نظریه ی ریسمان

نظریه ی ریسمان

 در نظریه ی ریسمان به جای اینکه هر ذره را مستقل در نظر بگیریم به صورت رشته ای پیوسته با شکلهای مختلف درنظر میگیریم , مثلا الکترون را می توان مانند یک النگو رشته ای بدانیم که دو سرش بهم گره خورده و حلقه دایره ای تشکیل داده است. علت بوجود آمدن این نظریه این بود که گرانش با کوانتوم مشکل دارد. حتماٌ می دانید در دنیای ما چهار نیروی اصلی بنامهای الکترومغناطیسی، هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و گرانشی وجود دارد. سه نیروی اول به ترتیب می توانند با هم در انرژیهای بالا متحد شوند و یک نظریه واحد داشته باشند. یعنی انشعاباتی از یک نظریه ی اصلی باشند. اصطلاحاٌ می گویند این سه نظریه در انرژیهای بالا تقارن دارند و در انرژیهای معمولی دچار شکست خودبخودی تقارن می شوند. اما چهارمین نیروی اصلی یعنی گرانش دو مشکل اساسی دارد. یکی وحدت نیافتن با سه نیروی دیگر و دیگر اینکه اگر ذرات را نقطه ای در نظر بگیریم، سطح مقطع برهم کنش نیروی گرانشی بین دو ذره ی نقطه ای که بهم نزدیک می شوند طبق نظریه ی کوانتومی بی نهایت بدست می آید. از اینرو ذرات بصورت ریسمانهای یک بعدی در نظر گرفته شدند. مثلا الکترون یا کوارکها همگی ریسمانهای بسته و حلقوی با شکلهای مختلفند. در این تصورجدید، دیگر برهم کنش ذرات در زمان و مکان خاص رخ نمی دهد بلکه شما دو حلقه دارید که در فضا بهم نزدیک می شوند و با عکسبردای تخیلی یک پوسته به شکل شلنگ نمایش داده می شود. مثل اینکه دو شلنگ بهم برخورد کرده باشند و دو شلنگ جدید بوجود آورده باشند. در این نظریه هم وحدت میسر است و هم بینهایتهای گرانش کوانتومی برطرف می شود. 

نظریه ی ریسمان ادعا می کند که دنیای ما 10 بعدیست. یعنی 9 بعد مکانی و یک بعد زمانی دارد. این برخلاف تجربیات ماست. یعنی ما فکر می کنیم که در دنیایی با سه بعد مکانی و یک بعد زمانی زندگی می کنیم. به همین دلیل توجیه می کند که 6 بعد اضافی در واقع در دنیای ما وجود دارند ولی فشرده شده اند. فشرده شدن یعنی اینکه مثلا شما یک شلنگ را از فاصله ی دور بصورت یک بعدی می بینید اما از نزدیک بصورت یک استوانه ی دو بعدی. در نظریه ی ریسمان اشکالاتی هم وجود دارد. مثلا تمام جوابهایی که برای ریسمانهای موجود در ابعاد R بدست می آید در ابعاد R-1 هم بدست می آید. یعنی اصطلاحا ابعاد بزرگ و کوچک خواص مثل هم دارند که بطور بدیهی غلط است. و اینکه ما می دانیم که دما حداقل دارد ولی نظریه ی ریسمان می گوید علاوه بر این حداقل دمایی، یک حداکثر هم وجود دارد به اندازه ی 1032 سانتیگراد. 

برای اطلاعات کامل تر می توانید به مقالات زیر مراجعه فرمائید :
1) دکتر کامران وفا (استاد دانشگاه هاروارد آمریکا) در مجله ی فیزیک سال 1371 به شماره ی 4 سال 10 زمستان تحت عنوان: مروری بر فیزیک ذرات.
2) مقالات سخنرانی دکتر تهوفت (برنده ی جایزه ی نوبل فیزیک سال فکر کنم 97) درسایت نوبل . 

 

نظریه ی ریسمان: (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.

همانطور که حالت‌های مختلف نوسانی در سیمهای سازهای زهی مثل گیتار صداهای 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 (نظریهی 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.

 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 نظریهی 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:     ریسمان بوزونی -     اَبَرریسمان

1. ریسمان بوزونی

نخستین و ساده‌ترین گونهی نظریهی ریسمان است. به طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متأسفانه 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.

2 - 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 غالباً ده است. در حال حاضر پنج نظریهٔ ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. این پنج نظریه شامل گونهی I، ‏ IIA ‏ IIB و دو نظریهی 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-ب عدی تا تعداد ابعاد-فضایی (غیر زمانی)-بعدی باشند. به د- وستهی دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر «پوسته» یا د۲- وسته (تلفظ می‌شود دال-دووسته) می‌گویند. (نام د- وسته هم به قرینهی 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-وستهی 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 توصیف‌کنندهی یک د-وسته را نوشت.

تاریخچه نظریه ریسمان:

نظریه ریسمان اولین 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 نظریهی ریسمان به نفع کرومودینایک کوانتوم وانهاده شد.

بعدها نظریهی 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 توضیح‌دهندهی نیروی ضعیف در نظر گرفته شد. به این احیای مجدد نظریهی ریسمان اصطلاحاً انقلاب نخست ابرریسمان گفته می‌شود. پیشوند ابر در ابتدای کلمهی ریسمان به این دلیل آمده‌است که برای داشتن یک نظریهیخ 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 اشارهی 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

در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن و دیگران ثابت کردند که پنج نظریهی 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 نظریهی مادر و بزرگ‌تر هستند. یعنی این نظریهی مادر که آن را نظریه-م (تلفظ می‌شود نظریهی 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.

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 نظریهی 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.

منبع ویکی پدیا