تئوری ریسمان

…

منابع این بحث، بعداً اضافه می‌شود

گاه دل آدمی می‌گیرد و در خود فرومی‌رود. من نیز دل‌تنگ می‌شوم، دلتنگ دوستانی که در غبار افسانه‌ها گم شدند و سر بر خاک نهادند. رفتند و یا، دیگر شدند. دلتنگ رابطه‌های چهره به چهره با مردم دردمندی که غنچه لبخند بر لبان‌شان پژمرد. دلم تنگ می‌شود برای میهن دلبندم و برای دشت و کوه و صحرا و آسمان پُر ستاره‌اش، برای گرد و خاک کوچه‌ای که در آن بازی می‌کردم،برای پدر و مادرم که به یادگارها پیوستند و حتی نتوانستم بر سر مزارشان بروم. برای «هرانگ»، آن آب زلال، و برای کسی که دوستش داشتم و هزار بار بوسیدمش اما با اینکه رؤیا نبود، هیچوقت او را ندیدم… اگر اکنون به وقایع اتفاقیه و ثبت یادمان‌ها می‌پردازم، اگر خاطره و یاد کسانی را زنده می‌کنم که از اعماق حماسه‌ها آمدند و در غبار افسانه‌ها گم شدند، فقط به این دلیل نیست که گذشته، پیش‌درآمد اکنون است، به روزگار ستم‌آلود و غریبی که در آن بسر می‌بریم هم، مربوط است. اگر نبود بیداد حکومتیان که بر ایران خاک پاک ایزدی، گَرد محنت و یأس پاشیده‌اند، تمام وقت به تاریخ علم می‌پرداختم و با فیزیکهمنشین می‌شدم. انگاری از اصل خویش دور مانده‌ام. دلم برایش تنگ می‌شود. انگار من و او ساقه یک ریشه، نهال یک بیشه و شکسته از دم یک تیشه بودیم و با هم خویشاوند(خویش+آوند). آن هنگام که نفت چراغ زندگی ما تمام شود، فتیله‌اش با سوختن و نور اندک خویش، تاریکی را پس خواهد زد و روشن خواهد شد که نوع من برای چه خود را به آب و آتش زدیم. چرا به استقبال مرارت‌ها و ابتلائات روزگار رفتیم و به چه چیز امید داشتیم.

وقتی غوغای وجود ما خاموش شود یادمان‌ها،از رنج‌ و امید نسل ما خواهد گفت…

خانم‌ها و آقایان محترم، از راه دور و با قلبی نزدیک به شما سلام می‌کنم. سلامی پُر از گرما و شادی و امید. دوستان دانشور و فرهنگ‌ورز، این مطلب در مورد نظریه ریسمان، یا بهتر بگویم تئوری ریسمان String Theory یکی از بحث برانگیزترین اندیشه‌های اثبات‌نشده در دنیای فیزیک است. گرچه شناخت تئوری ریسمان، با مشاهده و اندازه‌گیری، همراه نبوده و اثبات‌پذیر و ابطال‌پذیر نیست(پیش‌بینی ابطال‌پذیری نمی‌کند) و طبیعت و جهانی را به تصویر می‌کشد که فیزیکدان‌ها دوست دارند چنان باشد، اما شایسته تأمل است.

از آنجا که تئوری ریسمان، هماهنگی نیروهای طبیعت را پیش می‌کِشد، باید روی آن فکر گذاشت و به قول مولوی در دفتر دوم مثنوی (داستان ریگ در جوال‌کردن و ملامت‌ فیلسوف) «فکر آن باشد که بگشاید رهی»

اگر روشی برای رّد تئوری ریسمان وجود نداشته باشد یا ادعا شود که ابطال‌پذیر نیست، از ارزش علمی آن کاسته خواهد شد. چرا؟ چون قضیه‌ی علمی قضیه‌ای است که بتوان راه‌هایی برای ابطال آن یافت.
در این بحث به پژوهشگرانی که در زمینه تئوری ریسمان تلاش کرده‌اند (تا آنجا که می‌دانستم) اشاره نموده و بخشی از ایده‌های برایان گرین Brian Greene (نویسنده کتاب جهان زیبا) همچنین، میچیو کاکو (از نظریّه‌پردازان بزرگ فیزیک) را در مورد تئوری ریسمان که از پیچیده‌ترین نظریات فیزیک جدید است، آورده‌ام. در خلال بحث هر جا به کلیدواژه و کلمات خاص مربوط به موضوع برسیم، توضیح کوتاهی می‌دهم.

فیزیک نظری شاخه‌ای از فیزیک است که با استفاده از مُدل‌سازی‌های ریاضی پدیده‌ها و انتزاع، سعی در توضیح، پیش‌بینی و قانون‌مندسازی طبیعت دارد. فیزیک نظری در مقابل فیزیک تجربی قرار می‌گیرد که از ابزارهای تجربی و آزمایشی برای بررسی این پدیده‌ها استفاده می‌کند.
…
تئوری ریسمان بیشتر مربوط به فیزیک ذرات بنیادی -حوزهٔ فیزیک انرژی‌های بالا- است.

ذرّه بنیادی Fundamental particle ذرّه‌ای است که ساختار داخلی آن پیش‌ساختاری نداشته باشد یا هنوز مشخص نشده باشد.

