نظریه‌ی ریسمان (قسمت سوم)

به ‌لحاظ تاریخی نظریه‌ی ریسمان به ‌عنوان توضیحی برای رابطه‌ی مشاهده شده بین جرم و اسپین ذرات ویژه‌ای به‌ نام هادرون (hadron) که شامل پرتن و نوترن است پیشنهاد شد. این‌جا نظریه‌ کار نمی‌کرد ولی سرانجام الکترودینامیک کوانتومی (Quuantum Electrodynamics)
– نظریه‌ای که برهم‌کنش ‌های میان کوارک‌ها و برهم‌کنش‌های میان پرتن‌ها و
نوترن‌ها را در چارچوب نظریه‌ی کوانتم توصیف می‌کند- نظریه‌ی بهتری برای
هادرون‌ها اثبات کرد.
همان‌طور که پیش‌تر دیدیم اگر نظریه‌ی کوانتومی‌
خوبی برای گرانش موجود باشد، گراویتون می‌تواند  جرم صفر و اسپین 2 داشته
باشد. این موضوع  پیش‌گامان نظریه‌ی ریسمان را بر آن ‌داشت که این نظریه
را نه‌تنها برای توصیف رفتار هادرون‌ها بلکه به‌عنوان یک نظریه‌ی گرانش
کوانتومی (همان آرزوی دیرین فیزیک نظری)  در تلفیق گرانش و ذرات  معرفی
کنند.

