نظریه ریسمان
در فیزیک، نظریه ریسمان یک چهارچوب نظری فراهم می‌آورد که در آن ذرات نقطه‌ای فیزیک ذرات با اشیاء یک بعدی به نام ریسمان‌ها جایگزین شده‌اند. این نظریه به توصیف این می‌پردازد که چگونه ریسمان‌ها در فضا منتشر شده و با همدیگر برهم‌کنش می‌کنند. در مقیاس های بزرگتر از ابعاد ریسمان‌ها، ریسمان‌ها شبیه ذرات نقطه‌ای هستند که جرم، بار، و دیگر خواص آنها توسط وضعیت ارتعاشی هر ریسمان مشخص می‌شود. در نظریه ریسمان، یکی از حالت های متعدد ارتعاشی متناظر با گراویتون است؛ ذره ای در مکانیک کوانتومی که نیروی گرانش را حمل می‌کند. لذا نظریه ریسمان به نوعی نظریه گرانشی کوانتوم هم می‌باشد.
نظریه ریسمان موضوع گسترده و متنوعی است که تلاش دارد تا تعدادی از مسائل عمیق فیزیک بنیادی را حل کند. نظریه ریسمان برای مسائل متعددی در فیزیک سیاهچاله و کیهان شناسی اولیه جهان اعمال شده و موجب پیشرفت های عمده‌ای در ریاضیات محض گردیده است. به علت این که نظریه ریسمان توضیح یکپارچه‌ای از گرانش و فیزیک ذرات ارائه می دهد، کاندیدی برای نظریه همه چیز است؛ مدل ریاضیاتی خود-بسنده که تمام نیروهای بنیادی و اشکال مختلف ماده را توصیف می‌کند. با وجود کارهای زیادی که روی این مسائل انجام شده است، هنوز مشخص نیست که نظریه ریسمان تا چه حد توصیف‌گر جهان واقعی است یا این که اصولاً این نظریه تا چه میزان آزادی عمل در انتخاب جزئیاتش را می‌دهد.
نظریه ریسمان اولین بار در اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی به عنوان نظریه‌ای برای نیروی هسته ای قوی مورد مطالعه قرار می‌گرفت، تا این که این ایده رها شده و پس از آن به هدف کرومودینامیک کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفت. سپس مشخص شد که دقیقاً همان ویژگی هایی که مطالعه نظریه ریسمان‌ها را به عنوان نظریه ای برای نیروی قوی هسته‌ای نامناسب می‌ساخت، آن را کاندید امیدوار کننده‌ای برای نظریه گرانش کوانتومی می‌کند. اولین نسخه های نظریه ریسمان، یعنی نظریه ریسمان بوزونی، تنها ذره هایی به نام بوزون ها را به کار می‌گرفت. بعدها نظریه ریسمان به نظریه ابر ریسمان گسترش پیدا کرد، که رابطه ابرتقارنی بین بوزون ها و دسته ای دیگر از ذرات به نام فرمیونها را فرض قرار می‌داد. قبل از این که در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی حدسی زده شود مبنی بر این که تمام نسخه های نظریه ریسمان حالت‌های محدودتری از نظریه ریسمان ۱۱ بعدی، به نام نظریه M است، پنج نسخه سازگار از نظریه ریسمان‌ها وجود داشت. در اواخر ۱۹۹۷ میلادی، نظریه پردازان رابطه مهمی به نام تناظر AdS/CFT را کشف کردند، که نظریه ریسمان‌ها را به دیگر نظریه فیزیکی به نام نظریه میدان های کوانتومی مرتبط می‌ساخت.
یکی از چالش های نظریه ریسمان این است که کل نظریه تعریفی که در تمام شرایط ارضاء کننده باشد را ندارد. یکی دیگر از مشکلات این است که به نظر می رسد این نظریه طیف گسترده ای از جهان های ممکن را توصیف می کند، و این مسئله تلاش برای توسعه نظریه فیزیک ذرات بر اساس نظریه ریسمان ها را به امری غامض و پیچیده تبدیل ساخته است.
نظریه ریسمان تاکنون نتوانسته است پدیده ای که امکان پیش بینی ان وجود داشته باشد را پیش بینی کند. آخرین آزمایش های شتابدهنده سرن (LHC) وجود هرگونه ذرات فرضی که مدل ابرتقارن آن را پیش بینی می کند را رد می کند.