این تئوری در ابتدا برای توجیه کامل نیروی هسته‌ای قوی به وجود آمد.

نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی پایه در فیزیک است. نقش نیروی هسته‌ای قوی، باهم‌نگه‌داشتن کوارک‌ها و ذرات تشکیل‌شده از آن‌ها مانند نوترون‌ها و پروتون‌ها در هسته اتم‌ها است. کوارک Quark یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده ماده‌ است.

تئوری ریسمان در ابتدا برای توجیه کامل نیروی هسته‌ای قوی به وجود آمد ولی پس از مدتی با گسترش تئوری دیگری که نیروی بین‌هسته‌ای قوی را توضیح می‌دهد (کرومودینامیک کوانتومی Quantum Chromodynamics) کنار گذاشته شد اما در حدود سال‌های ۱۹۸۰ دوباره وارد صحنه شد.

کرومودینامیک کوانتومی QCD یکی از پیچیده‌ترین نظریات علم فیزیک نظری در ارتباط با ذرات بنیادی است که به مطالعه برهمکنشهای بنیادی کوارک-کوارک می‌پردازد.

…
تئوری ریسمان در مورد بنیادی‌ترین اجزای ماده بحث می‌کند و گویای این است که اجزای اولیهٔ غیرقابل تقسیم غیرقابل رویت که همهٔ جهان اطراف ما از جمله نیروها را به‌وجود آورده‌اند، درواقع، رشته‌های ریز قابل ارتعاش انرژی هستند.
…
در خصوص تئوری ریسمان، گاه از نظریات مرتبط با آن صحبت می‌شود. دلیلش این است که تئوری ریسمان یکی دو تا نیست و هر کدام معادلات جداگانه دارد. (پنج نوع آن وجود دارد که در واقع، یک نظریه هستند و اگر یک پارامتر آنها را با هم عوض کنیم، یکی می‌شوند)

تئوری مزبور با ریاضیات پیچیده خود، زنجیره‌ای از برهان‌ها را فراهم آورده که از مکانیک کوانتومی آغاز می‌شود و با نسبیّت عام به پایان می‌رسد.

مکانیک کوانتومی Quantum mechanics شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که با پدیده‌های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی سروکار دارد.

نسبیت عام General relativity (در کوتاهترین توضیح)، گرانش یا جاذبه را نه یک نیرو، بلکه یک خاصیت از فضا معرفی می‌کند. گرانش، یک پدیدهٔ طبیعی است که در آن همهٔ اجسامِ دارای جرم یکدیگر را جذب می‌کنند.

(تانسور Tensor نقطه‌ای از فضا است که توسط یک یا چند شاخص که بیانگر مرتبه آن است، توصیف می‌شود…)
شایان ذکر است که زیبایی تئوری ریسمان، نه تنها به خاطر ریاضیات پیچیده آن، بلکه به خاطر ساختار غنی فیزیکی آن است. کاربرد مفاهیم فیزیکی در ریاضی، در قالب تئوری ریسمان، نشان می‌دهد که این تئوری نه تنها باعث وحدت نیروی جاذبه و دیگر نیروها می‌شود، بلکه توانایی پاسخ به پرسش‌های ریاضی را هم دارد. ساختار غنی منطقی ریاضی‌وار تئوری ریسمان، امر کوچکی نیست.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
تئوری ریسمان، هماهنگی نیروهای طبیعت را پیش می‌کِشد

ازجمله اهداف تئوری ریسمان، سازگاری بین مکانیک کوانتوم با نیروی جاذبه است که در پیامد آن بشود با یک فرمول آن چه در جهان ما می‌‌گذرد را تبیین کرد. اینشتین هم با اتحاد جاذبه و نیروی الکترومغناطیس همبن هدف را دنبال می‌کرد. بنا بر تئوری ریسمان، کوچک‌ترین واحد هستی، نه ذره، بلکه رشته‌های ارتعاشی شبیه به ریسمان است که حامل انرژی هستند. بعداً به این موضوع ببشتر اشاره می‌شود.

…

تئوری ریسمان زیبا و جذاب است، معادله‌های آن هم قانع‌کننده هستند و توضیحات پیشنهاد‌شدهٔ آن برازنده. اما تا کنون هیچ شاهد پژوهشی در حمایت از خود نداشته‌است. شناخت آن با مشاهده و اندازه‌گیری، همراه نبوده و از این نظر اثبات‌پذیر نیست. با اینحال، پژوهشگران به آن توجه بسیار کرده‌اند، بویژه که تئوری مزبور، وحدت و هماهنگی نیروهای طبیعت را پیش می‌کِشد و یکی از اهداف علم فیزیک هم کشف ساختار و ماهیت طبیعت در ورای محدودیت‌هاست. وقتی یک ساختار فیزیکی بتواند ایده‌های مختلف را بهم وصل کند، مثلاً مکانیک کوانتومی و گرانش را سازگاری دهد، حتماً حقیقتی در آن نهفته‌است. ازاین رو، نبودن وسایل آزمایشگاهی نمی‌تواند جلوی فکرکردن در مورد تئوری ریسمان را بگیرد. این تئوری می‌تواند چارچوبی را برای متحدکردنچهار نیروی موجود در طبیعت (نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی الکترومغناطیسی و گرانش) فراهم کند. تئوری‌ای واحد، و بینشی نامحدود در ذرات بنیادی که نیروهای موجود در طبیعت را به هم مرتبط می‌سازد. برای اینکه بشود همه این چهار نیرو را یگانه و یکدست کرد و به وحدت رساند، باید تصّور ۱۰ تا ۱۱ بُعد را برای جهان داشته باشیم که البته فقط ۳ بُعد از آن(طول، عرض، ارتفاع) را می‌توانیم مشاهده کنیم، وجود بُعد دیگری هم به نام زمان آشناست، ولی تا به امروز در مورد ۷ بُعد دیگر توضیح کاملی ارائه نشده و گفته می‌شود به صورت چَمبره(چَنبره) و حلقه، با ابعاد بسیار بسیار کوچک دور هم پیچیده‌است.

