String Theory

نظریه ریسمان

12 مرداد 1391 ساعت 14:44

بنابر آن ماده در بنیادین‌ترین صورت خود نه ذره بلکه ریسمان مانند است. یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون) اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته‌شوند ریسمان‌دیس هستند.


نظریهٔ ریسمان (به انگلیسی: String Theory)
شاخه‌ای از فیزیک نظری و بیشتر مربوط به حوزه فیزیک انرژی‌های بالاست.این نظریه در ابتدا برای توجیه کامل نیروی هسته‌ای قوی به وجود آمد ولی پس از مدتی با گسترش کرومودینامیک کوانتومی کنار گذاشته شد و در حدود سالهای ۱۹۸۰ دوباره برای اتحاد نیروی گرانشی و برطرف کردن ناهنجاری‌های تئوری ابر گرانش وارد صحنه شد.
-
بنابر آن ماده در بنیادین‌ترین صورت خود نه ذره بلکه ریسمان مانند است. یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون) اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته‌شوند ریسمان‌دیس هستند. ریسمان می‌تواند بسته (مثل حلقه) یا باز (مثل بند کفش) باشد.

همانطور که حالت‌های مختلف نوسانی در سیمهای سازهای زهی مثل گیتار صداها(نتها)ی گوناگونی ایجاد می‌کند، حالتهای مختلف نوسانی این ریسمانهای بنیادین نیز به صورت ذرات بنیادین گوناگون جلوه‌گر می‌شود.
خاصیت مهم اَبَرْریسمان که فیزیکدانان را به سمت خود کشاند این بود که این نظریه به طرزی بسیار طبیعی گرانش (نسبیت عام) و مدل استاندارد (نظریهٔ میدان کوانتوم) که سه نیروی دیگر موجود در طبیعت (یعنی نیروی الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) را توصیف می‌کند به هم مرتبط می‌سازد. تا همین اواخر، دانشمندان نتوانسته بودند تقریبا هیچ چیزی را با استفاده از نظریه ریسمان (استرینگ تئوری) که بعضی‌ها به آن «نظریه همه چیز» هم می‌گویند، توضیح دهند؛ ولی در کارگاه انستیتوی فیزیک نظری کاولی در سانتاباربارای کالیفرنیا که این هفته برگزار شد، دانشمندان از این نظریه برای پیشرفت در حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک ماده چگال استفاده کردند: منشا و ریشه ابررسانایی گرم.
نظریه ریسمان چنین بیان می‌کند که ریسمان‌های مرتعشی که در ده بعد وجود دارند، پایه و اساس دنیای قابل مشاهده را تشکیل می‌دهند و چگونگی ارتعاش آنها، ذرات یا نیروهای بین آنها را تفکیک می‌کند.
به رغم این‌که این فرض پایه‌ای هنوز در شک و تردید است و با دانسته‌ها و تجهیزات فعلی بشر هم آزمایش تجربی آن محال است؛ بعضی از ابزارهای ریاضی که در چند سال گذشته در نظریه ریسمان استفاده شده بودند، برای توضیح رفتار مواد داغ حالت پلاسما و شبکه‌های فوق سرد اتم‌ها به‌کار گرفته شدند.
آخرین ادعا در مورد نظریه ریسمان، ابزاری کلیدی در توضیح رفتار معمولی موادی است که در دماهای نسبتا بالا، الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می‌دهند. این حالت را ابررسانایی می‌نامند و نظریه‌ای که ابررسانایی مرسوم را در دماهایی نزدیک به صفر مطلق (منفی 273 درجه سانتی‌گراد) توجیه می‌کند، نظریه کاملی است؛ ولی نظریه‌ای که رفتار گروه دوم موادی را که در دمای تقریبا 79 کلوین (منفی 194 درجه سانتی‌گراد) خاصیت ابررسانایی را از خود بروز می‌دهند، توجیه کند، هنوز به صورت یک معما باقی مانده است.
نظریه‌پردازان فعال در نظریه ریسمان امیدوارند که با توضیح رفتار معمولی این مواد، در دمایی فقط کمی بالای دمایی که در آن دما، این مواد از خود ویژگی ابررسانایی را بروز می‌دهند، بتوانند خود پدیده ابررسانایی در دمای بالا را بهتر کنترل کنند.
سابیر ساچدف، از نظریه‌پردازان ماده‌چگال در دانشگاه هاروارد که از برگزارکنندگان کارگاه نیز بود، می‌گوید: «این بدین معنا است که ما با استفاده از توضیح نظریه ریسمان، در آستانه درک حالت جدیدی از ماده قرار داریم».
در این کارگاه، ساچدف و همکارانش، از هر یک از حضار خواستند که مدل ادعایی خود را برای توجیه ابررسانایی در دمای بالا با استفاده از نظریه ریسمان ارایه دهند و برای ثبت آن، برگه‌ای را دست به دست بین شرکت‌کنندگان چرخاندند که در ابتدا هیچ چیزی روی آن نوشته نشده بود.
شان هارتنول محقق دوره فوق‌دکترای دانشگاه هاروارد، که یکی دیگر از برگزار کنندگان این کارگاه بود نیز بر این باور است که یافتن کاربردهای جدید برای ریاضیات نظریه ریسمان، انرژی تازه‌ای را وارد این حوزه می‌کند.
او می‌گوید: «اکنون به نظر می‌رسد که با دیگ جوشانی از افکار و نظرات جدید روبرو هستیم».
به طور سنتی فضایی که ریسمان‌ها در آن می‌زیند بیست و شش بعدی است (البته همیشه اینطور نیست چنان که در زیر توضیح داده خواهد شد). عدد بیست و شش از روی ضوابط ریاضی و نظریهٔ گروهها (برای حفظ تقارن لورنتس) به دست می‌آید. این امر ممکن است در ابتدا کمی ثقیل و مشکل‌زا به نظر برسد چرا که به هرحال ما در اطراف خود چهار بعد (سه بعد مکانی و یک بعد زمانی) بیشتر احساس نمی‌کنیم پس این بعدهای اضافه کجایند؟
پاسخی که معمولاً به این پرسش داده می‌شود اینست که این بعدها برخلاف چهار بعد دیگر) کوچک و نیز فشرده (معادل انگلیسی compact) هستند. فشرده یعنی آنکه اگر در جهت آنها به اندازهٔ کافی پیش‌روی کنید به جای اول خود باز می‌گردید. کوچک بودن هم معنایش اینست که برای آنکه به جای نخست بازگردید باید مسافت خیلی کمی را طی کنید. برای نمونه یک لولهٔ بینهایت دراز را در نظر بگیرید. سطح این لوله مسلما دوبعدی است. یعنی مورچه‌ای که روی سطح این لوله قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند.
فرض کنید که سر مورچه در راستای طول لوله‌است. مورچه می‌تواند یا عقب-جلو برود یا چپ و راست. اما اگر به‌فرض این مورچه به اندازهٔ کافی (یعنی به اندازهٔ محیط لوله) در جهت چپ حرکت کند به جای اول خود باز می‌گردد اما قضیه در مورد عقب جلو رفتن صدق نمی‌کند. پس یکی از بعدهای این فضای دوبعدی (یعنی یکی از بعدهای سطح لوله) فشرده و یکی نافشرده است.

