بررسي يگانگي نيروها با تكيه بر نظريه ريسمانها

[Mohammad Aref 120452]

مطالب این تاپیک برگرفته از وبلاگ

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

وبگاه دانشجویان فیزیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی می باشد.

ما از طريق اين پست ها رهيافتي خواهيم داشت به دنيايي حقيقتا عجيب تر از تخيل. جايي كه بازي با شكستن برخي قواعد به پيش خواهد رفت! جايي كه نظرگاه نوين شما به گيتي چيزي فراتر از دور از ذهن ترين تصوراتتان خواهد بود. و اين دنياي عجيب ريسمان هاست. دنيايي كه در واقع روشي است براي تشريح تمامي نيروها و همه اشكال ماده، از يك اتم گرفته تا تمامي كهكشانها، از ابتداي زمان گرفته تا تيك نهايي آن. نظريه اي براي همه چيز.

اين نظريه بزرگترين چالش پيش روي فيزيك مدرن است. شايد فيزيك پسا مدرن عبارت گوياتري باشد! چرا كه در فيزيك مدرن دانسته هاي ما از جهان بر بنيان دو دسته قوانين ظاهرا متناقض بنا شده اند. از سويي قوانين نسبيت، و از سويي قوانين مكانيك كوانتومي. قوانيني كه مانند مسيري هستند كه از دو سو يك طرفه اند. {مثل همين خيابون مجتبائي خودمون كه آخرشم نفهميديم از كدوم ور يكطرفه است!} و اين پارادوكسي است كه اينشتاين را نيز در آخرين كاوشش براي يگانگي ناكام گذارد. اما امروز پس از چند دهه سرگرداني ممكن است در آستانه يك گشايش باشيم.

راه حل امروزي فيزيكدانان، نظريه ريسمان است. ريسمان هايي كه خود تكه هايي از انرژي خالص هستند كه مانند تارهاي ويولون نوسان مي كنند و يك سمفوني كيهاني را در قلب واقعيت مي نوازند. اين ريسمان ها توجيه كننده بسياري از مشاهدات متناقض ما هستند؛ اما خود در قبال بهايي به دست مي آيند: جهان هاي موازي و ابعاد 11 گانه.

چيزهايي كه هرگز نديده ايم. و با همه اين ويژگي هاي مثبت از آن جا كه ريسمان هيچ روش مستقيمي را براي آزمايش شدنش ارائه نمي دهد، همواره اين شائبه در آن وجود دارد كه آيا واقعا فيزيك است يا فلسفه؟! به هر ترتيب آن چه حتمي است آن است كه نظريه ريسمان تا امروز نيز به ما نشان داده است كه كيهان ممكن است بسيار عجيب تر از آن چيزي باشد كه تا كنون تصور مي نموديم.

حال براي ورود به دنياي ريسمان، ابتدا بايد هدف از آن را كه در واقع همان يگانه سازي (unification) و به عبارتي توجيه همه چيز است، آگاه شد. بايد دريابيم كه اصلا چرا مي انديشيم كه مي توان جهاني را با اين همه پيچيدگي در يك نظريه تكين نسبتا ساده خلاصه كرد. يا سوالي عميق تر و آن اين كه اصولا ما از كجا مي دانيم كه براي درك عميق ترين اسرار و قوانين گيتي ساخته شده ايم؟(UNIFICATION)

اين سوال بسيار جاي بحث دارد و اميدوارم دوستاران بر سر همين موضوع پاي بحث را باز كنند. اما اگر از پاسخ هاي مثبت و منفي فلسفي اين پرسش بگذريم، فيزيكدانان معتقدند كه ما براي اين منظور ساخته شده ايم. و از آن جا كه در طي 200 سال اخير دانش تجربي مسيري را طي كرده كه به نظر مي رسد كل اين علوم به سمت نقطه واحدي همگرا مي شوند، آن ها معتقدند كه در نهايت مي توان به يك تكينگي و يكتايي رسيد. و اين اعتقاد عميق تا آن جا ريشه دارد كه يگانه سازي را به هدف غايي فيزيك امروز بدل نموده است.

مي توانيم يگانه سازي را به معناي فرمول بندي قانوني در نظر بگيريم كه شارح هر چيز شناخته شده در جهان در قالب يك ايده يگانه توسط يك معادله اصلي (master equation) است. بدين ترتيب هدف فيزيك امروز، توجيه و تشريح پديده هاي هرچه بيش تر در قالب اصول و قواعد هرچه كمتر و ساده تر است.

واقعيت آن است كه يگانه سازي نيرو ها مدت ها پيش از تلاش هاي اينشتاين، با رخداد احتمالا معروف ترين حادثه تاريخ علم آغاز شد. آن گونه كه همه مان داستان را شنيده ايم، روزي در سال 1665 مرد جواني زير درخت سيببي نشسته بود كه ناگهان سيبي از درخت جدا شد و به سمت زمين حركت نمود. افتادن سيب همان و نظريه "آيزاك نيوتن" كه متحول كننده تصوير بشر آن روز از جهان بود، همان.

نيوتن ادعا كرد كه نيرويي كه موجب جذب سيب به سوي زمين شد با نيرويي كه سيارات را در مدار خورشيد نگاه مي دارد بسيار شبيه و در حقيقت يكي است. بنابراين به عنوان يكي از بزرگترين دستاورد هاي دانش بشري، نيوتن نيروهاي آسمان و به عبارتي آسمان را با زمين يگانه كرد. او اين نيرو را گرانش (gravity) ناميد و به درستي كه جهش عظيمي در درك انسان از گيتي پديد آورد.