(دکتر کامران وفا بعداً تعمیمی از آن را که محتاج به دوازده بُعد بود، کشف کرد که تئوری افF- Theory نام گرفت.)

…

تئوری ریسمان، در چارچوب چهار بُعد (سه بُعد مکان و یک بُعد زمان) تداوم Consistency نداشت. بعبارت دیگر، اتحاد نیروها با ابعاد پایین‌تر با ناهنجاری روبرو می‌شد، ولی با ۱۰ بُعد این ناهنجاری حل می‌گشت. ده بُعد البته زیاد می‌نمود، اما فیزیکدان‌ها می‌گفتند آن شش بُعد اضافی به صورت دایره‌ها و یا کُره‌های بسیار کوچکی هستند. به صورت چَمبره(چَنبره) و حلقه، با ابعاد بسیار بسیار کوچک دور هم پیچیده‌. اینکه چرا ده بُعد؟کامران وفا می‌گوید چون معادله ریاضی به‌کار گرفته شده، پیشبینی می‌کرد که تعداد ابعاد باید ۱۰ باشد. در غیر این صورت، مفاهیم فیزیکی غلط از آب درمی‌آمدند.

برخی گفته‌اند تئوری ریسمان را باید تئوری سطوح Membrane Theory نامید. چرا؟ چون در تئوری سطوح است که می‌توان اجسام با ابعاد گوناگون داشت، در حالیکه ریسمان یک خط (و نقطه) است.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
جهان، سمفونی عظیمی از ریسمان‌ها است
می‌دانیم که مولکول‌ها از اتم‌ها تشکیل‌شده‌اند، هر اتم نیز از هسته (پروتون و نوترون) و الکترون‌هایی که به دور هسته در گردش‌اند. اما، پروتون‌ها و نوترون‌ها هم از کوارک‌ها تشکیل‌شده‌اند و سازنده کوارک‌ها، ریسمان‌ها هستند که ارتعاش و تغییر شکل دائمی‌شان در فضا باعث پدید‌آمدن تمام آن چیزی شده که می‌بینیم. این دنیای تئوری ریسمان است. جور دیگر بگویم بنا بر تئوری ریسمان، ماده در بنیادین‌ترین صورت خودش نه ذرّه، بلکه ریسمان مانند است. انگار در قلب کوارک‌ها، تارهای مرتعش انرژی وجود دارد. تارهای رقصندهٔ انرژی که مثل یک رشته مرتعش به نظر می‌آیند.

ایدهٔ نظریه ریسمان از همین‌جا می‌آید. این تئوری تلاشی برای توضیح ژرف‌تری از طبیعت است که در آن ذرات بنیادی صرفاً به عنوان نقطه در نظر گرفته نمی‌شوند بلکه به صورت حلقه‌هایی از ریسمان‌های مرتعش هستند.

…

در پس تئوری ریسمان‌ها تصویر فیزیکی ساده‌ای قرار دارد، تصویری بر اساس مفهوم موسیقی. موسیقی البته استعاره‌ای است که از طریق آن طبیعت جهان را می‌فهمیم، گویی می‌توان جهان را هم در سطوح زیراتمی و هم در سطوح کیهانی. به شکل سمفونی عظیمی از ریسمان‌ها تعبیر کرد. تئوری ریسمان می‌گوید این ذرات زیراتمی Subatomic particle – ذرات کوچکتر از اتم- به ظاهر غیرقابل تجزیه، در اصل از ریسمان‌هایی پدید آمده‌اند که ارتعاش و تغییر شکل دائمی‌شان در فضا باعث پدید آمدن تمام آن چیزی شده که می‌بینیم.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
تئوری ریسمان دید انسان را نسبت به جهان عوض کرد
یکی از خواص اساسی ریسمان‌های مورد بحث این است که توان ارتعاش در انواع و اقسام اشکال و فُرم‌ها را دارد و باعث طنین‌انداز‌شدن موسیقی می‌شود.

