برای دهه‌ها، دانشمندان به این موضوع فکر می‌کردند که فراتر از بعد سوم چه چیزی نهفته است. سوال دیگری که آن‌ها در جست‌و‌جوی آن بودند، یافتن نظریه‌ای بود که بتوان در بستر آن کارکرد کلی کیهان را توضیح داد. بخش بسیاری از این مسیر در قرن گذشته طی شده است. به نظر می‌رسد پاسخ به سوالات فوق در نظریه ریسمان نهفته است. از این رو در این مطلب قصد داریم تا مفاهیم مربوط به نظریه ریسمان و البته برخی از نتایج جالب آن را توضیح دهیم.

دیدگاه نیوتن و انیشتین

نیوتن در اواسط قرن هفدهم توانست گرانش و نحوه کارکرد آن را فرمول‌بندی کند. در حقیقت اون نشان داد  که شتاب وارد شده به هر جسم در زمین، وابسته به جرم جسم مذکور نیست. او تمامی قوانین حاکم بر گرانش را در روابطی واحد فرمول‌بندی کرد. با وجود تئوری نیوتن در مورد گرانش، خود او نیز نحوه کارکرد جاذبه را به درستی درک نکرد.

 

توضیح دقیق‌تر گرانش توسط انیشتین و در نتیجه مطالعه او روی رفتار نور بدست آمد. او حدی مشخص را برای سرعت نور در نظر گرفت. حدی که سرعت نور را نسبت به دیگر سرعت‌ها متمایز می‌کند. برای نمونه هشت دقیقه و سی ثانیه طول می‌کشد تا نور از سطح خورشید به سطح زمین برسد.

انیشتین به منظور رد کردن نظریه نیوتن در مورد گرانش، آزمایشی ذهنی طراحی کرد. او فرض کرد گرانش خورشید ناگهان حذف شود. طبق نظریه نیوتن، در این حالت زمین و دیگر سیارات اطراف خورشید به طور ناگهانی در مسیر خود حرکت خواهند کرد. این جمله به معنای آن است که گرانش سریع‌تر از نور حرکت می‌کند. این در حالی است که هر پدیده‌ای در طبیعت سرعتی کمتر از نور باید داشته باشد. بنابراین می‌توان گفت که نظریه نیوتن در مواردی خاص درست است.

string
با حذف ناگهانی خورشید، چه اتفاقی برای دیگر سیاره‌ها رخ می‌دهد؟

او با رویکردی متفاوت اثبات کرد که گرانش در نتیجه خمیدگی فضا-زمان ایجاد شده است. انیشتین نشان داد که چگونه اجرام سنگین می‌توانند فضا-زمان اطرافشان را خمیده کنند. هم‌چنین نحوه حرکت یک جرم قرار گرفته در یک فضا-زمان خمیده نیز توضیح داده شد. انیشتین نشان داد که با حذف شدن ناگهانی خورشید، پیچ و تاب‌های اطراف آن به حالت اولیه برگشته و این پیچ‌وتاب‌ها دقیقا با سرعت نور منتقل می‌شوند. از این رو زمین پس از مدت زمان ۸ دقیقه، نبود خورشید را احساس خواهد کرد.

string
اجرام سنگین، فضا-زمان اطراف خود را خمیده می‌کنند.

 

ماموریت بعدی انیشتین یکی کردن نیروی گرانش با نیروی الکترومغناطیس بود. نیروی الکترومغناطیس در اواخر قرن نوزدهم توسط ماکسول توضیح داده شده بود. جالب است بدانید که قدرت نیروی الکترومغناطیس بسیار بیشتر از نیروی گرانش است. برای نمونه نیروی گرانش بین پروتون و الکترونی که در فاصله ۱ متر از یکدیگر قرار گرفته‌اند برابر با ۱.۰۱×۱۰−۶۷ N است. این در حالی است که نیروی الکترومغناطیسی بین همین دو ذره برابر با ۲.۳۰۴×۱۰−۲۸ N خواهد بود. این مقادیر نشان می‌دهند که اندازه نیروی الکترومغناطیس ۱۰۳۹ برابر نیروی گرانش است. نهایتا او نتوانست به تئوری دست یابد که بتوان با استفاده از آن دو نیروی گرانش و الکترومغناطیس را توصیف کرد.

فیزیک کوانتوم

به موازات تئوری نسبیت، فیزیک کوانتومی نیز رشد پیدا کرد. این شاخه از فیزیک، ذراتی در مقیاس اتمی را مطالعه می‌کند. دنیای بیان شده توسط کوانتوم مکانیک، با استفاده از نسبیت قابل توجیه نبود.

