مرثیه‌ای برای یک ریسمان: بررسی اوج و افول نظریه‌ همه‌ چیز

نظریه‌ی ریسمان بیش از ۵۰ سال پیش، به‌عنوان روشی برای درک نیروی هسته‌ای قوی ارائه شد. این نظریه از آن زمان برای تبدیل شدن به نظریه‌ی همه‌چیز رشد کرد تا بتواند ماهیت تمام ذرات، تمام نیروها، تمام ثابت‌های بنیادی و حتی وجود خود جهان را توصیف کند. نظریه‌ی ریسمان با وجود ده‌ها سال کار و پژوهش، در رسیدن به وعده‌ی خود شکست خورد اما دقیقا کجای راه را اشتباه رفت؟

نظریه‌ی ریسمان هم مانند بسیاری از تحولات دیگر، منشأ متواضعانه‌ای داشت. این نظریه در دهه‌ی ۱۹۶۰ به عنوان تلاشی برای درک عملکرد نیروی هسته‌ای قوی ارائه شد که به تازگی کشف شده بود. نظریه‌ی میدان کوانتومی که برای توصیف موفق الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف به کار رفت در حل این مسئله موفق نبود بنابراین فیزیک‌دان‌ها به دنبال راه‌حلی جدید بودند.

به نوشته ارزتکنیکا، گروهی بزرگ از فیزیک‌دان‌ها از روش ریاضی توسعه‌یافته توسط ورنر هایزنبرگ، پدرخوانده‌ی علم کوانتوم استفاده کردند و آن را بسط دادند. آن‌ها در این تعمیم به اولین ریسمان‌ها رسیدند. ریسمان‌ها در واقع ساختارهای ریاضی هستند که خود را در فضا زمان تکرار می‌کنند. متأسفانه نظریه‌ی اولیه‌ی ریسمان، پیش‌بینی‌های نادرستی را درباره‌ی ماهیتی نیروی قوی ارائه داد و پیامدهای مشکل‌سازی را به بار آورد(مانند وجود تاکیون‌ها، ذراتی که سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند). پس از ارائه‌ی نظریه‌‌ای جدید برای نیروی قوی(نظریه‌ای که امروزه مبتنی بر کوارک‌ها و گلوئون‌ها است)، نظریه‌ی ریسمان از صحنه‌ی علم ناپدید شد.

اما مانند بسیاری از تحولات دیگر، دوباره زمزمه‌هایی برای احیای نظریه‌ی ریسمان شنیده شد. فیزیکدان‌ها در دهه‌ی ۱۹۷۰ از چند ویژگی قابل توجه نظریه‌ی ریسمان رونمایی کردند که به این شرح بودند: در درجه‌ی اول، این نظریه می‌تواند از نیروهایی فراتر از نیروی هسته‌ای قوی پشتیبانی کند. ریسمان‌های نظریه‌ی ریسمان دارای قدرت کشش بالایی هستند به گونه‌ای که می‌توانند به شکل حلقه‌هایی در کوچک‌ترین حجم ممکن در مقیاس پلانک تبدیل شوند. همچنین این رشته‌ها می‌توانند مانند سیم‌های سفت گیتار از ارتعاش‌های مختلف پشتیبانی کنند. لرزش‌های مختلف به جلوه‌های مختلفی از نیروها می‌انجامند: یکی برای نیروی هسته‌ای قوی، یکی برای الکترومغناطیس و به همین ترتیب نیروهای دیگر.

دومین مفهوم مهم نظریه‌ی ریسمان در دهه‌ی ۱۹۷۰، ابرتقارن بود که بر اساس آن تمام ذرات حامل نیرو(مثل بوزون‌ها، گروهی شامل فوتون و گلوئون) دارای شریکی ابرمتقارن از مجموعه‌ی ذرات سازنده‌ی ماده هستند(به این ذرات فرمیون گفته می‌شود مانند الکترون و کوارک‌ها).