درست همان‌طور که تارهای مرتعش در تار و سه تار به حالت‌های متفاوتی می‌لرزند، تارهای رقصندهٔ انرژی هم، می‌توانند در حالت‌های مختلفی بلرزند. همان‌طور که حالت‌های مختلف نوسانی در سیم‌های تار و سه تار، صداهای گوناگونی ایجاد می‌کنند، حالت‌های مختلف نوسانیِ ریسمان‌ها نیز به صورت ذرات بنیادین گوناگون جلوه‌گر می‌شود. البته آنها نُت‌های موسیقایی متفاوت نمی‌نوازند، بلکه، ذرات متفاوتی تولید می‌کنند که جهان پیرامون ما را می‌سازند. درواقع، ریسمان‌ها، ارتعاش‌های گونه‌گون دارند و حالات مختلف ارتعاش‌شان به ذراّت مختلف مربوط می‌شود. فیزیکدانان می‌گویند اگر این ایده‌ها صحیح باشند، در مقیاس فوق میکروسکوپی، جهان به همین شکل به نظر خواهد آمد.

تئوری ریسمان دید ما را نسبت به جهان عوض کرد و نشان داد ذرات جاذبه(گراویتون)، فوتون، الکترون، کوارک‌ها… که تصور می‌شد بهم ربط ندارند، بنوعی با هم قوم و خویش‌اند! گویی از حالات ارتعاشی یک ریسمان مُنتَج می‌شوند. درواقع، اجسام به جای اینکه از ذرات نقطه‌ای مثل کوارک و الکترون و… تشکیل شده باشند، از انرژی‌های یک بُعدی مثل ریسمان‌ شکل می‌گیرند، ریسمان‌هایی که حُول یک دایره یا خط قرار می‌گیرند.
…
تئوری ریسمان‌ها، تئوری گرانش اینشتین را با تئوری کوانتومی می‌آمیزد، مانند سمفونی شگفت‌آوری از آواهای موسیقایی گوناگون که با هم درمی‌آمیزند. تئوری ریسمان تنها ساختاری است که موفق به تلفیق، بهتر بگویم جوش‌دادن تئوری نسبیت عام (حاکم بر رویدادهای بزرگ‌مقیاس عالم) و مکانیک کوانتومی (حاکم بر رویدادهای ریزمقیاس عالم) شده و وحدت کلی نیروها را امکان‌پذیر ساخته‌است.

در مورد نسبیت خاص و عام Theory of relativity، در «تاریخ جهان از ماموت تا فیسبوک (۶۴) – جهان آن چیزی نیست که به نظر می‌رسد – توضیح بیشتری داده‌ام.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
طبق تئوری ریسمان، چندین جهان وجود دارد
همانطور که پیشتر اشاره شد بنا بر تئوری ریسمان، تمام نیروها و ذرات طبیعی از تارهای در‌هم‌تنیده – ریسمان‌های بسیار کوچک و «لرزان»، تشکیل شده‌است. این تئوری، کل درک انسان از جهان و به خصوص سیاه‌چاله‌ها را دگرگون می‌کند. (سیاه‌چاله به ناحیه‌ای از فضا-زمان گفته می‌شود که آثار گرانشی آن، چنان نیرومند است که هیچ چیز – حتی ذرات و تابش‌های الکترومغناطیسی مثل نور – نمی‌توانند از میدان گرانش آن بگریزند)

…

تئوری ریسمان حاکی از این است که چندین جهان وجود دارد. به‌بیان دیگر، جهان علاوه بر سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی، ابعاد پنهان دیگری هم دارد.

…

میچیو کاکو Michio Kaku فیزیکدان آمریکایی ژاپنی‌تبار می‌گوید تئوری ریسمان پتانسیل آن را دارد تا «تئوری همه چیز» Theory of everything باشد و امروزه می‌تواند به نوبهٔ خود در یک معادله خلاصه شود. این تئوری که به بیان رابطهٔ همهٔ پدیده‌های فیزیکی با یکدیگر می‌پردازد، چه بسا روزی بتواند تمام طبیعت از ریزترین ماده تا دورترین اجرام کیهانی را، با رشته‌های ریز قابل ارتعاش انرژی(ریسمان) تشریح کند.

البته تا کنون، فیزیکدانان به یک معادله نهایی که معرف کل تئوری ریسمان در دنیای ما باشد، دست نیافته‌اند.

گرچه «کس را وقوف نیست که پایان راه چیست» اما اوضاع بدین منوال نخواهد ماند و در، همیشه بر این پاشنه نخواهد چرخید. یعنی چه؟ یعنی این راز گشوده خواهد شد و عاقبت، جوینده یابنده بُوَد.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
روایت برایان گرین Brian Greene از تئوری ریسمان
یکی از شارحین تئوری ریسمان، برایان گرین Brian Greene فیزیکدان آمریکایی است که از سال ۱۹۹۶ در دانشگاه کلمبیا به تدریس می‌پردازد. ازجمله آثار برایان گرین، کتاب جهان زیبا The Elegant Universe است که با فیزیک کلاسیک آغاز می‌شود و پس از بازگویی برخی رخدادهای تاریخی به تئوری ریسمان می‌پردازد. وی یگانه‌سازی و اتحاد مکانیک کوانتوم و نسبیت را هم بررسی می‌کند. برایان گرین دریک سخنرانی به تئوری ریسمان و تئودور کالوتسا Theodor Kaluza ریاضیدان آلمانی اشاره کرده‌است. کالوتسا مانند اینشتین، به دنبال چیزی بود که به آن «تئوری یکپارچه» Unified Theory گفته می‌شود. یعنی یک تئوری که قادر است تمام نیروهای طبیعت را بر اساس یک دسته از ایده‌ها، یک دسته از قواعد، با یک معادلهٔ جامع توضیح دهد.