در سده بیستم، دو چارچوب نظری برای فرموله بندی قوانین فیزیکی ظهور پیدا کردند. اولین آن ها نظریه نسبیت عام انیشتین بود، نظریه ای که نیروی گرانش و ساختار فضا-زمان را توصیف کرد. دیگری مکانیک کوانتومی بود، یک فرموله بندی کاملاً متفاوت برای توصیف پدیده های فیزیکی که از اصول شناخته شده ی احتمالاتی استفاده می کرد. تا پایان دهه ۱۹۷۰، این دو چارچوب باید خود را از نظر توصیفی راضی کننده برای بسیاری از ویژگی های مشاهده شده در جهان، از ذرات بنیادی گرفته تا اتم ها تا تکامل ستاره ها و کل جهان، اثبات می کردند.
با وجود چنین موفقیت هایی، هنوز مسائل بسیاری حل نشده باقی مانده اند. یکی از عمیق ترین مسائل در فیزیک مدرن، مسئله گرانش کوانتومی است. نظریه نسبیت عام در چارچوب فیزیک کلاسیک فرموله شده، در حالی که نیروهای بنیادی در چارچوب مکانی کوانتومی توصیف شده است. به منظور یکی سازی نسبیت عام با اصول مکانیک کوانتومی، نیاز به یک نظریه کوانتومی از گرانش است، اما زمانی که تلاش برای اعمال نسخه های رایج نظریه کوانتوم به میدان گرانش انجام می شود، مشکلاتی ظهور پیدا می کند. علاوه بر مسئله توسعه یک نظریه سازگار با گرانش کوانتومی، مسائل بنیادین متعدد دیگری در فیزیک هسته اتم ها، سیاه چاله ها و ابتدای جهان وجود دارند.
نظریه ریسمان ها یک چارچوب نظریست که تلاش برای حل این مسائل و دیگر مسائل می کند. نقطه آغاز نظریه ریسمان ایده ذرات نقطه مانند در فیزیک ذرات است، که می توان آن را به صورت اشیاء تک بعدی به نام ریسمان ها مدل کرد. نظریه ریسمان ها به توصیف چگونگی نشر ریسمان ها در فضا و برهمکنششان با هم دیگر می پردازد. در نسخه ای از نظریه ریسمان، تنها یک نوع ریسمان وجود دارد، که ممکن است شبیه یک حلقه کوچک، یا تکه ای از ریسمان معمولی باشد، و می تواند به طرق مختلف به ارتعاش در آید. در مقیاس های بزرگتر از ابعاد ریسمان، یک ریسمان صرفاً شبیه یک ذره عادی با همان جرم و بار الکتریکی و دیگر خواص می‌باشد که این خواص توسط ارتعاش ریسمان ها تعیین می گردند. در نظریه ریسمان، یکی از وضعیت های ارتعاشی رسیمان منجر به تولید گراویتون ها، ذرات مکانیک کوانتومی حامل گرانش، می گردد. لذا نظریه ریسمان نوعی نظریه گرانش کوانتومی محسوب می گردد.
یکی از پیشرفت های عمده در چندین دهه اخیر در نظریه ریسمان ها کشف برخی "دوگان" ها بوده است، یعنی تبدیلات ریاضیاتی که یک نظریه فیزیکی را به نظریه ای دیگر تبدیل می کند. فیزیکدان هایی که بر روی نظریه ریسمان ها مطالعه می کنند، تعدادی از این دوگان ها را بین نسخه های مختلف نظریه ریسمان یافته اند، و این منجر به این حدس شده است که تمام نسخه های سازگاری نظریه ریسمان ها در یک چارچوب به نام نظریه M می گنجند.
همچنین مطالعات در نظریه ریسمان ها منجر به نتایجی در مورد طبیعت سیاهچاله ها و برهمکنش های گرانشی شده است. هنگامی که تلاش برای فهم جنبه های کوانتومی سیاهچاله ها صورت می گیرد، تناقضاتی بروز می کنند، کار هایی در حال انجام است تا این مسائل را رفع کند. در اواخر ۱۹۹۷ میلادی، این خط کاری منجر به کشف تناظر آنتی دو سیتر/نظریه میدان همدیس یا AdS/CFT گشته است. این نظریه، نظریه ریسمان ها را با دیگر نظریات فیزیکی قابل فهم تر مرتبط ساخته و در دیگر موضوعات شامل فیزیک ماده چگال و فیزیک هسته ای نیز به کار رفته است.