بنابراين گرانش نخستين نيرويي بود كه توسط بشر شناخته و فرمول بندي شد. چنان دقيق كه امروز نيز پس از 300 سال ما براي پرتاب ماهواره هامان به فضا و تعيين مدار سيارات دوردست، به چيزي بيش تر از معادلات نيوتن احتياج نداريم. اما هنوز نيز مشكلي برجاست. با آن كه معادلات نيوتن بزرگي گرانش را با دقت اعجاب آوري به دست مي دهد، نيوتن هيچ ايده اي راجع به اين كه اين نيرو چگونه كار مي كند نداشت. تا حدود 250 سال دانشمندان از كنار اين معضل با چشم پوشي گذشتند؛ اما در حدود 1900 كارمند ناشناخته اداره ثبت اختراعات سوئيس اين روند را بر هم زد.

اينشتاين كه در آن سال ها بر روي ويژگي هاي نور كار مي كرد، در خلال فعاليت هايش در سن 26 سالگي به اين موضوع دست يافت كه سرعت نور مقدار ثابتي است و به عبارتي يك حد سرعت كيهاني است. كشف حيرت آوري كه شايد هرگز از ذهن او خطور نمي كرد كه راهنماي او به سمت گشودن رمز جاذبه باشد. او اين كشف را در (Annalen der PHYISC) منتشر نمود و در همين اوان دريافت كه در حقيقت در مقابل پدر گرانش قرار گرفته است.

بنابر نظريه گرانش نيوتني آن چه زمين و سيارات ديگر را در مدار خورشيد قرار مي داد نيروي جاذبه بود. اما حال بياييد آزمايشي ذهني طراحي كنيم. اينشتاين تصور نمود كه اگر در منظومه خورشيدي در يك لحظه به هر دليلي ناگهان خوشيد به طور كامل از بين رود چه خواهد شد؟ پاسخ نيوتني به اين پرسش آن بود كه به محض ناپديد شدن خورشيد، زمين و سيارات از مسير مداري خارج شده و مسير مستقيم الخطي را در پيش خواهند گرفت. اما نكته اين جاست كه بنابر محاسبات مي دانيم كه نور خورشيد چيزي حدود 8 دقيقه در راه است تا به زمين برسد. پس آن چه براي ناظر زميني رخ مي دهد آن است كه ناگهان مشاهده مي كند كه نور خورشيد محو شد و زمين از مدار خارج شد. ولي اين واقعه بايد 8 دقيقه پس از آن كه خورشيد واقعا محو شده رخ دهد. اما معادلات نيوتن با استفاده از ناظر خارج از سيستم پيش بيني مي كند كه اين دو واقعه (محو خورشيد و خروج از مدار) همزمان رخ مي دهند. يعني پيش از آن كه تاريكي حاصل از محو خورشيد به زمين برسد، زمين از مدار خارج شده است. بنابراين واضح است كه لازمه صحيح بودن چنين مكانيزمي آن است كه بپذيريم گرانش با سرعتي فراتر از نور حركت مي كند.

شايد بتوان گفت كه اين چيزي بود كه اينشاتين از آن مي گريخت. تلاش او در مطالعاتش براي پاسخ گفتن به سوالاتش بود و حالا كه همه چيز درست از آب در آمده بود، نمي توانست اين تناقض را تحمل كند. پس بر آن شد تا اساس نظريه گرانش را بار ديگر بررسي كند. بررسي كه منجر به تحول بسيار عظيمي شد. اينشاتين 30 ساله شروع به يك جستجوي تك نفره براي حل اين تناقض كرد. تلاشي كه 10 سال بعد در چهل سالگي اش به بار نشست و با معرفي فضا زمان چهار بعدي و نظريه نسبيت مبتني بر تغييرات هندسه فضا-زمان، آن چه را گرانش ناميده مي شد، متحول نمود و معماي ذكر شده را به اين ترتيب توجيه كرد: مي دانيم كه نسبيت عام از انحناي فضا-زمان سخن به ميان مي آورد. نسبيت مي گويد خورشيد كه موجب انحناي-فضاي زمان اطرافش مي شود، به محض از بين رفتن، اين انحنا را به صورت موجي گسيل مي دارد كه سرعت انتشارش دقيقا برابر سرعت نور است. و به عبارتي 8 دقيقه طول مي كشد تا به زمين برسد. با رسيدن اين موج به زمين، همزمان تاريكي نيز به زمين رسيده است. كه به اين ترتيب پارادوكس حل مي شود. يعني به محض محو شدن خورشيد از ديد ناظر زميني - نه ناظر خارجي- زمين نيز از مدار خارج مي شود. {در اين جا با توجه به تاريخي بودن بحث قصد بسط نسبيت را ندارم و آن را به ساير دوستان واگذار مي نمايم. اما با توجه به اصول نسبيت به نظر هنوز اين پرسش بنيادي كه "چگونه كار مي كند؟!" پا برجاست.}

 

به هر روي در اين دوران، نسبيت معروفيت عجيبي براي اينشاتاين به بار آورد به نحوي كه به گفته برخي، به اندازه يك ستاره موسيقي نزد مردم عادي نيز شناخته شده بود.

اين كشف، ديدگاه نويني به يگانگي داد و تا حدودي باعث ايجاد رضايت خاطر اينشاتين شد. اما چيزي كه وي را به تلاش واداشته بود، همچنان راز آلود باقي مانده بود. او در پي حل معماي يگانگي بود؛ و امروز گرانشش در مقابل سه نيروي ديگر قرار گرفته بود كه بايد همه با هم يگانه مي شدند. يكي نيروي هسته اي قوي، ديگري نيروي هسته اي ضعيف و نهايتا نيروي الكترومغناطيس، كه خود چند دهه قبل تر توسط جيمز كلارك مكسول از يگانگي دو نيروي الكتريسيته و مغناطيس پديد آمده بود. گرانشي كه ظاهرا بسيار نامشابه به سه نيروي ديگر بود... .