اینک فرض کنید که این مورچه روی یک توپ قرار دارد. باز هم می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند منتهی این‌بار در هر جهتی روی سطح کره مستقیم حرکت کند، پس از طی مسافتی (برابر با محیط دایرهٔ عظیمهٔ کره) به جای نخست بازمی‌گردد. پس این بار هر دو بعد این فضای دوبعدی (یعنی سطح توپ) فشرده است.
بازگردیم به فضای دوبعدی سطح لوله. این بار فرض کنید که محیط این لوله خیلی کم باشد یا مثلاً به جای لوله یک کابل برق داشته‌باشیم. برای مورچه (اگر به اندازهٔ کافی کوچک باشد)این کابل هنوز یک سطح دو بعدی است یعنی وقتی که روی سطح کابل قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. اما برای ما انسان‌ها کابل برق یک شی یک بعدی محسوب می‌شود چون فقط درازای آن قابل درک است.
حالتی بسیار شبیه به این در مورد این بعدهای اضافه در نظریه ریسمان رخ می‌دهد. به این معنی که ما به خاطر اندازهٔ بزرگ خود از درک این ابعاد اضافی عاجز هستیم اما این ابعاد برای بعضی از ذره‌ها با انرژی زیاد قابل دسترسی است.
تئوری ریسمان در ابتدا برای شرح بوزون ها ( حاملان نیرو ) به ویژه هادرون ها که ذراتی سنگین در حمل نیروی قوی هسته ای هستند ارائه شده بود . از جهتی این تئوری به راحتی می توانست تئوری میدان های کوانتومی که در رابطه با به وجود آمدن ذرات و واکنش های بین آنها را شرح دهد دانشمندان بر آن شدند تا به وسیله ی این تئوری تئوری گرانش کوانتومی را تعریف کنند .
به همین دلیل آن را یک گزینه برای نظریه ی همه چیز دانستند . برای این که این تئوری کامل شود می بایست فرمیون ها نیز به آن وارد می شدند با ورود این ها تئوری با نام ابر ریسمان به وجود آمد که در مقالات بعدی آن را شرح خواهیم داد .
یکی از مؤلفه های مهم و چشم گیر تئوری ریسمان ابعاد اضافی آن است که تعداد آنها برابر 10 و 11 و 26 تاست . زیرا این تئوری برای شرح موضوعات نیاز به این ابعاد دارد . این بحث آن قدر جزئیات دارد که باید آن را در یک مقاله ی جدا شرح دهیم .

