مهروماه

نظریه ریسمان یک ایدۀ فرضی است که گویا در قامت «نظریه همه چیز» نمایان شده است و میتواند جنبه‌های میکروسکوپی و بنیادیِ واقعیت را تبیین کند؛ از نیروهای طبیعت گرفته تا اجزای سازنده تمام ماده هستی

این ایده قدرتمند که ناقص است و مراحل آزمایش را هنوز طی نکرده، برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته و محبوبیت خود را از دست نداده است. این نظریه در ابتدا برای تبیین نیروهای هسته‌ای قوی استفاده می‌شد. البته عملکرد چندان خوبی هم در این زمینه نداشت.

پنهان شده

فیزیکدان‌ها تا دهه ۱۹۶۰ با اعتماد به نفس بالایی اظهارنظر می‌کردند. آن‌ها تصور می‌کردند آنچه کشف کرده‌اند، اجزای سازنده اصلی ماده برشمرده می‌شود (پروتون، نوترون و الکترون). آن‌ها اخیراً دستاورد بزرگی تحت عنوان اتحاد مکانیک کوانتومی با نظریه نسبیت خاص کسب کرده بودند که آن را الکترودینامیک کوانتومی نام نهاده بودند که توصیف کاملاً کوانتومی از نیروی الکترومغناطیسی به شمار می‌رفت.

اما بعدها شروع به ساخت برخورد دهنده‌های ذرات قدرتمند کردند و متوجه شدند که پایه‌های استدلال‌های قبلی‌شان با یافته‌های جدید سُست شده است. آن‌ها موفق به کشف پروتون‌ها و نوترون‌های از هم پاشیده‌ای شدند که نشان می‌داد این ذرات اصلاً بنیادی نیستند. نکته بدتر این بود که برخورد دهنده‌ها انواع کاملاً جدیدی از ذرات را شناسایی کردند: مزون، پیون، کائون، رزونانس و غیره. گویا نیروی طبیعی تازه‌ای بر آن‌ها حاکم است که «نیروی هسته‌ای قوی» نام دارد. ابزارهای استفاده شده برای توسعه الکترودینامیک کوانتومی با پیدایش طیف وسیع و تازه‌ای از ذرات از درون برخورد دهنده‌ها دیگر کارایی خود را از دست داده بودند. استدلال‌های فیزیکدان‌ها که با شکست مواجه شده بود، با تحول عظیمی روبرو شد.

برخی نظریه‌پردازان به دنبال آن دسته از ابزارهای ریاضی بودند که بتواند به یاری‌شان بشتابد. آن‌ها موفق به یافتن مجموعۀ جالبی از ایده‌ها شدند که نخستین بار «ورنر هایزنبرگ» آن‌ها را پیشنهاد کرده بود. ورنر یکی از بنیان‌گذاران مکانیک کوانتومی محسوب می‌شود.

یافتن یک ریسمان

در روزهای نخست پیدایش مکانیک کوانتومی (یعنی نیمه اول قرن بیستم میلادی)، به‌طور دقیق مشخص نبود که از چه رویکرد ریاضی می‌توان برای توضیح این‌همه ویژگی‌های عجیب‌وغریب استفاده کرد. در دهه ۱۹۳۰، هایزنبرگ ایدۀ افراطی و جنجالی خود را مطرح ساخت: نقاط آغازین همه ذراتِ دخیل در یک برهم‌کنش را یادداشت کنید؛ مدلی از آن برهم‌کنش تهیه کنید و تکامل زمانیِ این ذرات را با استفاده از مدل خود دنبال کنید تا نتیجه‌ای را پیش‌بینی کنید.

او اظهار کرد که چرا نباید کارهای قبلی را تماماً کنار گذاشت و یک ماشین به نام «s-ماتریس» ساخت که بلافاصله از حالت اولیه به حالت نهایی جهش کند؛ یعنی همان چیزی که می‌خواهیم اندازه بگیریم. این ماشین همۀ برهم‌کنش‌های یک جعبه بزرگ را رمزگذاری می‌کند بدون اینکه به فکر تکامل سیستم باشد. این ایده جالب به نظر می‌رسید، اما آن‌قدر دشوار بود که عدۀ کمی که آن را متوجه شده بودند، خوشحال و هیجان‌زده شدند. فیزیکدان‌ها نیز در دهه ۶۰ میلادی از موفقیت احتمالی با آن ابراز نااُمیدی کردند.