[Mohammad Aref 120452]

دومين قسمت

 

در قسمت پيشين گفتيم اينشتاين پس از طرح ايده نوينش در زمينه گرانش به فكر يگانگي آن با الكترومغناطيس افتاد. و گفتيم كه خود الكترومغناطيس نيز مدتي قبل از نظريه اينشتاين از دو نيروي الكتريسيتنه و مغناطيس كه جدا از هم پنداشته مي شدند توسط مكسول يگانه شد. حال بد نيست سري به داستان خود الكترومغناطيس بزنيم.

در اواسط قرن 19 هم، الكتريسيته و مغناطيس توجه دانشمندان را به خود جلب كرد. اين دو نيرو به نظر مي رسيد كه به طور عجيبي با يكديگر در ارتباطند و ثمره اين ارتباط نيز توسط مخترعاني مانند سموئل مورس به بار نشست. وي دستگاه تلگراف را اختراع نمود كه پالس هاي الكتريكي توليد شده توسط يك مگنت (آهنربا) را به وسيله سيم هاي حامل جريان، به آهنربايي در فاصله هزاران مايلي مي فرستاد و نتيجه اش همان نقطه-خط هاي آشناي حروف مورس بود. در اين زمان تلگراف سيستم قابل دركي مي نمود اما پايه هاي علمي آن هنوز معما گونه بود.

در اين جا بود كه فيزيكدان اسكاتلندي جيمز كلارك مكسول (James clerk Maxwell) پا به عرصه نهاد. در نظر مكسول رابطه الكتريسيته و مغناطيس در طبيعت آن قدر آشكار و روشن مي نمود كه تنها نياز به يگانگي داشت. او اين وضوح را در رخداد پديده رعد و برق تفسير مي نمود. تصور كنيد كه با يك قطب نما در شرايط طوفاني به به ارتفاعات برويم. مي دانيم كه جريان ذرات باردار موجب ايجاد ميدان مغناطيسي مي شود و رعد و برق مي تواند چنين جرياني ر از ذرات باردار ايجاد نمايد. اگر هنگامي كه برق را در آسمان مشاهده مي كنيد به عقربه قطب نماي خود نيز نگاه كنيد، در خواهيد يافت كه عقربه شروع به حركت مي كند. درست مانند موقعي كه آهنربايي را در اطراف آن بگردانيد. تنها چيزي كه مكسول در پي آن بود، بيان همه اين ها به زبان رياضي بود. كه حاصل تلاش وي نيز به دست آوردن چهار معادله زيبا و متقارن رياضي بود كه تمام الكتريسيته و مغناطيس را در اين چهار معادله مرتبط و يگانه مي نمود. معادلاتي كه هنوز زيبايي و تقارن رياضي آن ها دانشمندان را شگفت زده مي كند.

كار مكسول مانند آن چه آيزاك نيوتن انجام داده بود، دانش بشري را براي بازگشودن راز گيتي يك گام به جلو برد و اين همواره اينشتاين را به ستايش مكسول وا مي داشت. او كار مكسول را از نقاط درخشان موفقيت هاي فيزيك مي دانست. در واقع همين انديشه نيز بود كه 50 سال بعد اينشتاين را متقاعد كرد كه مي تواند معادله كلي را به دست آورد كه با يگانه كردن گرانش با الكترومغناطيس بتواند تمامي كيهان را تشريح كند.

جيمز گيتس (J. Gates) استاد دانشگاه ماريلند، درباره اينشتاين مي گويد، او مي انديشيد كه جهان داراي يك الگوي منظم كلي، عظيم و زيباست. [در انديشه هاي اينشتاين تاكيد زيادي روي زيبايي مي بينيم و او اصرار دارد كه آن چه واصف جهان است بايد همانند خود جهان از زيبايي برخوردار باشد.] او ادامه مي دهد اگر از من بپرسيد كه چرا اينشتاين در پي يگانگي بود، من فكر مي كنم جواب اين است كه او از زمره فيزيكداناني است كه واقعا مي خواست بداند خدا چه فكر مي كند. و اين يعني تصويري كلي و كامل از گيتي.

اما اگر از اين انگيزه هاي فلسفي و زيبايي شناختي كه بگذريم، واقعيت علمي كه او را به اين كار بر مي انگيخت آن بود كه تصوير جديدش ار گرانش با اين فرض كه سرعت امواج گرانشي با سرعت نور برابر است، ممكن است نشان از همساني و تقارن عميق تر ميان اين دو نيرو داشته باشد. اما وي در اولين تلاش هايش براي تحقيق روي اين دو نيرو نظرش به اين واقعيت جلب شد كه گرانش بسيار ضعيف تر از الكترومغناطيس است. البته اين مقايسه را مي توانيم در دو مقياس ماكروسكوپيك و مايكروسكوپيك پي بگيريم. در مقياس اجرام ملموس، همين الان را كه روي زمين هستيم را در نظر بگيريد. شما مي توانيد روي دو پاي خود بايستيد! معني اين چيست؟ در واقع چرا شما به مركز زمين فروكشيده نمي شويد؟ اصلا چرا مرز بين اجسام وجود دارد؟ قطعا پاسخ آن نيرو هاي دافعه الكترومغناطيسي است. در واقع نيروي دافعه ذرات بارداد سطح كوچكي به اندازه كف پاي شما به سادگي در برابر گرانش كل ذرات زمين مقابله مي كنند. از طرفي در مقياس مايكروسكوپيك هم محاسبه ساده اي نشان مي دهد كه نسبت نيروي الكترومغناطيسي به نيروي جاذبه گرانشي ذرات باردار يعني Fe/Fg چيزي فكر مي كنم در حدود 1038 است! (البته اين محاسبه را دوباره انجام ندادم و از مقدارش مطمئن نيستم. اگر محاسبه نموديد مقدار آن را گوشزد كنيد لطفا!)