…

برایان گرین با اشاره به کالوتسا که در سال ۱۹۱۹ پیشنهاد داد که شاید جهان ما بیش از آن سه بعدی داشته باشد که از وجودشان آگاهیم، و چه بسا ابعاد فضایی بیشتری وجود داشته باشد که به دلایلی هنوز ندیده‌ایم ــ گفت این ایده، تأثیر عمده‌ای بر فیزیک قرن گذشته داشته و به تحقیقات پیشرفته دامن زده‌است. برایان گرین توضیحاتی در مورد اینشتین هم می‌دهد که سال ۱۹۰۷در تب و تاب اکتشافِ تئوری نسبیت خاص به سر می‌برد و تلاش می‌کرد تا نیروی عظیم و فراگیر گرانش را درک کند و به پرسش‌هایی که برای نیوتن هم مطرح بود، پاسخ دهد. [مثلاً] چطوری خورشید که ۹۳ میلیون مایل از زمین فاصله دارد، به طریقی روی حرکت زمین تأثیر می‌گذارد؟ [اصلاً] چگونه خورشید از داخل فضای خالی می‌گذرد؟ و سؤالاتی از این قبیل و اینشتین تصمیم گرفت نشان دهد که گرانش چطور عمل می‌کند. وی دریافت که وسیله‌ای که جاذبه را انتقال می‌دهد خود فضا است. اینشتین گفت که اگر ماده وجود نداشته باشد، فضا صاف و تخت است، ولی اگر ماده در محیط وجود داشته باشد، مثل خورشید، باعث می‌شود که بافت فضا پیچ و تاب بخورد، انحنا پیدا کند و آن نیروی جاذبه را انتقال می‌دهد. حتی زمین هم فضای اطرافش را پیچ و تاب می‌دهد. بر پایهٔ این ایده، ماه در مدار نگه داشته می‌شود، به این خاطر که در راستای فرورفتگی محیط خمیده‌ای غلت می‌خورد که خورشید و ماه و زمین، همه‌شان به دلیل حضورشان تشکیل داده‌اند. زمین هم در مدار خود نگه‌داشته شده برای اینکه در راستای فرورفتگی محیطی که بر اثر حضور خورشید خم شده، می‌غلتد. اینشتین جاذبه را بر اساس پیچش‌ها و خمیدگی‌های فضا توضیح داد — در حقیقت و بطور دقیقتر و جامعتر، فضا-زمان Spacetime [و نه فضا و زمان]. کالوتسا هم فکر می‌کرد می‌تواند همین بازی را با نیروی الکترومغناطیسی پی بگیرد. یعنی نیروی الکترومغناطیسی را بر اساس پیچش‌ها و انحناها توضیح دهد. اما پیچش و انحنا در چه چیز؟ وی می‌گفت شاید ابعاد دیگری از فضا وجود داشته باشد و فرض کرد که الکترومغناطیس در واقع پیچ‌ها و خمیدگی‌ها در این بُعد چهارم است.

ولی اینجا دو پرسش پیش آمد.

۱- اگر ابعاد بیشتر فضا وجود دارند، آنها [آن ابعاد] کجا هستند؟ به نظر نمی‌آید که آنها را ببینیم،

۲- آیا واقعاً این تئوری در ریزکاری‌ها هم جواب می‌دهد، وقتی که سعی داریم آن را برای جهان اطرافمان به کار ببندیم؟
…
اولین پرسش در سال ۱۹۲۶ توسط اسکار کلاین پاسخ داده شد. او پیشنهاد داد که شاید ابعاد به دو شکل مطرح شوند — شاید یک سری ابعاد بزرگ و آسان-دید باشند، ولی شاید یک سری ابعاد دیگر، ریز و درخودحلقه-شده. آنقدر ریز حلقه شده باشند، که با اینکه تمام دور و بَرمان را فرا گرفته‌اند، آنها را نمی‌بینیم.

در مورد دومین پرسش، از قضا اینشتین و کالوتسا و خیلی‌های دیگر روی آن فکر گذاشتند ولی در جزئیات، جواب نداد.

برایان گرین می‌افزاید اکنون روش جدیدی برای یگانه‌ساختن قوانین فیزیک توسط فیزیکدانان در سراسر جهان دنبال می‌شود، که به تئوری ریسمان یا بهتر بگویم ابَرریسمان مربوط است. این تئوری تلاش دارد به این پرسش پاسخ دهد که اجزای اصلیِ اولیهٔ غیرقابل تقسیم که تمام جهان اطرافمان را تشکیل داده‌اند چیستند؟ ظاهراً به اتم‌ها می‌رسیم. اما اتم‌ها که پایان ماجرا نیستند. آنها الکترون‌های ریزی دارند که دُور یک هسته از نوترون و پروتون می‌چرخند. حتی نوترون‌ها و پروتون‌ها ذرات ریزتری داخل‌شان دارند به نام کوارک‌ها. اینجا مکانی است که ایده‌های مرسوم متوقف می‌شوند. ایدهٔ تازهٔ تئوری ریسمان اینجا وارد می‌شود.

