نگاهی بر نظریه‌ی ریسمان

فراتر از بعد سوم چه چیزی پنهان شده؟ آیا نظریه‌ای وجود داره که در بستر اون کارکرد جهان رو توضیح بدیم؟ *برای درک بهتر این نظریه توصیه می‌شه ابتدا پست پیشین رو مطالعه کنید.*

نیوتن در اواسط قرن هفدهم تونست گرانش و نحوه کارکردش رو فرمول‌بندی کنه. در حقیقت او نشون داد که شتاب وارد شده به هر جسم در زمین، وابسته به جرم جسم مذکور نیست. نیوتون تمامی قوانین حاکم بر گرانش رو در روابطی واحد فرمول‌بندی کرد. با وجود تئوری نیوتن در مورد گرانش، خود او هم نحوه کارکرد جاذبه رو به درستی درک نکرد. توضیح دقیق‌تر گرانش توسط انیشتین و در نتیجه مطالعه او روی رفتار نور بدست اومد. او حدی مشخص رو برای سرعت نور در نظر گرفت. حدی که سرعت نور رو نسبت به دیگر سرعت‌ها متمایز می‌کنه. برای نمونه هشت دقیقه و سی ثانیه طول می‌کشه تا نور از سطح خورشید به سطح زمین برسه. انیشتین به منظور رد کردن نظریه نیوتن در مورد گرانش، آزمایشی ذهنی طراحی کرد. او فرض کرد گرانش خورشید ناگهان حذف بشه. طبق نظریه نیوتن، در این حالت زمین و دیگر سیارات اطراف خورشید به طور ناگهانی در مسیر خودشون حرکت خواهند کرد. این جمله به این معنیه که گرانش سریع‌تر از نور حرکت می‌کنه. این در حالیه که هر پدیده‌ای در طبیعت باید سرعتی کمتر از نور داشته باشه. بنابراین می‌شه گفت که نظریه نیوتن در مواردی خاص درسته. او با رویکردی متفاوت اثبات کرد که گرانش در نتیجه خمیدگی فضا-زمان ایجاد شده. انیشتین نشون داد که چطور اجرام سنگین می‌تونن فضا-زمان اطرافشون رو خمیده کنند. هم‌چنین نحوه حرکت یک جرم قرار گرفته در یک فضا-زمان خمیده هم توضیح داده شد. انیشتین نشون داد که با حذف شدن ناگهانی خورشید، پیچ و تاب‌های اطرافش به حالت اولیه برگشته و این پیچ‌وتاب‌ها دقیقا با سرعت نور منتقل می‌شن. از این رو زمین پس از مدت زمان ۸ دقیقه، نبود خورشید رو احساس خواهد کرد. ماموریت بعدی انیشتین یکی کردن نیروی گرانش با نیروی الکترومغناطیس بود. نیروی الکترومغناطیس در اواخر قرن نوزدهم توسط ماکسول توضیح داده شده بود. جالبه بدونید که قدرت نیروی الکترومغناطیس بسیار بیشتر از نیروی گرانشه. اندازه نیروی الکترومغناطیس 10 به توان 39 برابر نیروی گرانشه. نهایتا او نتونست به تئوری دست پیدا کنه که بشه با استفاده از اون دو نیروی گرانش و الکترومغناطیس رو توصیف کرد.

به موازات تئوری نسبیت، فیزیک کوانتومی هم رشد پیدا کرد که در پست پیشین درباره‌اش صحبت کردیم. دنیای بیان شده توسط کوانتوم مکانیک، با استفاده از نسبیت قابل توجیه نبود. در دهه ۱۹۳۰، دانشمندان دو قطعه دیگر از پازل نیرو‌های حاکم بر طبیعت رو یافتند. این دو نیرو تحت عنوان نیروی هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف نام‌گذاری شدند. به طور دقیق‌تر می‌شه گفت نیروی هسته‌ای قوی، پروتون‌ها رو به نوترون‌ها رو درکنار هم قرار می‌ده؛ این در حالیه که هسته‌ای ضعیف، در فرآیند تبدیل نوترون‌ها به پروتون‌ها ایجاد می‌شه. به این فرآیند واپاشی نوترونی هم گفته می‌شه. بنابراین چهار نیروی شناخته شده در طبیعت عبارتند از: • گرانش • الکترومغناطیس • هسته‌ای قوی • هسته‌ای ضعیف با کشف این چهار نیرو، تلاش بسیاری به منظور واحد کردن اون‌‌ها در یک نظریه صورت گرفته. مکانیک کوانتوم بستری هست که با استفاده از اون می‌تونیم سه نیروی هسته‌‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس رو توجیه کنیم. اما گرانش رو نمی‌شه به این سه نیرو اضافه کرد. به طور دقیق‌تر مکانیک کوانتوم و نسبیت رو نمی‌تونیم در یک بسترِ واحد قرار بدیم. هدف اصلی انیشتین، واحد کردن تمامی این چهار نیرو بود. او سال‌های بسیاری رو در مقابل کوانتوم مکانیک مقاومت کرد و بسیاری معتقدند که این نظریه رو قلبا قبول نداشت. انیشتین بدون دست‌یابی به راه‌حلی برای واحد کردن نیرو‌ها در سال ۱۹۵۵ درگذشت.