در دهه ۱۹۳۰، دانشمندان دو قطعه دیگر از پازل نیرو‌های حاکم بر طبیعت را یافتند. این دو نیرو تحت عنوان نیروی هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف نام‌گذاری شدند. به طور دقیق‌تر می‌توان گفت نیروی هسته‌ای قوی، پروتون‌ها را به نوترون‌ها می‌چسباند. این در حالی است که هسته‌ای ضعیف، در فرآیند تبدیل نوترون‌ها به پروتون‌ها ایجاد می‌شود. به این فرآیند واپاشی نوترونی نیز گفته می‌شود.

بنابراین چهار نیروی شناخته شده در طبیعت عبارتند از:

  • گرانش
  • الکترومغناطیس
  • هسته‌ای قوی
  • هسته‌ای ضعیف

با کشف این چهار نیرو، تلاش بسیاری به منظور واحد کردن آن‌‌ها در یک نظریه صورت گرفته است. مکانیک کوانتوم بستری است که با استفاده از آن می‌توان سه نیروی هسته‌‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس را توجیه کرد. اما گرانش را نمی‌توان به این سه نیرو اضافه کرد. به طور دقیق‌تر مکانیک کوانتوم و نسبیت را نمی‌توان در یک بسترِ واحد قرار داد. هدف اصلی انیشتین، واحد کردن تمامی این چهار نیرو بود. او سال‌های بسیاری را در مقابل کوانتوم مکانیک مقاومت کرد و بسیاری معتقدند که این نظریه را قلبا قبول نداشت. انیشتین بدون دست‌یابی به راه‌حلی برای واحد کردن نیرو‌ها در سال ۱۹۵۵ درگذشت.

string
یکی از مسائل مهم فیزیک، ادغام نیروی گرانش با دیگر نیروهای بنیادی طبیعت است.

به نظر می‌رسید مسئله واحد کردن نیرو‌ها با درگذشت انیشتین تمام شده تا این‌که ستاره‌شناسی به نام «روی پاتریک کِر» (Roy Patrick Kerr) با حل معادلات تانسوری نسبیت عام برای یک جرم بسیار سنگین به این نتیجه رسید که فضا-زمان اطراف آن چنان در هم تنیده می‌شود که سوراخ شده و منجر به ایجاد یک سیاهچاله در بستر فضا-زمان می‌شود. گرانش اطراف یک سیاهچاله نیز چنان قدرتمند است که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن عبور کند. مرکز یک سیاهچاله بسیار کوچک و بسیار سنگین است. فیزیکِ اجرام بسیار کوچک با مکانیک کوانتومی و اجرام بسیار سنگین با نسبیت توضیح داده می‌شود. اما یک سیاهچاله هر دوی این ویژگی‌ها را دارا است. بنابراین از کدام‌یک به‌منظور توصیف یک سیاهچاله باید استفاده کرد. از طرفی استفاده همزمان آن‌ها نیز امکان‌پذیر نیست. دلیل این امر قابل جمع نبودن این دو نظریه با هم است.

 

برخی از دانشمندان همچون تئودور کالوزا نیز به دنبال یگانه‌سازی نیرو‌ها بودند. اکثر این نظریه‌ها مبتنی بر ابعاد بیشتر است. اما تصور کردن این ابعاد، سوالات زیر را مطرح خواهد کرد.

  • ابعاد اضافه احتمالی کجا قرار داشته و چگونه می‌توان آن‌ها را توصیف کرد؟
  • آیا با واحد کردن نیرو‌ها می توان کل کیهان را توصیف کرد؟

دو سوال بالا، از جمله مهم‌ترین سوالاتی هستند که برای هر دانشمندی که در جست‌‌و‌جوی راه‌حلی برای واحد کردن نیرو‌ها است، مطرح می‌شود. برای اولین بار، اسکارکلاین، به سوال اول پاسخ داد. این دانشمند سوئدی دو مورد زیر را بیان کرد:

  • ابعاد اضافه را نمی‌توان مشاهده کرد.
  • ابعاد اضافی، حلقه شده و بسیار کوچک هستند.

برای نمونه شخصی که در طبقه بالای یک ساختمان قرار دارد، خودروی پارک شده در خیابان را به صورت یک نقطه و فضایی تک‌بعدی می‌بیند؛ اما شخصی که در خیابان قدم می‌زند، طول‌، عرض و ارتفاع آن را نیز می‌تواند مشاهده کند.

به منظور پاسخ به سوال دوم، انیشتین تلاش کرد که معادلات نظریه نسبیت را در مقیاس الکترونی حل کند. اما این نظریه در این مقیاس پاسخ درستی (مطابق به کوانتوم مکانیک) را بدست نمی‌آورد.

