانند توضیح دهند چرا برخی ذرات جرم خاصی دارند. همچنین، مدل استاندارد ماده تاریک (ذرات ناشناخته‌ای که در کهکشان‌ها وجود دارند) را توضیح نمی‌دهد و دلیل گسترش شتاب‌دار جهان را نیز مشخص نمی‌کند.

(ماده تاریک و انرژی تاریک هنوز ناشناخته‌ترین مفاهیم در کیهان‌شناسی هستند که نظریه ریسمان امیدوار است روزی آن‌ها را توصیف کند.)

برخی فیزیکدانانی که به این مسائل می‌پردازند، بر این باورند که نظریه ریسمان می‌تواند به حل مشکلات کمک کند، زیرا نسخه ریسمانی مدل استاندارد شامل ریاضیات اضافی خواهد بود که می‌تواند کاستی‌های آن را توضیح دهد. به بیان دیگر، اگر نظریه ریسمان درست باشد، مدل استاندارد تنها بخشی از توصیف کامل ریاضی واقعیت خواهد بود.

اما یک مشکل وجود دارد: نظریه ریسمان نسخه‌های متعددی از واقعیت را ارائه می‌دهد. این امر به دلیل وجود ریسمان‌ها در فضایی با ابعاد بیشتر از سه بُعد معمولی است. این وضعیت شبیه یک نسخه پیشرفته‌تر از منطقه گرگ و میش است.

نظریه‌پردازان ریسمان قبول دارند که زندگی روزمره به‌خوبی در یک جهان سه‌بعدی جریان دارد. بنابراین، ابعاد اضافی نظریه ریسمان باید به قدری کوچک باشند که قابل مشاهده نباشند؛ این ابعاد باید کوچک شده یا به اصطلاح "فشرده" شوند و به اندازه‌ای زیرمیکروسکوپی برسند. این وضعیت مانند مورچه‌ای است که روی یک صفحه کاغذ بزرگ زندگی می‌کند و تنها سطح دوبعدی را درک می‌کند، بدون آنکه بداند این کاغذ یک بعد سوم کوچک نیز دارد.

علاوه بر این، ابعاد اضافی در نظریه ریسمان می‌توانند به تعداد بی‌شماری از پیکربندی‌ها یا هندسه‌های مختلف برای خلأ فضایی فشرده شوند. یکی از این هندسه‌های ممکن، ممکن است همان شکل مناسبی باشد که ویژگی‌های مدل استاندارد را توضیح دهد.

مارچسانو و همکارانش می‌نویسند: «ویژگی‌ها، سؤالات و معماهای مدل استاندارد را می‌توان در قالب هندسه ابعاد اضافی بازتعریف کرد.»

از آنجا که ریاضیات نظریه ریسمان به اشکال مختلفی بیان می‌شود، نظریه‌پردازان باید مسیرهای متعددی را بررسی کنند تا بهترین فرمول‌بندی را پیدا کنند. تاکنون، روش‌های ریسمانی یافت شده‌اند که بسیاری از ویژگی‌های مدل استاندارد را توضیح می‌دهند، اما برای توضیح هر ویژگی، به هندسه فشرده‌سازی متفاوتی از خلأ نیاز است. چالش اصلی، همان‌طور که مارچسانو و همکارانش اشاره می‌کنند، یافتن یک هندسه واحد برای خلأ است که همه این ویژگی‌ها را به طور هم‌زمان ترکیب کند و همچنین شامل ویژگی‌هایی باشد که جهان شناخته‌شده را توصیف می‌کنند.

برای مثال، یک فشرده‌سازی موفق ابعاد اضافی باید خلائی در فضا ایجاد کند که مقدار مناسبی از "انرژی تاریک" را شامل شود؛ همان منبعی که باعث انبساط شتاب‌دار جهان می‌شود. همچنین، نامزدهایی برای ماده تاریک کیهانی نیز باید در ریاضیات نظریه ریسمان ظاهر شوند. در واقع، یک مجموعه کامل از ذرات نیرو و ماده اضافی از معادلات ریسمانی ناشی می‌شود که شامل خاصیتی ریاضی به نام ابرقرینه است. مارچسانو و همکارانش می‌نویسند: «تقریباً تمام مدل‌های نظریه ریسمان که شبیه مدل استاندارد هستند، ابرقرینه را در مقیاس فشرده‌سازی نمایش می‌دهند.»

نسخه‌های نظریه ریسمان که شامل ذرات ابرقرینه هستند، به نام "نظریه ابرریسمان" شناخته می‌شوند. چنین "ابرذراتی" مدت‌هاست به عنوان یکی از اجزای ماده تاریک جهان مطرح شده‌اند، اما تلاش‌ها برای شناسایی آن‌ها در فضا یا تولیدشان در شتاب‌دهنده‌های ذرات تاکنون بی‌نتیجه بوده است.

در مورد گرانش، ذراتی که نیروی گرانشی را منتقل می‌کنند، به‌طور طبیعی در ریاضیات نظریه ریسمان ظاهر می‌شوند، که یکی از جذابیت‌های اصلی این نظریه است. اما این واقعیت که بسیاری از فرمول‌بندی‌های نظریه ریسمان شامل گرانش هستند، نمی‌گوید کدام فرمول‌بندی توصیف درستی از دنیای واقعی ارائه می‌دهد.

آزمایش‌های ممکن

اگر نظریه ریسمان درست باشد، ذرات بنیادی طبیعت دیگر اشیای نقطه‌ای صفر بعدی که در نظریه استاندارد تعریف شده‌اند، نخواهند بود. در عوض، ذرات مختلف از حالت‌های مختلف ارتعاش یک ریسمان یک‌بعدی به وجود می‌آیند؛ ریسمانی که می‌تواند به شکل یک حلقه بسته یا یک قطعه با انتهای متصل به اشیای چندبعدی به نام برین‌ها باشد. این ریسمان‌ها به قدری کوچک‌اند که اندازه آن‌ها نسبت به یک اتم مانند اندازه یک اتم در مقایسه با منظومه شمسی است. به بیان دیگر، فوق‌العاده کوچک و کاملاً فراتر از توانایی فناوری‌های موجود برای شناسایی مستقیم آن‌ها. انرژی موردنیاز برای بررسی این مقیاس‌های بسیار کوچک از دسترس هر فناوری عملی فعلی خارج است.

با این حال، اگر نظریه ریسمان بتواند مدل استاندارد را توضیح دهد، ویژگی‌های دیگری از واقعیت را نیز شامل خواهد شد که می‌توان آن‌ها را از طریق آزمایش‌ها بررسی کرد؛ مانند انواعی از ذرات که در نمودار مدل استاندارد حضور ندارند. مارچسانو و همکارانش می‌نویسند: «ساختارهای ریسمانی که مدل استاندارد را تحقق می‌بخشند، همیشه بخش‌های اضافی‌ای در مقیاس انرژی دارند که ممکن است در آینده‌ای نزدیک قابل آزمایش باشند.»

در نهایت، نظریه ریسمان همچنان یک گزینه امیدوارکننده برای کنار هم قرار دادن تمام قطعات پازل کیهانی است. اگر این نظریه به نتیجه برسد، دانشمندان می‌توانند بالاخره رازهای مربوط به رابطه فیزیک کوانتومی با گرانش و ویژگی‌های ذرات و نیروهای طبیعت را که عمیقاً به هم مرتبط هستند، کشف کنند. مارچسانو و همکارانش می‌نویسند: «نظریه ریسمان تمام عناصر لازم را برای کمک به درک این ارتباط ژرف در اختیار دارد.»