به نظر می‌رسید مسئله واحد کردن نیرو‌ها با درگذشت انیشتین، تموم شده تا اینکه ستاره‌شناسی به نام «روی پاتریک کِر» با حل معادلات تانسوری نسبیت عام برای یک جرم بسیار سنگین به این نتیجه رسید که فضا-زمان اطرافش چنان در هم تنیده می‌شه که سوراخ شده و منجر به ایجاد یک سیاهچاله در بستر فضا-زمان می‌شه. گرانش اطراف یک سیاهچاله هم چنان قدرتمنده که حتی نور هم نمی‌تونه از اون عبور کنه. مرکز یک سیاهچاله بسیار کوچک و بسیار سنگین هست. فیزیکِ اجرام بسیار کوچک با مکانیک کوانتومی و اجرام بسیار سنگین با نسبیت توضیح داده می‌شه اما یک سیاهچاله هر دوی این ویژگی‌ها رو داره. بنابراین از کدوم‌یک به‌منظور توصیف یک سیاهچاله باید استفاده کرد. از طرفی استفاده همزمان اون‌ها هم امکان‌پذیر نیست. دلیل این امر قابل جمع نبودن این دو نظریه با هم هست. برخی از دانشمندان مثل تئودور کالوزا هم به دنبال یگانه‌سازی نیرو‌ها بودند. اکثر این نظریه‌ها مبتنی بر ابعاد بیشتره. اما تصور کردن این ابعاد، سوالات زیر رو مطرح خواهد کرد. • ابعاد اضافه احتمالی کجا قرار داشته و چگونه می‌توان آن‌ها را توصیف کرد؟ • آیا با واحد کردن نیرو‌ها می توان کل کیهان را توصیف کرد؟ دو سوال بالا، از جمله مهم‌ترین سوالاتی هستند که برای هر دانشمندی که در جست‌‌و‌جوی راه‌حلی برای واحد کردن نیرو‌ها هست، مطرح می‌شه. برای اولین بار، اسکارکلاین، به سوال اول پاسخ داد. این دانشمند سوئدی دو مورد زیر رو بیان کرد: • ابعاد اضافه را نمی‌توان مشاهده کرد. • ابعاد اضافی، حلقه شده و بسیار کوچک هستند. برای نمونه شخصی که در طبقه بالای یک ساختمان قرار داره، ماشین پارک شده در خیابان رو به صورت یک نقطه و فضایی تک‌بعدی می‌بینه؛ اما شخصی که در خیابان قدم می‌زنه، طول‌، عرض و ارتفاع اون رو هم مشاهده می‌کنه. به منظور پاسخ به سوال دوم، انیشتین تلاش کرد که معادلات نظریه نسبیت رو در مقیاس الکترونی حل کنه. اما این نظریه در این مقیاس پاسخ درستی (مطابق به کوانتوم مکانیک) رو بدست نمی‌آورد.