اما جالب است که بدانیم خود ریسمان ها دو نوع هستند که عبارتند از :
1- ریسمان های باز که دارای دو نقطه ی پایانی مشخص هستند
2- ریسمان های بسته که در آن نقاط پایانی اش به هم پیوسته و یک حلقه ی کامل را تشکیل می دهند این ها دارای خواص هستند که اندکی با هم تفاوت می کند و در همیشه در تمام 6 تئوری ریسمان و ابر ریسمان با هم نمی آیند . از طرفی طول ریسمان معادل طول پلانک که در حدود  10 ^ -35 می باشد که با تکنولوژی ها کنونی اصلا قابل تصور هم نیست .
از دیگر ویژگی های تئوری ریسمان دو گانگی ها است که آنها را در مقاله ای جدا گانه با وردشیت و ریسمان های آن شرح خواهیم داد . با این وجود گفتنی است که تئوری ریسمان دارای چندین اشکال اساسی است که در یک مقاله قابل شرح هستند . برای مثال هیچ یک از معادلات آن قادر به توجیه رفتار آن در فصا نیست .  
-
از آنجا كه يك سر يك ريسمان مي توانست به سر ريسمان ديگر متصل شود، پس دو سر يك ريسمان هم مي توانند به هم متصل شوند . كه در اين صورت يك ريسمان بسته تشكيل مي شود .
بنابر اين دو نوع ريسمان وجود دارد : باز و بسته
  
-
تئوری ابر ریسمان
تئوری ابر ریسمان کوششی از سوی متخصصان تئوری ریسمان است تا تمام ذرات بنیادی در طبیعت در قالب تئوری ریسمان بگنجند . همانطور که می دانیم تئوری ریسمان برای بوزون ها یا حاملان نیرو مطرح شد اما در آن فرمیون ها جایی نداشتند . در ابر ریسمان فرمیون ها یا همان ماده ساز وارد قلمرو ریسمان وارد شدند و بخشی از ارتعاش ریسمان ها را برای ساخت آنها در نظر گرفتند .
در ابتدا تصور می شد که این یکی از قدرتمند ترین تئوری ها برای گرانش کوانتومی است که همه چیز را در قالب یک نظریه ی وا حد شرح می دهد . نام ابر ریسمان بر گرفته از ابرتقارن تئوری ریسمان است . از این جهت آن را ابر تقارن تئوری ریسمان نام گذاری کردند که ابر ریسمان به وسیله ابر تقارن فرمیون ها را در خود جای داد . ممکن برای شما این سؤال مطرح شده باشد که چرا دانشمندان برای داشتن یک تئوری واحد تلاش می کنند ؛ نسبیت و مکانیک کوانتوم هر یک در جای خود کار خود را می کنند ؟
در پاسخ باید گفت که این دو تئوری انقلابی در نقاطی با یکدیگر تناقص دارند پس باید متحد شوند تا دنیای ما به طرز درستی شرح داده شود. در واقع با توسعه میدان های کوانتومی می توان موضوع را برای نیروهای الکترومغناطیسی و قوی و ضعیف هسته ای بسط داد اما نه برای گرانش زیرا در گرانش معنای دیگری می یابد .
موفقیت اصلی تئوری ریسمان که موجب شد تا آن را کاندیدای تئوری گرانش کوانتومی قرار دهند تبدیل نمودارهای فاینمن به صورت دو بعدی بود که مشکی بی نهایت شدن انتگرال را برای آن حل می کرد زیرا دیگر نقطه صفری در آن خود نمایی نمی کرد .
پس تئوری ریسمان یکی از بحران ها را رد کرد در این صورت بود که می توانست به این صورت مهم جلوه گر شود . تئوریهای ابر ریسمان در تئوری M  به هم می پیوندند که ما بعدا این تئوری را شرح می دهیم .