در اعماق این ذرات، چیز دیگری وجود دارد. این چیز دیگر، تارهای رقصندهٔ انرژی است. ریسمان‌هایی که مثل یک رشته مرتعش به نظر می‌آیند و مثل تارهای مرتعش در ویلیون سل که به حالت‌های متفاوتی می‌لرزند، اینها هم می‌توانند در حالت‌های مختلفی بلرزند. درواقع جهان از شمار عظیمی از این رشته‌های مرتعش انرژی تشکیل شده که در فرکانس‌های متفاوت نوسان می‌کنند. فرکانس‌های متفاوت، ذرات مختلف را می‌سازند و ذرات مختلف مسؤول پیدایش این همه شکوهی هستند که در اطرافمان می‌بینیم و آنجا شما یگانگی و یکپارچگی را می‌بینید. به این خاطر که ذرات ماده، (الکترون‌ها و کوارک‌ها، ذرات تابشی، فوتون‌ها، گراویتون‌ها)، همه و همه از یک چیز ساخته شده‌اند، بنابراین ماده و نیروهای طبیعت با هم تحت عنوان رشته‌های مرتعش در یک مرجع قرار می‌گیرند و آن چیزی‌ست که از یک تئوری یکپارچه انتظار داریم…

برایان گرین می‌گوید وقتی که ریاضیات تئوری ریسمان را مطالعه می‌کنیم، می‌بینیم که آن در جهانی که فقط سه بُعد فضا دارد کار نمی‌کند. همچنین در جهانی که چهار بُعد، پنج، حتی شش تا بُعد دارد، کار نمی‌کند. سرانجام می‌توانیم معادلات را بررسی کنیم و نشان دهیم که فقط در جهانی که ۱۰ بعد فضا و یک بعد زمان دارد کار می‌کند. انگار به ایدهٔ کالوتسا و کلاین می‌رسیم که جهان ما، اگر به درستی توصیف شود، ابعاد بیشتری از آنهایی که می‌بینیم دارد. این ابعاد اضافه شاید پاسخ عمیق‌ترین پرسش‌ها در فیزیک نظری و علوم نظری را دربرداشته باشند.
…
وقتی که به جهان اطراف می‌نگریم، همان‌طور که دانشمندان برای چند صد سال گذشته انجام داده‌اند، اینطور به نظر می‌رسد که در حقیقت در حدود ۲۰ عدد جهان را توضیح می‌دهند. اینها اعدادی هستند مثل جرم ذرات، الکترون‌ها و کوارک‌ها، قدرت جاذبه، قدرت نیروی الکترومغناطیسی — لیستی از حدود ۲۰ عدد که با دقت بسیار زیادی اندازه گرفته شده‌اند، ولی هیچ‌کس برای این مطلب که چرا این اعداد این مقادیر بخصوص را دارند پاسخی ندارد. آیا تئوری ریسمان پاسخی ارائه می‌دهد؟ هنوز نه، ولی پاسخ اینکه چرا آن اعداد این مقادیری را دارند که اکنون دارند، شاید به شکل ابعاد اضافی بستگی داشته باشد. اگر آن اعداد هر مقدار دیگری جز مقادیری که می‌شناسیم داشتند، جهان به شکلی که ما اکنون می‌شناسیم، موجود نبود. این پرسش عمیقی است.

برایان گرین می‌پرسد چرا آن اعداد اینقدر با دقت تنظیم شده‌اند که اجازه می‌‌دهند ستارگان بدرخشند و سیارات تشکیل شوند؟ اگر با آن اعداد بازی کنید [بر فرض کم و زیاد شود]، جهان ناپدید خواهد شد.

چطور می‌توانیم آن ۲۰ عدد را توضیح دهیم؟ تئوری ریسمان پیشنهاد می‌دهد که آن ۲۰ عدد بایستی که به ابعاد اضافه مربوط باشند. پیشتر اشاره شد که جهان ما، اگر به درستی توصیف شود، ابعاد بیشتری از آنهایی که می‌بینیم دارد. این ابعاد اضافه شاید پاسخ عمیق‌ترین پرسش‌ها در فیزیک نظری و علوم نظری را دربرداشته باشند. وقتی ما درمورد ابعاد اضافه در تئوری ریسمان صحبت می‌کنیم، باید توجه داشته باشیم که آنها هندسه‌ای بسیار پیچیده دارند. گویی ابعاد اضافه روی خودشان تا شده‌اند و به شکلی شگفت‌انگیز در هم پیچیده شده‌اند. گویی جهان اطراف ما نیز در مقیاس میکروسکوپی در مقیاس بسیار کوچک همان شکل و همان پیچیدگی را دارد. اگر ما به‌طور دقیق بدانیم ابعاد اضافه به چه شکلی هستند، می‌توانستیم آن بیست عدد را نیز بدست آوریم و اگر جوابی که از محاسبات به دست می‌آوریم با مقادیر آن اعداد که با آزمایش‌های مفصل و دقیق مشخص گردیده، همخوانی داشته باشد، این، از خیلی جهات، اولین توضیح بنیادینی خواهد بود برای اینکه چرا ساختار جهان به این شکلی است که اکنون هست. آیا می‌توانیم این ابعاد اضافه را مستقیماً مورد آزمایش قرار دهیم؟ آیا این فقط یک ساختار جالب ریاضیاتی است که شاید بتواند برخی ویژگی‌های توضیح داده نشدهٔ جهان را تبیین کند یا واقعاً می‌توانیم این ابعاد اضافه را مورد آزمایش قرار دهیم؟ حتماً در آینده می‌توانیم وجود این ابعاد اضافه را مورد آزمایش قرار دهیم. چگونه؟ با آنچه برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ Large Hadron Collider دارد در سِرن CERN در سوئیس، انجام می‌دهد. آن ماشینی است که ذرات را دور یک تونل می‌فرستد، در جهات مخالف، با سرعت نزدیک به نور. هراز‌گاهی این ذرات به سوی هم، هدف گرفته می‌شوند، و برخورد سر به سر انجام می‌گیرد.

