به گزارش بیگ بنگ، جانسون که در مورد پژوهش هایش در خصوص تلاش برای درک اصول اولیه پیدایش و ماهیت جهان شرح میدهد کارشناسی مشهور در زمینه تئوری ریسمان است – نظریه ای که نزدیکترین چیز به نظریه ای واحد است که دانشمندان میخواهند با آن همه چیز را در مورد واقعیت جهان هستی توضیح دهند. اگر حق با او و سایر همکاران فیزیکدانش باشد، ریسمانهای انرژی ممکن است بنیادی ترین واحدهای موجود باشند. هر ذره ای از نیرو یا جرم میتواند با از دست دادن انرژی و گرما به ریسمانی از انرژی مرتعش، ساده و تک بُعدی تبدیل شود.
در بیشترین بخش تاریخ علم تاکنون مشاهدات بشر از جهان هستی معطوف ِ پدیده هایی در مقیاس بزرگ (ماکروسکوپی) مانند حرکت سیارات، بخش قابل رویت نور و اثرات میدان های مغناطیسی بوده است. یافته های دانشمندان در ابتدای قرن بیستم و همگام با آغاز مشاهدات ذرات بنیادی اتم و بررسی اجزای سازنده آنها حکایت از این دارد که بر دنیای ذارت بنیادی اتم ها مجموعه قوانینی کاملاً متفاوت حکم فرماست. ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، نیلز بور و جمعی از شاخص ترین و خلاق ترین دانشمندان آن زمان بر مبنای قوانین ریاضی و آزمون های تجربی مستقیم به اکتشاف بیشتر در این قلمرو پرداختند.
از راست به چپ: ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، نیلز بور
پس از گذشت دهه ها کار و تلاش دانشمندان، دو دسته متفاوت دیگر از ذرات بنیادین، یعنی فرمیون ها و بوزون ها کشف شدند. فرمیون ها از اجزای سازنده هسته مواد هستند، در حالی که بوزون ها واسطه برهم کنش های بین ذرات هستند. به بیان ساده تر، انواع مختلف بوزون نیروها را بین انواع فرمیون ها منتقل می کنند. بعنوان مثال فوتون ها مسئول ارسال نیروی الکترومغناطیسی میان فرمیون های برانگیخته ای مانند الکترون ها هستند. جانسون می گوید: این جهش علمی بزرگ مبنی بر وجود ذراتی که می توانند ارتباط بین نیروها را برقرار کنند یا در برهم کنش های درون هسته ای نقش داشته باشند بخش حیرت انگیزی از فیزیک کوانتوم است که اواسط قرن گذشته به دانسته های بشر اضافه شد.
به نظر می رسد که این سیستم کوانتومی در مورد سه نیرو از چهار نیروی شناخته شده در طبیعت بخوبی کار می کند – نیروی هسته ای قوی که اجزای هسته یک اتم را کنار یکدیگر نگه میدارد؛ نیروی هسته ای ضعیف که در تلاش برای غلبه بر نیروی پیوستگی درون هسته ای است ( عامل ناپایداری هسته عناصر رادیواکتیو)؛ و سرانجام الکترو مغناطیس. اینشتین توصیف معروفی از گرانش بعنوان انحنایی در بافت فضا-زمان دارد. بنظر می رسد که نظریه انقلابی نسبیت وی – که نوامبر ۲۰۱۵ صد سالگی خود را گذراند – تقریباً در مورد تمام پدیده های در مقیاس بزرگ و کم انرژی ( در سطوح سیارگان، ستارگان و کهکشان ها ) صدق می کند. اما این نظریه در مورد ذراتی مانند فرمیون ها و بوزون ها که پدیده هایی در مقیاس بسیار کوچک و با انرژی بسیار بالا هستند فرو ریخته و مصداق ندارد.
از منظری دیگر، فیزیک کوانتوم جایی خوب نقش خود را ایفا می کند که از گرانش صرف نظر گردد و نظریه نسبیت عام بهترین کارآیی خود را در سیستم های بزرگ – بسیار بزرگتر از مقیاس ذرات بنیادین اتم ها– و جایی که اثرات کوانتومی خیلی کم هستند به نمایش می گذارد. به گفته جانسون، این اجتناب ناپذیر است که فکر کنیم اگر گرانش را کوانتومیزه کنیم چیزی شبیه گراویتون خواهیم داشت و شگفت زده خواهیم شد اگر گرانش، از لحاظ مکانیکی کوانتوم پذیر نباشد. البته این حقیقت که ما هنوز موفق به انجام این مهم نشده ایم دلیل بر شکست ما بوده نه شکست طبیعت.
در اواخر دهه ۶۰ و اوایل دهه ۷۰، فیزیکدانان فرمیون ها و بوزون ها را از زاویه ای دیگر مورد بررسی قرار دادند، آنها دریافتند که این ذرات را میتوان بصورت ذرات غیر قابل باوری کوچک، تک بعدی و ریسمانهایی از انرژی مرتعش در نظر گرفت. این نظریه ریسمان به سرعت توجه ها را جلب نمود اما به همین سرعت با ظهور مدل دیگری از برهمکنش های بین ذرات کنار گذاشته شد. البته این جایگزینی نظرات برای مدت زمانی بطول انجامید. این نظریه برای چند سال مورد رد و تایید قرار گرفت. پروفسور فیزیک، اخترشناسی و ریاضیات، “نیکلاس وارنر” در این رابطه توضیح میدهد که این نظریه در ابتدا برای برهمکنش های قوی ساخته شده بود اما برای استفاده در این مورد مردود شد. اما پس از چندی دوباره در دهه ۸۰ در قالب یک نظریه ی گرانش ِ کوانتومی ظاهر شد و اینبار نقش خود را بینهایت خوب ایفا کرد.
