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؟

نظریه‌ی ریسمان(قسمت دوم)

در
قسمت قبل  فهمیدیم که اگر یک نظریه‌ی بنیادی از تمام برهم‌کنش‌ها نظریه‌ی
همه چیز نامیده شود، مدل استاندارد نظریه‌ی 4/3 همه چیز!! است. چون شامل 3
برهم‌کنش از 4 برهم ‌کنش ممکن است و 3 نیرو از 4 نیروی ممکن را توصیف
می‌کند. و نیز گفتیم که با استفاده از دوگانه‌گی موج_ذره در طبیعت همه‌چیز را و از جمله نور وگرانش را می‌توان برحسب ذرات توضیح داد. این ذرات دارای خاصیتی هستند به‌نام اسپین (spin).
تمامی ذرات جهان را می‌توان به دو قسمت تقسیم کرد: ذرات با اسپین نیم صحیح
(2/1 و2/3 و...) که تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌اند و ذرات با اسپین صحیح( 0و1و2
و...) که منشاء نیروهای بین ذرات ماده‌اند.

اصل طرد پاولی

کوانتم مکانیک به ما آموخته است ذرات مادی از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند. این اصل در سال 1925 به‌وسیله‌ی یک فیزیک‌دان اتریشی به‌نام ولفگانگ پاولی کشف شد و جایزه‌ی نوبل فیزیک در 1945  به همین خاطر به او تعلق گرفت.
برطبق این اصل  دوذره‌ی همانند، در یک حالت نمی‌توانند وجود داشته باشند.
یعنی نمی‌توانند در محدوده‌ای که به‌وسیله‌ی اصل عدم قطعیت مشخص می شود
دارای وضعیت و سرعت یکسان باشند. اصل طرد در پایداری ماده در طبیعت اهمیت
زیادی دارد و علت فرونپاشیدن ماده زیر تأثیر نیروهای ناشی از ذرات با
اسپین صفر(فوتون) و یک(گلوئون) ودو(گراویتون) را توضیح می دهد: اگر ذرات مادی وضعیت‌های یکسانی داشته باشند، باید سرعت‌هایشان باهم فرق داشته باشد یعنی نمی‌توانند برای مدت زیادی در یک جا قرار بگیرند. اگر اصل طرد
پاولی بر جهان حاکم نبود کوارک‌ها، نوترن‌ها و پروتن‌های جداگانه و مشخص
ومعینی وجود نداشتند واین‌ها هم به‌نوبه‌ی خود به‌همراه الکترون‌ها 
اتم‌های مجزا و مشخصی را ایجاد نمی‌کردند. بلکه همگی فرومی‌پاشیدند و
شوربای متراکم و یکنواختی را به‌وجود می‌آوردند.

تعبیر برهم‌کنش ذرات مادی به‌کمک ذرات حامل نیرو

در کوانتم مکانیک فرض براین است که نیروها یا واکنش‌های بین ذرات مادی همگی به‌وسیله‌ی ذرات با اسپین صحیح   «0 و 1 و 2» انجام می‌گیرد. آن‌چه اتفاق می‌افتد این است که یک ذره‌ی مادی- مثل یک
الکترون یا کوارک- یک ذره‌ی  حامل  نیرو را گسیل می‌کند. پس‌زدن ناشی از
این گسیل سرعت ذره‌ی مادی را تغییر می‌دهد. ذره‌ی حامل نیرو سپس با یک
ذره‌ی مادی دیگر برخورد می‌کند و جذب می‌شود. این برخورد سرعت ذره‌ی دوم
را تغییر می‌دهد (درست مثل آن‌که بین دو ذره‌ی مادی نیرویی اعمال شده‌است).

ذرات حامل نیرو از اصل طرد پیروی نمی‌کنند...