بنابر اين گرانش كه نيروي بسيار قدرتمندي به نظر مي آيد و عامل حركت كهكشان ها و در مدار قرار گرفتن سيارات و غيره است، در مقياس اتمي بسيار بسيار ضعيف و ناچيز است و حال يگانه كردن دو نيرويي كه از نظر شدت اين قدر متفاوتند براي اينشتاين به قول برايان گرين مانند "يك جنگ نابرابر" بود. ولي چيزي كه كار وي را بيش از همه تحت الشعاع قرار داد و از همه برايش بد تر بود اين بود كه اينشتاين اين تحقيقات را درست قبل ار تحولات بنيادين دنياي فيزيك آغاز كرده بود. او تا حدود 1920 با انجام يك سري بحث هاي تئوريك و در نظر گرفتن آزمايشات گوناگون عملي و نظري قواعد دنيايش را به جلو مي برد. اما در خلال سال هاي 1920 تا 1930 به مرور طبيعت جلوه جديدي از خود را آشكار مي كرد. چهره نويي كه موجب مي شد تكنيك ها و آزمايشات وي كه تا كنون اين قدر دقيق و كار آمد بودند ديگر كار گر نباشند و گره از كار او نگشايند.

اين تغيير در دنياي فيزيك و اين رونمايي از جلوه نوين طبيعت با رهبري نيلز بور (Niels Bohr)، ذهن عمده دانشمندان زمان را به خود معطوف كرده و اينشاتين را از كانون توجهات خارج نمود به طوري كه انديشه و روياي يگانگي محدود به ذهن خود وي شد. اين دوران مقارن با زمان كشف ذرات زير اتمي و بررسي برهم كنش هاي و قواعد ميانشان بود. دنيايي كه گرانش در آن بسيار ضعيف مي نمود و اصولا با وجود الكترومغناطيس نيازي به آن نبود.

اين جا بود كه نظريه راديكالي به عرصه حضور نهاد، نظريه اي كه هم بسيار عجيب بود و هم تمام ديدگاه هاي پيشين نسبت به عالم را در هم مي ريخت. اين ديدگاه مكانيك كوانتومي كيهان بود و از مهمترين دست آورد هايش كه در مقابل اينشتاين و ديدگاه دترمينيستيك او مي ايستاد، اين بود كه بر خلاف اينشتاين كه عالم را منظم و قابل پيش بيني مي دانست، سخن از قواعد احتمالات و رخ داد هاي تصادفي به ميان مي آورد و اين ديدگاه به علاوه اصل عدم قطعيت هايزنبرگ، آن چيزي بود كه بور آن را حاكم بر دنياي در مقياس اتم ها و ذرات زير اتمي مي دانست. [اندكي بررسي بيش تر اين قائله و پس زمينه هاي فلسفي آن در پست "آيا خدا تاس مي ريزد؟" از استيون هاوكينگ و ترجمه همين قلم آمده است.]

والتر لوين در مورد دنياي كوانتوم مي گويد: "قواعد دنياي كوانتوم با قوانيني كه در زندگي عادي به آن ها عادت داريم بسيار فرق مي كند. به طوري كه اگر قرار بود اين قواعد در زندگي روزمره مان حاضر شوند، فكر مي كريم كه عقل از سرمان پريده است. دنياي كوانتوم دنياي ديوانه اي است. اين بهترين توصيف براي آن است."

او ادامه مي دهد: "اگر هزاران احتمال براي رخداد پديده اي موجود باشد، مكانيك كوانتومي نمي تواند بگويد با قطعيت كه كداميك اتفاق مي افتند و در واقع تمام آن هزاران احتمال مي توانند رخ دهند. اين چيزي ست كه در نگاه اول به نظر غلط مي آيد، مانند بسياري از چيزهاي ديگر كه ابتدا در فيزيك غلط پنداشته مي شدند و سپس پذيرفته شدند. براي رد يا تاييد اين قبيل چيزها بايد بيش تر مراقب بود."

به عنوان مثال مكانيك كوانتومي تصريح مي كند كه در زندگي روزمره ما نيز مكن است اتفاقاتي رخ دهد كه از نظر ما غير ممكن است. به عنوان مثال محاسبات كوانتومي نشان مي دهند كه ما مي توانيم از يك ديواره صلب عبور كنيم! اما مقدار اين احتمال به قدري كوچك است كه گفته مي شود بايد تا بي نهايت به سوي آن ديواره حركت كنيم. اگر از معناي تا بي نهايت به سمت ديواره حركت كردن چشم بپوشيم، اين واقعه چيزي است كه هر روز و هر لحظه رخ مي دهد. در فيزيك حالت جامد پديده اي تحت عنوان تونل زني الكتورني وجود دارد. البته اطلاعات بنده در اين زمينه بسيار ناچيز است و خود مي تواند موضوع يك بحث باشد، اما تا آن جا كه بنده مي دانم، طي شرايطي در فضاي احتمالي، حالتي براي الكترون ايجاد مي شود كه مي تواند بدون تحت تاثير قرار گرفتن از نيرو هاي ساير ذرات، از مكاني به مكان ديگري منتقل شود و اين پديده در ترانزيستور ها و ساير قطعات الكترونيكي رخ مي دهد و مشاهده شده است.

