نظریه ریسمان: دانشمندان در جستجوی روش‌های نوین برای تأیید ایده‌ای که می‌تواند تمام فیزیک را متحد سازد
در سال ۱۹۸۰، استیفن هاوکینگ اولین سخنرانی خود را به‌عنوان استاد لوسینیان در دانشگاه کمبریج ارائه داد. این سخنرانی تحت عنوان «آیا پایان فیزیک نظری در دسترس است؟» برگزار شد.
هاوکینگ که بعدها استاد راهنمای دکتری من شد، پیش‌بینی کرد که نظریه‌ای برای همه چیز — که شاخه‌های متضاد نسبیت عام، که جهان را در مقیاس‌های بزرگ توصیف می‌کند، و مکانیک کوانتومی، که میکروکسموس اتم‌ها و ذرات را تحت‌حاکمیت دارد — ممکن است تا پایان قرن بیستم کشف شود.
چهل و پنج سال پس از آن، هنوز نظریه‌ای قطعی برای همه چیز وجود ندارد. کاندید اصلی نظریهٔ ریسمان است، چارچوبی که تمام نیروها و ذرات از جمله جاذبه را توصیف می‌کند. نظریهٔ ریسمان بر این باور است که بلوک‌های سازندهٔ طبیعت ذرات نقطه‌ای مانند کوارک‌ها (که ذرات را در هستهٔ اتم تشکیل می‌دهند) نیستند، بلکه رشته‌های نوسانی هستند.
بر این اساس، اگر بتوانیم به‌عمق درون الکترون‌ها نگاه کنیم، حلقه‌های رشته‌ای را خواهیم دید که همانند سیم‌های یک ویولا می‌نوازند. الگوهای مختلف نوسان رشته‌ها به ذرات متفاوتی منجر می‌شوند.
نظریهٔ ریسمان تمام نیروهای طبیعت را یکپارچه می‌کند. نیروهایی که به ظاهر بسیار متفاوت‌اند، همانند جاذبه و الکتریسیته، ریشه‌های عمیقی در یکدیگر دارند. این نیروها توسط پدیده‌ای به نام دوگانگی‌ها به‌هم پیوند خورده‌اند: همان پدیدهٔ بنیادی می‌تواند به شکل‌های مختلفی بیان شود.
نیروی جاذبه به‌وسیلهٔ هندسه، شکل‌ها و موقعیت‌ها توصیف می‌شود. سایر نیروها با مفاهیم ریاضی دیگر، از جمله جبر و اعداد، توصیف می‌شوند.
یکپارچه‌سازی نیروها نشان‌دهندهٔ روابط عمیق بین شاخه‌های مختلف ریاضیات است. چنین روابطی پیش از این توسط ریاضی‌دانان، به‌ویژه رابرت لنگلندز، مطرح شده بود و نظریهٔ ریسمان توضیح فیزیکی برای این پیوندها ارائه می‌دهد.
اگرچه نظریهٔ ریسمان می‌تواند نظریهٔ صحیح برای همه چیز باشد، آزمایش آن به‌صورت تجربی دشوار است. اثرات این نظریه فقط در مقیاس‌های بسیار کوچک و با انرژی‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند.
شتافترهای ذره ساختار داخلی ذرات را با برخورد و تجزیه‌شان بررسی می‌کنند. اما حتی بزرگ‌ترین برخوردگرهای سرن در سوئیس انرژی کافی برای تجزیه ذرات به رشته‌ها ندارند.
سرنخ‌ها در کیهان
اگر نتوانیم در برخوردگرها به انرژی‌های کافی دست یابیم، چگونه می‌توانیم نظریهٔ ریسمان را به‌صورت تجربی آزمون کنیم؟ شاید پاسخ در نگاه به آسمان‌ها باشد.
کیهان اولیه چگال و گرم بود و «آب‌گوشت» اولیه آن احتمالاً از رشته‌ها تشکیل شده بود. تاریخچهٔ کیهان را می‌توانیم در مشاهدات امروزی ببینیم؛ از بررسی‌های کهکشانی تا اندازه‌گیری‌های تابش کیهانی که بازماندهٔ انفجار بزرگ است و در تمام فضا پراکنده شده است.
در اوایل قرن بیستم، ستاره‌شناس آمریکایی ادین هابل نشان داد که کیهان در حال گسترش است. کهکشانی‌ها از یکدیگر دور می‌شوند.
در انتهای همان قرن، مشاهدات دقیق گسترش نشان داد که در واقع شتاب می‌گیرد. کهکشانی‌ها امروزه سریع‌تر از یک میلیون سال پیش از یکدیگر فاصله می‌گیرند.
چه عاملی این شتاب را به‌وجود می‌آورد؟ جاذبه نیروی جذب‌کننده‌ای است که گسترش کیهان را کاهش می‌دهد. شتاب کیهان توسط نوعی انرژی نو به نام انرژی تاریک، که در تمام فضا پخش شده، تأمین می‌شود. دانشمندان این انرژی را «انرژی تاریک» می‌نامند و تخمین می‌زنند که حدود ۷۰٪ انرژی کل کیهان را تشکیل می‌دهد.
