نظریه ریسمان چیست؟ چرا دانشمندان به این نظریه علاقه دارند و با اشتیاق مباحث آن را دنبال می‌کنند؟ در یک پاسخ کوتاه می‌توان گفت نظریه ریسمان موفق‌ترین نامزد نظریه گرانش کوانتومی است. گرانش کوانتومی نظریه‌ای نسبتا نوظهور است که تلاش دارد تا نظریه گرانش و نظریه مکانیک کوانتومی را باهم متحد کند. ما از این دو نظریه به عنوان قوانین اصلی و بنیادی فیزیک یاد می‌کنیم.

قرن بیستم میلادی را می‌توان قرنی انقلابی در علم فیزیک دانست. از یک سو، «آلبرت اینشتین» در تلاش بود تا عالم بزرگ مقیاس را با نظریه گرانش خود توصیف کند. از سوی دیگر، دانشمندانی همچون «اروین شرودینگر» و «ورنر هایزنبرگ» با ارائه نظریه‌ای با نام مکانیک کوانتومی عالم میکروسکوپی را شرح می‌دادند. این دو نظریه با موفقیت‌هایی که در توصیف پدیده‌ها داشتند، به دو نظریه معروف در دنیای علم فیزیک تبدیل شدند.

البته نباید نقش مهم سایر فیزیکدانان در ایده‌های مطرح شده برای این دو نظریه را نادیده گرفت. «پاول دیراک»، «هندریک لورنتز»، «لویی دوبروی»، «پاسکال جردن» و برخی دیگر در به سرانجام رسیدن این نظریات نقشی اساسی ایفا کردند.

نظریه نسبیت عام

اینشتین برخلاف «آیزاک نیوتن» گرانش را نوعی نیرو نمی‌دانست. او عقیده داشت گرانش انحنایی است که در اثر وجود جرم پدید می‌آید. این انحنا نه تنها فضا، بلکه زمان را نیز دچار اعوجاج می‌کند. او نظریه نسبیت عام را در سال 1915 ارائه کرد. پیش از این در سال 1905 نظریه «نسبیت خاص» او سروصدای زیادی به پا کرده بود.

نسبیت عام را می‌توان نظریه فضا و زمان دانست. در این نظریه فضا و زمان همانند بافت یک پارچه در هم تنیده شده‌اند و در اثر وجود جرم تغییر شکل می‌یابند. به عبارت دیگر، فضا و زمان – که آن را فضا-زمان می‌نامیم – دچار انحنا می‌شوند. اینشتین از این انحنا به عنوان گرانش یاد می‌کند.

نظریه نسبیت عام تاکنون پیش‌بینی‌های موفقی در فیزیک داشته است. برخی از این پیش‌بینی‌ها عبارتند از:

خمیدگی نور

با نزدیک شدن نور به خورشید، مسیر حرکت آن خمیده می‌شود. این پیش‌بینی در سال 1919 توسط «آرتور ادینگتون» مورد آزمایش قرار گرفت. صحت این پیش‌بینی سبب شد تا دانشمندان نظریه نسبیت عام را جدی بگیرند.

انتقال به سرخ گرانشی

انتقال به سرخ گرانشی به پدیده‌‌ای گفته می‌شود که امواج الکترومغناطیسی (یا فوتون‌ها) با دور شدن از یک منبع گرانشی انرژی خود را از دست می‌دهند. این فرآیند را می‌توان متناظر با افزایش طول موج آن تابش دانست.

امواج گرانشی

اینشتین پیش‌بینی کرده بود هنگامی که دو جرم سماوی به دور هم گردش می‌کنند، امواجی را در فضا ساطع می‌کنند که به امواج گرانشی معروف‌اند. این امواج را می‌توان به امواج پخش شده روی سطح آب ناشی از انداختن سنگی کوچک تشبیه کرد. فیزیکدانان برای اولین بار در سال 2016 در رصدخانه «LIGO» موفق به ثبت امواج گرانشی شدند. این موفقیت تائید دیگری بر صحت نظریه نسبیت عام بود که جایزه نوبل فیزیک را برای LIGO به همراه آورد.

