نظریه ریسمان

در فیزیک، نظریه ریسمان به انگلیسی : String theory یک چهارچوب نظری فراهم می‌آورد که در آن ذرات نقطه‌ای فیزیک ذرات، با اشیاء یک بعدی به نام ریسمان‌ها جایگزین شده‌اند. این نظریه به توصیف این می‌پردازد که چگونه ریسمان‌ها در فضا منتشر شده و با همدیگر برهم‌کنش می‌کنند. در مقیاس های بزرگتر از ابعاد ریسمان‌ها، ریسمان‌ها شبیه ذرات نقطه‌ای هستند که جرم، بار، و دیگر خواص آنها توسط وضعیت ارتعاشی هر ریسمان مشخص می‌شود. در نظریه ریسمان، یکی از حالت های متعدد ارتعاشی متناظر با گراویتون است؛ ذره ای در مکانیک کوانتومی که نیروی گرانش را حمل می‌کند. لذا نظریه ریسمان به نوعی نظریه گرانشی کوانتوم هم می‌باشد.

نظریه ریسمان موضوعی گسترده و متنوع است که سعی دارد به تعدادی از سوالات عمیق فیزیک بنیادی بپردازد. نظریه ریسمان به پیشرفت‌های زیادی در فیزیک ریاضی کمک کرده است، که در مسائل مختلفی در فیزیک سیاه‌چاله، کیهان‌شناسی جهان اولیه، فیزیک هسته‌ای و فیزیک ماده متراکم به کار رفته است و باعث تحریک تعدادی از پیشرفت‌های عمده در ریاضیات محض شده است.

از آنجایی که نظریه ریسمان به طور بالقوه توصیفی یکپارچه از گرانش و فیزیک ذرات ارائه می دهد، کاندیدای نظریه همه چیز است، یک مدل ریاضی مستقل که تمام نیروهای اساسی و اشکال ماده را توصیف می کند. علیرغم کار زیاد روی این مسائل، معلوم نیست که نظریه ریسمان تا چه اندازه دنیای واقعی را توصیف می کند یا این نظریه چقدر آزادی در انتخاب جزئیات خود می دهد.

رشته سیمهای گیتار را تصور کنید که با کشیده شدن در طول گیتار کوک شده‌اند؛ بسته به آنکه سیمها چقدر کشیده شوند و تحت فشار قرار گیرند، نت‌های موسیقی مختلفی بوسیله آنها ایجاد می‌شود. می‌توانیم این نت‌های موسیقی را «حالتهای برانگیخته» سیمهای گیتار تحت کشش بنامیم. به طور مشابه در تئوری ریسمان ذرات بنیادین که در شتابدهنده‌ها مشاهده می‌شوند را می‌توانیم نت‌های موسیقی و یا همان «حالتهای برانگیخته» فرض کنیم. در تئوری ریسمان همانند نواختن گیتار، ریسمانها باید تحت کشش قرار بگیرند تا برانگیخته شوند.

نظریه ریسمان برای اولین بار در اواخر دهه 1960 به عنوان نظریه نیروی هسته ای قوی مورد مطالعه قرار گرفت، قبل از اینکه به نفع کرومودینامیک کوانتومی کنار گذاشته شود. متعاقباً، مشخص شد که همان ویژگی‌هایی که نظریه ریسمان را به عنوان یک نظریه فیزیک هسته‌ای نامناسب می‌کرد، آن را به نامزدی امیدوارکننده برای نظریه کوانتومی گرانش تبدیل کرد. اولین نسخه نظریه ریسمان، نظریه ریسمان بوزونی، تنها کلاسی از ذرات معروف به بوزون را در خود جای داد.

 بعدها به نظریه ابر ریسمان تبدیل شد که ارتباطی به نام ابرتقارن بین بوزون ها و دسته ای از ذرات به نام فرمیون ها را ایجاد می کند. پنج نسخه ثابت از نظریه ابر ریسمان پیش از این که در اواسط دهه 1990 حدس زده شود که همه آنها موارد محدودکننده متفاوتی از یک نظریه واحد در 11 بعد هستند، توسعه یافتند که به عنوان نظریه M شناخته می شوند. در اواخر سال 1997، نظریه پردازان رابطه مهمی به نام تناظر میدانی ضد سیتر را کشف کردند که نظریه ریسمان را به نوع دیگری از نظریه فیزیکی به نام نظریه میدان کوانتومی مرتبط می کند.

به طور سنتی فیزیکدانان فکر می کردند که کوچکترین ذرات موجود در اتم ها شبیه به هم هستند ، یعنی شبیه نقاط هستند. با این حال شواهدی که اخیراً کشف شده نشان می دهد که کوچکترین ذره مانند آنچه قبلا تصور می شد نقطه نیست بلکه یک رشته انرژی لرزان است. اما فیزیكدانان همچنین كشف كردند كه این رشته ها برای لرزش به بیش از سه بعد فضایی نیاز دارند. 