انواع نظریه ریسمان

باید گفت که چندین نظریه ریسمان وجود دارد.اما تنها تعداد کمی از آنها می‌توانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریهٔ ریسمانی که در طیف ذراتش (یعنی در حالت‌های مختلف نوسانی‌اش) ذره‌ای دارد که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند نمی‌تواند مدل خوبی از طبیعت باشد. چون به سرعت بیشتر از سرعت نور اشاره دارد که درکش سخت تر است اما حتی نظریه‌های ریسمانی که مدل خوبی از طبیعت نیستند می‌توانند به فهم فیزیکدانان از این نظریه و نظریه‌هایی که می‌توانند به فهم طبیعت کمک کنند.
به طور کلی دو گونه نظریه ریسمان وجود دارد:
1.ریسمان بوزونی
2.اَبَرریسمان انواع تئوری ریسمان
همانطور که ذکر شد این تئوری اصولا برای شرح رفتار بوزون ها ارائه شد . از این جهت یکی از شاخه های این تئوری به بزون ها اختصاص دارد .
این شاخه بوزونیک نامیده می شود که در آن تنها بوزون ها نقش ایفا می کنند یعنی فقط بوزون ها را شامل می شود و در آن هر دو نوع ریسمان ها ؛ یعنی ریسمان ها باز و بسته وجود دارد .
در این نوع تئوری تاکیون ها نیز دارای نقش هستند . تاکیون ها ذراتی با جرم فرضی هستند که تصور می شوند . از این جهت تصور می شوند که هرگز مشاهده نشده اند همچنین این تئوری ذرات فرشی و غیر فیزیکی دیگر به نام گاستس یا شبح را پیش بینی می کند . در این نوع از تئوری تعداد ابعاد از تمام انواع این تئوری بیشتر است و بیست و شش بعد است . این در واقع نوع اصلی این تئوری می باشد .
نوع دیگر تئوری ریسمان که دارای 10 بعد است ماده و نیرو را در بر می گیرد یعنی هم فرمیون ها و هم بوزون ها در آن نقش دارند و به وسیله ی ابر تقارن که در دیگر مقالات به آن خواهیم پرداخت به هم ربط داده می شوند . البته این نوع تئوری ابر ریسمان نامیده می شود که تئوریی تعمیم یافته است .
در این تئوری که نوع I  نامیده می شود هر دو نوع ریسمان باز و بسته نقش دارد ولی در آن تاکیونی وجود ندارد و همچنین تقارن آن از نوع SO ( 32 )   است.
نوع دیگر تئوری ریسمان که IIA نامیده می شود دارای 10 بعد است که طبق معمول نه بعد فضایی و یک بعد زمان دارد . در این نوع تنها ریسمان های بسته خودنمایی کرده و نقش ها را بر عهده می گیرند . در آن تاکیون وجود ندارد . در آن نیرو و ماده به عبارت دیگر فرمیون ها و بوزون ها نقش دارند . ولی فرمیون ها بدون جرم و با اسپین دو جهته فرض می شوند . در آن ابر تقارن نقش مهمی دارد .
نوع چهارم تئوری ریسمان تفاوتی اندکی با نوع سوم دارد . این نوع تئوری که IIB نامیده می شود در واقع ابر ریسمان است زیرا در آن ماده و نیرو به وسیله ابر تقارن با یکدیگر پیوسته شده اند و در قالب یک تئوری ریسمان در آمده اند . ابعاد در این نوع 10 تا است . در آن تاکیون بی نقش و اثر است .
ریسمان های بسته نقش ها را بر عهده می گیرند . اما تفاوت آن در اسپین آن با تئوری قبلی است . یعنی دارای فرمیون های بدون جرم است که تنها در یک جهت اسپین دارند .
نوع پنجم را HO می نامند این هم نوعی ابر ریسمان است که در آن ماده و نیرو به وسیله ی ابرتقارن به هم پیوند یافته اند . ابعاد در این تئوری معادل سه مدل قبلی یعنی 10 تا است نوعی تئوری اکتشافی ( هتروتیک ) است .

اما به چه معنا است ؟
یعنی میان حرکت ریسمان در جهات مختلف مثلا چپ و راست با یکدیگر تفاوت دارد . گروه تقارن در آن مانند نوع دوم است یعنی SO (32)  است . در آن تاکیون وجود ندارد و فقط ریسمان های بسته نقش دارند .
نوه دیگر که HE نامیده می شود دارای 10 بعد می باشد و مانند چهار نوع قبلی ابر ریسمان است و شامل نیرو ماده است که به وسیله ی ابر تقارن به هم پیوند یافته اند با این تفاوت که گروه تقارن آن از نوع E8×E8  است . در آن تاکیونی وجود ندارد . همچنین در آن فقط ریسمان های بسته وجود دارند این نوع نیز مانند نوع پنجم هتروتیک یا اکتشافی است .
Super string or string theory Type of String Tachyon Spacetime dimensions Type String T Both of them Yes 26 Bosonic Superstring T Both of them No 10 I Superstring T Closed string No 10 IIA Superstring T Closed string No 10 IIB Superstring T Closed string No 10 HO Superstring T Closed string No 10 HE اما ممکن است برای شما این سؤال مطرح شده باشد گروه های تقارن چیست . در ریاضیات گروه های تقارن وجود دارد که انواع متفاوتی دارد و از آنجایی که زبان فیزیک ، ریاضی است ما از آنها در این جا استفاده می کنیم .   ریسمان بوزونی
نخستین و ساده‌ترین گونهٔ نظریه‌ٔ ریسمان است. به طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متاسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذره‌ای که سریعتر از نور حرکت می‌کند) وجود دارد بنابراین نمی‌تواند مدلی از طبیعت باشد. همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در مکانیک آماری) پیروی می‌کند بنابراین به طور طبیعی نمی‌تواند توصیف‌گر ذراتی مثل الکترون باشد.البته این نظریه در توصیف ذرات میدانی مانند گراویتون‌ها و فوتون‌ها موفق است.