نظریه معروف دیگر که در قرن بیستم سروصدای زیادی به پا کرد، نظریه مکانیک کوانتومی است.

نظریه مکانیک کوانتومی

برخلاف نسبیت عام که در تلاش است تا رفتار اجرام در عالم بزرگ مقیاس – ماکروسکوپی – را شرح دهد، مکانیک کوانتومی به مطالعه رفتار ذرات در سطح اتمی – میکروسکوپی – می‌پردازد. ذرات در سطح میکروسکوپی – همانند الکترون‌ها، پروتون‌ها، فوتون‌ها و غیره – رفتاری متفاوت دارند.

این ذرات پدیده‌های مختص خود را دارند. به عنوان مثال، می‌توان به «اثر فوتوالکتریک»، «برهم‌نهی کوانتومی» و «درهم تنیدگی کوانتومی» اشاره کرد.

یکی از آزمایشاتی که شگفتی مکانیک کوانتومی را به اثبات رسانده است، آزمایش «دو شکاف یانگ» نام دارد. این آزمایش برای اثبات پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی در زمینه دوگانگی موج-ذره به کار رفته است.

گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان

نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هرکدام عالم را در مقیاس‌های خاص خود و با قوانین متفاوتی توصیف می‌کنند. اما دانشمندان عقیده دارند این دو نظریه باید باهم متحد شوند تا بتوان عالم را توسط یک نظریه یکتا توصیف کرد. به عبارت دیگر، دانشمندان عقیده دارند قوانین مشخصی در علم فیزیک باید وجود داشته باشند که عالم را در هر دو مقیاس میکروسکوپی و ماکروسکوپی شرح دهند. بدین ترتیب، آن‌ها در تلاش برای متحد ساختن گرانش و مکانیک کوانتومی به نظریه گرانش کوانتومی رسیدند.

گرانش کوانتومی درتلاش است تا گرانش را به کمک قوانین و اصول مکانیک کوانتومی توصیف کند – به خصوص در شرایطی که نمی‌توان از اثرات کوانتومی صرف نظر کرد. به عنوان مثال، فضای اطراف یک سیاهچاله را در نظر بگیرید. قوانین کوانتوم در این محیط که گرانش اثر شاخصی دارد، چگونه است؟

در مثالی دیگر، می‌توان به لحظات ابتدایی شکل‌گیری عالم فکر کرد. نسبیت عام برای شروع عالم یک تکینگی پیش‌بینی می‌کند. اما اگر اثرات کوانتومی را وارد محاسبات کنیم، درمی‌یابیم عالم از یک طول کمینه شروع شده است. برطبق محاسبات، این طول کمینه متناظر با طول پلانک است. طول پلانک را حدود یک صدم یک میلیونم از یک تریلیونم قطر یک پروتون است. برای توصیف چنین اثرات کوانتومی به نظریه گرانش کوانتومی نیاز داریم.

فیزیکدانان زیادی در دنیا در تلاش برای ارائه نظریه صحیحی از گرانش کوانتومی هستند. گرانش کوانتومی کاندیدهای متفاوت و متنوعی دارد. «نظریه اِم»، «نظریه گرانش کوانتومی حلقه» و «نظریه ریسمان» برخی از این کاندیدا هستند. هریک از این کاندیدها متد خاص خود در برقراری اتحاد میان گرانش و کوانتوم را دارند. به عنوان مثال، نظریه اِم و گرانش کوانتومی حلقه تلاش دارند تا با گرانش را کوانتیده کنند. باور طرفداران این نظریات این است که با کوانتیده کردن گرانش به نظریه گرانش کوانتومی می‌رسیم.

