نظریهٔ ریسمان: دانشمندان در جستجوی روش‌های نوین برای تأیید ایده‌ای هستند که می‌تواند تمام فیزیک را متحد سازد
در سال ۱۹۸۰، استیون هاوکینگ اولین سخنرانی‌اش را به‌عنوان استاد لوکاسیان در دانشگاه کمبریج ارائه داد. این سخنرانی تحت عنوان «آیا پایان نظریه‌های فیزیکی در دیدرس است؟» برگزار شد.
هاوکینگ، که بعدها استاد راهنمای دکترایم شد، پیش‌بینی کرد که نظریهٔ همه‌چیز – ادغام شاخه‌های در تعارض نسبیت عام که جهان را در مقیاس‌های بزرگ توصیف می‌کند و مکانیک کوانتومی که بر میکروکسموس اتم‌ها و ذرات حکمرانی می‌کند – ممکن است تا پایان قرن بیستم کشف شود.
چهل و پنج سال پس از آن، هنوز نظریهٔ قطعی همه‌چیز وجود ندارد. اصلی‌ترین نامزد، نظریهٔ ریسمان است؛ چارچوبی که تمام نیروها و ذرات، از جمله گرانش، را توصیف می‌کند. نظریهٔ ریسمان بر این باور است که اجزای بنیادی طبیعت ذرات نقطه‌ای مانند کوارک‌ها (که ذرات هستهٔ اتم را تشکیل می‌دهند) نیستند، بلکه رشته‌های نوسانی هستند.
این نظریه می‌گوید که اگر بتوانیم به‌عمق الکترون‌ها نگاه کنیم، حلقه‌های رشته‌ای را می‌بینیم که همانند سیم‌های یک ویولن می‌نوازند. الگوهای مختلف نوسان رشته‌ها منجر به ذرات متفاوت می‌شوند.
نظریهٔ ریسمان تمام نیروهای طبیعت را متحد می‌کند. نیروهایی که به‌نظر می‌رسد کاملاً متفاوت هستند، نظیر گرانش و الکتریسیته، در واقع به‌عمق به یکدیگر مرتبط‌اند. این نیروها توسط آنچه که «دوگانگی‌ها» نامیده می‌شود به هم پیوسته‌اند: همان پدیدهٔ بنیادی می‌تواند به‌روش‌های مختلف توصیف شود.
نیروی گرانش با استفاده از هندسه، شکل‌ها و موقعیت‌ها توصیف می‌شود، در حالی که سایر نیروها با مفاهیم ریاضی متفاوتی چون جبر و عددها بیان می‌شوند.
در نتیجهٔ اتحاد نیروها، روابط عمیقی بین شاخه‌های ریاضیات پدید می‌آید. این روابط پیش‌تر توسط ریاضیدانانی، به‌ویژهٔ رابرت لانگلندز، پیشنهادی شد و نظریهٔ ریسمان توضیح‌های فیزیکی برای این روابط ارائه می‌دهد.
اگرچه نظریهٔ ریسمان می‌تواند نظریهٔ درست همه‌چیز باشد، آزمایش آن به‌صورت تجربی دشوار است. اثرات این نظریه در مقیاس‌های بسیار کوچک و انرژی‌های فوق‌العاده بالا نمایان می‌شوند.
شتابدهنده‌های ذره‌ای ساختار داخلی ذرات را با به‌هم‌پاشاندن و برخورد آن‌ها بررسی می‌کنند. ولی حتی بزرگ‌ترین شتابدهنده‌ها در سرن (CERN) سوئیس نیز انرژی کافی برای تبدیل ذرات به رشته‌ها ندارند.
سرنخ‌ها در کیهان
چگونه می‌توانیم نظریهٔ ریسمان را به‌صورت تجربی تست کنیم اگر در شتابدهنده‌ها به انرژی‌های کافی دست نیابیم؟ شاید پاسخ در نگاه به آسمان‌ها نهفته باشد.
کیهان اولیه بسیار چگال و گرم بود و مایع اولیهٔ آن از رشته‌ها تشکیل شده بود. ما می‌توانیم تاریخچهٔ کیهان را در مشاهدات امروزی ببینیم؛ از بررسی‌های کهکشانی تا اندازه‌گیری‌های تابش کیهانی که تمام فضا را پر کرده و باقی‌مانده‌ای از انفجار بزرگ است.
در اوایل قرن بیستم، ستاره‌شناس آمریکایی ادین هابل نشان داد که کیهان در حال گسترش است؛ کهکشان‌ها به‌یک‌دیگر دورتر می‌شوند.
در پایان آن قرن، مشاهدات دقیق گسترش نشان داد که در واقع این گسترش شتاب می‌گیرد؛ کهکشان‌ها امروز نسبت به یک میلیون سال پیش با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند.
چه چیزی این شتاب را تحریک می‌کند؟ گرانش نیروی جذبی است که گسترش کیهان را کند می‌کند. شتاب کیهان توسط نوعی انرژی جدید تأمین می‌شود که در سرتاسر فضا پخش شده است. دانشمندان این انرژی را انرژی تاریک می‌نامند و حدود ۷۰٪ انرژی کیهان را تشکیل می‌دهد.