ابرریسمان
با استفاده از فرض ابرتقارن (یعنی در مقابل هر ذره بوزی ذره‌ای فرمیی داریم) گونه‌ای نظریه است که قابلیت آن را دارد که توصیف‌گر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان غالبا ده است. در حال حاضر پنج نظریهٔ ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. این پنج نظریه شامل گونهٔ I، ‏ IIA ‏ IIB و دو نظریهٔ ابرریسمان دیگر که به هتروتیک معروف‌اند می‌شود.

د-وسته
مفهوم دیگری که وابستگی به ریسمان دارد د-وسته است. د-وسته‌ها اشیایی هستند که دو سر ریسمانهای باز روی آنها می‌لغزند. این اشیا می‌توانند صفر-بعدی تا تعداد ابعاد-فضایی(غیر زمانی)-بعدی باشند. به د-وستهٔ دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر «پوسته» یا د۲-وسته (تلفظ می‌شود دال-دووسته) می‌گویند. (نام د-وسته هم به قرینهٔ پوسته انتخاب شده‌است). د۱-وسته (خوانده می‌شود دال-یکوسته) خود به شکل ریسمان است. به همین منوال می‌توانیم د۰-وسته(دال-صفروسته) د۳-وسته(دال-سووسته) د۴-وسته و ... داشته‌باشیم. حرف «د» که در ابتدای این کلمه‌ها می‌آید حرف نخستین نام دریشله(ریاضیدان‌) است. بنابراین د-وستهٔ هرچند بعدی که داشته‌باشیم آن را به صورت «د تعداد ابعاد-وسته» می‌نویسیم.
در سال‌های اخیر د-وسته‌ها اهمیت فزاینده‌ای یافته‌اند و به خودی خود اهمیت دارند. یعنی اهمیت آنها دیگر فقط به خاطر این نیست که دو سر ریسمان‌ها روی آنها می‌لغزد. مثلاً با چیدن د-وسته‌ها در فضا و از این رو محدود کردن جاهایی که ریسمان می‌تواند آغاز یا انجام یابد می‌توان نظریه‌های پیمانه‌ای مختلف ایجاد کرد. همچنین می‌توان کنش توصیف‌کنندهٔ یک د-وسته را نوشت.

تاریخچه نظریه ریسمان
نظریه ریسمان نخستین بار برای توضیح نیروی بین‌هسته‌ای قوی پیشنهاد شد. لیکن معلوم شد که مدل کرومودینامیک کوانتومی (QCD) که اینک بخشی از مدل استاندارداست در توضیح این پدیده بسیار موفق‌تر است. طبیعتاً نظریهٔ ریسمان به نفع کرومودینایک کوانتوم وانهاده شد.
بعدها نظریهٔ ریسمان به عنوان یک تئوری نامتناقض گرانش کوانتومی از نو توسط گرین و شوارتز مطرح شد. این‌بار اندازه و مقیاس ریسمان‌ها بسیار کوچک‌تر از آنِ ریسمان‌های توضیح‌دهندهٔ نیروی ضعیف در نظر گرفته شد. به این احیای مجدد نظریهٔ ریسمان اصطلاحاً انقلاب نخست ابرریسمان گفته می‌شود. پیشوند ابر در ابتدای کلمهٔ ریسمان به این دلیل آمده‌است که برای داشتن یک نظریهٔ ریسمان فاقد تناقض و همچنین امکان داشتن ریسمان‌های فرمیونی (که در نهایت به توضیح خواص ذرات فرمیونی خواهد پرداخت)، نیاز به معرفی یک تقارن جدید موسوم به ابرتقارن در کنش ریسمان داریم. به این موضوع پیشتر اشارهٔ گذرایی شد. به هرحال چنان که پیشتر اشاره شد تنها پنج نظریهٔ ریسمان نامتناقض داریم. و این سؤال هم مطرح بود که کدام یک از این نظریه‌ها توصیف‌گر طبیعت‌اند.