ادوارد فارهي (Edward Farhi) از اساتيد دانشگاه MIT درباره مكانيك كوانتومي مي گويد: "اگر از شخص من بپرسيد كه آيا ديدگاه و مفهوم دقيق و ملموسي از دنياي كوانتوم داري، خواهم گفت خير!" و صد البته اين دقيقا مشكل اينشتاين با كوانتوم بود. اگر قدري از حيث فلسفي اين دو مقوله را بررسي كنيم، مي بينيم اينشتاين با ديدگاه نسبتا دترمينيستيك خود به جهان و قائل بودن به نظم و الگوي عمومي براي آن، نمي تواند با اين ايده ي نوين كنار بيايد. ايده اي كه خود پيشگامان آن نيز مي دانند كه حقيقتا از پس عالم بر نيامده اند. به عبارتي فلسفه پشت كوانتوم نوعي اينسترومنتاليزم (ابزارگرايي) است. به اين معنا كه تئوريسين هاي فلسفه كوانتوم در پي پاسخ گفتن به اين سوال كه "جهان دقيقا چگونه كار مي كند؟" نيستند. آن ها در پي اينند كه فقط بدانند "چگونه مي توان با آن كار كرد؟" و در واقع چگونه مي توان بر طبيعت چيره شد. البته در بطن اين كه چگونه مي توان با اين جهان كار كرد، اين پرسش و پاسخ موجود است كه اين سيستم چگونه كار مي كند و البته كوانتوم در پي اين نيز هست؛ اما برايش مهم نيست كه آن چه پاسخ مي دهد واقعا درست باشد، كافي است ايده مطروحه از پس توجيه مشاهدات ما برآيد. و اين دقيقا نقطه مقابل اينشتايني است كه مي خواست بداند "خدا چه فكر ميكند". و اين جا بود كه جمله تاريخي "خداوند هرگز تاس نمي ريزد" را به زبان آورد. اما او چه مي توانست بكند كه مكانيك كوانتومي به خطا نمي رفت، آزمايشات پي در پي درستي آن را اثبات مي كرد و در واقع فارهي مي گويد "هيچ پيش بيني كوانتوم نبوده است كه با مشاهدات متناقض باشد." و آن چه بوده و هست آن است كه مكانيك كوانتومي از يك تئوري راديكال، تبديل به ابزاري شد كه ورود به دنياي مقياس اتم ها بدون آن غير ممكن است.

به هر حال در همين اثناي فراموش شدن اينشتاين، مكانيك كوانتومي با گشودن رازهاي دنياي اتم به پيش مي رفت و در اين ميان هر چه جلوتر رفت، دانست كه الكترومغناطيس ديگر از پس دنياي زير اتمي بر نمي آيد و به دنبال چيز جديدي بود. اين جا بود كه نيروي هسته اي قوي را كشف كرد كه مانند چسبي سخت در كنار هم نگه دارنده نوكلئون هاست. اين نيرو نخستين بار طي اولين آزمايش اتمي بشر در صحراي نيومكزيكو در 16 جولاي 1945 آشكار شد. هنگامي كه بمب 50 كيلوگرمي انرژي برابر 20 هزار تن TNT آزاد كرد، تئوريسين ها از درستي معادلاتشان و ارتش امريكا از قدرت تازه به دست آمده پيش از آلمان نازي خوشحال شدند.

در همين حين نيروي هسته اي ضعيف نيز شناخته شد كه عامل راديواكتيويته است و به پروتون ها اجازه مي دهد با گسيل پرتو (گاما) به نوترون ها تبديل شوند. و اين جا بود كه در دنياي زيراتمي، گرانش به طور كلي در سايه سه نيروي جذاب ديگر خزيد و سخني از آن به ميان نيامد. اينشتاين نيز از طرف جامعه علمي روز طرد شد و خودش نيز ميلي به همكاري با آن ها نداشت چرا كه ديگر حتي مقالات آن ها را نيز نمي خواند و به طور كلي به فيزيك برآمده از كوانتوم اعتنايي نداشت. تا جايي كه استيون واينبرگ (Steven Weinberg) مي گويد" شايد اينشتاين اصلا از كشف نيروي هسته اي ضعيف بي خبر بوده است!". اما به هر حال وي هنوز تلاش داشت دور از هياهوي فيزيك كوانتوم معماي يگانگي اش را به پيش ببرد، اما بالاخره با مرگش در 19 آوريل 1955 سوداي يگانگي او نيز به فراموشي سپرده شد.

حال دنيايي مانده بود با دو مجموعه قوانين كه گويي مانند دو خانواده اي هستند كه زير يك سقف زندگي مي كنند، اما براي هميشه با هم قهرند! اين قوانين به نحوي هستند كه اگر از يك سو معادلات نسبيتي يك پديده و از سويي معادلات كوانتومي آن را برابر قرار دهيم، احتمالات بي نهايتي به دست مي آيند كه در اين جهان كاملا بي معني و گنگند. ادوارد ويتن (Edward Witten)، عضو موسسه مطالعات پيشرفته امريكا كه سرآمد تئوري ابر ريسمان هاست درباره اين دو مجموعه قوانين مي گويد: "درست است كه معادلات نسبيتي رفتار اجرام پر جرم و معادلات كوانتومي اجرام بسيار كوچك را بررسي مي كنند؛ اما به هر حال اين ها همه يك عالمند و نمي شود كيهان اين طور دوگانه رفتار كند."

به هر حال اين ها در حالت كلي مشكلي ندارند، چراكه يكي به اتم مي پرداخت و يكي به اجرام بسيار پرجرم. مشكل در جاهايي بروز مي كند كه هردو ويژگي را همزمان داشته باشند. و مثالي از اين شرايط تكينگي (Singularity) يك سياهچاله است كه هم بسيار بسيار كوچك است و هم بسيار بسيار پرجرم. حال سوال اين است كه اين جا بايد از نسبيت كمك گرفت يا كوانتوم؟ طبعا نياز به مجموعه اي از هردوشان داريم، مجموعه آميخته اي كه حاصل آن در معادلات ما فجايع كيهاني است!

و از اين جا به بعد است كه ريسمان ها جلوه گري مي كنند و اميد هاي تازه اي براي دانشمندان براي زنده كردن دوباره روياي يگانگي پديد مي آورند. ان شاالله در قسمت بعدي شروع به پرداختن به خود ريسمان ها خواهيم كرد...