بالاخره نظریه‌ی ریسمان چیست!؟

گیتاری
را در نظر بگیرید. حتماً می‌دانید که آلات موسیقی زهی زمانی صدای خوبی
خواهند داشت که کوک شده باشند. یعنی تاحد مشخصی کشیده شده باشند. بسته به
این ‌که این تارها چه‌قدر کشیده شوند و چه‌مقدار تنش را تحمل کنند، نت‌های
موسیقی متفاوتی تولید می‌شود که این نت‌ها را می‌توان حالت‌های
برانگیخته‌ی تار کشیده شده‌ی گیتار دانست.
ادعای نظریه‌ی ریسمان نیز
کمابیش همین است. اندیشه‌‌ی نهفته در نظریه‌ی ریسمان این است که همه‌ی
انواع ذرات بنیادین مدل استاندارد تنها نمودهایی از یک شیئ بنیادی‌تر
هستند: یک ریسمان.
چگونه؟ به عنوان مثال الکترون را که ذره‌ای بدون
ساختار داخلی (یعنی مثل یک نقطه است!) است، در نظربگیرید. یک نقطه تنها
کاری که می‌تواند انجام دهد این است که حرکت کند. ولی اگر نظریه‌ی ریسمان
درست باشد، آن‌گاه در زیر میکروسکپ خیلی خیلی خیلی قوی می‌توانیم ببینیم
که الکترون در واقع یک نقطه نیست. بلکه یک حلقه‌ی کوچک ریسمانی است. یک
ریسمان می‌تواند غیر از حرکت کارهای دیگری نیز انجام دهد. مثلاً می‌تواند
به روش‌های مختلف  نوسان کند. اگر به صورت  خاصی نوسان کند ما آن را یک
الکترون می‌بینیم و اگر به  صورت‌های  دیگری نوسان کند آن را یک فوتون، یک
کوارک، یا ... می‌بینیم. بنابراین اگر نظریه‌ی ریسمان درست باشد، تمام
هستی از ریسمان درست شده است.
براساس این نظریه‌ ذرات بنیادینی که
مثلاً در شتاب‌دهنده‌ها مشاهده می‌کنیم - مثل نت‌های موسیقی – حالت‌های
برانگیخته‌ی  یک ریسمان بنیادی هستند. در نظریه‌ی ریسمان – درست مثل وقتی
که گیتار نواخته می‌شود- ریسمان باید تحت یک تنش مشخص قرار بگیرد تا
برانگیخته شوند. اما ریسمان‌ها در نظریه‌ی ریسمان در فضازمان شناور هستند
و انتهای آن‌ها به‌ گیتار بسته نشده است با این وجود تنش دارند. تنش در
نظریه‌ی ریسمان با کمیت ( "p1/2p?)   مشخص می‌شود که در آن "a» ، a پریم» تلفظ می‌شود و برابر با مربع طول ریسمان است.
اگر نظریه‌ی ریسمان نظریه ی گرانش کوانتومی خوبی باشد اندازه‌ی متوسط یک ریسمان باید در حدود اندازه‌ی طول گرانش کوانتومی که طول پلانک نامیده می‌شود و حدود ^33-10 سانتی متر است . تصوری از این طول دارید؟ این طول حدود یک میلیونیم  ِ یک میلیاردیم  ِ یک میلیاردیم  ِ یک میلیاردیم  ِ یک سانتی متر است!!
متاسفانه،
این به این معنا ست که ریسمان‌ها خیلی خیلی کوچک‌تر از این هستند که با
فناوری‌های کنونی فیزیک ذرات قابل دیدن باشند و بنابراین ریسمان‌کارها به
جای تلاش برای مشاهده‌ی مستقیم این ریسمان‌ها باید روش‌های هوش‌مندانه‌تری
برای آزمودن این نظریه در آزمایش‌ها ی ذرات به‌کار گیرند.
شاید
برجسته‌ترین چیز در مورد این نظریه این باشد که چنین ایده‌ی ساده‌ای کار
می‌کند و حتا می‌توان آن را به عنوان تعمیمی برای مدل استاندارد در
نظرگرفت. یعنی می‌توان مدل استاندارد را که به لحاظ تجربی با دقتی
باورنکردنی اثبات شده‌است ، به‌ عنوان حالت خاصی از این نظریه‌ در نظر
گرفت.
ممکن است گفته شود که تا این تاریخ هیچ شاهد تجربی مستقیمی که
نشان دهد نظریه‌ی ریسمان توصیف درست طبیعت است  وجود ندارد. این موضوع
اساساً به این خاطر است که نظریه‌ی ریسمان هنوز در حال توسعه است. ما
بخش‌های کوچکی از آن را می‌شناسیم ولی تاکنون تمام تصویر را ندیده‌ایم و 
بنابراین نمی‌توانیم پیش‌بینی‌های قطعی و روشنی داشته باشیم. در سال‌های
اخیر، پیش‌رفت‌های چشم‌گیری رخ داده است که دانش و فهم ما را به‌طور
ریشه‌ای نسبت به این دانش ارتقا داده است.
نظریه‌های ریسمان بنابر
این‌که ریسمان‌ها  حلقه‌هایی باز باشند یا بسته ویا این‌که آیا طیف ذرات
شامل فرمیون‌ها باشد یا نه  طبقه‌بندی می‌شوند.
برای آن‌که  فرمیون‌ها
در نظریه‌ی ریسمان گنجانده شوند باید وجود نوع خاصی از تقارن  به نام
ابرتقارن مفروض باشد. براساس این تقارن جدید به‌ازای هر بوزون (ذره‌ای
با اسپین صحیح که نیرو را جابه‌جا می‌کند)  یک فرمیون متناظر (ذره‌ای با
اسپین نیمه صحیح که ماده را می‌سازد) وجود دارد. به کمک تحلیل ریاضی به
سرعت مشخص می‌شود که ذرات بنیادی شناخته شده‌ تحت ابرتقارن شریک یکدیگر
نیستند. بنابراین به‌جای فرض این که ابرتقارن بوزون‌ها و فرمیون‌ها را به
هم مربوط می‌کند می‌توان فرض ‌کرد ابرتقارن بوزون‌ها و فرمیون‌های شناخته
شده را به بوزون‌ها و فرمیون‌هایی که تاکنون شناخته نشده‌اند ، مرتبط 
می‌کند. این بی‌درنگ تعداد ذرات در باغ وحش ذرات را دوبرابر می‌کند و
نیزما را وادار می‌کند به دنبال توجیهی برای نیمی از ذرات که ناشناخته‌اند
بگردیم. ولی در هر حال با فرض وجود ابرتقارن بسیاری از مشکلات حل می‌شود.
هرچند
همتاهای ابرتقارنی ذرات شناخته‌شده‌ی کنونی تا امروز در آزمایش‌گاه دیده
نشده‌اند نظریه‌پردازان معتقدند ذرات ابرتقارنی پرجرم‌تر از آن‌ هستند که
با شتاب‌دهنده‌های کنونی آشکار شوند.
گواه تجربی وجود ابرتقارن در
انرژی بالا ممکن است گواه قانع‌کننده‌ای باشد که نظریه‌ی ریسمان مدل ریاضی
خوبی برای طبیعت در کوچک‌ترین مقیاس‌های فاصله است.

چند نظریه‌ی ریسمان وجود دارد؟

چند
روش برای ساختن نظریه‌ی ریسمان وجود دارد. با بنیادی‌ترین چیز آغاز
می‌کنیم: یک ریسمان خیلی خیلی کوچک که مانند کرم جابه‌جا می‌شود. این
ریسمان می‌تواند باز یا بسته باشد. در عین حال نظریه‌ی مذکور می‌تواند فقط
به بوزون‌ها منحصر باشد یا فرمیون‌ها را نیز دربربگیرد. اگر بخواهیم
ریسمان‌ها ماده را نیز توصیف کنند به این نتیجه می‌رسیم که به ابرتقارن
احتیاج داریم واین یعنی تناظری یک به یک بین بوزون‌ها و فرمیون‌‌ها وجود
دارد. یک نظریه‌ ی ریسمان ابرتقارنی،نظریه‌ی ابرریسمان نامیده می‌شود. 