نظریه-م (M-Theory)
در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن و دیگران ثابت کردند که پنج نظریهٔ ابرریسمان موجود بی‌ارتباط به هم نیستند و با گونه‌ای روابط همزادی (duality) به هم مربوط می‌شوند. ایشان نشان دادند که این پنج نظریه درواقع پنج «نمود» (=جلوه) گوناگون از یک نظریهٔ مادر و بزرگ‌تر هستند. یعنی این نظریهٔ مادر که آن را نظریه-م (تلفظ می‌شود نظریهٔ میم) نام نهادند در شرایط خاص به هر یک از این پنج نظریه تقلیل می‌یابد (بسته به شرایط به نظریه‌های مختلف). عموماً از این واقعه با عنوانانقلاب دوم ابرریسمان یاد می‌شود.
فیزیکدانان هنوز شناخت کاملی از نظریه-م ندارند حتی بر سراینکه «م» در نام نظریه دقیقا مبین چیست اختلاف نظر وجود دارد. بعضی می‌گویند «م» به معنی مادر است. برخی می‌گویند «م» مخفف «ماتریس» است. برخی دیگر (البته به شوخی) می‌گویند «م» (M) از واژگون‌کردن حرف نخست نام ویتن (W) می‌آید.
هرچه هست هم‌اکنون بسیاری از فیزیکدانان به دنبال کشف و درک نظریه-م هستند. احتمالاً یافتن نظریه-م از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر خواهد بود زیرا این نظریه قادر خواهد بود تمام دنیا را در بنیادین‌ترین حالت توصیف کند.
باید توجه داشت که نظریهٔ ریسمان (و به تبع آن نظریه-م)، نظریه‌ای فاقد پارامتر آزاد است. یعنی جایی برای تنظیم پارامترها به کمک آزمایش باقی نمی‌گذارد. به بیان روشن‌تر خواص تمام ذرات باید از روی معادلات ریاضی درآورده شود. بنابراین مثلاً این نظریه باید بگوید چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپین آن یک‌دوم و چرا بار الکتریکی آن بهمان مقدار است. پیچیدگی نامتناسب
نظریه ریسمان در اواخر دهه 1960 و به عنوان ابزاری برای توضیح نیروهای قوی بین ذرات اتمی شکل گرفت، ولی در دهه 1970 با نظریه موفق‌تر کرومودینامیک کوانتومی جایگزین شد. نظریه ریسمان نیز به راه خودش رفت و لایه‌های عجیب و غریب‌تری از پیچیدگی‌های ریاضی را کسب کرد. بعضی از فیزیک‌دانان آن را نفرین‌شده خواندند، زیرا برای آزمایش نظریه‌های منتج از آن به انرژی‌هایی خیلی بیشتر از آن چیزی نیاز است که می‌توان در شتاب‌دهنده‌های ذرات به آنها دست یافت.
ولی در سال 2005، نظریه ریسمان راه خود را البته به طور غیر مستقیم؛ به داخل یک شتاب‌دهنده باز کرد: برخورد دهنده یون‌های سنگین نسبیتی، RHIC در آزمایشگاه ملی بروک‌هیون نیویورک. دانشمندان کشف کردند که نظریه ریسمان می‌تواند به اندازه کرومودینامیک کوانتوم در توضیح نیروهای قوی هسته‌ای در یک پلاسمای کوارک-گلوئون موثر باشد. این حالت جدید ماده که شامل اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها است، در ترکیبات یون‌های داغ طلا که در شتاب‌دهنده تولید شده بود شکل گرفت. کلید این کشف یک تکنیک ریاضی در نظریه ریسمان بود که اصول هالوگرافی را شکل می‌دهد که در آن، اطلاعات موجود در یک چند بعدی می‌تواند در یک بعد پایین‌تر از آن نگاشته شود؛ مثل تصویری سه بعدی که می‌توان آن را در یک تصویر هالوگرام مسطح دو بعدی ذخیره کرد.
از آن زمان، پژوهشگرانی مانند ساچدف و هارتنول تکنیک‌های هالوگرافی را به حوزه سرد‌تر ماده‌چگال گسترش دادند. همان ابزارهای نظریه ریسمان که برای توضیح رفتار ذرات در شتاب‌دهنده استفاده شده بود، کمک کرد که بتوان رفتار نقاط بحرانی کوانتومی را توجیه کرد؛ تغییرات در موادی که تا نزدیک به نقطه صفر مطلق سرد می‌شدند و در آن هنگام تاثیرات مکانیک کوانتوم بر رفتار آن غالب می‌شد.
در عوض، این به فیزیک‌دان‌ها کمک کرد تا رفتار کوانتومی را در بسیاری از سیستم‌ها تشریح کنند که شامل شبکه‌های فوق سرد اتمی تحریک شده با لیزر می‌شد و اکنون هم ابررسانایی دمای بالا به آن اضافه شده است.
پیتر وویت، از منتقدان سرشناس نظریه ریسمان و از ریاضی‌دانان دانشگاه کلمبیا در نیویورک، می‌گوید که این نحوه استفاده از نظریه ریسمان به عنوان یک ابزار می‌تواند مفید باشد، ولی به هیچ عنوان آزمایشی برای خود نظریه ریسمان محسوب نمی‌شود. او می گوید: «فقط به این دلیل که یک مدل در زمینه خود خوب کار می‌کند، به این معنی نیست که شما می‌توانید کل فیزیک را یک‌پارچه کنید و به نظریه‌ای پایه‌ای که همه چیز از آن ناشی شود، برسید».
جوزف پولچینسکی، از نظریه‌پردازان نظریه ریسمان در انستیتوی کاولی و سومین برگزارکننده کارگاه، چنین اسدلال می‌کند که اگر ابزارهای مشابه نظریه ریسمان که برای تشریح سیاه‌چاله‌ها استفاده شده‌اند، بتوانند رفتار الکترون‌ها را در یک فلز توجیه کنند؛ این تقاطع می‌تواند کاربردهای نظریه ریسمان را در یک حوزه را برای کاربرد در دیگر حوزه‌ها نیز ممکن سازد.
او اضافه می‌کند که هیجان همچنان در حال افزایش است. این انستیتو 110 تقاضا برای کارگاه دریافت کرده بود، در حالی که تنها برای 30 نفر جا وجود داشت و تا آنجا که او به یاد می‌آورد، ورود به هیچ کارگاهی سخت‌تر از این نبوده است. در توضیح اهمیت آن همین بس که وقتی فراخوان این کارگاه 18 ماه اعلام شد، تعداد مقالاتی که در این زمینه نوشته شده بود به کمتر از انگشتان دو دست می‌رسید. پولچینسکی می‌گوید: «کاملا آشکار است که حوزه جدید و جذابی از علم در این جا گشوده می‌شود».