نظریه ریسمان

در بازه‌ای زمانی کسی به متحد کردن نیرو‌ها فکر نمی‌کرد. فراموش نکنید که یگانه کردن نیرو‌ها سرنخی برای یگانه کردن قوانین فیزیکی محسوب می‌شود. در دهه ۱۹۷۰ نظریه‌ای تحت عنوان نظریه ریسمان بوجود آمد. نظریه ریسمان بیان می‌کند که تمامی اجزاء هستی هم‌چون ستاره‌ها، سیاره‌ها یک درخت یا حتی پروتون‌ها و الکترون‌ها از ارتعاش ریسمان‌هایی از انرژی بوجود آمده‌اند. نحوه ارتعاش این بند‌های انرژی، نوع نیرو‌ها و حتی مواد را تعیین می‌کند.

نحوه ارتعاش ریسمان‌ها، تعیین‌کننده اجزاء تشکیل‌دهنده عالم است.

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.

string
ساختار کرمچاله فضایی

از دیگر نتایج مهم نظریه ریسمان این است که می‌توان با استفاده از نحوه ارتعاش آن‌ها نوع ذره بنیادی تولید شده را تعیین کرد. برای نمونه، الکترون، شکل خاصی از ارتعاش را نتیجه می‌دهد. این نوع از ارتعاش با ارتعاش ریسمان به منظور تولید پروتون متفاوت است. توجه داشته باشید که نظریه ریسمان به چندین شکل مختلف ارائه شده، اما پایه ریاضیاتی آن‌ها یکسان هستند. این نظریه با انواع HO ،IIB ،I ،IIA و HE شناخته می‌شوند.

شاید شما نیز به این پارادوکس فکر کرده باشید که ما به دنبال یک نظریه واحد بودیم اما پنج نظریه ریسمان ارائه شده است. در سال ۱۹۹۵، کنفرانسی در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی برگزار شد. «ادوارد ویتن» (Edward Witten) در این کنفرانس ۵ تئوری را ذاتا یک دیدگاه یکسان با زاویه‌های متفاوت نامید و تمامی آن‌ها را «تئوری M-Theory) «M) نامید. این پیشنهاد، انقلابی در زمینه فیزیک محسوب می‌شود.

بدون استفاده از نظریه M، به منظور توصیف کیهان با ریسمان، به ۱۰ بعد نیاز داریم. از این ابعاد، ۳ بعد فضا، ۱ بعد زمان و ۶ بعد ریزتاب‌های درونی ریسمان‌ها نشان می‌دهند. ادوارد ویتن در نظریه M، بعدی جدید نیز اضافه کرد. بعد اضافه شده توسط ویتن، قابلیتی انعطاف‌پذیر را به ریسمان می‌دهد. این بعد بیان می‌کند که چگونه یک ریسمان می‌تواند رشد کرده و توسعه یابد.

string

یکی از نتایج جالبِ نظریه ریسمان، وجود عالم درون یک پوسته است. ابعاد این پوسته بیشتر از ابعاد عالم است. از این رو ذرات و اتم‌های قرار گرفته در این عالم قادر نخواهند بود فضای بیرون از این پوسته را درک کنند.

برای درک بهتر، یک میز بیلیارد را تصور کنید. فرض کنید خود میز فضایی سه‌بعدی بوده و توپ‌های قرار گرفته روی آن، اتم‌ها و ذرات تشکیل‌دهنده عالم باشند. با برخورد توپ‌‌های قرار گرفته روی میز به یکدیگر، امواج صوتی در طول میز منتشر می‌شود. طبق نظریه ریسمان، امواج گرانشی نیز می‌توانند در نتیجه پیچ و تاب خوردن صفحه فضا-زمان منتشر شده و به خارج از این عالم منتقل شود.

نظریه M دیدگاهی متفاوت را نسبت به ۴ نیروی موجود در طبیعت و همچنین اجزا تشکیل‌دهنده عالم ارائه می‌دهد. در حقیقت این تئوری بیان می‌کند که هرچه در عالم وجود دارد از ارتعاشات رشته‌های انرژی تشکیل شده است. این رشته‌ها می‌توانند حلقه‌هایی بسته یا باز باشند. شاید معروف‌‌ترین حلقه بسته موجود در طبیعت، گراویتون است. این ذره یا همان حلقه بسته، عامل انتقال نیروی گرانشی است. حلقه‌های بسته، رشته‌هایی محسوب می‌شوند که می‌توانند میان عوالم مختلف انتقال یابند. از این رو به نظر می‌رسد اگر عوالم دیگری وجود داشته باشد، می‌توان با استفاده از امواج گرانشی با آن‌ها ارتباط برقرار کرد. میدان‌های نیرو از ذرات مختلفی تحت عنوان بوزون ساخته شده‌‌اند. این ذرات، عامل انتقال نیرو تلقی می‌شوند.