این تقارن در زمینه‌های روزمره دیده نمی‌شود، بلکه هنگام آزادسازی شدید انرژی خود را نشان می‌دهد؛ بنابراین اگر به اولین لحظات بیگ‌بنگ بازگردید یا از سرمایه‌گذاری کافی برای ساخت برخورددهنده‌ی ذرات در کنار مدار سیاره‌ی مشتری برخوردار باشید نه تنها باغ وحشی عادی از ذرات آشنا را می‌بینید بلکه می‌توانید تمام شرکای ابرمتقارن آن‌ها را هم رویت کنید. البته این شرکا نام‌های احمقانه‌ای مثل اسلکترون، اسنوترینو، اسکوارک، فوتینوس و وینو بوزون دارند.

نظریه‌ی ریسمان با ایجاد ارتباط ابرتقارن می‌توانست مانند پلی از بوزون‌ها به فرمیون‌ها عمل کند و جهش از نظریه‌ی نیروها به نظریه‌ی تمام ذرات موجود را امکان‌پذیر سازد. معرفی ابرتقارن، مسئله‌ی تاکیون‌ها را حل کرد و شرکای ابرمتقارن جای این ذرات مشکل‌ساز را گرفتند.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰، نظریه‌ی ریسمان می‌توانست تمام ذرات و تمام برهم‌کنش بین آن‌ها را توصیف کند و راه‌حلی کوانتومی را برای گرانش ارائه دهد. یک نظریه برای قانون‌گذاری همه‌چیز، نظریه‌ای برای یافتن همه‌چیز، نظریه‌‌ای برای گرد‌آوردن همه‌چیز و ریسمان‌هایی که آن‌ها را به یکدیگر می‌چسبانند.

تقریبا نیم قرن از اولین باری که فیزیک‌دان‌ها نظریه‌ی ریسمان را نظریه‌ی همه چیز نامیدند گذشت؛ اما باوجود ده‌ها سال پژوهش و مشارکت صدها دانشمندان از نسل‌های مختلف و همچنین باوجود انتشار مقاله‌ها، کنفرانس‌ها و کارگاه‌های بی‌شمار، نظریه‌ی ریسمان نتوانست به پتانسیل‌های خود برسد.

در نظریه‌ی کوانتومی، بی‌نهایت روش برای برهم‌کنش ذرات با یکدیگر وجود دارد. به راحتی می‌توان معادله‌های بنیادی توصیف‌گر یک برهم‌کنش را نوشت اما ریاضیات می‌تواند در عمل دچار آشفتگی شود. در نظریه‌ی ریسمان، ذرات بنیادی در واقع اصلا ذره نیستند بلکه حلقه‌های کوچکی از ریسمان‌های مرتعش هستند. وقتی دو ذره در حال نوسان با یکدیگر هستند، در واقع دو ریسمان به صورت پیوسته در حال ادغام و جداسازی هستند. این فرآیند به نظر شگفت‌انگیز می‌رسد اما بی‌نهایت راه را می‌تواند آشکار کند.

بر خلاف دیگر همتایان کوانتومی، در نظریه‌ی ریسمان فاقد نظریه‌ی بنیادی هستیم و تنها مجموعه‌ای از روش‌های تخمینی و اغتشاش را در اختیار داریم. به این صورت نمی‌توانیم از عملکرد تخمین‌ها اطمینان داشته باشیم. همچنین تکنیک‌های اغتشاش را داریم اما نمی‌توانیم با اطمینان بگوییم چه چیزی را به هم می‌زنیم. به بیان دیگر، چیزی به اسم نظریه‌ی ریسمان وجود ندارد بلکه با مجموعه‌ای از تخمین‌ها روبه‌رو هستیم.

دومین مشکل اصلی به ارتعاش ریسمان‌ها مربوط می‌شود. به باور فیزیکدان‌ها اگر قرار است ریسمان‌ها مجموعه‌ی کاملی از نیروها و ذرات جهان را توصیف کنند، باید در فضایی بیش از سه بعد مرتعش شوند. فضای سه‌بعدی محدودیت‌های زیادی داشت؛ زیرا محدود به تعدادی از ارتعاش‌های بالقوه بود در این صورت، نظریه‌ی ریسمان دیگر نظریه‌ی همه چیز به شمار نمی‌رفت و صرفا نظریه‌ی بعضی چیزها بود که از هیجان آن می‌کاست.