ویژگی‌ی
مهم ذرات حامل نیرو این است که از اصل طرد پیروی نمی‌کنند. یعنی هیچ
محدودیتی برای تعداد ذرات رد و بدل شده  وجود ندارد واین خود عامل
شکل‌گیری نیروهای قوی است. اما اگر ذره‌های حامل نیرو جرم زیادی داشته
باشند، تولید ومبادله‌ی آن‌ها در فاصله‌های طولانی دشوار است وبنابراین
برد حمل نیروها بسیار کوتاه خواهد شد. ازسوی دیگر چنان‌چه ذرات حامل نیرو
هیچ جرمی از خود نداشته باشند، نیروهایی دوربرد خواهیم داشت. گاهی گفته
می‌شود ذرات حامل نیرو که میان ذرات مادی رد وبدل می‌شوند ذراتی
غیرحقیقی‌اند. زیرا - برخلاف ذرات حقیقی-  آن‌ها را به‌طور مستقیم با یک
آشکارساز ذره نمی‌توان نمایان کرد. با این حال می‌دانیم آن‌ها وجود دارند
زیرا دارای تأثیری سنجش‌پذیرند. آن‌ها نیروها میان ذرات مادی را ایجاد
می‌کنند. البته ذره‌های با اسپین 0 و 1 و 2 در شرایط خاصی مستقیماً آشکار
می‌شوند ولی باید توجه کرد که در این حالت‌ها آن‌ها به‌صورت موج ظاهر
می‌شوند- مثل موج نور-. مثلاًً نیروی الکتریکی رانش میان دو الکترون ناشی
از تبادل فوتون‌های غیر حقیقی است که هرگز دیده نمی‌شوند اما مثلاً در
حالتی که الکترونی از کنار الکترون دیگری عبور کند ممکن است فوتون ‌های
حقیقی خارج شوند که برای ما به شکل موج نور نمایان می‌شود.
همان‌طور که
پیش از این هم گفتیم می‌توان ذرات حامل نیرو را برحسب شدت نیرویی که حمل
می‌کنند و ذراتی که بر آن‌ها متقابلاً تأثیر می‌کنند به چهار دسته
تقسیم‌بندی کرد. این تقسیم‌بندی ساختگی است و برای ساختن نظریه‌های
پاره‌ای مناسب است وهیچ معنای ژرف‌تری ندارد. فیزیک‌دانان امیدوارند
سرانجام نظریه‌ی یک‌پارچه‌ای بیابند که بتواند هر چهار نیرو را به‌ عنوان
نمود‌های مختلف یک نیروی واحد توصیف کند.
لطفاً کمی صبور باشید تنها چند پاراگراف دیگر به موضوع اصلی یعنی نظریه‌ی ریسمان باقی مانده است!

گرانش و خواص ویژه‌اش!!

در مورد نیرو‌های الکترومغناطیسی، قوی هسته‌ای، و ضعیف هسته‌ای قبلاً به‌طور مختصر چیزهایی یاد گرفتیم و نیز گفتیم  گرانش اندکی (در واقع
خیلی!) با آنها متفاوت است. حالا می‌خواهیم ببینیم این تفاوت از کجا
می‌آید.
بر هر ذره‌ای متناسب با جرمش (یا بنابر قانون هم‌ارزی جرم و
انرژی ، متناسب با انرژی‌اش) نیروی گرانش وارد می‌شود. گرانش در مقایسه با
سه نیروی دیگر به مراتب ضعیف‌تر است به‌طوری که اگر دو ویژگی‌ی خاص را
نداشت از وجود آن چشم‌پوشی می‌کردیم:

•  گرانش دوربرد است یعنی می‌تواند تا فاصله‌های دور عمل کند.
•  گرانش همواره نیرویی جذب‌کننده است.