نظریه ریسمان برخی حقایق را بر ما آشکار کرده که کوانتوم یا نسبیت قادر به آشکار کردن آن‌ها نبود. برای نمونه طبق نسبیت عام، فضا می‌تواند پیچ و تاب بخورد، اما نمی‌تواند پاره شود. نظریه ریسمان بیان می‌کند که همواره انیشتین درست فکر نمی‌کرده است. در حقیقت اگر به اندازه‌ای بسیار زیاد کوچک شویم، خواهیم دید که در پوسته فضا-زمان نیز شکاف‌هایی وجود دارد که می‌توانند با گذشت زمان رشد کرده یا از بین بروند. بنابراین طبق نظریه ریسمان می‌توان صفحه فضا-زمان را سوراخ کرده و دو نقطه از آن را به یکدیگر متصل کرد. جالب است بدانید این دو سوراخ مرتبط با هم ناحیه‌ای از فضا تحت عنوان کرمچاله را بوجود می‌آورد که می‌توان با استفاده از آن در زمانی کوتاه به دوردست‌ها دسترسی داشت.

در حالت کلی نظریه‌های ریسمان، جهان تورمی و انرژی تاریک در فیزیک، منجر به خلق جهان‌های موازی می‌شوند. تاکنون آزمایشی به منظور اثبات وجود جهانی دیگر مطرح نشده است. با این حال امواج پس‌زمینه کیهانی اطلاعاتی را در مورد ۱۴ میلیارد سال قبل به ما می‌دهند که ممکن است در مورد شناسایی دیگر جهان‌ها مفید باشند. دانشمندان با استفاده از این امواج توانسته‌اند توزیع دمای کیهان را در ۱۳.۷ میلیارد سال پیش بدست آورند.

صرف نظر از اینکه نامزدی نظریه همه چیز نظریه ریسمان چگونه تکامل می یابد، میراث آن به عنوان یک برنامه تحقیقاتی سازنده ممکن است تنها بر اساس شایستگی ریاضی تضمین شود.”اگر فردا به من بگویید که جهان مطلقاً فوق متقارن نیست و 10 بعد مکانی ندارد، اما این نظریه باعث شده است که شاخه های کامل ریاضیات را به هم وصل کرده ایم.”

دانشمندان بر این باورند که بعد چهارم زمان است که بر خصوصیات همه مواد شناخته شده در هر نقطه ای حاکم است. در کنار سه بعد دیگر، دانستن موقعیت یک جسم در زمان برای ترسیم موقعیت آن در جهان ضروری است. ابعاد دیگر جایی است که احتمالات عمیق‌تر وارد بازی می‌شوند، و توضیح تعامل آنها با سایرین جایی است که همه چیز برای فیزیکدانان دشوار می‌شود.

بر اساس نظریه ابر ریسمان، بعد پنجم و ششم جایی است که مفهوم جهان های ممکن مطرح می شود. اگر می‌توانستیم تا بعد پنجم را ببینیم، دنیایی را می‌بینیم که کمی متفاوت از دنیای خودمان است که به ما وسیله‌ای برای سنجش شباهت و تفاوت‌های بین دنیای خود و سایر موارد ممکن می‌دهد.

دربعد ششم، صفحه‌ای از جهان‌های ممکن را می‌بینیم، جایی که می‌توانیم همه جهان‌های ممکن را که با همان شرایط اولیه شروع می‌شوند (یعنی بیگ بنگ) مقایسه و موقعیت‌یابی کنیم. در تئوری، اگر بتوانید بر بعد پنجم و ششم تسلط داشته باشید، می‌توانید به گذشته سفر کنید یا به آینده‌های مختلف بروید.

در بعد هفتم، شما به جهان های ممکنی دسترسی دارید که با شرایط اولیه متفاوت شروع می شوند. در حالی که دربعد پنجم و ششم، شرایط اولیه یکسان بود و اقدامات بعدی متفاوت بود، اینجا همه چیز از همان ابتدا متفاوت است. بعد هشتم دوباره صفحه‌ای از چنین تاریخچه‌های احتمالی جهان را به ما می‌دهد، که هر کدام با شرایط اولیه متفاوت شروع می‌شوند و تا بی نهایت منشعب می‌شوند (از این رو به آنها بی‌نهایت‌ها می‌گویند).

در بعد نهم، می‌توانیم تمام تاریخچه‌های ممکن جهان را با هم مقایسه کنیم، از همه قوانین ممکن مختلف فیزیک و شرایط اولیه شروع کنیم. در بعد دهم و آخر به نقطه ای می رسیم که در آن همه چیز ممکن و قابل تصور است. فراتر از این، هیچ چیز برای ما  تصور نمی شود، که آن را به محدودیت طبیعی آنچه می توانیم از نظر ابعاد تصور کنیم تبدیل می کند.

به همین دلیل دانشمندان معتقدند ممکن است بتوان با استفاده از تلسکوپ و رصد کیهان بوسیله آن بتوان از طریق نور موجود در کیهان نسبت به مطالعه گذشته و آینده اقدام کرد.

یکی از چالش های نظریه ریسمان این است که نظریه کامل در همه شرایط تعریف رضایت بخشی ندارد. موضوع دیگر این است که تصور می‌شود این نظریه چشم‌انداز عظیمی از جهان‌های ممکن را توصیف می‌کند، که تلاش‌های پیچیده‌ای برای توسعه نظریه‌های فیزیک ذرات بر اساس نظریه ریسمان دارد. این مسائل باعث شده است که برخی از جامعه به انتقاد از این رویکردهای فیزیک بپردازند و ارزش تحقیقات مداوم در مورد یکسان سازی نظریه ریسمان را زیر سوال ببرند.