اولین نسخه‌های نظریه‌ی ریسمان به ۲۶ بعد فضایی نیاز داشت اما پس از ابرتقارن و کنار گذاشتن برخی ابعاد، نظریه‌پردازها این عدد را صرفا به ۱۰ بعد کاهش دادند. جهان حداقل در مقیاس‌های بزرگ، دارای ده بعد فضایی نیست؛ بنابراین تعداد ابعاد بیشتر باید کوچک و در هم‌آمیخته باشند. وقتی دست‌هایتان را می‌لرزانید، در واقع این ابعاد کوچک را بی‌نهایت بار می‌پیمایید اما این ابعاد به قدری کوچک هستند (معمولا در مقیاس پلانک) که نمی‌توانید آن‌ها را ببینید.

با وجود ابعاد بیشتر، گزینه‌های ارتعاش ریسمان برای توصیف کل فیزیک افزایش یافتند. از طرفی این ابعاد می‌توانند در حین ارتعاش و پیچیده شدن، شکل‌های متنوعی به خود بگیرند که به آن‌ها منیفلدهای کالابی یائو گفته می‌شود. اگر تکه‌ای کاغذ را روی خود آن تا کنید چند انتخاب دارید: می‌توانید یک زوج از یال‌ها را به یکدیگر وصل کنید (استوانه) یا دو زوج یال را به یکدیگر وصل کنید (شکل دونات) یا می‌توانید یک زوج یال را وارونه وصل کنید (نوار موبیوس) یا هر دو را وارونه وصل کنید (بطری کلین). این تنوع صرفا در دو بعد به دست می‌آید. با شش بعد می‌توانید به ۱۰ به توان ۵۰۰ تا ده به توان ۱۰ هزار گزینه‌ی محتمل برسید.

تمام شکل‌های احتمالی اهمیت دارند زیرا چگونگی جمع‌شدن ابعاد فضایی بیشتر، مجموعه‌ای محتمل از ارتعاش ریسمان‌ها را تعیین می‌کند. به‌طوری‌که هر شکل مانند آلت‌های موسیقایی مختلف، دارای مجموعه‌‌ی متفاوتی از ارتعاش ریسمان‌ها است. برای مثال صدای شیپور با صدای ساکسیسفون به دلیل چگونگی سازماندهی و نوع ارتعاش‌ها متفاوت است؛ اما جهان ما تنها ابزاری (شاید یک ساز بادی) با مجموعه‌ی واحدی از نوت‌های متناظر با نیروها و ذرات است.

بنابراین کدام یکی از هزاران ساختار احتمالی کالابی یائو متناظر با واقعیت ما هستند؟ نمی‌دانیم؛ زیرا محاسبات کامل نظریه‌ی ریسمان را در اختیار نداریم و صرفا با تخمین‌ها روبه‌رو هستیم. از طرفی نمی‌دانیم شکل ابعاد تاشده چگونه بر لرزش ریسمان‌ها تأثیر می‌گذارند. هیچ دستگاه قابل اطمینانی نداریم که از منیفلد کالابی یائو به فیزیک راه پیدا کند و در جهان ظاهر شود، بنابراین نمی‌توانیم با اجرای عملیات معکوس و استفاده از تجربه‌های منحصر‌به‌فرد فیزیکی، شکل ابعاد تاشده را کشف کنیم.

در دهه‌ی ۱۹۹۰، نظریه‌پردازان ریسمان، پنج نسخه‌ی مختلف از نظریه‌ی ریسمان را توسعه دادند. این تغییرات بر اساس رفتار بنیادی نظریه‌ی ریسمان به دست آمدند. در برخی نسخه‌ها تمام ریسمان‌ها باید حلقه‌های بسته را تشکیل می‌دادند در حالی که در برخی دیگر باز بودند. در برخی نسخه‌ها، ارتعاش‌ها یک‌طرفه و در برخی دیگر دوطرفه بودند و به همین ترتیب تغییرات مختلفی اعمال شدند. این پنج نظریه عبارت‌اند از: نوع I، نوع IIA، نوع IIB، SO(32) هتروتیک و E8xE8 هتروتیک.

بنابراین تعداد نظریه‌ها به شکلی غیرضروری افزایش یافت. پنج نظریه‌ی بالقوه که همه ادعا می‌کنند بهترین تخمین از نظریه‌ی واقعی ریسمان هستند. شاید به نظر عجیب برسد اما در دهه‌ی ۱۹۹۰، فیزیک‌دانی به نام ادوارد ویتن همه را برنده اعلام کرد.

