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؟!