آیا حقیقتاً نظریهٔ ریسمان علمی‌است؟

بعضی از فیزیکدانان معتقدند که نظریهٔ ریسمان اصولا نظریه‌ای علمی نیست چرا که هیچ پیش‌بینی ابطال‌پذیری نمی‌کند و در بهترین شرایط تنها به توضیح واقعیات موجود می‌پردازد.
نظریه-م و مسایل فلسفی مربوط به آن و سرنوشت ناپیدایش
در اینجا طنز کوچکی مطرح می‌شود: ما انسان‌ها یا قابلیت آن را داریم که به کشف نظریه-م نایل شویم یا نه. یعنی نظریه-م اصولا یا قابل کشف/فهم هست یا نیست. در نهایت به نظر می‌آید که این نظریه-م است که در مورد قابل کشف/فهم بودن یا نبودن خود تصمیم گرفته است! چون بالاخره ما انسان‌ها محصول جهانی هستیم که بر اساس قوانین نظریه-م کار می‌کند.
به علاوه این پرسش بنیادی‌تر هم مطرح است که آیا اصلاً نظریه-م وجود دارد؟ چرا طبیعت باید موجودی قانونمند و در درجهٔ بعد قابل فهم باشد. اینشتین معتقد بود که غیرقابل‌فهم‌ترین چیز در مورد طبیعت این‌است که طبیعت قابل فهم است. متاسفانه یا خوشبختانه از هیچ‌کجا آیه نیامده‌است که نظریه-م به عنوان نظریهٔ همه چیز یا نظریهٔ وحدت‌بخش وجود دارد تا حالا ما به دنبال آن باشیم. هرچند که به نظر می‌آید تمام فیزیکدانان ریسمان‌کار به طور ضمنی معتقد ( خستو ) اند که نظریه-م وجود دارد و همچنین قابل درک برای ما انسان‌ها است وگرنه بعید بود عمر خود صرف آن کنند. اما این فرض تماما برخاسته از خوشبینی مفرط است که خوشبختانه تاکنون خلاف آن ثابت نشده‌است.
همچنین این احتمال (هرچند بسیار اندک) وجود دارد که روزی ثابت شود نظریهٔ ریسمان اساسا نادرست است. اتفاقی شبیه این امر در مورد نظریهٔ متغیر پنهان چندین سال قبل رخ داد. ریسمان‌کارها معتقدند که شانس از بیخ و بن نادرست بودن نظریهٔ ریسمان بسیار بسیار اندک و حتی نزدیک صفر است. چرا که تاکنون شواهد بسیار زیادی مبنی بر صحت آن یافت شده‌است. ممکن است آزمایش‌های آینده جهت تحقیقات را تغییر دهد ولی احتمال تکذیب این نظریه چنانکه که گفته شد تقریباً صفر است.
 
