دانشمندانی که به دنبال رمزگشایی اسرار کیهان هستند، تلاش میکنند مدلی بسازند که نشان دهد چگونه همه نیروها و ذرههای موجود در طبیعت کنار هم قرار میگیرند. میتوانیم این مدل را با لگو بسازیم، ولی شاید بهتر باشد همه چیز را با ریسمان به هم وصل کنیم. منظور از ریسمان، حلقه‌ها یا تکه‌های کوچک از انرژی ارتعاشی است. منظور از کنار هم قرار گرفتن نیز از نظر ریاضی است، نه ساختار قطعه‌ها.
فیزیک‌دانان از چند دهه پیش امیدوارند که معادلات شامل ریسمان بتوانند نظریه‌ای را ارائه دهند که اسرار نهایی زیراتمی طبیعت را حل کند. آیا می‌دانید نظریه ریسمان چه کاستی‌هایی دارد و چرا هنوز یکی از مهم‌ترین نظریه‌های فیزیک محسوب میشود؟ با ما همراه باشید تا با این نظریه بحث‌برانگیز بیشتر آشنا شوید.
نظریه استرینگ یا ریسمان نوعی محبوبیت فرهنگی بهدست آورد و در سریالهای معروفی مثل نظریه مه‌بانگ و NCIS مورد اشاره قرار گرفت. واکنش فیزیک‌دانان به این نظریه متفاوت بود. پس از چند کشف امیدوارکننده در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، نظریه ریسمان به‌دلیل عمل نکردن به وعده‌های خود تاحدودی کنار گذاشته شد.
یکی از آن وعده‌ها ارائه راهی مناسب برای گنجاندن گرانش در نظریه کوانتومی ذرات زیراتمی بود. وعده دیگر ارائه ریاضیاتی بود که نشان دهد نیروهای بنیادی متعدد طبیعت، در واقع فرزندان متفاوت نیرویی واحد هستند. این وعده‌ها هنوز عملی نشده‌اند.
بااین‌حال، از زمانی که نظریه ریسمان از کانون توجه‌ها عقب‌نشینی کرد، گروهی از طرفدارانش تلاش کرده‌اند تا آن را تکمیل کنند. آنها پیشرفت زیادی داشته‌اند ولی هنوز راه زیادی در پیش دارند. سوال‌هایی که فیزیک‌دانان نه‌تنها درباره کوچک‌ترین ذرات ماده، بلکه درباره خصوصیات کل جهان دارند، ممکن است با نظریه ریسمان پاسخ داده شود.
فیزیک‌دانان «فرناندو مارکزانو»، «گری شیو» و «تیمو ویگاند»، در بررسی سالانه علوم هسته‌ای و ذرات سال ۲۰۲۴ عنوان کردند: «بسیاری از مسائل حل‌نشده در فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی عمیقا در هم تنیده شده‌اند. نظریه ریسمان ممکن است مسیری را برای حل این مسائل فراهم کند.»
یکی از سوالهای اصلی این است که آیا نظریه ریسمان میتواند آنچه را که بهعنوان مدل استاندارد فیزیک ذرات شناخته میشود، توضیح دهد؟
مدل استاندارد که در نیمه دوم قرن بیستم توسعه یافت، فهرستی از تمام ذرات اساسی طبیعت ارائه می‌کند. بعضی از آنها بلوک‌های سازنده ماده را فراهم میکنند و تعدادی دیگر نیروها را بین ذرات ماده منتقل میکنند و بر نحوه رفتار آنها حاکم هستند.
رسم نموداری که این ذرات را نشان می‌دهد، بسیار ساده است. برای ذرات ماده به ۱۲ نقطه نیاز دارید؛ شش کوارک و شش لپتون. برای ذرات نیرو (که در مجموع بهعنوان بوزون شناخته می‌شوند) به چهار نقطه و یک نقطه دیگر برای بوزون هیگز (ذره‌ای که برای توضیح اینکه چرا بعضی از ذرات جرم دارند، لازم است) نیاز دارید.