از سوی دیگر، فیزیکدانان در نظریه ریسمان تلاش دارند تا چهار نیروی بنیادی طبیعت را باهم یکی کنند. گرانش، الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف چهار نیروی بنیادی طبیعت هستند. نظریه‌ای که بتواند چهار نیروی مذکور را باهم متحد کند، «نظریه همه چیز» نامیده می‌شود.

آنچه تاکنون بیان کردیم، موقعیت نظریه ریسمان و هدف آن در دنیای فیزیک را به ما نشان داد. به صورت خلاصه، می‌توان گفت نظریه ریسمان یکی از کاندیدهای نظریه گرانش کوانتومی است که خود این نظریه در تلاش است تا دو نظریه معروف دنیای علم، یعنی گرانش و مکانیک کوانتومی را باهم متحد کند. در ادامه به مطالعه ویژگی‌های خاص و اعجاب‌انگیز نظریه ریسمان می‌پردازیم.

نظریه ریسمان چیست؟

نظریه ریسمان یک نظریه فیزیک است که براساس آن جهان از رشته‌های ارتعاشی انرژی تشکیل شده است. به عبارت دیگر، فیزیکدانان در نظریه ریسمان باور دارند ذرات در حقیقت ذره – به معنای اجرام نقطه‌ای – نیستند. آن‌ها عقیده دارند ذرات در حقیقت ریسمان‌هایی با طول بسیار بسیار کم هستند و آنچه به آن‌ها معنا می‌بخشد، ارتعاشاتی است که انجام می‌دهند.

در این نظریه یکی از بسیاری از حالت‌های ارتعاشی ریسمان مربوط به «گراویتون» است. گراویتون ذره‌ای است که با خود نیروی گرانش حمل می‌کند. بنابراین، نظریه ریسمان یک نظریه گرانش کوانتومی است.

در این نظریه، تمام موادی که در عالم مشاهده می‌کنیم، از ارتعاش این ریسمان‌ها شکل می‌گیرند. فیزیکدانان در این نظریه در تلاش هستند تا چگونگی انتشار ریسمان‌ها در فضا و تعامل آن‌ها با یکدیگر را توصیف کنند. با این‌حال، نظریه ریسمان تنها یک نظریه ریاضیاتی است که معادلات مرتبط با آن به روش‌های خاصی تفسیر می‌شوند. این نظریه تلاش دارد تا به تعدادی از سوالات عمیق فیزیک بنیادی پاسخ دهد.

دانشمندان در محاسبات خود در این زمینه، از «نظریه اختلال» استفاده می‌کنند. نظریه اختلال که در مکانیک کوانتومی و نظریه میدان کوانتومی نیز نقش مهمی ایفا می‌کند، به بررسی اختلالات یک سیستم حول نقطه تعادل می‌پردازد.

درحال حاضر، هیچکس دقیقا نمی‌داند ساختار نهایی نظریه ریسمان به چه صورت است. هیچکس تاکنون موفق به ارائه معادلات نهایی این نظریه که بتواند مطابق تمام قوانین فیزیک باشد، نشده است. فیزیکدانان تنها نسخه‌هایی اولیه از معادلات نظریه ریسمان ارائه کرده‌اند که متاسفانه قادر به توصیف تمام و کمال عالم ما نیستند.

تاریخچه نظریه ریسمان

این نظریه ابتدا در سال 1968 به عنوان یک نظریه توصیف کننده نیروی هسته‌ای قوی ارائه شد و در تلاش بود تا رفتار «هادرون‌ها» (ذراتی مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها) را توضیح دهد. هادرون به ذراتی گفته می‌شود که هسته اتمی را تشکیل می‌دهند. فیزیکدانان بعدها دریافتند این نظریه می‌تواند برای توضیح برخی از جنبه‌های گرانش نیز مورد استفاده قرار گیرد.