به
همین دلیل است که مثلاً نیروی ضعیف گرانش میان تک‌تک ذرات زمین و تک‌تک
ذرات خورشید با هم جمع می‌شوند و نیرویی بزرگ را پدید می‌آورند، آن ‌چنان
که باعث گردش زمین به دور خورشید می‌شوند. سه نیروی دیگر یا کوتاه‌برد
هستند یا این‌که گاهی جاذبه وگاهی دافعه‌اند، در نتیجه اغلب اثر خود را به
سرعت خنثا می‌کنند. از دیدگاه کوانتم مکانیک نیروی گرانش میان دو ذره‌ی
مادی به‌وسیله‌ی گراویتون حمل می‌شود. گراویتون از خود جرمی ندارد و
بنابراین نیرویی که حمل می‌کند دوربرد است. نیروی گرانش میان خورشید وزمین
به مبادله‌ گراویتون‌‌ها بین اجزای تشکیل‌دهنده‌ی این دو کره نسبت داده
می‌شود. هرچند ذره‌های رد و بدل شده غیرحقیقی‌اند، اما تأثیرشان سنجش‌پذیر
است: آن‌ها زمین را وادار می‌کنند دور خورشید بگردد.
البته
فیزیک‌دانان امیدوارند روزی گراویتون‌های حقیقی را مثل فوتون‌های حقیقی به
صورت امواج گرانشی ببینند. امواج گرانشی بسیار ضعیف‌اند و به دشواری آشکار
می‌شوند و در واقع کسی تاکنون آن‌ها را مشاهده نکرده است.
برخلاف
موفقیت مدل استاندارد در توصیف ویژگی‌ها و رفتار ذرات با اسپین 1 به کمک
نظریه‌های پیمانه‌ای، تاکنون هرگونه تلاشی برای فرمول‌بندی ذرات با اسپین
2، به‌روش مشابه، به شکست انجامیده است. فرمول‌بندی یک نظریه‌ی کوانتومی
از گرانش سال‌ها مهم‌ترین مسئله‌ی فیزیک نظری بوده است.

نیرو	برد	ذره‌ی حامل	اسپین
گرانش	دور	گراویتون	2
الکترومغناطیس	دور	فوتون	1
نیروی ضعیف هسته‌ای	کوتاه	بوزون‌های -z , w+, w	1
نیروی قوی هسته‌ای	کوتاه	گلوئون	1

چالش پیش‌ رو ...

شاید
نام نسبیت عام را شنیده باشید. نسبیت عام نظریه‌ای درباره‌ی گرانش است.
گرانش اصولاً زمانی اثر معنی داری پیدا می‌کند که اجرام بزرگ باشند -
مثلاً ما از جاذبه‌ی خورشید و حتا جاذبه‌ی زمین صحبت می‌کنیم ولی احتمالاً
تاکنون چیزی از جاذبه‌ی یک توپ فوتبال نشنیده‌ایم، منظورما جاذبه‌ی گرانشی
یک توپ فوتبال است وگرنه خود فوتبال که خیلی جذاب است!. نسبیت عام دید ما
را نسبت به جهان، حرکت سیارات، تحول ستارگان و کهکشان‌ها و.. گسترش داده
است.
از سوی دیگر نظریه‌ی کوانتم در مورد چیز‌های بسیار بسیار کوچک
معنی‌دار است. یعنی وقتی با اتم‌ها وذرات زیر اتمی سروکار داریم و اصولاً
در این حالت‌ها گرانش آن‌چنان ضعیف است که می‌ توان از آن چشم پوشید.
امروزه فیزیک به قلمروهایی وارد می‌شود که هردو نظریه هم‌زمان مورد نیازند. قلمروهایی مثل سیاهچاله‌ها و مهبانگ (انفجاربزرگ)
که هر دو آن‌ها نمونه‌هایی از مواردی هستند که انبوهی از ماده در حجمی
بسیار کوچک فشرده شده است. بنابراین نمی‌توان نسبیت عام و کوانتم مکانیک
را برای همیشه جدا از هم نگه داشت و با خیال آسوده زندگی ‌کرد!! یعنی
نظریه‌ای نیاز است  که بتواند آن‌ها را به شکلی سازگار کنار هم قرار
دهد.  
در سال‌های اخیر نظریه‌ی ریسمان پیش‌روترین نظریه برای
ارائه‌ی نظریه‌ای میکروسکپی و خود سازگار برای گرانش است. حتا هدف آن
جاه‌طلبانه‌تر از این است:
نظریه‌ی ریسمان تلاش می‌کند توصیفی کامل، یک
پارچه وخودسازگار از ساختار بنیادین هستی ارائه دهد(به‌همین دلیل گاهی
نظریه‌ی همه‌چیز نامیده می‌شود!).

اندیشه‌ی نهفته در نظریه‌ی ریسمان این است که: همه‌ی انواع گوناگون ذرات مدل استاندارد تنها نمودهایی از یک شیء بنیادی‌تر هستند : یک ریسمان! اما چگونه؟!