در مقابل، ریاضیات زیربنای نمودار به‌طرز غیرقابل‌درکی پیچیده است و هر کسی نمی‌تواند از معادلات آن سر در بیاورد. این معادلات برای توضیح دادن تقریبا تمام رفتارهای ذرات، عالی عمل میکنند. بااین‌حال، مدل استاندارد نمی‌تواند کل داستان جهان باشد.
مارکزانو و همکارانش می‌نویسند: «با وجود موفقیت باورنکردنی مدل استاندارد در توصیف فیزیک ذرات مشاهده‌شده تا مقیاس انرژی در دسترس موجود، استدلال‌های قانع‌کننده‌ای برای ناقص بودن آن وجود دارد.»
در درجه اول، معادلات مدل استاندارد شامل گرانش نیستند و هیچ نقطه‌ای در نمودار مدل استاندارد برای آن وجود ندارد. همچنین ریاضی مدل استاندارد سوالهای زیادی را بی‌پاسخ می‌گذارد، مثلا دلیل جرم دقیق بعضی از ذرات چیست.
ریاضیات مدل استاندارد همچنین شامل ماده تاریک اسرارآمیز که درون و بین کهکشان‌ها نهفته است، نمی‌شود. همچنین توضیح نمی‌دهد که چرا فضای خالی با نوعی انرژی که باعث میشود جهان با سرعتی فزاینده منبسط شود، القا شده است.
برخی از فیزیک‌دانان معتقد هستند که نظریه ریسمان میتواند به این مشکلات کمک کند. زیرا نسخه‌ی ریسمان از مدل استاندارد با ریاضیات اضافی خواهد بود که کاستی‌ها را توضیح می‌دهد. به‌عبارت دیگر، اگر نظریه ریسمان درست باشد، مدل استاندارد تنها بخشی از ریاضیات کامل توصیف واقعیت نظریه ریسمان خواهد بود. مشکل این است که نظریه ریسمان نسخه‌های مختلفی از واقعیت را توصیف می‌کند. به این دلیل که ریسمان‌ها در قلمرویی با بعدهای چندگانه فضایی فراتر از سه بعد معمولی وجود دارند.
نظریه‌پردازان ریسمان قبول دارند که زندگی روزمره در دنیای سه‌بعدی به‌خوبی پیش می‌رود. بنابراین، ابعاد اضافی جهان ریسمان باید به‌قدری کوچک باشند که به‌چشم نیایند. مورچه‌ای را تصور کنید که روی یک صفحه کاغذ بسیار بزرگ زندگی می‌کند. این مورچه یک سطح دو بعدی را درک می‌کند، بدون اینکه متوجه شود کاغذ بعد سوم بسیار کوچکی دارد.
نه‌تنها سایر ابعاد نظریه ریسمان باید کوچک شوند، بلکه می‌توانند به پیکربندی‌ها یا هندسه‌های بی‌شماری از خلاء فضا کوچک شوند. یکی از هندسه‌های ممکن، میتواند شکل مناسب ابعاد کوچک‌شده برای توضیح ویژگی‌های مدل استاندارد باشد.
مارکزانو و همکارانش می‌نویسند: « ویژگی‌ها، سوال‌ها و پازل‌های مدل استاندارد را می‌توان از نظر هندسه ابعاد اضافی دوباره فرمول‌بندی کرد.»
| بیشتر بخوانید: زمین چطور به‌وجود آمد؟ |
از آن‌جایی که ریاضیات نظریه ریسمان را می‌توان به چند شکل مختلف بیان کرد، نظریه‌پردازان باید چند راه ممکن را برای یافتن پربارترین فرمول کاوش کنند. تا این‌جای کار، رویکردهای ریسمانی پیدا شده‌اند که بسیاری از ویژگی‌های مدل استاندارد را توصیف میکنند. بااین‌حال، هندسه‌های مختلف فشرده‌سازی خلاء برای توضیح هر ویژگی موردنیاز هستند.