[Mohammad Aref 120452]

در دو قسمت پيشين تا آن جا پيش آمديم كه دانستيم دنيايي در پيش رو داريم با دو دسته قوانين مختلف و ناسازگار كه هنگامي كه معادلات وقايع يكسان را بر حسب اين دو دسته قوانين مي نويسيم و برابر قرار مي دهيم فجايعي (!) به وقوع مي پيوندد. از سويي نيز با پديده هايي مانند سياهچاله ها روبه روييم كه از لحاظ جرم و چگالي نيازمند معادلات نسبيتي، و از لحاظ اندازه و سايز نيازمند معادلات كوانتومي هستند. حال به بررسي آن خواهيم پرداخت كه نظريه نسبتا نو ظهور ريسمان ها با چه تاريخچه اي آمده است و چه مي گويد. پس براي شروع، سخن ادوارد ويتن (E. Witten) را ياد آوري مي كنم كه گفت : "درست است كه كوانتوم رفتار بسياركوچك ها را مانند اتم ها و ذرات زير اتمي را بررسي مي كند و نسبيت رفتار بسيار بزررگ ها مانند ستارگان و كهكشان ها را، اما به هر حال چه اتم و چه كهكشان، همه عضو يك كيهان هستند؛ پس بايد چيزي باشد كه جوابگوي هر دوي اين ها باشد. و اين انديشه اي است كه در سر مرد در جه يك امروز ريسمان است.

همان طور كه پيش تر نيز آمد، اساسي ترين ايده اي كه پشت نظريه ريسمان است آن است كه ماده در بنيادي ترين حالتش از ريسمان هايي از انرژي خالص ساخته شده اند كه مي توانند به حالت هاي گوناگوني نوسان و حركت كنند. حركت در راستا هايي كه براي ماده آشناي ما مقدور نيست. و دانستيم با اين كه تا كنون هيچ اثبات تجربي بر درستي اين نظريه صحه نگذاشته است، اما سطح دانش بشري از طبيعت اطرافش را به مراتب فراتر برده است. و در واقع اساسي ترين چالش ريسمان ها نيز همين جاست. نظريه ريسمان پيش بيني مي كند كه مقياس اين ريسمان ها آن قدر كوچك است كه احتمالا هرگز رويت نخواهند شد و به عبارتي ريسمان از طراحي هر گونه آزمايش تجربي كه مستقيما به اثباتش منجر شود باز مي ماند و اين جاست كه برخي شبهه مي كننده كه اساسا آيا اين فيزيك است يا فلسفه؟! تا جايي كه گلاشو (S.L Glashow) برنده جايز نوبل اشتراكي سال 1979 رسما مي گويد: "ما از يك سو تئوري پرداز هاي ريسمان را داريم و از سوي ديگر فيزيكدانان را. آن ها [ريسماني ها] روي پرسش هايي متمركز شده اند كه تجربه و آزمايش نمي توانند آن ها را پاسخ دهد. آن ها اين گفته مرا رد خواهند كرد؛ اما نظريه شان بخشي از فيزيك است كه هيچ يك از پيش بيني هايش را نمي توان در آزمايشگاه يا توسط رصد هاي فضايي اثبات كرد. من همواره بر اين اعتقاد بوده ام كه فيزيك يك دنش تجربي است و با اطلاعات برآمده از آزمايشات و يا رصد هاي فضايي سر و كار دارد."

به هر روي مي پردازيم به تاريخچه ظهور ريسمان. اواخر سال 1968 فيزيكدان ايتاليايي جوان گابريل ونتسيانو (G. Veneziano) به دنبال معادلاتي بود كه بتواند رفتار نيروي هسته اي قوي را توصيف كند. آن گونه كه داستان نقل مي شود، در يك كتاب خاك گرفته تاريخ رياضيات به يك سري معادلات برخورد مي كند كه لئونارد اويلر (L. Euler) 200 سال پيش نگاشته بود. اين معادلات كه در واقع معادلات تابع گاماي اويلر بودند، تا آن زمان تنها به عنوان رياضيات محض به آن ها نگاه مي شد. اما ونتسيانو در مي يابد كه اين معادلات در واقع نيروي هسته اي قوي را توصيف مي كنند و سريعا اقدام به نگارش مقاله اي مي كند كه براي او شهرتي به بار مي آورد كه ثمره يك كشف تصادفي است. و دقيقا از همين جاست كه ريسمان متولد مي شود.

معادلات اويلر ميان دانشجويان دست به دست مي گردد تا اين كه به دست فيزيكدان جوان امريكايي لئونارد ساسكيند (L. Susskind) مي رسد. خود او نقل مي كند كه در آن زمان وقتي با معادله روبرو شدم، گفتم: "اين كه خيل ساده است! حتي من هم مي فهمم چه مي گويد." و از اين جا بود كه او دوماه بي وقفه روي اين معادلات كار كرد و اولين چيزي كه نظرش را جلب كرد اين بود كه اين معادلات در واقع چيزي را توصيف مي كنند كه مانند يك ريسمان بود و مي توانست جركت و نوسان كند و پيچ و تاب بخورد و حتي كش بيايد! و به عبارتي فقط يكي ذره نقطه اي (point particle) نبود. او مي گويد: "در آن زمان مطمئن بودم كه تنها كسي هستم كه در جهان از اين موضوع اطلاع دارد و بنابريم مقاله اي در اين باره نوشتم و آن را براي چاپ به هيئت تحريريه مجله معتبري پست كردم. انتظارم اين بود كه آن ها جواب بدهند كه ساسكيند يك اينشتاين ديگر يا اصلا نيوتوني ديگر است! اما پاسخ هيئت تحريريه آن بود كه اين مقاله خيلي خوب نيست و احتمالا بهتر است چاپ نشود. كه سرانجامش افسردگي شديدي براي من بود."