ویتن دوگانگی‌هایی را کشف کرد. دوگانگی‌ها روابط ریاضی بین نظریه‌ها هستند که امکان تبدیل یک نظریه به دیگری را می‌دهند. در این نمونه، ویتن پنج نظریه‌ی ریسمان را به یک گره‌ی واحد تبدیل کرد. این ایده هنوز از لحاظ ریاضی ثابت نشده است اما نشان می‌دهد پنج نظریه‌ی ریسمان در واقع بیانیه‌هایی از یک نظریه‌ی ریسمان واحد و یکپارچه هستند که ویتن آن را نظریه‌ی M نامید. هنوز نمی‌دانیم نظریه‌ی M چیست و حتی M نشان‌دهنده و مخفف چیست اما باید نظریه‌ی ریسمان واقعی باشد.

این ایده‌پردازی می‌تواند سودمند باشد زیرا وقتی طرح‌های تقریبی معتبر ارزیابی می‌شوند، هر پنج نسخه‌ی نظریه‌ی ریسمان باید روی آن همگرا شوند و جهان از ریاضیات سربرآورد؛ اما این اتفاق نزدیک به سی سال پیش رخ داد و هنوز دقیقا نمی‌دانیم نظریه‌ی M چیست. حتی به راه‌حلی برای نظریه‌ی ریسمان نرسیده‌ایم.

به بیان واضح‌تر، عدم توانایی ما برای درک نظریه‌ی ریسمان محدود به تجربه نیست. حتی اگر بتوانیم آزمایش برخورددهنده‌ی معرکه‌ای را ترتیب دهیم که به انرژی‌های لازم برای رمزگشایی گرانش کوانتومی برسد باز هم نمی‌توانیم نظریه‌ی ریسمان را آزمایش کنیم زیرا نظریه‌ی ریسمانی نداریم. همچنین مدل ریاضی نداریم که بتواند به پیش‌بینی‌های مطمئنی برسد و تنها تخمین‌هایی داریم که امیدواریم به شیوه‌ای دقیق فیزیک واقعی را نمایندگی کنند. همچنین می‌توانیم این تخمین‌ها را تست کنیم اما این کار کمکی به درک کارکرد درونی مدل نمی‌کند.

حتی در صورت برقراری تمام شرایط، آزمایش‌هایی که انجام می‌دهیم کاملا سودمند نخواهند بود. وقتی ابرتقارن توسط جامعه‌ی نظریه‌ی ریسمان در دهه‌ی ۱۹۷۰ توسعه یافته، به ایده‌ای محبوب تبدیل شد که بسیاری از فیزیک‌دان‌های ذرات تلاش کردند آن را از آن خود کنند. آن‌ها تلاش کردند مدل‌های فیزیک پرانرژی را به فراتر از مدل استاندارد توسعه دهند.

ابرتقارن صرفا یک نظریه‌ی واحد نیست؛ بلکه مجموعه‌ای از نظریه‌ها است. تمام این نظریه‌ها در یک اصل بنیادی دارای اشتراک هستند: بوزون‌ها و فرمیون‌ها شرکای یکدیگر در انرژی‌های بسیار بالا هستند؛ اما جزئیات برهم‌کنش‌ها به شکل یک تکلیف درسی بر عهده‌ی نظریه‌پردازها گذاشته شده‌اند. برخی نظریه‌های ابرتقارن نسبتا سرراست و مستقیم هستند در حالی که برخی دیگر پیچیده‌تراند. به هر حال فیزیک‌دان‌ها در دهه‌ی ۱۹۹۰ متقاعد شدند که ابرتقارن ابرترافیکی بوده است که برای آزمایش آن، برخورددهنده‌ی بسیار قدرتمندی را ساختند: برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ.

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) در سال ۲۰۰۸ عملیات خود را با دو هدف اصلی آغاز کرد: یافتن بوزون هیگز گریزان و یافتن شواهدی از ابرتقارن. چهار سال بعد، هیگز کشف شد، اما ابرتقارن نه. حالا ۱۵ سال از آن زمان گذشته و هنوز هیچ علائمی از ابرتقارن پیدا نشده است.