در یک بازه‌ی زمانی کسی به متحد کردن نیرو‌ها فکر نمی‌کرد. فراموش نکنید که یگانه کردن نیرو‌ها سرنخی برای یگانه کردن قوانین فیزیکی محسوب می‌شه. در دهه ۱۹۷۰ نظریه‌ای تحت عنوان نظریه ریسمان به وجود اومد. نظریه ریسمان بیان می‌کنه که تمامی اجزاء هستی مثل ستاره‌ها، سیاره‌ها یک درخت یا حتی پروتون‌ها و الکترون‌ها از ارتعاش ریسمان‌هایی از انرژی به وجود اومده‌اند. نحوه ارتعاش این بند‌های انرژی، نوع نیرو‌ها و حتی مواد رو تعیین می‌کنه. نظریه ریسمان برخی حقایق رو بر ما آشکار کرده که کوانتوم یا نسبیت قادر به آشکار کردن اون‌ها نبود. برای نمونه طبق نسبیت عام، فضا می‌تونه پیچ و تاب بخوره، اما نمی‌تونه پاره بشه. نظریه ریسمان بیان می‌کنه که انیشتین همیشه درست فکر نمی‌کرده. در حقیقت اگر به اندازه‌ای بسیار زیاد کوچک بشیم، خواهیم دید که در پوسته فضا-زمان هم شکاف‌هایی وجود داره که می‌تونن با گذشت زمان رشد کرده یا از بین برن. بنابراین طبق نظریه ریسمان می‌تونیم صفحه فضا-زمان رو سوراخ کرده و دو نقطه از اون رو به یکدیگر متصل کنیم. جالبه که بدونید این دو سوراخ مرتبط با هم ناحیه‌ای از فضا تحت عنوان کرمچاله رو به‌ وجود می‌آورند که می‌تونیم با استفاده از اون در زمانی کوتاه به دوردست‌ها دسترسی داشته باشیم.

از دیگر نتایج مهم نظریه ریسمان اینه که می‌شه با استفاده از نحوه ارتعاش اون‌ها نوع ذره بنیادی تولید شده رو تعیین کرد. برای نمونه، الکترون، شکل خاصی از ارتعاش رو نتیجه می‌ده. این نوع از ارتعاش با ارتعاش ریسمان به منظور تولید پروتون متفاوته. توجه داشته باشید که نظریه ریسمان به چندین شکل مختلف ارائه شده، اما پایه ریاضیاتی اون‌ها یکسان هستند. این نظریه با انواع HO ،IIB ،I ،IIA و HE شناخته می‌شه. شاید شما هم به این پارادوکس فکر کرده باشید که ما به دنبال یک نظریه واحد بودیم اما پنج نظریه ریسمان ارائه شده. در سال 1995، کنفرانسی در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی برگزار شد. «ادوارد ویتن» در این کنفرانس 5 تئوری رو ذاتا یک دیدگاه یکسان با زاویه‌های متفاوت نامید و تمامی اون‌ها رو «تئوری M» نامید. این پیشنهاد، انقلابی در زمینه فیزیک محسوب می‌شه. بدون استفاده از نظریه M، به منظور توصیف کیهان با ریسمان، به ۱۰ بعد نیاز داریم. از این ابعاد، ۳ بعد فضا، ۱ بعد زمان و ۶ بعد ریزتاب‌های درونی ریسمان‌ها رو نشان می‌ده. ادوارد ویتن در نظریه M، بعدی جدید هم اضافه کرد. بعد اضافه شده توسط ویتن، قابلیتی انعطاف‌پذیر رو به ریسمان می‌ده. این بعد بیان می‌کنه که چطور یک ریسمان می‌تونه رشد کنه و توسعه پیدا کنه. یکی از نتایج جالبِ نظریه ریسمان، وجود عالم درون یک پوسته هست. ابعاد این پوسته بیشتر از ابعاد عالمه. از این رو ذرات و اتم‌های قرار گرفته در این عالم قادر نخواهند بود فضای بیرون از این پوسته رو درک کنند.

برای درک بهتر، یک میز بیلیارد رو تصور کنید. فرض کنید خود میز فضایی سه‌بعدی بوده و توپ‌های قرار گرفته روی اون، اتم‌ها و ذرات تشکیل‌دهنده عالم باشند. با برخورد توپ‌‌های قرار گرفته روی میز به یکدیگر، امواج صوتی در طول میز منتشر می‌شه. طبق نظریه ریسمان، امواج گرانشی هم می‌تونند در نتیجه پیچ و تاب خوردن صفحه فضا-زمان منتشر شده و به خارج از این عالم منتقل بشه. نظریه M دیدگاهی متفاوت رو نسبت به ۴ نیروی موجود در طبیعت و همچنین اجزا تشکیل‌دهنده عالم ارائه می‌ده. در حقیقت این تئوری بیان می‌کنه که هرچیزی که در دنیا وجود داره از ارتعاشات رشته‌های انرژی تشکیل شده. این رشته‌ها می‌تونن حلقه‌هایی بسته یا باز باشند. معروف‌‌ترین حلقه بسته موجود در طبیعت، گراویتون است. این ذره یا همون حلقه بسته، عامل انتقال نیروی گرانشیه. حلقه‌های بسته، رشته‌هایی محسوب می‌شن که می‌تونن میان جهان‌های مختلف انتقال پیدا کنند. از این رو به نظر می‌رسه اگر عالم‌های دیگری وجود داشته باشه، می‌شه با استفاده از امواج گرانشی با اون‌ها ارتباط برقرار کرد. میدان‌های نیرو از ذرات مختلفی تحت عنوان بوزون ساخته شده‌‌اند. این ذرات، عامل انتقال نیرو تلقی می‌شن.

