نظریه ریسمان چیست؟ نگاهی جامع به ماهیت و مفهوم آن

نظریه ریسمان امروزی با نظریه‌ای که در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ مطرح شد، مطابقت ندارد. محققان بر سر این موضوع اختلاف دارند که آیا نظریه ریسمان با وجود اصلاحاتش هنوز بهترین کاندیدا برای نظریه همه‌چیز است یا اینکه نظریه‌پردازان باید آن را به نفع نظریات دیگر کنار بگذارند.

همان‌طور که شوارتز می‌گوید، در سال‌های ۱۹۷۳ تا ۱۹۷۴ دلایل خوبی برای کنار گذاشتن نظریه ریسمان وجود داشت. در آن دوره، توجه فیزیک‌دانان از موضوعی که بیشتر شبیه کاوشی بی‌ثمر در ریسمان‌های نرم کشف‌نشدنی بود، به سمت شواهد قانع‌کننده‌تر از هادرون‌ها و ذرات زیراتمی متشکل از کوارک‌ها که رفتارشان با ریسمان‌ها توضیح‌دادنی نیست، معطوف شد. شوارتز می‌نویسد آنچه نظریه‌ای پررونق با صدها نظریه‌پرداز بود، به سرعت متوقف شد و فقط تعداد کمی از افراد سرسخت به دنبال‌کردن آن ادامه دادند.

در طول دهه‌ی بعد، چند دانشمند ۵ نسخه‌ی مختلف از نظریه‌ی ریسمان را پیگیری کردند. با گذشت زمان، محققان موفق شدند تا پیوندهای غیرمنتظره‌ای را بین این پنج ایده کشف کنند. این پیوندها توسط ادوارد ویتن، نظریه‌پرداز موسسه‌ی مطالعات پیشرفته در پرینستون جمع‌آوری شدند. ویتن، سال ۱۹۹۵ در کنفرانس نظریه ریسمان در دانشگاه کالیفرنیا این داده‌ها را ارائه کرد.

ویتن استدلال کرد که پنج نظریه‌ی ریسمان هرکدام بیانگر تقریبی از یک نظریه‌ی بنیادی‌تر و یازده بعدی بودند که در موقعیتی خاص رفتار می‌کنند؛ درست همان‌طور که نظریات نسبیت انیشتین با توصیف نیوتون از حرکت اجسام در سرعت‌های عادی مطابقت دارند. این ایده، آغازگر یکی از انشعابات نظریه ریسمان به نام نظریه M بود.

تلاش برای یافتن معادلات کلی نظریه ریسمان که در هر موقعیت ممکن کار می‌کنند، پیشرفت چندانی نداشت؛ اما وجود ادعایی این نظریه بنیادی، درک و اطمینان لازم را به نظریه‌پردازان داد تا تکنیک‌های ریاضی را برای پنج نظریه‌ی ریسمان ابداع کنند و آن‌ها را در هر زمینه‌ای که نظریه جواب می‌دهد، به‌کار ببرند.

رشته‌هایی که نظریه‌ی ریسمان درمورد آن‌ها صحبت می‌کند، بسیار کوچک‌تر از چیزی هستند که با فناوری‌های موجود دیده شوند. بااین‌حال یکی از موفقیت‌های نظری اولیه، توانایی فیزیک‌دانان در توصیف آنتروپی سیاه‌چاله در مقاله‌‌ای بود که سال ۱۹۹۶ در مجله‌ی Physics Letters منتشر شد.

منظور از آنتروپی، تعداد روش‌های ممکن برای مرتب‌کردن اجزای یک سیستم است؛ اما بدون آنکه بتوان اعماق نفوذناپذیر سیاه‌چاله را دید، کسی نمی‌تواند از نوع ذرات موجود در آن و ترتیبات آن‌ها مطلع شود. بااین‌حال در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰، استیون هاوکینگ و چند فیزیک‌دان دیگر، از قوانین ترمودینامیک و فیزیک کوانتوم برای محاسبه‌ی آنتروپی درون سیاهچاله استفاده کردند. محاسبات آن‌ها نشان داد که سیاه‌ چاله‌ها باید دارای نوعی ساختار درونی باشند؛ اما اینکه این ساختار دقیقا چیست، یک راز باقی ماند.