ما دقیقاً نمی‌دانیم انرژی تاریک چیست. محتمل‌ترین توضیح این است که این انرژی، انرژی کوانتومی ذاتی کیهان است. در دنیای کوانتومی، ذرات هرگز کاملاً ساکن و بدون انرژی نیستند؛ همیشه کمی ارتعاش کوانتومی و انرژی مرتبط با آن وجود دارد.
حتی اتم‌هایی که تا صفر مطلق سرد می‌شوند، به‌دلیل حرکت کوانتومی خود انرژی حفظ می‌کنند. انرژی تاریک می‌تواند به‌عنوان انرژی کوانتومی بنیادی تمام نیروها و ذرات در طبیعت، از جمله گرانش، توضیح داده شود.
آزمایش‌ها در حال تعیین ویژگی‌های انرژی تاریک هستند. DESI یک رصدخانه در ایالت آرایزونا، آمریکا است که در حال نقشه‌برداری از کهکشان‌ها و کیوازارها می‌باشد. تلسکوپ‌های فضایی اوژید (Euclid) و رومن (Roman) با دقت بی‌سابقهٔ کیهان را می‌سنجند و تاریخچهٔ میلیاردها کهکشان را در دوره‌های میلیاردساله ثبت می‌کنند.
نتایج اخیر DESI نشان می‌دهد که انرژی تاریک در طول زمان به‌گونه‌ای تغییر می‌کند که با مدل‌های نظریهٔ ریسمان سازگار است؛ اگرچه این ادعا هنوز توسط اندازه‌گیری‌های بیشتر به‌صورت کامل تأیید نشده است.
این به‌معنای اثبات نظریهٔ ریسمان نیست، چرا که این نظریه می‌تواند جهان‌های متعددی با الگوهای متفاوت انرژی تاریک تولید کند. با این حال، نتایج DESI نشان می‌دهد که تفسیر انرژی تاریک به‌عنوان انرژی کوانتومی رشته‌ها ممکن است مسیر درستی باشد. البته پدیده‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند تغییرات انرژی تاریک را توضیح دهند.
اوژید و رومن اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی انجام می‌دهند و قادر خواهند بود بسیاری از نظریه‌های انرژی تاریک و برخی نسخه‌های خاص نظریهٔ ریسمان را رد کنند؛ این کار به محدود کردن حوزهٔ تحقیق نظریه‌پردازان کمک می‌کند.
راه دیگر برای تأیید نظریهٔ ریسمان ممکن است از طریق سیاهچاله‌ها باشد. وقتی چیزی به‌درون یک سیاهچاله می‌افتد، امکان خروج ندارند. درون سیاهچاله نیروهای بسیار شدیدی وجود دارد که ذرات را از هم می‌پاشند. ما هنوز دقیقاً نمی‌دانیم چه اتفاقی درون سیاهچاله می‌افتد، اما نظریهٔ ریسمان به ما می‌آموزد که سیاهچاله چگونه اطلاعات مربوط به چیزی که داخل آن سقوط کرده را حفظ می‌کند.
زیرا نظریهٔ ریسمان فرض می‌کند داخل سیاهچاله «تکینگی» (singularity) وجود ندارد – نقطه‌ای با چگالی و گرانش بی‌نهایت – بلکه اجسام به‌صورت توپ‌های رشته‌ای به‌نام «فازبول» پخش شده‌اند.
اندازه‌گیری‌های آینده و دقیق‌تر امواج گرانشی (امواجی در ساختار فضا‑زمان) به‌دنبال سیگنال‌های ظریف رفتار کوانتومی درون سیاهچاله‌ها خواهند گشت که توسط نظریهٔ ریسمان پیش‌بینی شده است. اگر سیاهچاله‌ها فازبول باشند، هنگام ادغام، سیگنال متفاوتی تولید می‌کنند که طولانی‌تر بوده و شامل پژواک‌هایی می‌شود. افزون بر این، اگر ابعاد اضافه وجود داشته باشند همان‌طور که نظریهٔ ریسمان پیش‌گوی می‌کند، سیاهچاله‌ها می‌توانند به‌صورت‌های متفاوت نوسان کنند که می‌توانیم آن‌ها را نیز شناسایی کنیم.
علاوه بر اندازه‌گیری‌های کیهانی، دانشمندان می‌توانند آزمایش‌های فکری انجام دهند، همان‌گونه که اینشتین با نظریه‌های نسبیت خود انجام داد. نظریهٔ ریسمان بینش‌های جدیدی نه تنها در ریاضیات بلکه در حوزه‌های دیگر علم به‌وجود آورده است؛ به‌عنوان مثال، این نظریه در درک نحوه استفاده از سیستم‌های کوانتومی در محاسبات مفید واقع شده است.
من فکر نمی‌کنم درک کامل نظریهٔ همه‌چیز در دسترس باشد، اما در طول ۴۵ سال از زمان سخنرانی لوکاسیانی هاوکینگ، قطعاً پیشرفت‌های زیادی حاصل کرده‌ایم. و در همین حال، چشم‌انداز نظریهٔ ریسمان روشن به‌نظر می‌رسد.