نظریه ریسمان به زبان ساده

یکی از این اسرار حل‌نشده در فیزیک عدم همخوانی نظریه نسبیت عام با مکانیک کوانتوم است. با این حال، هر دوی این نظریات درست هستند و درستی آن‌ها بارها به اثبات رسیده است. نظریه‌ای به نام نظریه ریسمان تونسته این دو نظریه را به هم ربط داده و بخش‌هایی که قبلاً در آن‌ها ناشناخته بود به خوبی توضیح دهد، هرچند خود به پیچیدگی‌های جدیدی دامن زده است.

ذرات زیراتمی به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شن. الکترون‌ها، کوارک‌ها و نوترینوها. این ذرات در جهان حرکت می‌کنند و با استفاده از ذرات دیگر با هم ارتباط برقرار می‌کند. برای مثال نیروی الکترومغناطیس هنگامی ایجاد می‌شود که بین ذرات مبادله‌ی فوتون انجام شود. ما توانسته‌ایم ذرات شناخته شده را در نظریه‌ای به نام مدل استاندارد طبقه‌بندی کنیم. مدل استاندارد جدولی است همانند جدول مندلیف که در آن به جای عناصر طبیعت، انواع مختلف ذرات طبقه‌بندی شده‌اند. این مدل در حال حاضر بهترین و دقیق‌ترین توضیحی است که ما از جهان ذرات زیراتمی در دست داریم.

این جدول به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شود. فرمیون‌ها که در کل ماده‌هایی هستند که ما همه‌روزه با آن‌ها سروکار داریم؛ و بوزون‌ها که در کل نمایان‌گر نیروهایی مانند نیروی الکترومغناطیس هستند. متأسفانه نیرویی وجود دارد که این مدل نمی‌تواند توضیح دهد. نیروی گرانش یا جاذبه.

نظریه‌ی نسبیت عام، گرانش را در ابعاد بزرگ توضیح می‌دهد. طبق این نظریه، اجسامی که جرم دارند موجب خم شدن فضازمان شده و به همین دلیل اجسام دیگر را به سمت خود جذب می‌کنند. در مدل استاندارد، ما همه‌ی نیروها را به ذرات مشخصی تقسیم‌بندی کردیم و به همین دلیل انتظار داریم که نیروی گرانش یا همان تعبیر ذره‌ای از خم‌شدن فضازمان هم به دلیل وجود ذرات ریزی در ابعاد کوانتوم ایجاد شود. این ذرات کوانتومی که موجب خم‌شدن فضازمان می‌شن گراویتون نام دارند. اما وقتی تلاش می‌کنیم ذره‌ی گراویتون را در جدول مدل استاندارد قرار دهیم، محاسباتمان به هم می‌ریخته و جواب بعضی معادلات به بی‌نهایت ختم می‌شود. وقتی جواب فرمولی به جای یه عدد ثابت بی‌نهایت شود یعنی فرمول احتمالاً اشکال داشته و به رفع اشکال نیاز دارد. بنابراین ما نمی‌توانیم گرانش را در ابعاد کوانتوم توضیح دهیم.

اکنون بیش از نیم قرن است که فیزیکدانان برای حل این مسأله دست به دامن نظریه‌های جدید شده‌اند. در این ویدیو در مورد یکی از این نظریات که جواب خوبی برای مسأله‌مان دارد توضیح می‌دهم. نظریه‌ی ریسمان.

ایده‌ی اولیه‌ی نظریه ساده است. در مدل استاندارد، ذرات نقاطی تعریف می‌شوند که خیلی کوچک و بدون بعد هستند. این ذرات انواع مختلف و ویژگی‌های متفاوتی دارند که باعث می‌شود ما ذرات گوناگونی داشته باشیم. با این حال طبق نظریه‌ی ریسمان، اگر به این ذرات با دقت نگاه کنیم متوجه می‌شویم که از ریسمان‌های کوچیکی تشکیل شده است. این ریسمان‌ها را می‌توان همچون طناب یا نخ در نظر گرفته شود که گاه به هم گره خورده‌اند و حلقه‌ای بسته را تشکیل می‌دهند و گاه سر و ته آن‌ها باز است. ویژگی این ریسمان ها  این است که مانند کش تنش داشته و می‌توانند مثل سیم گیتار مرتعش شوند. ریسمان‌ها همچنین قادرند مانند سیم گیتار به حالت‌های مختلفی به ارتعاش درآیند. حالت‌های مختلف ارتعاش سیم گیتار موجب شکل‌گیری نت‌های موسیقی متفاوتی می‌شود که همه از یک سیم ایجاد ایجاد شده‌اند. ریسمان‌ها نیز چنین خاصیتی دارن. آن‌ها می‌توانند یک موج یا بیشتر داشته باشند. هر مدل ارتعاش موجب به وجود آمدن نوع خاصی از ذره می‌شود. یعنی ارتعاش ریسمان‌ها در الکترون با ارتعاش ریسمان‌های فوتون که ذره‌ی دیگری است متفاوت است.

به همین ترتیب یک سری از ذرات خواص فوتون و سری دیگری خواص گراویتون را دارند. به این ترتیب ما قادر خواهیم بود با استفاده از نظریه‌ی ریسمان توضیح دهیم انواع مختلف ذرات چگونه به وجود می‌آیند. از همه مهم‌تر این که توانستیم ویژگی‌های ذره‌ی گراویتون را توضیح دهیم. این ذره در ابعاد کوانتوم موجب به وجود آمدن جاذبه می‌شود.

متأسفانه در همین‌جا مدل نظریه ریسمان به سه مشکل اساسی برخورد می‌کند. در ویدیو به این مشکلات نیز پرداخته می‌شود.