بیشتر تلاش‌های انجام‌شده برای توصیف آرایش سیا‌چاله‌ها بی‌نتیجه باقی می‌مانند؛ اما پیکربندی‌های ریسمان‌های فرضی توانایی انجام این کار را دارد. به‌گفته‌ی تیلور، نظریه‌ی ریسمان توانسته شمارشی نقطه‌ای ارائه دهد. به‌عبارت بهتر، این نظریه توضیحی کاملا واقعی و نه صرفا ایده‌ای تقریبی، از فضای داخلی سیاه‌چاله‌ها دراختیار ما قرار داده است.

چهارچوب نظریه ریسمان هنوز با چالش‌های متعددی مواجه است. بااین‌حال، این نظریه تعداد زیادی راه غیرممکن برای تا کردن ۶ بعد اضافی ارائه می‌دهد. به‌نظر می‌رسد هر گزینه با ویژگی‌های گسترده‌ی مدل استاندارد حاکم بر فیزیک ذرات، متناسب است و هنوز امید اندکی برای تشخیص گزینه‌ی درست وجود دارد.

به‌گفته‌ی یک اخترفیزیک‌دان به‌نام ایتان سیگل، تمام مدل‌های موجود برای مدیریت ابعاد اضافی در نظریه ریسمان، به تعادلی بین ذرات نیرو و ذرات ماده به نام «ابرتقارن» متکی هستند. اما درست مانند ابعاد اضافی مورد نیاز نظریه ریسمان، ابرتقارن نیز در جهان ما مشاهده نمی‌شود.

علاوه بر تمام چالش‌های عنوان‌شده برای نظریه ریسمان توسط فیزیک‌دانان، کوانتا مگزین در سال ۲۰۱۸ معضلی دیگر را مطرح کرد. این وب‌سایت گزارش داد که معلوم نیست آیا نظریه‌ ریسمان و انواع آن، با درک امروزی ما از جهان درحال انبساط که از انرژی تاریک انباشته شده، سازگار است یا نه.

برخی فیزیک‌دانان مانند پیتر وویت از دانشگاه کلمبیا باور دارند که مشکل اصلی پژوهش‌ها در زمینه‌ی یکسان‌سازی نظریه ریسمان، پیشرفت کند آن‌ها درطول ۳۰ سال‌ اخیر نیست؛ بلکه مسئله این است که هر دانش جدید به‌دست‌آمده، به‌وضوح نشان داده است که این نظریه جوابگو نیست.

با وجود نگاه بدبینانه‌ی برخی از فیزیک‌دانان، تیلور همچنان معتقد است که مدل‌های امروزی بیش‌از‌حد ساده هستند و ویژگی‌هایی مانند ابرتقارن یا انبساط کیهانی ممکن است در نسخه‌های آتی گنجانده شوند. به‌باور او، عصر جدید نجوم امواج گرانشی می‌تواند اطلاعات تازه‌ای در مورد گرانش کوانتومی به ارمغان بیاورد و با تداوم پیگیری محاسبات ریاضی عمیق‌تر در نظریه ریسمان، پیشرفت بیشتر حاصل خواهد شد.

صرف‌نظر از اینکه آیا می‌توان نظریه ریسمان را در قالب «نظریه همه چیز» قرار داد یا نه، ممکن است تنها در سایه‌ی ریاضی بتوان به‌چشم یک برنامه‌ی تحقیقاتی سازنده به آن نگاه کرد؛ زیرا به‌گفته‌ی تیلور حتی اگر ابرتقارن و ابعاد ده‌گانه نیز به‌طور کامل رد شوند، باز هم نظریه‌ی ریسمان به اتصال شاخه‌هایی از ریاضیات به یگدیگر کمک کرده است.

اتصال شاخه‌هایی از ریاضیات زمانی برجسته‌ تر شد که فیزیک‌دانانی مانند ویتن ثابت کردند که نظریه‌های پنج‌گانه ریسمان درواقع یک نظریه‌ی تک‌والدی هستند و ارتباطات دوگانه‌ی اثبات‌شده توسط آن‌ها، بخش عمده‌ای از ریاضیات و فیزیک را به‌خود اختصاص می‌دهند. لازم به ذکر است که دوگانگی‌ها، به غلبه بر چالش‌های به‌وجود‌آمده در محاسبات کوانتومی کمک می‌کنند.

ویتن در سخنرانی سال ۲۰۱۹ خود در موسسه‌ی مطالعات پیشرفته اذعان کرد که دیگر مانند گذشته مطمئن نیست که نظریه ریسمان روزی به یک نظریه‌ی کامل فیزیک تبدیل خواهد شد؛ امادرعین‌حال معتقد است که این نظریه‌ همچنان به‌عنوان یک حوزه‌ی پژوهشی سازنده در دنیای علم باقی خواهد ماند.