ابعاد اضافی در تئوری ریسمان
همانطور که در مقالات بخش نسبیت ذکر کردیم اینشتین کیهان را چهار بعدی فرض کرد که سه بعد فضایی دارد و یک بعد زمانی پیوسته به آنها که بافت فضا – زمان را به وجود می آورند .
در مقاله ی انواع تئوری ریسمان ذکر کردیم که حد اقل ابعاد در تئوری ریسمان 20 تا است که می تواند تا 26 بعد نیز افزایش یابد .
حال سؤال این جا است که این ابعاد از کجا آمده اند و اصولا تئوری ریسمان برای آنها چه توجیه منطقی دارد ؟
تئوری بوزونیک ریسمان ابعاد خود را به وسیله ی معادله ی پلایکف شرح می دهد که به شرح زیر است :
اما در رابطه با توجیه تئوری ریسمان می توان این گونه گفت .
در این تئوری تعداد ابعاد آن قدر زیاد است که باید تعداد آنها را با انگشتان دست درج کرد . همانطور که مشاهده شد تعداد ابعاد به وسیله ی رابطه ی بالا قابل محاسبه است . این بدان معنا است که اگر شما فاصله ی بین دو نقطه را اندازه گیری کنید سپس با زاویه ی مشخصی دوران کنید و دوباره فاصله را اندازه گیری کنید آنگاه فاصله یکسان خواهد بود اگر این ابعاد خاص را در نظر بگیریم . در این شرایط ابعاد جهان به جای چهارتا به بیست وشش تا می رسد . هر چند که تئوری M که در دیگر مقالات آن را شرح خواهیم داد تعداد آنها به 10 الی 11 عدد می رسد .
متخصصان تئوری ریسمان برای شرح این موضوع دو راه مختلف را در نظر می گیرند .
راه اول فشرده گی ابعاد است که می گوید تعداد ابعاد اضافی که 6 تا 7 عدد هستند آن قدر فشرده و کوچک هستند که در دوران ما در پدیده ها قابل کشف نیستند . یعنی این 6 یا 7 بعد در این لوپ بر روی یکدیگر فشرده اند .
برای درک بهتر یک تکه چوب را تصور کنید . اگر شما در یک فاصله ی معین از آن قرار داشته باشید شما چوب را در یک بعد مشاهده می کنید که همان طول آن است . اگر شما از آن فاصله کمی جلو تر آیید می توانید بعد دوم آن را نیز مشاهده کنید که با هم محیط چوب مورد نظر را می سازند ؛ و اگر به همین ترتیب نزدیک و نزدیک تر شوید ابعاد اضافی را مشاهده خواهید کرد .
تئوری ریسمان نیز برای مشاهده ی این ابعاد چنین توجیهی می کند . در واقع هر نقطه از این در روی تکه چوب مورد نظر عدد هر بعد را برای ما مشخص می کند . برای مثال یک عدد مکان در بعد اول را مشخص می سازد دیگری مکان را در بعدی دیگر مشخص می کند . در واقع این شماره ها برای ابعاد اضافی نیز وجود دارد که در حوضه ی دید کنونی ما نیستند و در هم فشرده شده اند .
دیگر توجیه این است که در دنیای 1+3 خود فرو رفته ایم . در این صورت این فرض یک چیز ریاضی به نام D – Brane  را وارد می کند که دنیا ما بر اساس تئوری جهان برین است . ما در این رابطه در مقاله ی جداگانه سخن خواهیم گفت . زیرا یک تئوری که اخیرا دانشمندان در رابطه با جهان پنج بعدی مطرح کرده اند تقریبا با این موضوع تطابق دارد که می گوید ما در دنیای خود فرو رفته ایم و ابعاد بزرگتر را نمی بینیم .
مثلا گرانش که یک نیروی بنیادی در طبیعت است یک بعد مخفی فرض می شود نیروهای بنیادی دیگر را تولید می کند . در مورد این موضوع که گرانش نیرو های دیگر را تولید می کند آزمایش های زیادی وجود دارد . اما این هنوز یک فرض قابل استفاده نیست .
نظريه ريسمان بيان مي كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نیست.
متنی كه در زير مي خوانيد، نوشته اي است از گابريل ونزيانو(Gabriele veneziano) فيزيكدان نظري مركز تحقيقات فيزيك ذره اي اروپا(CERN ) كه در اواخر دهه 1960 به عنوان پدر نظريه ريسمان شناخته شد.
نظريه ريسمان بيان مي كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نبوده، بلكه صرفاً پيامد وضعيتي بوده كه مدت ها قبل از آن زمان وجود داشته است. زيرا غالب كيهان شناسان مطرح كردن زماني قبل از انفجار بزرگ را مانند اين مي دانستند كه كسي جايگاه شمال قطب شمال را از شما بپرسد.
يونانيان باستان دربارة منشأ زمان مناظرات و مباحثه هاي فراواني ترتيب مي دادند. ارسطو كه از بي آغازي زمان طرفداري مي كرد،استنادش بر اين اصل بود كه از هيچ ،چيزي به وجود نمي آيد. پس اگر عالم در هيچ برحه اي از زمان نتوانسته باشد خود را از نيستي به هستي در آورد، الزاماً مي بايست همواره وجود مي داشته است. پس به اين دليل و دلايلي ديگر، زمان بايد به طور نامحدود در گذشته و آينده امتداد داشته باشد. امّا دين شناسان مسيحي نظري دگرگونه داشتند.آگوستين استدلالش بر اين بود كه آفريدگار بيرون از فضا و زمان حضور دارد و قادر است كه اين ساختارها را همانطور كه ديگر جنبه اي دنياي ما را خلق می كند، به وجود آورد.
دو دليل سبب شد كه كيهان شناسان معاصر نتيجه مشابهي بگيرند. يكي از آنها نسبيت عام و ديگري شواهدي بودند كه از مشاهده انبساط جهان به دست آمدند كه بر طبق آنها دو فيزيكدان نامي يعني استفان هاوكينگ و روجر پنروز در سال 1960 ثابت كردند كه زمان نمي تواند به طور نا محدود رو به گذشته ادامه داشته باشد و اگر در طول زمان رو به عقب برويم، بالاجبار بايد به نقطه تكينگي برسيم.
-
ويديوهاي مربوط به نظريه ريسمان: اينجــــا را كليك كنيد
-


کد مطلب: 13008

آدرس مطلب: http://www.migna.ir/news/13008/نظریه-ریسمان

میگنا
  http://www.migna.ir