نظریه‌ی ریسمان

از: دانشنامه‌ی آریانا

نظریه‌ی ریسمان

فهرست مندرجات ◉ تعریف ◉ پیشینه‌ی تاریخی ◉ مفاهیم بنیادی ◉ دیدگاه‌های متفاوت ◉ يادداشت‌ها ◉ پيوست‌ها ◉ پی‌نوشت‌ها ◉ جُستارهای وابسته ◉ سرچشمه‌ها ◉ پيوند به بيرون

فیزیک ذرات بنیادی

مکانیک کوانتم

نظریه‌ی ریسمان (به انگلیسی: String theory، با تلفظ آمریکایی: String theory)، نظریه‌ی فیزیکی به‌زبان ریاضی دقیق است. به این مضمون که جهان از رشته‌های مرتعش انرژی تشکیل شده است. این ریسمان‌های انرژی بنیادی‌ترین جنبه‌های طبیعت را به نمایش درمی‌آورند. نظریه‌ی ریسمان هم‌چنین اجسام بنیادی دیگری را پیش‌بینی می‌کند به‌نام «غشاها». همه مواد در عالم از ارتعاش این ریسمان‌ها و غشاها ساخته می‌شوند. از نتایج مهم نظریه‌ی ریسمان این است که گرانش خودبه‌خود از نظریه به‌دست می‌آید. به این دلیل دانشمندان معتقدند که شاید نظریه‌ی ریسمان برای امکان یکی‌کردن گرانش با سایر نیروهایی که بر ماده اثر می‌کنند، پاسخی داشته باشد.

▲

تعریف

نظریه‌ی ریسمان

اساس نظریه‌ی ریسمان، ریسمان‌های مرتعش انرژی است، که صرفاً نظریه‌ای ریاضیاتی است (در حقیقت همه‌ی نظریه‌های فیزیک به زبان ریاضیات بیان می‌شوند)، به این معنی که این نظریه بر مبنای معادلات ریاضیاتی ساخته شده که به روش‌های مشخصی می‌توان آن‌ها را معنا کرد.

در حال حاضر کسی نمی‌داند نسخه‌ی نهایی این نظریه به چه‌شکل خواهد بود. دانشمندان اطلاعات مبهمی از مفاهیم موجود در نظریه دارند؛ اما هیچ‌کس به معادله‌ی نهایی آن که معرف کل نظریه‌ی ریسمان در دنیا باشد، دست نیافته است و آزمایشات نیز تاکنون قادر به اثبات آن نبوده‌اند - اگرچه در رد آن هم موفق نبوده‌اند. فیزیکدان‌ها نسخه‌های ساده‌شده‌ای از معادله را به‌وجود آورده‌اند، اما آن‌هم هنوز جهان را کاملاً توصیف نمی‌کند.

با این‌حال، نظریه‌ی ریسمان نوعی فیزیک نظری انرژی بالاست که عمدتاً فیزیکدانان ذرات به آن می‌پردازند. این نظریه در واقع یک نظریه‌ی فیزیک کوانتومی است که ذرات و نیروهای عالم را بر مبنای روشی که ابعاد اضافی خاص نظریه در اندازه‌های بسیار کوچک، پیچیده می‌شوند (فرایندی که فشردگی نام دارد) توصیف می‌کند. این توانمندی نظریه‌ی ریسمان است که از ریسمان‌های بنیادی و نحوه‌ی فشرده‌شدن ابعاد اضافی برای توصیف هندسی همه ذرات و نیروهای شناخته‌شده‌ی فیزیک جدید استفاده می‌کند.

بی‌شک یکی از نیروهایی که حتماً باید توضیح داده شود، گرانش است. از آن‌جا که نظریه‌ی ریسمان یک نظریه‌ی میدان کوانتومی (Quantum field theory) است، پس باید نظریه‌ای کوانتومی برای گرانش یا به‌عبارت دیگر گرانش کوانتومی (Quantum gravity) باشد. نظریه‌ی اثبات‌‌شده برای گرانش، نسبیت عام است که فضا-زمانی دینامیک و سیال را شامل می‌شود. یکی از جنبه‌های نظریه‌ی ریسمان که هنوز روی آن تحقیق می‌شود، استخراج چنین فضا-زمانی از درون نظریه است.