به‌طور سنتی فضایی که ریسمان‌ها در آن در نظر گرفته می‌شوند، بیست و شش بُعدی است. عدد بیست و شش از روی ضوابط ریاضی و نظریهٔ گروه‌ها (برای حفظ هموردایی لورنتز) به دست می‌آید. این بعدهای اضافی برخلاف چهار بعد دیگر کوچک و نیز فشرده هستند. فشرده یعنی آنکه اگر در جهت آن‌ها به اندازهٔ کافی پیش‌روی کنید به جای اول خود بازمی‌گردید. کوچک بودن هم معنایش اینست که برای آنکه به جای نخست بازگردید باید مسافت خیلی کمی را طی کنید.
برای نمونه یک لولهٔ بینهایت دراز را در نظر بگیرید. سطح این لوله مسلماً دوبعدی است. یعنی مورچه‌ای که روی سطح این لوله قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. فرض کنید که سر مورچه در راستای طول لوله‌است. مورچه می‌تواند یا عقب-جلو برود یا چپ-و-راست. اما اگر به‌فرض این مورچه به اندازهٔ کافی (یعنی به اندازهٔ محیط لوله) در جهت چپ حرکت کند به جای اول خود بازمی‌گردد اما قضیه در مورد عقب جلو رفتن صدق نمی‌کند. پس یکی از بعدهای این فضای دوبعدی (یعنی یکی از بعدهای سطح لوله) فشرده و یکی نافشرده است.
اینک فرض کنید که این مورچه روی یک توپ قرار دارد. باز هم می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند منتهی این‌بار در هر جهتی روی سطح کره مستقیم حرکت کند، پس از طی مسافتی (برابر با محیط دایرهٔ عظیمهٔ کره) به جای نخست بازمی‌گردد. پس این بار هر دو بعد این فضای دوبعدی (یعنی سطح توپ) فشرده‌است.
بازگردیم به فضای دوبعدی سطح لوله. این بار فرض کنید که محیط این لوله خیلی کم باشد یا مثلاً به جای لوله یک کابل برق داشته‌باشیم. برای مورچه (اگر به اندازهٔ کافی کوچک باشد) این کابل هنوز یک سطح دو بعدی است یعنی وقتی که روی سطح کابل قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. اما برای ما انسان‌ها کابل برق یک شی یک بعدی محسوب می‌شود چون فقط درازای آن قابل درک است.
حالتی بسیار شبیه به این در مورد این بعدهای اضافه در نظریه ریسمان رخ می‌دهد. به این معنی که ما به خاطر اندازهٔ بزرگ خود از درک این ابعاد اضافی عاجز هستیم اما این ابعاد برای بعضی از ذره‌ها با انرژی زیاد قابل دسترسی است.
باید گفت که چندین نظریه ریسمان وجود دارد. اما تنها تعداد کمی از آن‌ها می‌توانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریهٔ ریسمانی که در طیف ذراتش (یعنی در حالت‌های مختلف نوسانی‌اش) ذره‌ای دارد که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند نمی‌تواند مدل خوبی از طبیعت باشد. چون به سرعت بیشتر از سرعت نور اشاره دارد که درکش سخت‌تر است اما حتی نظریه‌های ریسمانی که مدل خوبی از طبیعت نیستند می‌توانند به فهم فیزیکدانان از این نظریه و نظریه‌هایی که می‌توانند به فهم طبیعت کمک کنند.
به‌طور کلی دو گونه نظریه ریسمان وجود دارد:
نخستین و ساده‌ترین گونهٔ نظریهٔ ریسمان است. به‌طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متأسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذره‌ای که سریعتر از نور حرکت می‌کند) وجود دارد بنابراین نمی‌تواند مدلی از طبیعت باشد. همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در [مکانیک آماری]) پیروی می‌کند بنابراین به‌طور طبیعی نمی‌تواند توصیف‌گر ذراتی مثل الکترون باشد. البته این نظریه در توصیف ذرات میدانی مانند گراویتون‌ها و فوتون‌ها موفق است.
با استفاده از فرض ابرتقارن (یعنی در مقابل هر ذره بوزی ذره‌ای فرمیی داریم) گونه‌ای نظریه است که قابلیت آن را دارد که توصیف‌گر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان غالباً ده است. در حال حاضر پنج نظریهٔ ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. این پنج نظریه شامل گونهٔ I، IIA IIB و دو نظریهٔ ابرریسمان دیگر که به هتروتیک معروف‌اند می‌شود.