درنظریه‌ی
ریسمان بوزونی تعداد ابعاد فضا زمان 26 تا بدست می‌آید. با فرض وجود
ابرتقارن این تعداد به 10 تا کاهش پیدا می‌کند. ما سه بعد زمانی و یک بعد
زمان را می‌شناسیم ولی با 6 بعد دیگر چه کنیم؟ چند توجیه برای حل مشکل
ابعاد ناشناخته وجود دارد. صبور باشید به‌موقع در این مورد هم صحبت
می‌کنیم. 
5 نوع نظریه ی ریسمان وجود دارد که در جدول زیر نشان داده شده است:

نوع	بعد فضازمانی	جزئیات
بوزونی	26	تنها بوزون‌ها- هیچ فرمیونی با آن توضیح داده نمی‌شود. بنابراین تنها منحصر به نیروهاست. ریسمانهای باز وبسته، هردو، را شامل می‌شود. ذره‌ای با جرم موهومی به‌نام تاخیون(tachyon) در آن وجود دارد.
I	10	ابرتقارن بین ماده و نیرو، باریسمان‌های باز وبسته، بدون تاخیون، گروه تقارنی (32)SO
IIA	10	ابرتقارن بین ماده ونیرو، فقط با ریسمان‌های بسته، بدون تاخیون
IIB	10	ابرتقارن بین ماده ونیرو، با ریسمان‌های بسته، بدون تاخیون
HO	10	ابرتقارن بین ماده و نیرو، ریسمان‌های بسته، بدون تاخیون، معنای حرکت راست و چپ در آن متفاوت است، گروه تقارنی (SO(32
HE	10	ابرتقارن بین ماده ونیرو، ریسمان‌ های بسته، بدون تاخیون، حرکت راست و چپ متفاوت، گروه تقارنیE8XE

ابعاد ناشناخته

شاید
این مسئله  حیرت‌انگیزترین و شگفت‌انگیزترین عنصر این نظریه است.برای تصور
آن که این ابعاد اضافی چه هستند  دو روی‌کرد وجود دارد:
• یکی این که همه‌ی این بعدهای ناشناخته کنار ما هستند وتنها به شدت در هم پیچیده‌‌شده‌اند. یک شلنگ باغ‌بانی بلند را در  تصور کنید که به صورت افقی و مستقیم  روی
زمین قرار گرفته است. وقتی در فاصله‌ی دوری نسبت به این شلنگ ایستاده‌ایم،
آن‌را یک خط مستقیم بدون ضخامت می‌بینیم. یعنی تصور می‌کنیم ان تنها یک بعد چپ-راست (در امتداد گسترش افقی) دارد. اما اگر کمی به آن
نزدیک‌تر شویم یا به کمک یک دوربین دوچشمی با درشت‌نمایی بالا به آن نگاه
کنیم، ضخامت شلنگ در امتداد ساعت‌گرد-پادساعت‌گرد را نیز تشخیص خواهیم
داد. ممکن است مشابه این مسئله در مورد هستی پیرامون ما نیز مصداق داشته
باشد. یعنی ممکن است ابعاد بزرگ(مثل  امتداد افقی شلنگ) به راحتی دیده
شوند ولی ابعاد کوچک‌تری نیز موجود باشند که فعلاً هیچ ابزار درشت‌نمایی
(مثل دوربین دوچشمی) برای آشکارسازی آن‌ها ساخته نشده است.

• روی‌کرد دوم این است که ابعاد اضافی که ما آن‌ها را نمی‌بینیم ممکن است درست شبیه ابعاد دیگری که می‌بینیم باشند ولی تنها به این دلیل که ما به واسطه‌ی نور اشیا را می‌بینیم، از دید ما پنهان مانده باشند. ممکن است نور در سه بعد قابل مشاهده‌ی ما به دام افتاده باشد و امکان گریز
به ابعاد دیگر را نداشته باشد و به همین دلیل ابعاد دیگر از دید ما مخفی
مانده اند. تنها نیرویی که به دام نمی‌افتد گرانش است. اگر این تصور درست
باشد شاید یک روز بتوان این ابعاد اضافی را از طریق گرانش آشکارساخت.
هم‌اکنون آزمایش‌هایی برای رسیدن به این مقصود در جریان است.
  
ما آموخته‌این که تلاش‌های پیشین برای یکی کردن گراویتون به دلایل فنی که مربوط به نظریه ی میدان کوانتومی است شکست می‌خورد.
آیا نظریه‌ی ریسمان آن‌قدر قدرت‌مند هست که بر تمام کاستی‌ها چیره شود؟