مهم‌ترین دستاوردهای نظریه‌ی ریسمان مفاهیمی هستند که نمی‌توان آن را مشاهده نمود، مگر این‌که دانست چگونه باید معادلات فیزیک را تفسیر کرد. نظریه‌ی ریسمان از هیچ آزمایشی برای فراهم‌کردن اطلاعات جدید بهره نمی‌برد، بلکه معادلات ریاضی پُرمحتوایی که در آن ظاهر شده است، فیزیکدانان را واداشته درستی آن‌ها را باور کنند. این روابط و ویژگی‌ها، که در زبان تخصصی، مثلاً انواع تقارن‌ها و دوگانی‌ها، حذف ناهنجاری‌ها و توضیح آنتروپی سیاه‌چاله (Bekenstein-Hawking entropy) نام دارد.

▲	پیشینه‌ی تاریخی

نظریه‌ی ریسمان ابتدا در سال ۱۹۶۸ میلادی، به‌عنوان نظریه‌ای ارائه شد که سعی داشت رفتار هادرون‌ها (یعنی ذراتی مانند پروتون و نوترون که هسته‌ی اتم را تشکیل می‌دهند) را در شتاب‌دهنده‌های ذرات توضیح دهد. فیزیک‌پیشگان بعدها دریافتند که از این نظریه برای توضیح برخی جنبه‌های گرانش هم می‌توان استفاده کرد.

برایان گرین (Brian Greene) (زاده‌ی ۹ فوریه ۱۹۶۳ م، در نیویورک)، فیزیکدان آمریکایی و یکی از نظریه‌پردازان نظریه ریسمان است. وی در ۱۲ سالگی آن‌چنان در ریاضی توانایی پیدا کرد که یک استاد دانشگاه به او خصوصی درس می‌داد. گرین در سال ۱۹۸۰ وارد دانشگاه هاروارد شد و لیسانس فیزیک گرفت، و در سال ۱۹۹۶ دکترای خود را با بورس رودز از دانشگاه آکسفورد به‌ست آورد. او از سال ۱۹۹۶ تا کنون در دانشگاه کلمبیا به‌تدریس و پژوهش در کیهان‌شناسی و نظریه‌ی ریسمان می‌پردازد. پیش از این او در سال ۱۹۹۰ به دانشکده‌ی فیزیک دانشگاه کرنل پیوسته بود. وی استادی خود را در سال ۱۹۹۵ در این دانشگاه گرفته است.

برای بیش از یک دهه، نظریه‌ی ریسمان عمدتاً به این دلیل که به تعداد زیادی بُعد اضافی نامرئی نیاز داشت، توسط بیش‌تر فیزیک‌دانان کنار گذاشته شد. در اواسط دهه‌ی ۱۹۸۰، هنگامی‌که فیزیکدان‌ها توانستند سازگاری معادلات آن را از لحاظ ریاضی اثبات کنند، نظریه مجدداً اهمیت یافت. به این احیای مجدد نظریه‌ی ریسمان اصطلاحاً انقلاب نخست ابرریسمان (First superstring revolution) گفته می‌شود.

در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۹۰، نظریه‌ی ریسمان با یک نظریه‌ی پیچیده‌تر به‌نام نظریه‌ی ام (M-theory) به‌روزرسانی شد. نظریه‌ای که شامل اجسامی بیش از ریسمان‌ها بود. این اجسام جدید غشاها (Branes) نامیده شدند و می‌توانستند از صفر تا ۹ بُعد داشته باشند. نظریه‌های ریسمان قبلی (که حالا شامل غشاها نیز بودند) اکنون به‌عنوان تقریب‌هایی از نظریه‌ی کامل‌تر M نگریسته می‌شدند. عموماً از این واقعه با عنوان انقلاب دوم ابرریسمان (Second superstring revolution) یاد می‌شود.

ادوارد ویتن (Edward Witten) (زاده‌ی ۲۶ اوت ۱۹۵۱ در مریلند)، ریاضی‌دان و فیزیک‌دان آمریکایی و استاد در مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته است. او از پژوهشگران پیشرو جهان در نظریه‌ی ریسمان (پایه‌گذار نظریه‌ی ام) و نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی است، که در سال ۱۹۹۰ به‌دلیل تأثیرات کارهایش در ریاضی، موفق به دریافت مدال فیلدز شد. در سال ۱۹۹۵، وی نظریه‌ی ام را در کنفرانسی در دانشگاه جنوبی کالیفرنیا مطرح کرد.

به لحاظ فنی، نظریه‌ی جدید M چیزی بیش از نظریه‌ی ریسمان قدیمی است. اما نام «نظریه‌ی ریسمان» اغلب هنوز هم برای نظریه‌ی ام و نظریه‌های گوناگون منتج از آن به‌کار می‌رود (حتی نشان داده شده که نظریه‌ی اَبرریسمان اولیه‌ نیز شامل غشاها هستند).