مفهوم دیگری که به نظریه ریسمان ها ارتباط دارد، بحث D-برین است. D-برینها اشیایی هستند که دو سر ریسمان‌های باز روی آن‌ها می‌لغزند. این اشیاء می‌توانند صفر-بعدی تا تعداد ابعاد-فضایی (غیر زمانی)-بعدی باشند. به D1-غشاءٔ دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر «پوسته» یا D2-برین می‌گویند. D1-برین خود به شکل ریسمان است. به همین منوال می‌توانیم D0-برین، D1-برین و… داشته باشیم. حرف «D» که در ابتدای این کلمه‌ها می‌آید حرف اول نام دیریکله است؛
در سال‌های اخیر D-برین‌ها اهمیت فزاینده‌ای یافته‌اند. یعنی اهمیت آن‌ها دیگر فقط به خاطر این نیست که دو سر ریسمان‌ها روی آن‌ها می‌لغزد. مثلاً با چیدن D-برین‌ها در فضا و از این رو محدود کردن جاهایی که ریسمان می‌تواند آغاز یا پایان یابد، می‌توان نظریه‌های پیمانه‌ای مختلف ایجاد کرد. همچنین می‌توان کنش توصیف‌کنندهٔ یک D-برین را نوشت.
در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن و دیگران ثابت کردند که پنج نظریهٔ ابرریسمان موجود بی‌ارتباط به هم نیستند و با گونه‌ای روابط دوگانی به هم مربوط می‌شوند. او نشان داد که این پنج نظریه در واقع پنج جلوه گوناگون از یک نظریهٔ مادر و بزرگ‌تر هستند. یعنی این نظریهٔ مادر که آن را نظریه-ام نام نهادند در شرایط خاص به هر یک از این پنج نظریه تقلیل می‌یابد (بسته به شرایط به نظریه‌های مختلف). عموماً از این واقعه با عنوان "انقلاب دوم ابرریسمان" یاد می‌شود.
هرچه هست هم‌اکنون بسیاری از فیزیکدانان به دنبال کشف و درک نظریه-ام هستند. احتمالاً یافتن نظریه-ام از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر خواهد بود زیرا این نظریه قادر خواهد بود تمام دنیا را در بنیادین‌ترین حالت توصیف کند.
باید توجه داشت که نظریهٔ ریسمان (و به تبع آن نظریه-ام)، نظریه‌ای فاقد پارامتر آزاد است. یعنی جایی برای تنظیم پارامترها به کمک آزمایش باقی نمی‌گذارد. به بیان روشن‌تر خواص تمام ذرات باید از روی معادلات ریاضی درآورده شود؛ بنابراین مثلاً این نظریه باید بگوید چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپین آن یک‌دوم و چرا بار الکتریکی آن بهمان مقداری است.
نظریه ریسمان اولین بار برای توضیح نیروی بین‌هسته‌ای قوی پیشنهاد شد. لیکن معلوم شد که مدل کرومودینامیک کوانتومی (QCD) که اینک بخشی از مدل استاندارداست در توضیح این پدیده بسیار موفق‌تر است. طبیعتاً نظریهٔ ریسمان به نفع کرومودینامیک کوانتوم وانهاده شد.
بعدها نظریهٔ ریسمان به عنوان یک تئوری نامتناقض گرانش کوانتومی از نو توسط فاینمن و گرین و شوارتز مطرح شد. این‌بار اندازه و مقیاس ریسمان‌ها بسیار کوچک‌تر از آنِ ریسمان‌های توضیح‌دهندهٔ نیروی ضعیف در نظر گرفته شد. به این احیای مجدد نظریهٔ ریسمان اصطلاحاً "انقلاب نخست ابرریسمان" گفته می‌شود. پیشوند "ابر" در ابتدای کلمهٔ "ریسمان" به این دلیل آمده‌است که برای داشتن یک نظریهٔ ریسمان فاقد تناقض و همچنین امکان داشتن ریسمان‌های فرمیونی (که در نهایت به توضیح خواص ذرات فرمیونی خواهد پرداخت)، نیاز به معرفی یک تقارن جدید موسوم به "ابرتقارن" در کنش ریسمان داریم. به این موضوع پیشتر اشارهٔ گذرایی شد. به هرحال چنان‌که پیشتر اشاره شد تنها پنج نظریهٔ ریسمان نامتناقض داریم؛ و این سؤال هم مطرح بود که کدام یک از این نظریه‌ها توصیف‌گر طبیعت‌اند.