تاکنون نسخه‌های متفاوتی از این نظریه ارائه شده است. اولین نسخه از آن، «نظریه ریسمان بوزونی» نام داشت و تنها ذراتی به نام «بوزون» را در خود جای می‌داد. بوزون‌ها ذراتی هستند که اسپین آن‌ها عدد صحیح ( صفر، یک، دو و …) است.

این نسخه در سال‌های بعد به نظریه «ابَر ریسمان» تبدیل شد و ابَرتقارن‌های میان بوزون‌ها و «فرمیون‌ها» را مطالعه کرد. فرمیون‌ها دسته‌ای دیگر از ذرات هستند که دارای اسپین نیمه صحیح هستند.

دانشمندان نظریه ریسمان به‌طور کلی باور دارند عالم ما ده بعدی است. سه بعد متعلق به فضا، یک بعد متعلق به زمان و شش بعد دیگر ناشی از درهم تنیدگی ریسمان‌ها در خودشان در ابعاد زیرمیکروسکوپی است.

این نظریه در سال 1990 با پیشرفت‌هایی روبرو شد و اجزایی پیچیده به نام «بران» یا (Brane) نیز وارد بازی شدند. بران‌ها را می‌توان تقریبا در تمام نظریاتی که تلاش دارند تا نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را متحد کنند، پیدا کرد. یک بران مرتبه صفر یک جسم صفر بعدی (نقطه) است. یک بران مرتبه یک که آن را بران-1 نیز می‌نامند، یک غشا (پوسته یا membrane) است. به همین ترتیب، بران مرتبه پی (p-brane) را می‌توان جسمی با پی بعد دانست.

بران درحقیقت شیئ است که در یک یا چند بعد فضایی گسترش یافته است. به عبارت دیگر، بران یک شیئ فیزیکی است که مفهوم ذره نقطه‌ای را به ابعاد بالاتر تعمیم می‌دهد. بران‌ها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند، پس می‌توان آن‌ها را اجرام دینامیکی دانست. بران‌ها می‌توانند دارای بار الکتریکی باشند و حجم مشخصی را در فضا اشغال کنند.

در نظریه ریسمان، «بران نوع دی» یا (D-brane) دسته مهمی از بران‌ها هستند که از ریسمان‌های باز تشکیل می‌شوند. بران نوع دی باید در دو سر یک ریسمان باز قرار بگیرد که در فضا-زمان منتشر می‌شود. حذف بران نوع دی از دو سر یک ریسمان باز شرایط ریاضیاتی خاصی را در سیستم بوجود می‌آورد که به عنوان شرایط مرزی «دیریکله» شناخته می‌شوند.

نظریه ریسمان و زیرمجموعه‌ها

نظریه ریسمان در حالت کلی پنج زیرمجموعه دارد. این نظریات همگی بر این اساس استوار هستند که اجسام از ریسمان‌های مرتعش تشکیل شده‌اند. آن‌ها همچنین به ده بعدی بودن عالم باور دارند. این زیرمجموعه‌ها عبارتند از: نظریه ریسمان «نوع I»، نظریه ریسمان «نوع IIA»، نظریه ریسمان «نوع IIB»، نظریه «SO(32)» و «E8*E8».

اما تفاوت از کجا ناشی می‌شود؟ نظریات مختلف، انواع مختلفی از ریسمان‌ها را در نظر می‌گیرند و با سطوح انرژی متفاوت در ارتعاشات، تقارن‌های مختلفی را در فضا-زمان از خود نشان می‌دهند. به عنوان مثال، تئوری نوع I هم شامل ریسمان‌های باز و هم ریسمان‌های بسته است. درحالیکه، تئوری‌های نوع IIA و نوع IIB فقط ریسمان‌هایی که به صورت بسته (حلقه) هستند، را مطالعه می‌کنند.