در واقع تمام نسخه‌های «آسان» ابرتقارن و تعداد زیادی از نسخه‌های پیچیده حذف شدند. کمبود شواهد بسیاری از اعضای خانواده ابرتقارن را قتل عام کرد و به این ترتیب فیزیک‌دان‌ها کنفرانس‌هایی را با عنوان «فراتر از ابرتقارن» و «خدای من، فکر می‌کنم شغلم را هدر داد‌ه‌ام» ترتیب دادند.

اما نظریه‌ی ریسمان چه جایگاهی پیدا کرد؟ از آنجا که هیچ نظریه‌ی ریسمانی وجود ندارد و هر آنچه هست تعدادی تخمین است، این به اصطلاح نظریه هنوز کاملا از بین نرفته است. ممکن است نسخه‌ای از نظریه‌ی ریسمان بدون ابرتقارن ساخته شود. ریاضیات دشوارتر شود و تقریب‌ها خام‌تر باشند. نظریه‌ی ریسمان بدون ابرتقارن کاملا نابود نمی‌شود اما به کمک نیاز دارد.

پس از ۵۰ سال کار روی نظریه‌ی همه چیز، تنها چیزی که باقی‌مانده نظریه‌های تقریبی هستند که هنوز دور از دسترس هستند. پژوهش‌ها بر سر یافتن دوگانگی‌هایی که نسخه‌های مختلف نظریه‌ی ریسمان را به یکدیگر ربط می‌دهند و همچنین تلاش برای سردرآوردن از نظریه‌ی M ادامه دارند. پیشرفت‌های نظریه‌ی اغتشاش و طرح‌های تقریبی، امید به پیشرفت در ایجاد اتصال ابعاد بیشتر به فیزیک قابل پیش‌بینی را افزایش می‌دهند.

ما دیگر نظریه‌ی ریسمانی نداریم که بخواهیم آن را آزمایش کنیم؛ اما می‌توانیم آزمایش‌هایی را برای فرضیه‌های نزدیک به نظریه‌ی ریسمان انجام دهیم و به پیشرفت‌هایی هم در این زمینه رسیده‌ایم. شاید رویداد تورم که بلافاصله پس از بیگ‌بنگ رخ داد بتواند نکاتی را درباره‌ی نظریه‌ی ریسمان (شکل‌گیری ریسمان‌های کیهانی پوشاننده‌ی جهان) به ما بیاموزد. شاید هم نکات بیشتری درباره‌ی دوگانگی‌ها در پیش داریم.

نظریه‌پردازها به تازگی دوگانگی دیگری به نام تناظر AdS/CFT را ارائه دادند. این تناظر دقیقا نظریه‌ی ریسمان نیست بلکه فرضیه‌ای مبتنی بر این نظریه است. این تناظر نشان می‌دهد که می‌توانید یک نظریه‌ی ریسمان را در یک زمینه‌ی سه‌بعدی خاص بنویسید و آن را به نوع خاصی از نظریه‌ی کوانتومی در مرز دوبعدی آن وصل کنید. در واقع، این تناظر به شما اجازه می‌دهد نظریه‌ی ریسمان غیرقابل حل را به یک نظریه‌ی کوانتومی بسیار دشوار تبدیل کنید (برعکس اجازه می‌دهد از برخی ابزار ریاضی توسعه‌یافته در نظریه‌ی ریسمان برای حل مسئله‌ی کوانتومی دشوار استفاده کنید).

تناظر AdS/CFT کاربردهای محدودی دارد اما کاربردپذیری کامل آن هنوز نامشخص است. با اینکه این تناظر هنوز اثبات نشده است، نظریه‌پردازان مدعی هستند که به زودی اثباتی را برای آن پیدا می‌کنند. گرچه آن‌ها همان وعده‌های نظریه‌ی ریسمان را تکرار می‌کنند.

اغلب نظریه‌پردازهای ریسمان عصر مدرن به‌صورت مستقیم روی این نظریه‌ کار نمی‌کنند بلکه اغلب روی تناظر AdS/CFT و مفاهیم آن پژوهش می‌کنند. آن‌ها امیدوارند رابطه‌ای ریاضی بتواند دیدگاه‌های پنهان در عملکرد نظریه‌ی همه چیز را آشکار کند. امیدواریم موفق شوند.