سرن CERN، اشاره به بزرگ‌ترین آزمایشگاه فیزیک ذره‌ای جهان، در شمال‌شرقی شهر ژنو در سوییس است.

…

امید آن هست که اگر این برخورها انرژی کافی داشته باشند، ممکن است برخی از بقایای برخورد از ابعاد ما به ابعاد دیگر حرکت کنند. از کجا آن را خواهیم دانست؟ خب، ما مقدار انرژی را بعد از این برخورد اندازه می‌گیریم، و با مقدار انرژی قبل از آن مقایسه می‌کنیم، و اگر مقدار انرژی پس از برخورد، کمتر از مقدار انرژی قبل از برخورد باشد، این مَدرکی خواهد بود برای اینکه انرژی خارج شده‌است، و اگر با الگوی صحیحی که قابل محاسبه باشد خارج شده باشد، این نشان می‌دهد که ابعاد اضافه آنجا هستند. چنانچه این آزمایش نتیجه‌بخش باشد، ما خارج‌شدن آن نوع ذرات را با مشاهدهٔ مقدار کمتر انرژی، نسبت به چیزی که کار را با آن آغاز کرده بودیم، می‌بینیم، این نشان خواهد داد که ابعاد اضافه، واقعی هستند. حالا تئوری ریسمان آمده و می‌گوید جاذبه، مکانیک کوانتومی، الکترومغناطیس، همه در یک بسته هستند، ولی فقط در صورتیکه، جهان ابعاد بیشتری از آنهایی که می‌بینیم داشته باشد.

String theory – Brian Greene

---

پانویس

نظریه‌پردازان تئوری ریسمان، از بسیاری جهات ردپای اینشتین را دنبال می‌کنند و در پی اتحاد فیزیک و هندسه هستند. به برخی از آنان که می‌شناسم اشاره می‌کنم. ادوارد ویتن، برایان گرین، لیزا رندال، جان هنری شوارتس، خوآن مالداسنا، یوشیرو نامبو، میچیو کاکو، لئونارد ساسکیند، راجش گوپاکومار، دیوید گراس، اندرو استرومینگر، جو پولچینسکی، کامران وفا، رابرت دیکگراف و…

…
میچیو کاکو ضمن اشاره به اسرار بیگ بنگ، و معادلات اینشتین، می‌گوید دو عدد از جالب‌ترین مکان‌ها در جهان، با استفاده از معادلات اینشتین خارج از دسترس ما هستند. برای حل این معادلات (و اشراف به قبل از بیگ بنگ و پیدایش کائنات) به یک تئوری‌ بالاتر مثل تئوری‌ ریسمان‌ها نیاز داریم. این تئوری بیان می‌کند که امکان وجود یک چند جهانی در کائنات وجود دارد و می‌تواند توضیح دهد، بیگ بنگ از کجا ناشی شده‌است. تئوری‌ ریسمان بیان می‌کند که باید جهان‌های حبابی دیگری نیز وجود داشته باشد.
…

کامران وفا
اولین محاسبه قانع‌کننده انتروپی سیاه‌چاله را که از تئوری ریسمان ریشه می‌گرفت، کامران وفا با همکاری «اندرو استرومینگر» Andrew Strominger انجام داد و با این کار شناخت از مفاهیم ریاضی را ارتقا داد. او همچنین در تحقیق در باره تئوری اِف F Theory که طبق آن فیزیک ذرات می‌تواند از دل تئوری ریسمان بیرون آید، شرکت داشت. از دیگر دستآوردهای کامران وفا، کمک به چگونگی ارتباط تئوری ریسمان و تئوری ذرات بنیادی به اشکال هندسی در آن‌ها است. مقالات ایشان در زمینه تئوری ریسمان‌های توپولوژیک Topological String Theory نشان می‌دهد که جدا از فیزیک، در ریاضیات هم حرف تازه دارد. کامران وفا درواقع به بینش فیزیکی خودش هویت ریاضی بخشیده‌است. بینش فیزیکی و هویت ریاضی، نمادی از هماهنگی در اجسام ریاضی بر روی سطوح مختلف است. در پروژه‌ای که کامران وفا با «راجش گوپاکومار» Rajesh Copakumar انجام داد، وسعت تئوری ریسمانها String Theory Amplitudes را بر حسب یک مجموعه کامل از ثابت‌ها نشان داد.