نظریه‌ی ریسمان

جهان از چه چیزی ساخته شده است ؟
این پرسش چه‌قدر برای شما آشناست ؟ تا کنون چه‌قدر به این موضوع فکر کرده اید؟
شاید باور نکنید این پرسش ظاهراً ساده بیش ترین زمان ها و خلاق ترین ذهن ها را در طول تاریخ  به خود مشغول کرده است .
نظریه ریسمان آخرین تلاش انسان برای  یافتن پاسخ این پرسش ساده است.
پیش از آن‌که ببینیم این نظریه چیست و چه ادعایی دارد خوب است اطلاعاتمان را درمورد ماده مرور کنیم:
علوم راهنمایی یادتان هست؟ آن جا یاد گرفتیم  ماده از اتم ساخته شده است .و اتم یعنی تجزیه ناپذیر. حتماً یادتان هست که دموکریتوس فیلسوف یونانی این نظریه را نخستین بار ارائه کرده بود. وقتی بزرگ تر شدیم در فیزیک دبیرستان آموختیم که اتم نیز به نوبه خود از سه جزء اصلی تشکیل شده است : پروتون ، نوترون و الکترون .
نوترون ها و پروتون ها در هسته اند ، در حالی که الکترون ها به دور هسته می چرخند. اما این روند تا کجا ادامه خواهد داشت؟
آیا الکترون ها ، پروتون ها و نوترون ها نیز خود از ذرات کوچک تری تشکیل شده اند؟
دانش کنونی ما درباره ی ترکیب زیر اتمی جهان در نظریه ای به نام مدل استاندارد ذرات مادی (standard model) خلاصه می شود.
    این مدل هم اجزای بنیادی ماده که جهان از آن ها ساخته شده را توصیف می کند و هم نیروهایی که از طریق آن ها این ذرات با یکدیگر بر هم کنش دارند.
بر طبق این مدل الکترون واقعاً یک ذره ی بنیادی است . یعنی یکی از ذراتی است که سنگ بنای آفرینش است و خود از اجزای کوچک تری تشکیل نشده است . اما نوترن ها و پروتن ها ذرات بنیادی نیستند و از ذرات کوچکتری به نام کوارک تشکیل شده اند. تا جایی که می دانیم کوارک ها ذرات بنیادی هستند. در واقع طبق مدل استاندارد ذرات مادی 12 ذره بنیادی در طبیعت وجود دارند. یعنی 12 نوع ذره که سنگ بنای آفرینش اند. و ماده در طبیعت از آن ها ساخته شده است . 6 تا از این ذرات بنیادی کوارک هستند . این کوارک ها نام های جالبی دارند:
بالا(up)، پایین(down) ،  عجیب(strange)، عفریت(charm) ، سر(top) و ته(bottom).
برای مثال یک پروتون از 2 کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است . 6 ذره ی بنیادی دیگر لپتون‌ها هستند. لپتون ها شامل الکترون و دو هم خانواده ی سنگین تر او یعنی میوئون (muon) و تاون (taun) و نیز 3 نوترینو(nutrinos) با طعم های مختلف هستند .
اگر‌چه نور ازامواج تشکیل شده است فرضیه‌ی کوانتم پلانک می‌گوید که از جهات معینی رفتار نور چنان است که گویی مجموعه ای از ذرات است: نور تنها به‌صورت بسته‌های خاص یا کوانتم‌ گسیل یا جذب می‌شود. از سوی دیگر، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ متضمن آن است که ذرات از پاره‌ای جهات چونان امواج رفتار می‌کنند: آن‌ها وضعیت معینی ندارند بلکه با توزیع احتمال معینی در فضا پخش می‌شوند. نظریه‌ی کوانتم مکانیک برنوع کاملاً جدیدی از ریاضیات استوار است که دیگر جهان را به فراخور نیاز با مدل مناسب توصیف می‌کند. بنا براین میان توصیف یک شی‌ء اعم از نور یا ماده برمبنای مدل ذره‌ای وتوصیف آن برمبنای مدل موجی یک دوگانگی وجود دارد. به این توصیف دوگانه، دوگانگی موج- ذره گفته می‌شود.