▲	مفاهیم بنیادی

پنج ایده‌ی کلی در بطن نظریه‌ی ریسمان وجود دارد که بارها و بارها مطرح می‌شود. این مفاهیم اصلی عبارتند از:

◼ نظریه‌ی ریسمان پیش‌بینی می‌کند که همه‌ی اجسام در جهان از تارها (و غشاهای) مرتعش انرژی تشکیل شده‌اند.


◼ نظریه‌ی ریسمان تلاش می‌کند نظریه‌ی نسبیت عام (گرانش) را با فیریک کوانتوم آشتی دهد.


◼ نظریه‌ی ریسمان روشی را برای متحد کردن همه‌ی نیروهای بنیادی عالم فراهم می‌کند.


◼ نظریه‌ی ریسمان ارتباط جدیدی را (به‌نام اَبرتقارن) بین دو نوع ذره‌ی بوزون و فرمیون که به‌شکل بنیادی باهم متفاوت‌اند، پیش‌بینی می‌کند.


◼ نظریه‌ی ریسمان تعدادی بُعد اضافی (معمولاً مشاهده‌ناپذیر) را برای عالم پیش‌بینی می‌کند.

◼ ریسمان‌ها و غشاها (Strings and Membranes): ابتدا هنگامی که نظریه‌ی ریسمان در دهه‌ی ۱۹۷۰ گسترش یافت، رشته‌های انرژی این نظریه، اجسامی یک‌بُعدی در نظر گرفته می‌شدند: ریسمان‌ها. (یک‌بُعدی بودن به این معناست که ریسمان فقط یک بُعد طول دارد، برخلاف مثلاً یک مربع که هم بُعد طول و هم بُعد عرض دارد).

این ریسمان‌ها به دو شکل درمی‌آمدند، ریسمان‌های بسته و ریسمان‌های باز، یک ریسمان باز دو سر دارد که با یکدیگر در تماس نیستند، در حالی‌که یک ریسمان بسته، حلقه‌ی بدون انتهای باز است. عاقبت دریافتند که این ریسمان‌های اولیه که ریسمان‌های نوع I  (Type I strings) نامیده می‌شوند، می‌توانند به پنج طریق اصلی برهم‌کنش (Interaction) کنند، همان‌طور که در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

شکل ۱-۱: پنج نوع برهم‌کنش‌های ریسمانی در این‌جا نشان داده شده‌اند. در نمودار A، یک ریسمان شکسته شده و دو ریسمان را به‌وجود می‌آورد. در نمودار B، یک ریسمان باز تجدید شکل می‌دهد و یک ریسمان باز و یک ریسمان بسته را به‌وجود می‌آورد. در نمودار C، دو سر یک ریسمان به‌هم پیوند خورده و ریسمان بسته را به‌وجود می‌آورد. در نمودار D، دو ریسمان با یکدیگر برخورد می‌کنند و به دو ریسمان جدید تجدید شکل می‌دهند. در نمودار E، یک ریسمان بسته، در وسط نازک شده و دو ریسمان کوچک را می‌آفریند.

این برهم‌کنش‌ها براساس قابلیت ریسمان در اتصال و پاره‌شدن نقاط انتهایی است. از آن‌جایی که دو سر ریسمان‌های باز می‌توانند به‌هم متصل شوند و ریسمان‌های بسته را تشکیل دهند، پس هیچ‌گاه نمی‌توان یک نظریه‌ی ریسمان بدون ریسمان‌های بسته داشت.

بعدها اهمیت این موضوع مشخص شد، زیرا فیزیکدان‌ها متقاعد شدند ریسمان‌های بسته خواصی دارند که می‌توانند توصیف‌کننده‌ی گرانش باشند! به‌سخن دیگر، آن‌ها به‌تدریج پی بردند که نظریه‌ی ریسمان به‌جای این‌که فقط نظریه‌ای از ذرات مادی باشند، ممکن است هم قادر به توضیح گرانش باشد و هم رفتار ذرات.

در طول سال‌ها، کشف شد که نظریه نیاز به اجسامی به‌جز ریسمان‌ها دارد. این اجسام را می‌توان به‌صورت صفحه‌ها یا غشاهایی دید. ریسمان‌ها می‌توانند از یک یا هر دو سر به این غشاها متصل شوند، یک غشای دو بُعدی (که ۲-غشا نامیده می‌شود) در شکل ۲-۱ نشان داده شده است.

شکل ۲-۱: در نظریه‌ی ریسمان، ریسمان‌ها خود را به غشا متصل می‌کنند (In string theory, strings attach themselves to branes).