…

تئوری ریسمان یک کار تخصصی در ریاضیات است و موجب پیدایش روش‌ها و شاخه‌های جدیدی در ریاضیات گشته‌است. مریم میرزاخانی که نشان داد بسیاری از مفاهیم فیزیکی حاصل از تئوری ریسمانها، مورد بررسی و تحقیق ریاضی قرار می‌گیرد، در رساله دکترایش (شمردن خم‌های بسته بر رویه‌های دارای ساختار هذلولوی)، به اثباتی جدید از حدس ادوارد ویتن Edward Witten (که مربوط به‌نظریه ریسمان می‌شد) پرداخت. مریم میرزاخانی می‌دانست که مرزبندی ریاضی و فیزیک در تئوری ریسمان، در هم تداخل می‌کند و تأثیر متقابل آنها به یک دیگر کاملاً آشکار می‌شود. کامران وفا با اشاره به این که اثبات جدید مریم از حدس ویتن، توجه مرا جلب کرد، گفته‌اند در مورد تکنیک‌های او برای اثبات حدس‌هایی مشابه که در نظریه ریسمان ظاهر می‌شدند، با هم بحث کردیم و وی در بیان کار درخشانش بسیار متواضع بود.

…
فریدون منصوری، فیزیکدان ایرانی که در برانگیختن اشتیاق دانشجویان کشور به تحقیق پیرامون تئوری ریسمان، نقش زیادی داشت، معتقد بود که ارتباط عمیق بین هندسه و فیزیک، در چارچوب تئوری ریسمان به اوج خود رسیده‌، انگار تصویر هندسه دور و بر ما را عوض کرده‌است.
…
نیما ارکانی واحد، که یک فیزیکدان نظری است و «نظریه گرانش کوانتومی» را دنبال می‌کند، به نظریه ریسمان – به بخشی از تصویری که از طبیعت داریم و البته کامل نیست – هم، پرداخته‌است.

علی نیری نیز در معرفی تئوری ریسمان سهم بسزایی دارند. ایشان ضمن یک سخنرانی خوب با عنوان «کیهان شناسی ریسمانی…» گسترش و شکل‌گیری عالم از منظر تئوری ریسمان‌ را تشریح کرده‌ و مسائل زیر را به بحث گذاشته‌اند: چیستی ریسمان، چگونگی گذار از ذره به ریسمان… و اینکه بر اساس نظریه‌ی ریسمان‌ها، به تعریف نوئی از شکل‌گیری آغازین عالم دست یافته‌ایم…
…
در ایران مهدی شیخ جباری، به همراه حسام‌الدین ارفعی و فرهاد اردلان در زمینه توسعه مُدل‌های ریاضی مربوط به نظریه ریسمان فعالیت کرده‌اند. فرهاد اردلان، اهمیت تئوری ریسمان و کاربرد هندسه نابجایی Non-Commutative geometry در آن را، به بحث گذاشته‌اند. هندسه نابجایی ریشه در ایده‌ای نسبتاً قدیمی از دوران اوج مکانیک کوانتیک دارد.

تئوری ریسمان اولین کار علمی در طول صد‌ها سال اخیر است که علیرغم هیچ تائید تجربی، آزمایشگاهی یا مشاهداتی این همه سال دنبال شده‌است. گفته می‌شود این تئوری، طبیعت و جهانی را توصیف می‌کند که فیزیکدان‌ها دوست دارند چنان باشد، در حالی که باید برعکس می‌بود، یعنی جهان را آنگونه که هست توصیف کنیم.

گرچه امثال ادوارد ویتن و کامران وفا معتقدند تئوری ریسمان در انرژی‌های بالا (۱۰ بیلیون برابر انرژی‌هایی که در حال حاضر در برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ Large Hadron Collider در سِرن سوئیس به‌کار می‌رود!) ــ جواب می‌دهد و صادق است اما در حال حاضر که دسترسی به آن انرژی‌ عظیم نداریم. پس می‌توان گفت که هنوز تئوری ریسمان در حیطه انرژی مربوط به خودش آزمایش نشده‌است. اما این پایان راه نیست. برای اینکه این تئوری، رد یا اثبات شود باید روزی آزمایش انجام گیرد و انجام خواهد گرفت. محک واقعیت یک تئوری، آزمایش است.

…

همانطور که در خلال بحث گفته شد، تئوری ریسمان از پیچیده‌ترین نظریات فیزیک جدید است که با ریاضیات خاص خود، زنجیره‌ای از برهان‌ها را فراهم آورده که از مکانیک کوانتومی آغاز می‌شود و با نسبیت عام به پایان می‌رسد. اشارات ناچیز و نارسای من به این تئوری و…بیشتر از زاویه تاریخ علم است و اِشرافم به دریای بیکرانه آن بسا بسا ناچیز. برای آشنایی دقیق با این موضوع باید پای درس امثال مریم میرزاخانی و کامران وفا نشست.

توضیحات من در مورد تارهای رقصندهٔ انرژی، تئوری ریسمان و دریای زیبا و بیکران آن، کفی بیش نیست.

چشم دریا دیگرست و کف دگر

کف بهل وز دیده‌ی دریا نگر