ADS/CFT چیست؟

برخی فیزیکدانان باور دارند نظریه ریسمان در حالت ساده شده متناظر با یک نظریه میدان کوانتومی است. به همین ترتیب، آن‌ها یک رویکرد فرمول‌بندی برای نظریه ریسمان ارائه می‌کنند که «ADS/CFT» نام دارد. این نظریه می‌تواند ساختار ریاضیاتی مناسبی برای نظریه ریسمان فراهم آورد.

نظریه میدان کوانتومی چارچوبی نظری است که در آن از ذرات زیراتمی برای ساختن مدل‌های مکانیک کوانتومی استفاده می‌شود.

نظریه ریسمان و ابعاد اضافی

در زندگی روزمره ما با سه بعد آشنا هستیم: ارتفاع، طول و عرض. نظریه نسبیت عام، زمان را به عنوان یک بعد جدا از سه بعد مذکور می‌داند. در این نظریه، زمان و فضا موجودیت مجزا از هم ندارند، اما در عوض عالم ما به یک موجود چهار بعدی تبدیل می‌شود. اما آیا می‌توان ابعاد بیشتری برای عالم متصور شد؟

نظریه ریسمان برای اثبات خود از نظر ریاضیاتی نیاز به ابعاد اضافی دارد. در نظریه ریسمان بوزونی که آن را به صورت خلاصه شرح دادیم، فضا-زمان 26 بعدی است. در نظریه ابر ریسمان عالم با 10 بعد توصیف می‌شود. همچنین در نظریه اِم نیز عالم 11 بعدی در نظر گرفته می‌شود.

بنابراین برای توصیف پدیده‌های فیزیکی واقعی با استفاده از نظریه ریسمان، باید سناریوهایی را تصور کرد که در این ابعاد اضافی در آن‌ها نقش مهمی ایفا می‌کنند.

فشرده‌سازی

فشرده‌سازی یکی از راه‌های اصلاح تعداد ابعاد در یک نظریه فیزیکی است. در این فرآیند، فرض می‌شود برخی از ابعاد اضافی اصطلاحا بر روی خودشان سوار می‌شوند تا دایره‌هایی را تشکیل دهند. این ابعاد درحدی کوچک می‌شوند که می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد و در نتیجه نظریه حاصل، نظریه‌ای با تعداد ابعاد کمتر است.

به عنوان مثال، چند متر شلنگ را در نظر بگیرید که روی زمین گسترده شده است. در این حالت، شلنگ دارای سه بعد است (طول، عرض و ارتفاع). اما اگر شلنگ را به صورت دایره‌ای درآورده روی خودش بچینیم و از بالا به آن نگاه کنیم، آنگاه شلنگ به یک شکل دو بعدی تبدیل می‌شود. این دقیقا همان کاری است که ریاضی‌دانان در فرآیند فشرده‌سازی انجام می‌دهند.

از فرآیند فشرده‌سازی برای ساخت مدل‌هایی استفاده می‌شود که در آن‌ها فضا-زمان به‌طور موثر چهار بعدی است.

نظریه ریسمان و سیاهچاله‌ها

در نسبیت عام، سیاهچاله‌ها مناطقی از فضا-زمان هستند که میدان گرانشی بسیار قوی دارند. این میدان گرانشی به قدری قوی است که هیچ ذره یا تشعشعی قابلیت فرار از آن را ندارد. در مدل‌های پذیرفته شده کنونی، سیاهچاله‌ها زمانی بوجود می‌آیند که یک ستاره پرجرم در معرض فروپاشی گرانشی قرار می‌گیرد. تصور می‌شود بسیاری از سیاهچاله‌ها در مرکز خود دارای یک سیاهچاله پرجرم هستند.

سیاهچاله‌ها به دلایل متعددی برای فیزیکدانان مهم هستند. این اجرام مرموز کیهانی به درک جنبه‌های مهم نظریه گرانش به فیزیکدانان کمک می‌کنند. از سوی دیگر، نظریه ریسمان ثابت کرده است ابزار مهمی برای بررسی خواص نظری سیاهچاله‌ها است و چارچوبی را فراهم می‌کند که در آن نظریه‌پردازان می‌توانند ترمودینامیک این اجرام را مطالعه کنند.