نظریه‌پردازان با احیای این روش در نیروی هسته‌ای قوی که تازه کشف شده بود، ایده «s-ماتریس» را توسعه بخشیدند. آن‌ها دریافتند که توابع ریاضی معینی وجود دارد که از قدرت بسیار زیادی برخوردار هستند. فیزیکدان‌های دیگری که سررشته خوبی در نظریه‌پردازی داشتند پای به میدان گذاشتند و نتوانستند در برابر ارائه چارچوب تفسیر سنتی برحسب فضا و زمان جلوی خود را بگیرند و نظرات خود را اعلام کردند. یافته‌های آنان حکایت از چیز عجیبی داشت. به‌ منظور توصیف نیروی هسته‌ای قوی، این نیرو باید توسط ریسمان‌های کوچک و مرتعشی حمل شود.

سریع‌تر از فوتون

مشخص شد که این ریسمان‌ها اجزای سازندۀ نیروی هسته‌ای قوی هستند و ارتعاشات مکانیک کوانتومی‌شان، ویژگی‌های آن‌ها را در جهان میکروسکوپی تعیین می‌کند. به‌ عبارت‌دیگر، ارتعاشات آنان باعث می‌شود مثل ذرات کوچکی به نظر برسند. در پایان، این نسخۀ اولیه از نظریه ریسمان که «نظریه ریسمان بوزونی» نامگذاری شده بود، موفقیت چندانی به دست نیاورد.

کار کردن با آن دشواری‌ زیادی داشت و پیش‌بینی را به امری غیرممکن تبدیل کرده بود. این نسخه از نظریه ریسمان به ذراتی نیاز داشت که سریع‌تر از نور حرکت کنند و «تاکیون» نام دارند. این یک مسئله بزرگ برای نظریه ریسمانی به شمار می‌رفت که تازه در اول راه بود چون این ذرات (تاکیون‌ها) وجود ندارند. اگر هم وجود داشتند، نظریه نسبیت خاص را نقض می‌کنند.

نظریه ریسمان بوزونی به ۲۶ بُعد نیاز داشت تا از لحاظ ریاضی منطقی به نظر برسد. هضم این مسئله خیلی دشوار است، چرا که به نظر می‌رسد جهانِ ما تنها چهار بُعد دارد. در نهایت، نظریه ریسمان بوزونی به دو دلیل کنار گذاشته شد. اولاً، پیش‌بینی‌هایی که انجام داده بود با آزمایشات تناقض داشت. در ثانی، نظریه نیروی هسته‌ای قوی که یک ذره فرضی جدید به نام کوارک و یک حامل نیرو بنام گلوئون در آن نقش دارند، در چارچوب کوانتومی برای خود جا باز کرد و موفق شد پیش‌بینی‌های خوبی انجام دهد.

این نظریۀ جدید که با عنوان «کرومودینامیک کوانتومی» شناخته می‌شود، امروزه نظریۀ نیروهای هسته‌ای قوی نام دارد. نظریه‌پردازان در دهه ۱۹۷۰ میلادی دریافتند که نظریه ریسمان می‌تواند چیزی فراتر از نیروی قوی را توصیف کند. یافتن راهی برای رهایی از دست پیش‌بینی‌های تاکیون در نظریه، کمک زیادی به آن‌ها کرد. این نظریه کماکان به ابعاد بیشتری نیاز دارد، اما فیزیکدانان توانستند تعداد ابعاد را به ۱۰ مورد کاهش دهند که تا حدودی منطقی به نظر می‌رسید. امروزه از نظریه ریسمان استفاده می‌شود و کماکان عده‌ای در تلاش هستند تا با استفاده از آن به تبیین مسائل فیزیکی بیشتری بپردازند.