به هر روي آن چا تا آن زمان مرسوم بود اين بود كه دانشمندان ذرات را به صورت نقطه در نظر مي گرفتند نه ريسمان و رفتارشان را از طريق خرد كردن آن ها با برخورد دادنشان با يكديگر و مطالعه سيلي از ذرات توليد شده از تصادم آن ها بررسي مي كردند. كه ثمره اين بررسي آن بود كه بار ديگر به دانشمندان اثبات شد كه جهان از آن چه مي انديشيدند پيچيده تر است. اين زمان كه از آن صحبت مي كنيم برابر دوره اي است كه هر ماه ذره بنيادي جديدي كشف مي شد و در واقع تمام ذرات rho, B1, B2, Fi, Omega, Sigma و ... [كه البته آن ها را با حروف يوناني نشان مي دهند] در اين زمان كشف شدند به طوري كه گلاشو از آن به عنوان انفجار جمعيت ذرات بنيادي ياد مي كند. از اين دوره اما آن چه براي مهم است آن است كه در اين زمان تنها كورسوي اميد ريسمان به تاري گراييد و در سايه اين رخداد هاي هيجان انگيز جديد فيزيك ذرات بنيادي فرو رفت.

در همين احوال بود كه بنيادي كاران ايده عجيبي ارائه دادند. آن ها مدعي شدند كه براي نيرو ها نيز مي توان ذره بنيادي در نظر گرفت و به اين ذره ها نام "ذره پيام رسان" (Messenger particle) اطلاق كردند و به عنوان مثال فوتون را ذره پيام رسان الكترومغناطيس دانستند. براي درك اين مدل ذره - نيرو مي توان دو بازيكن پينگ-پنگ را به عنوان دو ذره ماده در نظر گرفت. در اين حالت توپي كه ميان آن ها رد و بدل مي شود ذره پيام رسان ماده است. و هر چقدر تعداد اين توپ هايي كه ميان دو بازيكن رد و بدل مي شود بيش تر باشد، شدت نيروي ميان آن ها نيز بيش تر خواهد بود.

حال بايد چهار ذره بنيادي براي چهار نيروي الكترومغناطيس، هسته قوي، هسته اي ضعيف و گرانش داشته باشيم. در واقع دانشمندان نيز براي سه نيروي كوانتومي سه ذره قائل شدند و به اين ترتيب هر چند گرانش ناديده گرفته شد، اما در وضع كلي دانشمندان گامي به سمت روياي يگانگي اينشتاين نزديك تر شدند. بنيادي كاران بر اين عقيده شدند كه اگر ما فيلم نمايش كيهاني را به ابتدايي ترين لحظاتش پس از بيگ بنگ باز گردانيم، هنگامي كه دما فوق العاده بالا و ماده بسيار چگال است، ذرات پيام رسان دو نيروي الكترومغناطيس و هسته اي ضعيف از هم غير قابل تشخيص خواهند شد و درست همان طور كه قطعات يخ در هواي گرم به آب تبديل مي شوند، نيروي هسته اي ضعيف و الكترومغناطيس نيز در آن دما در يكديگر ذوب شده و نيروي الكتروضعيف (Electroweak) را تشكيل مي دهند. و از اين هم فراتر فيزيكدانان بر اين باور شدند كه اگر باز هم در اين بازگشتمان به ابتداي زمان بيش تر به عقب بازگرديم، مي توانيم نيروي هسته اي قوي را نيز با الكتروضعيف يگانه كنيم و البته آزمايشات نيز مويد اين فرض شدند و در نتيجه يك ابرنيرو براي توصيف كل دنياي زير اتمي توسط مكانيك كوانتومي شكل گرفت.

گلاشو و استيون واينبرگ (S. Weinberg) در اين زمينه مي گويند: "در اين زمان ما نظريه اي داشتيم [همين ابر نيروي ذكر شده] كه مي توانست تمام برهم كنش هاي ميان ذرات بنيادي را در قالب سه نيرويي كه قبلا مي شناختيم به يك زبان واحد بيان كند. و اين كه همه چيز به سمت يك تصوير واحد از ذرات و رفتار آن ها همگرا بود ها همه مفهومي در بر داشت." مفهومي كه توسط گلاشو، عبدالسلام و واينبرگ، تحت عنوان "مدل استاندارد ذرات بنادي" (Standard model of elementary particle) معرفي شد و جايزه نوبل سال 1979 را براي آن ها به ارمغان آورد. اما با وجود موفقيت بزرگي كه مدل استاندارد ذرات در مورد دنياي بسيار كوچك ها داشت، متاسفانه نيروي دير آشناي بشر را، گرانش را، در برنمي گرفت.

همان طور كه بيان شد در اين زمان نظريه ريسمان كاملا به فراموشي سپرده شد به طوري كه ونتسانو در اين باره مي گويد: "نظريه جذابيتش را براي ديگران از دست داده بود و آن ها مي گفتند بله نظريه بسيار زيبايي است اما چه فايده كه نمي تواند كاري با طبيعت بكند!" اما جيمز گيتس (J. Gates) اضافه مي كند: "اين نظريه توسط جامعه علمي جدي گرفته نشد، اما پيش آهنگان نخستين آن، گويي واقعيت را بو مي كشيدند و دست از تلاش بر نداشتند."

و البته تلاش واقعا طاقت فرسايي بوده است. چرا كه آنان هر چه بيش تر تلاش مي كردند، مشكلات بزرگتري نيز خودنمايي مي كردند. مثلا معادلات نظريه يك ذره بدون جرم را پيش بيني مي كردند و يا وجود ذره اي را كه سريع تر از نور حركت كي كرد و از همه بدتر آن كه نظريه نياز به 10 بعد داشت كه وضوح بسيار آزار دهنده بود.