جهان‌های چندگانه

زمانی تصور بر آن بود که زمین مرکز عالم است. بعدا گالیله و کوپرنیک نشان دادند که زمین نه تنها مرکز عالم بلکه مرکز منظومه شمسی نیز محسوب نمی‌شود. حتی منظومه شمسی و کهکشان راه شیری نیز مرکز عالم نیستند. اگر به همین صورت پیش برویم این سوال می‌تواند مطرح شود که آیا عالم دیگری نیز به جز آن‌چه در آسمان می‌بینیم، وجود دارد؟ در حقیقت ممکن است همچون سیاره، منظومه یا کهشکان، بینهایت عالم یا جهان دیگر نیز وجود داشته باشد.

همان‌طور که احتمالا می‌دانید جهانی که در آن قرار گرفته‌ایم در نقطه‌ای متراکم بوده و ۱۴ میلیارد سال قبل انفجاری عظیم رخ می‌دهد. این انفجار تحت عنوان مهبانگ یا بیگ‌بنگ شناخته می‌شود. برخی از فیزیکدان‌ها هم‌چون «الکس ویلنکن» (Alex Vilenken) نظریه‌ای را ارائه کردند که در آن جهان به صورت تورمی رشد می‌کند. اما طبق این نظریه، سوخت اولیه به منظور رخ دادن بیگ‌‌بنگ بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز است. از این رو این انرژی می‌تواند منشا بسیاری دیگر از انفجار‌ها نیز باشد.

string
فرآیند توسعه مهبانگ در ۱۳.۷ میلیارد سال

به‌منظور توضیح بیشتر جها‌ن‌های چندگانه اندکی به عقب بر می‌گردیم. همان‌طور که در بالا نیز بیان شد، کیهان پس از بیگ بنگ در حال انبساط است. اما به نظر شما این سرعت انبساط در حال زیاد شدن یا کم شدن است؟ کیهان از اجرام بزرگی همچون کهکشان‌‌ها تشکیل شدند که یکدیگر را جذب می‌کنند. از این رو به نظر می‌رسد که سرعت انبساط باید در حال کاهش باشد. اما در اواخر قرن گذشته و طی اندازه‌گیری‌هایی مشخص شد که سرعت انبساط کیهان در حال افزایش است. این تناقض نشان می‌دهد نوعی از انرژی باید در عالم وجود داشته باشد که ما آن را نمی‌بینیم. این انرژی تحت عنوان انرژی تاریک شناخته می‌شود. حدود ۲۷ درصد از کیهان از انرژی تاریک ساخته شده است. جالب است بدانید شکل‌های مختلفی از ارتعاش، شکل‌های متفاوتی از انرژی تاریک و در نتیجه جهان‌های متفاوتی را ایجاد می‌کند. بنابراین اگر در جهانی دیگر شکل ارتعاش این ریسمان‌ها همانند کیهانی باشد که در آن قرار گرفته‌ایم، در این صورت ممکن است موجودات قرار گرفته در آن جهان نیز شبیه ما باشند.

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.

string
توزیع دما ۳۷۵۰۰۰ سال پس از مهبانگ

جالب است بدانید در آن زمان منظومه شمسی وجود نداشت. اختلاف دمایی در نقاط مختلف کیهان عاملی است که منجر به تولد کهکشان‌ها می‌شود. از این رو در صورت برخود جهان ما با جهانی موازی، توزیع ارائه شده در این نقشه نیز تغییر خواهد کرد.

در این مطلب با نظریه ریسمان تا حدودی آشنا شدید. هم‌چنین به این سوال نیز پاسخ داده شد که کوچک‌ترین اجزاء عالم چه چیزهایی بوده و مکانیزم کارکرد آن‌ها چگونه است. در مطالب آینده در مورد اجزاء و هم‌چنین نتایج حاصل از این نظریه بیشتر بحث خواهیم کرد. جالب است بدانید فیزیکدانانی همچون ادوارد ویتن، کامران وفا، دیوید گراس و لئونارد ساسکیند بیشترین تاثیر نقش را در خلق و توسعه این نظریه داشته‌اند.

شما هم می توانید دیدگاه خود را ثبت کنید

√ کامل کردن گزینه های ستاره دار (*) الزامی است
√ آدرس پست الکترونیکی شما محفوظ بوده و نمایش داده نخواهد شد