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 ...