در سال 1973 ديگر عده معدودي از فيزيكدانان جوان هنوز در حال كشتي گرفتن با معادلات عجيب و غريب ريسمان بودند كه يكي از آن ها جان شوارتز (J. Schwartz) بود كه در پي يافتن و رفع ايردات ريسمان بود. در اين ميان او بيش از همه روي ذره بودن جرم (massless particle) و ناسازگاري رياضي (mathematical anomaly) نظريه متمركز بود. ناسازگاري يا بي قاعدگي رياضي هنگامي بروز مي كند كه به عنوان مثال معادلات مختلف يك پديده كه بايد با هم نتيجه باشند، نتايج مختلف بدهند. مثلا اگر از يك سو x=1 و از سويي x=2 ظاهر شود، در مي يابيم كه يك جاي كار نظريه مي لنگد!

جان شوارتز به مدت چهار سال مشغول سروكله زدن با اين معادلات بود و سعي مي كرد كه با جابجا كردن آن ها يا تغيير نوع تركيب شدنشان به نتيجه با مفهومي برسد. اين بي تنيجه ماندن ها، در يك آن تبديل به جرقه اي در ذهن شوارتز شد و او انديشيد كه ممكن است اين معادله مشكل دار(!) در واقع توصيف كننده گرانش باشد!

جان شوارتز مي گويد: "تا آن زمان گرانش را در نظر داشتيم اما اين ديدگاه نويني بود كه ما در واقع داريم روي يك نظريه گرانش كار مي كنيم. و البته اين تغيير موضع باعث شد تا انديشه جديدي نسبت به اندازه خود ريسمان ها حاصل شود و آن ها را هزاران ميليارد بار كوچك تر از اتم ها در نظر بگيريم." [امروزه اين طور مشابه سازي مي شود كه اگر فضاي يك اتم را به اندازه منظومه خورشيدي در نظر بگيريم، اندازه يك تك ريسمان به اندازه يك درخت خواهد بود.] اما آن چه معادلات شوارتز به صورت ذره بي جرم به دست داده بودند، حال به نظر مي رسيد ذره جديدي به نام گراويتون (graviton) باشد كه ذره پيام رسان نيروي گرانش در مقياس كوانتومي است. به عبارت صريح تر، نظريه ريسمان توانسته بود بخش گم شده پازل مدل استاندارد ذرات، گرانش را، پيدا كند.

در اين برهه شوارتز مقاله اي تدوين كرد و در آن توضيح داد كه گرانش در مقياس كوانتومي چگونه عمل مي كند. او مي گويد: "به نظر ما بسيار واضح بود كه ما درست مي گوييم. اما هيچ عكس العمل خاصي از طرف جامعه علمي بروز نكرد." و بنابر اين بار ديگر نظريه ريسمان به درب بسته اي برخورد كرد. اما جان شوارتز از معركه نگريخت و مطئن بود كه ريسمان مي تواند گرانش را در سطح كوانتومي تفسير كند و در واقع اين را كليد گشايش رمز يگانگي آن با سه نيروي ديگر مي دانست. در اين جا بود كه با يكي از معدود دانشمندان ديگري كه روي ريسمان كار مي كرد، مايكل گرين (M. Green) همراه شد. گرين مي گويد: "من فكر مي كنم كه ما در نهادمان اين اطمينان را داشتيم كه نظريه ريسمان قطعا صحيح است." اما به هر حال علي رغم اطمينان گرين در اوايل 1980 آن ها با اين واقعيت روبرو بودند كه نظريه شان احتمالا ناسازگاري رياضي دارد.

اين دو مرد بسيار جالبند، مانند اينشتاين كه بر روي عقيده اش بسيار پافشاري مي كرد، شوارتز مي گويد: "من بدون هيچ دليل درستي معتقد بودم كه نظريه بايد عادري از ناسازگاري باشد." و او تمام تلاشش را مي كند تا اين را اثبات كند. پس تصميم به انجام محاسبه اي حياتي گرفتند كه اگر از دو سو به مقادير برابري مي رسيد، اثبات مي شد كه نظريه فاقد ناسازگاري است.

يك شب تابساتي 1985، جان شوارتز و مايكل گرين پاي يك تخته سياه ايستاده اند و نظاره گر معادلاتي هستند كه به طرز شگفت آوري محاسباتشان را به حل يك معادله تقليل مي دهد. آن ها از يك سوي تخته به مقدار n=496 دست مي يابند و فقط كافي است به همين عدد در سوي ديگر تخته برسند تا همه چيز درست از آب درآيد... . مايكل گرين آن لحظات را زيبا نقل مي كند: "دقيقا آن لحظاتي را كه هر دو پاي تخته ايستاده بوديم و به دنبال اين بوديم كه اين دو مقدار دقيقا برابر در آيند در خاطر داريم. در آن لحظات هوا بسيار طوفاني بود و رعد و برق هاي ترسناكي زده مي شد. من به شوخي به جان شوارتز گفتم كه اين ها نشانه اين است كه ما بسيار نزديك شده ايم و خداوند مي خواهد ما را از ادامه محاسباتمان باز دارد. (!!) " اما در واقع آن دو مقدار برابر شدند و n=496 در سوي ديگر تخته ظاهر شد. كه معنايش آن بود كه نظريه نه تنها ناسازگاري راضي ندارد، بلكه ژرفاي رياضياتي دارد كه به توصيف هر چهار نيرو مي پردازد.

و اين جا بود كه بار ديگر مقاله نگارش شد، مقاله اي كه اين بار واكنش "انفجاري" جامعه علمي را در پي داشت. واكنشي كه باعث شد تعداد كساني كه روي ريسمان كار مي كنند از تعداد انگشتان دست، ظرف يك سال به صدها نفر برسد. گرين مي گويد: "تا آن زمان طولاني ترين سخنراني كه داشتم 5 دقيقه بود! اما به يك آن از سراسر دنيا دعوت نامه هايي براي ارائه سخنراني به من رسيد." و در اين جا بود كه نظريه ريسمان نام نظريه همه چيز (The theory of everything) به خود گرفت... .

ادامه خواهد داشت به لطف پروردگار...