مارکزانو و همکارانش خاطرنشان میکنند که چالش پیش رو، پیدا کردن هندسه‌ای برای خلاء است که همه آن ویژگی‌ها را به‌علاوه ویژگی‌هایی که جهان شناخته‌شده را توصیف میکنند، داشته باشد.
مثلا فشرده‌سازی موفقیت‌آمیز ابعاد اضافی، خلائی را در فضا ایجاد می‌کند که حاوی مقدار مناسبی از انرژی تاریک، منبع انبساط شتاب‌دار جهان، است. نامزدهای ماده تاریک کیهانی نیز باید در ریاضیات ریسمان ظاهر شوند.
در واقع، مجموعه افزوده‌ای شامل ذرات نیرو و ماده حاصل از معادلات ریسمانی پدیدار می‌شوند که دارای ویژگی ریاضی به نام اَبَرتقارن هستند. مارکزانو و همکارانش می‌نویسند: «تقریبا تمام مدل‌های نظریه ریسمان که شبیه مدل استاندارد هستند، ابرتقارن را در مقیاس فشرده‌سازی نمایش می‌دهند.»
نسخه‌های نظریه ریسمان حاوی ذرات اَبَرمتقارن با نام نظریه ابرریسمان شناخته می‌شوند. این اَبَرذرات مدت‌ها است که مشکوک به تشکیل ماده تاریک جهان هستند، ولی تلاش برای شناسایی آنها در فضا یا ایجاد آنها در شتاب‌دهنده‌های ذرات تاکنون ناموفق بوده است.
در رابطه با گرانش، ذرات حامل نیروی گرانش به‌طور طبیعی در ریاضیات نظریه ریسمان ظاهر می‌شوند که یکی از جذابیت‌های اصلی این نظریه است. بااین‌حال این واقعیت که بسیاری از فرمول‌بندی‌های نظریه ریسمان شامل گرانش هستند، به شما نمی‌گوید کدام فرمول توصیف درستی از دنیای واقعی ارائه می‌کند.
اگر نظریه ریسمان درست باشد، ذرات بنیادی طبیعت، اجرام نقطه‌مانندِ صفربعدیِ نظریه استاندارد نیستند. در عوض، ذرات مختلف از حالت‌های مختلف ارتعاش ریسمان تک‌بعدی، حلقه یا قطعه‌ای با انتهای متصل به اجرام فضایی چندبعدی به نام بران، به‌وجود می‌آیند.
این ریسمان‌ها به همان نسبت کوچک‌تر از اتم هستند که اتم کوچک‌تر از منظومه شمسی است. در واقع، به‌قدری کوچک هستند که هیچ راه عملی برای تشخیص مستقیم آنها وجود ندارد. مقدار انرژی موردنیاز برای کاوش در مقیاس‌های بسیار کوچک بسیار فراتر از دسترس هر فناوری عملی است.
اگر نظریه ریسمان بتواند مدل استاندارد را توضیح دهد، ویژگی‌های دیگری از واقعیت را نیز در بر خواهد داشت که برای آزمایش در دسترس هستند، مانند انواع ذراتی که در نمودار مدل استاندارد گنجانده نشده‌اند.
مارکزانو و همکارانش می‌نویسند: «ساختارهای ریسمانی که مدل استاندارد را محقق میکنند، همیشه شامل بخش‌های اضافی در مقیاس انرژی هستند که می‌توانند در آینده نزدیک آزمایش شوند.»
در نهایت، نظریه ریسمان کاندید امیدوارکننده‌ای برای کنار هم قرار دادن تمام قطعه‌های پازل کیهانی است. اگر این نظریه به نتیجه برسد، دانشمندان بالاخره می‌توانند اسرار مربوط به چگونگی ارتباط عمیق بین فیزیک کوانتومی و گرانش را با خواص ذرات و نیروهای طبیعت کشف کنند. مارکزانو و همکارانش می‌نویسند: «نظریه ریسمان تمام عناصری را که به درک این ارتباط عمیق کمک می‌کند، دارد».