زمانی تصور بر این بود که زمین مرکز جهانه. بعدا گالیله و کوپرنیک ثابت کردند که زمین نه تنها مرکز عالم بلکه مرکز منظومه شمسی هم محسوب نمی‌شه. حتی منظومه شمسی و کهکشان راه شیری هم مرکز جهان نیستند. اگر به همین صورت پیش بریم این سوال مطرح می‌شه که آیا جهان دیگری هم به جز اون‌چه در آسمان می‌بینیم، وجود داره؟ در حقیقت ممکنه مثل سیاره، منظومه یا کهشکان، بینهایت عالم یا جهان دیگر هم وجود داشته باشه. هانی که در اون قرار گرفته‌ایم در نقطه‌ای متراکم بوده و ۱۴ میلیارد سال قبل انفجاری عظیم رخ می‌ده. این انفجار تحت عنوان مهبانگ یا بیگ‌بنگ شناخته می‌شه. برخی از فیزیکدان‌ها مثل «الکس ویلنکن» نظریه‌ای رو ارائه کردند که در اون جهان به صورت تورمی رشد می‌کنه. اما طبق این نظریه، سوخت اولیه به منظور رخ دادن بیگ‌‌بنگ بسیار بیشتر از مقدار مورد نیازه. از این رو این انرژی می‌تونه منشا بسیاری دیگر از انفجار‌ها هم باشه. به‌منظور توضیح بیشتر جها‌ن‌های چندگانه اندکی به عقب برمی‌گردیم.

همونطور که اشاره کردیم، کیهان بعد از بیگ بنگ در حال انبساطه. اما به نظر شما این سرعت انبساط در حال زیاد شدنه یا کم شدن؟ کیهان از اجرام بزرگی مثل کهکشان‌‌ها تشکیل شده که یکدیگر را جذب می‌کنند. از این رو به نظر می‌رسه که سرعت انبساط باید در حال کاهش باشه. اما در اواخر قرن گذشته و طی اندازه‌گیری‌هایی مشخص شد که سرعت انبساط کیهان در حال افزایشه. این تناقض نشان دهنده‌ی اینه که نوعی از انرژی باید در عالم وجود داشته باشه که ما اون رو نمی‌بینیم. این انرژی تحت عنوان انرژی تاریک شناخته می‌شه. حدود 68 درصد از کیهان از انرژی تاریک ساخته شده. جالبه بدونید شکل‌های مختلفی از ارتعاش، شکل‌های متفاوتی از انرژی تاریک و در نتیجه جهان‌های متفاوتی رو ایجاد می‌کنه. بنابراین اگر در جهانی دیگر شکل ارتعاش این ریسمان‌ها مثل کیهانی باشه که ما در اون قرار گرفته‌ایم، در این صورت ممکنه موجودات قرار گرفته در آن جهان هم شبیه ما باشند.

در حالت کلی نظریه‌های ریسمان، جهان تورمی و انرژی تاریک در فیزیک، منجر به خلق جهان‌های موازی می‌شن که در پست بعدی به اونها خواهیم پرداخت. تاکنون آزمایشی به منظور اثبات وجود جهانی دیگر مطرح نشده. با این حال امواج پس‌زمینه کیهانی اطلاعاتی رو در مورد ۱۴ میلیارد سال قبل به ما می‌دن که ممکنه در مورد شناسایی دیگر جهان‌ها مفید باشند. دانشمندان با استفاده از این امواج توانسته‌اند توزیع دمای کیهان رو در ۱۳.۷ میلیارد سال پیش به دست بیاورند. در اون زمان منظومه شمسی وجود نداشت. اختلاف دمایی در نقاط مختلف کیهان عاملیه که منجر به تولد کهکشان‌ها می‌شه. از این رو در صورت برخود جهان ما با جهانی موازی، توزیع ارائه شده در این نقشه هم تغییر خواهد کرد. در این مطلب با نظریه ریسمان تا حدودی آشنا شدید.