 در طبیعت 4 نیروی بنیادی وجود دارد: گرانش ، الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف هسته ای و نیروی قوی هسته‌ای
گرانش و الکترو مغناطیس دور برد هستند و به همین دلیل است که این دو نیرو مدت ها است شناخته شده‌اند. دو نیروی هسته ای کوتاه برد هستند و بنابر این در مقیاس فاصله هایی که در زندگی روزمره با آن سر وکار داریم عموماً مشاهده نمی شوند.
نیروهای هسته ای صرفاً در این قرن شناخته شده اند . نیروی قوی هسته ای همان نیرویی است که مسئول به هم بستن پروتن ها و نوترن ها برای ساخت هسته اتم است. اما نیروی ضعیف هسته ای  نیرویی  کاملاً  متمایز است و تنها در پدیده هایی همچون واپاشی پرتوزا پدیدار می شود. این نیرو تنها نیرویی است که از قانون تقارن راست و چپ یا پاریته (هم پایه گی )  پیروی نمی‌کند.
 مدل استاندارد ادعا می کند که برای انتقال این نیرو ها، ذراتی به نام حامل های نیرو باید وجود داشته باشد .  مثلاً آشناترین این ذرات فوتون ، ذره ای از نور است که واسط نیروی الکترومغناطیسی است. این یعنی این که مثلاً یک آهنربا ، یک میخ آهنی را به این خاطر جذب می کند که بین آن ها فوتون رد و بدل می شود. به همین ترتیب گراویتون ذره ای است که نیروی گرانش را حمل می کند. گراویتون  ذره‌ای است که تا کنون مشاهده نشده ولی برخی از فیزیکدانان به وجود آن چنان معتقدند که به وجود فوتون.
نیروی قوی را ذراتی به نام گلوئون(glouns) جابه‌جا می‌کنند و بالاخره نیروی ضعیف توسط 3 ذره به نام هایz  و w+ و w-منتقل می‌شوند. برای وجودگلوئون‌ها گواه قانع‌کننده‌ای وجود دارد، ذرات w و z نیز در شتاب دهنده ها مستقیما ردگیری شده اند( در واقع مدل استاندارد وجود بوزون های  w,zرا پیش از آنکه یافته شوند پیش بینی کرد ).
هم‌چنین این نظریه وجود ذره ای به نام بوزون هیگز(Higgs Boson) را  پیش بینی کرد‌ه است که هنوز برای کشف آن تلاش می شود.
تا این جا همه چیز خوب است اما در واقع دو مشکل اساسی وجود دارد :
یکی از این مشکلات ظاهراً زیبایی شناختی است و دیگری فنی
مشکل زیبایی شناختی حتی برای افراد غیر متخصص هم آزاردهنده است . چرا باید تعداد نیروها و ذرات بنیادی این قدر زیاد باشد؟ مشکل زیبایی شناختی حتی برای افراد غیر متخصص هم آزاردهنده است . چرا باید تعداد نیروها و ذرات بنیادی این قدر زیاد باشد؟ فهرست نام ذرات بنیادی و نیروهایی که در بالا نام بردیم را مرور کنید . الکترون ،میوئون ، نوترینو ، کوارک ، بوزون w  ، گلوئون ، گراویتون ، و ...
حتماً قبول دارید که این فهرست نسبتاََ بلند است. مجموعه‌ی‌آن‌ها کم کم شبیه یک باغ وحش  به نظر می رسد . باغ وحشی از ذرات !!!
اما دلیل فنی :
مدل استاندارد رفتار همه ذرات  و نیروهای بنیادی را بدون کم وکاست توصیف می کند . ولی این توصیف یک استثنای خیلی مهم دارد : گرانش .
به دلایل فنی نیروی گرانش که آشناترین نیرویی است که با آن سر و کار داریم به سختی به طور میکروسکوپی قابل آزمایش شدن است .
اما چه رازی در گرانش و ذره هم‌بسته‌ی آن گراویتون وجود دارد که آن را از سایر نیروها و ذرات بنیادی متمایز می‌کند آن‌چنان‌که مدل استاندارد با همه قدرتش از توضیح و توصیف رفتار آن ناتوان است؟ !

ادامه دارد ...