در حقیقت بر پایه مشاهداتی که اخیراً صورت گرفت این ریسمانهای انرژی مرتعش قادرند خواص گراویتون ها (واحدهای بنیادین فرضی گرانش) را بصورت یک T توصیف کنند. جالب ترین چیز در مورد نظریه ریسمان این است که تنها نظریه ای است که مکانیک کوانتوم را با نظریه نسبیت عام مرتبط می سازد. “وارنر” میگوید که برای درک فیزیک کوانتوم ِ سیاهچاله ها، یعنی گرانشی ترین پدیده های عالم هستی، از نظریه ریسمان استفاده می کند و اینکه میگوید تا جایی که ما توان محاسبه داشته باشیم این نظریه در این مورد کار میکند.
هرچند که این محاسبات نیاز به کلید راهنما دارند. جهان هستی باید ابعاد بیشتری داشته باشد. خوشبختانه بُعدهای بیشتر لزوماً مشکل به شمار نمی آیند. به نظر “جانسون” جهان هستی ممکن است بینهایت بُعد داشته باشد که آنقدر کوچکند که درک و کشف آنها کار راحتی نیست. اما چون ریسمان های انرژی نیز بطور فوق العاده ای کوچک هستند – کوچکتر از هر چیزی که قبلا تصور میشد – و تنها یک بعد دارند، اساساً می توانند در هر یک از بُعدهای کوچک دیگر ارتعاش نمایند. این فوق العاده حائز اهمیت است چون هنگامی که نظریه ریسمان بخوبی تمام ذرات مشاهده شده را توصیف می کند – حتی گراویتون ها را- تنها در صورتی موفق خواهد بود که ریسمان های انرژی بتوانند در هر ۱۰ بُعد ارتعاش نمایند.
جانسون می گوید: وقتی شما نوشتن ریاضی را آغاز می کنید ریسمانهای انرژی باز می گردند و به شما می گویند ریاضیات راه به جایی نخواهد برد مگر به ما اجازه دهید آزادانه در سایر بُعدها نیز ارتعاش داشته باشیم. او اضافه می کند: هنگامی که شما به ریسمان های انرژی آزادی عمل بیشتری می دهید که چند بعدی تر باشند …آنگاه ناگهان در محاسباتتان امکانات بسیار بیشتری پیدا می کنید، امکاناتی که می توانید آنها را با هر ذره دیگری که مشاهده نموده اید ترکیب کنید و بدین ترتیب ناگهان در می یابید نظریه ریسمان ماندنی می شود.
“وارنر” اینگونه توضیح میدهد که طرفداران نظریه ریسمان تلاش دارند به همه بگویند تنها یک نوع ذره بنیادی وجود دارد و سایر ذرات تنها حالت های ارتعاشی متفاوتی از ریسمان های انرژی هستند. گراویتون یک حالت متفاوت یا ارتعاش دیگر است، فوتون یکی دیگر و الی آخر. لذا در آخر ممکن است اصل و نسب همه چیز اساساً به یک ذره بنیادین واحد برسد که همان ریسمان انرژی باشد – مگر اینکه اینگونه نباشد… در عین حال که نظریه ریسمان بطور ماهرانه و فوق العاده ای بالقوه تمام ذرات شناخته شده و نیروها را توصیف می کند باز لازم است که مورد آزمون های بیشتری قرار گیرد.
“جانسون” می گوید: همیشه این احتمال وجود دارد که چارچوب کاری ما کامل نباشد و یا آشکارا نادرست باشد. لذا نیازمند روشی هستیم که پیش بینی های قابل آزمونی از نظریه مورد استفاده در اختیار داشته باشیم و همیشه بتوانیم فرضیات خود را در بوته آزمایش قرار دهیم – مانند یک مرحله کلیدی در هر تلاش علمی. از آنجا که این ریسمان های انرژی آنقدر کوچکند که نمی توان آنها را به هر روش تجربی بطور مستقیم مشاهده کرد اما دانشمندان امیدوارند با ابزارهایی که در آینده طراحی می شوند، موفق به روئت نشانه ای شوند، همچنین لازم است که به دنبال نشانه های غیر مستقیم ریسمان ها باشیم اما تاکنون به درک لازم و کافی از نظریه ریسمان ها نرسیده ایم که این نشانه ها را پیش بینی کنیم.
اما هنوز جای امیدواری هست. نظریه ریسمان را وقتی که بخواهیم در مورد بیشترین مواد تشکیل دهنده ی عالم بکار ببریم، می توانیم مورد یک آزمون غیر مستقیم قرار دهیم. مشاهدات نشان میدهد که انرژی و ماده تاریک ۹۵ درصد عالم را تشکیل میدهد. دانشمندان تایید کرده اند که اینها اَشکال جدیدی از ماده و انرژی هستند اما تاکنون ماهیت دقیق آنها ناشناخته مانده است. به گفته ی “جانسون”، ماده و انرژی تاریک ممکن است کلید تایید صحت نظریه ریسمان را با خود داشته باشند. او می گوید: این خیلی حیرت انگیز و البته متواضعانه است. اَشکالی از ماده هستند که بنظر میرسد در مورد آنها نظریه ریسمان کار می کند که اینها می توانند نامزدهای بسیار خوبی برای ایفای نقش بجای ماده تاریک در آزمایشات باشند. مردم امیدوارند که این کلیدی برای پیوند میان نظریه و طبیعت جهان باشد.
ترجمه: سید علیرضا موسوی / سایت علمی بیگ بنگ