آنتروپی سیاهچاله

در شاخه‌ای از علم فیزیک که «مکانیک آماری» نامیده می‌شود، آنتروپی مفهومی برای اندازه‌گیری میزان بی‌نظمی یک سیستم است. این مفهوم در سال 1870 توسط فیزیکدان اتریشی «لودویگ بولتزمن» ارائه شد. او استدلال کرد با میانگین‌گیری رفتار همه مولکول‌های یک گاز می‌توان خواص ماکروسکوپی آن همانند حجم، فشار و دما را بدست آورد. این دیدگاه سبب شد تا به کمک مکانیک آماری مفهوم آنتروپی را مطرح کند.

در قرن بیستم، فیزیکدانان مفهوم آنتروپی را برای سیاهچاله‌ها به کار بردند و روابطی برای توصیف آنتروپی سیاهچاله ارائه کردند. اما در دهه 1990 دانشمندان به این فکر افتادند که اگر اثرات کوانتومی را در محیط اطراف سیاهچاله درنظر بگیریم، چه اتفاقی می‌افتد؟

تلاش برای رسیدن به پاسخ این سوال منجر به مطالعه سیاهچاله‌ها در نظریه ریسمان شد. اکنون سیاهچاله‌ها یکی از مهم‌ترین منابع مطالعاتی در این شاخه علم فیزیک هستند.

نظریه‌ ریسمان و سایر شاخه‌های فیزیک

علاوه بر سیاهچاله‌ها، می‌توان برخی دیگر از شاخه‌های علم فیزیک را به کمک نظریه ریسمان مطالعه کرد. به عنوان مثال، فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی از گرایش‌هایی هستند که این نظریه می‌تواند تفاسیری جالب برای آن‌ها داشته باشد.

فیزیک ذرات

نظریه پذیرفته شده‌ای که ذرات را توصیف می‌کند، «مدل استاندارد فیزیک ذرات» نام دارد. این نظریه توصیف یکپارچه‌ای از سه نیروی بنیادی طبیعت یعنی نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف فراهم می‌کند. اما نیروی چهارم – گرانش – در این میان نقشی ندارد.

با مطالعه فیزیک ذرات به کمک نظریه ریسمان که یکی از کاندیدای مناسب نظریه گرانش کوانتومی است، می‌توان نیروی چهارم را نیز با این مجموعه هماهنگ کرد. نظریه ریسمان برای ساخت انواع مدل‌های فیزیک ذرات که فراتر از مدل استاندارد هستند، استفاده می‌شود.

کیهان‌شناسی

نظریه «تورم کیهانی» یکی از کامل‌ترین نظریه‌هایی است که می‌تواند عالم ما را در مقیاس بزرگ توضیح دهد. این نظریه می‌تواند توضیحی برای ویژگی‌های اسرارآمیز عالم ارائه دهد.

در این نظریه، انبساط اولیه جهان توسط ذره‌ای فرضی به نام «اینفلاتون» رخ می‌دهد. خواص دقیق این ذره توسط نظریه تورم کیهانی به دست نیامده است. در واقع دانشمندان برای درک بهتر این ذره نیاز به نظریه‌ای جامع‌تر همانند نظریه ریسمان دارند.

فیزیکدانان امیدوارند با پیشرفته هرچه بیشتر نظریه ریسمان که درنهایت منجر به پایه‌گذاری نظریه گرانش کوانتومی می‌شود، بتوانند به پاسخ سوالات متعددی در علم فیزیک دست یابند.

متحد کردن چهار نیروی بنیادی طبیعت می‌تواند انقلابی شگرف در علم فیزیک پدید آورد.