◼ گرانش کوانتومی (Quantum Gravity): فیزیک جدید دو قانون علمی پایه دارد: فیزیک کوانتوم و نسبیت عام. این دو قانون علمی معرف زمینه‌های مطالعاتی کاملاً متفاوتی هستند. فیزیک کوانتوم اجسام بسیار کوچک طبیعت را بررسی می‌کند، در حالی‌که نسبیت به مطالعه‌ای طبیعت در مقیاس سیارات، کهکشان‌ها و عالم در جایگاه یک کل توجه دارد (به‌وضوع، گرانش روی ذرات کوچک هم تأثیر دارد و نسبیت این اثر را توضیح می‌دهد). نظریه‌هایی که سعی در متحدکردن این دو نظریه دارند، نظریه‌های گرانش کوانتومی هستند و امروزه امیدبخش‌ترین آن‌ها، نظریه‌ی ریسمان است.

ریسمان‌های بسته در نظریه‌ی ریسمان با رفتار مورد انتظار از گرانش هماهنگی دارند. به‌طور خاص، آن‌ها خصوصیاتی دارند که با گراویتون (Graviton) که مدت‌هاست در جستجویش هستند، منطبق است. ذره‌ی که حامل (عامل انتقال) نیروی جاذبه بین اجسام است.

◼ وحدت نیروها (Unification of forces): همزمان با مسئله‌ی گرانش کوانتومی، نظریه‌ی ریسمان تلاش می‌کندچهار نیروی عالم - نیروی الکترومقناطیس (Electromagnetic force)، نیروی هسته‌ای قوی (Strong nuclear force)، نیروی هسته‌ای ضعیف (Weak nuclear force) و گرانش (نیروی جاذبه) (Gravity) - را در نظریه‌ای واحد باهم یکی کند. در جهان، این نیروهای بنیادی به‌صورت چهار پدیده‌ی متفاوت دیده می‌شوند، اما نظریه‌پردازان ریسمان معتقدند که در جهان اولیه (هنگامی که سطوح انرژی فوق‌العاده بالایی وجود داشت) همه‌ی این نیروها با ریسمان‌هایی که با یکدیگر برهم‌کنش داشتند، توصیف می‌شدند.

◼ ابرتقارن (Supersymmetry): همه‌ی ذرات عالم را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: بوزون‌ها و فرمیون‌ها. طبق پیش‌بینی نظریه‌ی ریسمان، نوعی ارتباط به‌نام ابرتقارن بین این دو نوع ذره وجود دارد. با توجه به ابرتقارن باید به ازای هر بوزون، یک فرمیون و به ازای هر فرمیون، یک بوزون وجود داشته باشد. متأسفانه، تاکنون این ذرات اضافی در آزمایشگاه آشکارسازی نشده‌اند.

◼ ابعاد اضافی (Extra dimensions):

▲	دیدگاه‌های متفاوت

[▲] يادداشت‌ها

[▲] پيوست‌ها

برایان گرین و نظریه‌ی ریسمان
...

[▲] پی‌نوشت‌ها

در فرهنگ‌نامه‌ی کمبریج درباره‌ی «نظریه‌ی ریسمان» آمده است:

String theory, is a theory that says that the most basic pieces of matter are extremely small lines or circles rather than points.

اندرو زیمرمن جونز و دنیل رابینز، نظریه‌ی ریسمان، برگردان: مریم ذوقی، تهران: انتشارات آوند دانش، چاپ ۱۳۹۴، ص ۱۱.

[▲] جُستارهای وابسته

□
□
□

[▲] سرچشمه‌ها

□
□
□
□

[▲] پيوند به بیرون

□ [۱ ۲ ۳ ۴ ۵ ۶ ۷ ۸ ۹ ۱۰ ۱۱ ۱۲ ۱۳ ۱۴ ۱۵ ۱۶ ۱۷ ۱۸ ۱۹ ۲۰]

رده‌ها │ فیزیک نظری │ مفاهیم فیزیک

Key Events in String Theory History Although string theory is a young science, it has had many notable achievements. What follows are some landmark events in the history of string theory: 1968: Gabriele Veneziano originally proposes the dual resonance model. 1970: String theory is created when physicists interpret Veneziano’s model as describing a universe of vibrating strings. 1971: Supersymmetry is incorporated, creating superstring theory. 1974: String theories are shown to require extra dimensions. An object similar to the graviton is found in superstring theories. 1984: The first superstring revolution begins when it’s shown that anomalies are absent in superstring theory. 1985: Heterotic string theory is developed. Calabi-Yau manifolds are shown to compactify the extra dimensions. 1995: Edward Witten proposes M-theory as unification of superstring theories, starting the second superstring revolution. Joe Polchinski shows branes are necessarily included in string theory. 1996: String theory is used to analyze black hole thermodynamics, matching earlier predictions from other methods. 1