ما دقیقاً نمی‌دانیم انرژی تاریک چیست. محتمل‌ترین تبیین این است که این انرژی انرژی ذاتی کوانتومی کیهان باشد. در دنیای کوانتومی، ذرات هرگز می‌توانند کاملاً ساکن و بدون انرژی باشند؛ همیشه نوسان کوچکی وجود دارد که انرژی را به‌همراه دارد.
اتم‌ها حتی در دمای صفر مطلق نیز به‌دلیل حرکات کوانتومی خود انرژی دارند. انرژی تاریک می‌تواند به‌عنوان انرژی کوانتومی بنیادی تمام نیروها و ذرات طبیعت، از جمله جاذبه، تبیین شود.
آزمایش‌ها در حال شناسایی خواص انرژی تاریک هستند. DESI یک رصدخانه در ایریزونا، ایالات متحده، است که نقشهٔ کهکشانی‌ها و کوزارها را ترسیم می‌کند. تلسکوپ‌های فضایی Euclid و Roman به‌طور بی‌سابقه‌ای کیهان را اندازه‌گیری می‌کنند و تاریخچهٔ میلیاردها کهکشانی را در طول میلیاردها سال نقشه‌برداری می‌سازند.
نتایج اخیر DESI نشان می‌دهد که انرژی تاریک در طول زمان به‌طوری تغییر می‌کند که با مدل‌های نظریهٔ ریسمان سازگار است؛ هرچند این نکته هنوز با اندازه‌گیری‌های بیشتر به‌طور کامل تأیید نشده است.
این مسأله نظریهٔ ریسمان را ثابت نمی‌کند؛ زیرا نظریهٔ ریسمان 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. طبیعتاً، پدیده‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند تغییرات انرژی تاریک را توضیح دهند.
Euclid و Roman اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی انجام می‌دهند که امکان حذف بسیاری از نظریه‌های انرژی تاریک و برخی نسخه‌های خاص نظریهٔ ریسمان را فراهم می‌سازد؛ بنابراین حوزهٔ نظریه‌پردازان برای تمرکز محدودتر می‌شود.
راه دیگر برای تأیید نظریهٔ ریسمان، بررسی سیاه‌چاله‌ها است. هنگامی که چیزی به‌داخل سیاه‌چاله سقوط می‌کند، نمی‌تواند فرار کند. درون سیاه‌چاله نیروهای بسیار قوی وجود دارد و ذرات از هم پاره می‌شوند. هنوز دقیقاً نمی‌دانیم در داخل سیاه‌چاله چه اتفاقی می‌افتد، اما نظریهٔ ریسمان ما را آموزش می‌دهد که سیاه‌چاله اطلاعات مربوط به آنچه داخل آن سقوط کرده را حفظ می‌کند.
این به این دلیل است که نظریهٔ ریسمان فرض می‌کند داخل سیاه‌چاله «تکینگی» وجود ندارد — نقطه‌ای با چگالی و گرانش نامحدود — بلکه اجسام به‌صورت توپ‌های رشته‌ای (fuzzballs) توزیع شده‌اند.
اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر آینده از امواج گرانشی (امواجی که در ساختار فضا‑زمان ایجاد می‌شوند) به‌دنبال سیگنال‌های ظریف رفتار کوانتومی درون سیاه‌چاله‌ها می‌گردند که توسط نظریهٔ ریسمان پیش‌بینی شده‌اند. اگر سیاه‌چاله‌ها «توپ‌های ریسمانی» باشند، هنگام ادغام آن‌ها سیگنال متفاوتی تولید می‌شود؛ سیگنالی که مدت‌زمان طولانی‌تری دارد و پژواکی به همراه دارد. علاوه بر این، اگر ابعاد اضافه‌ای وجود داشته باشد — همان‌طور که نظریهٔ ریسمان پیش‌بینی می‌کند — سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به‌صورت‌های متفاوتی نوسان کنند که ما می‌توانیم آن‌ها را نیز تشخیص دهیم.
علاوه بر اندازه‌گیری‌های کیهانی، دانشمندان می‌توانند آزمایش‌های فکری انجام دهند، همان‌طور که اینشتین در نظریه‌های نسبیت خود انجام داد. نظریهٔ ریسمان نه تنها بینش‌های جدیدی در ریاضیات به‌وجود آورده، بلکه در حوزه‌های دیگر علم نیز مفید بوده است؛ برای مثال، نظریهٔ ریسمان به درک چگونگی استفاده از سیستم‌های کوانتومی در محاسبات کمک کرده است.
من معتقدم که هنوز در آستانه دست یافتن به درک کامل نظریه‌ای برای همه چیز نیستیم، اما در طول ۴۵ سال از زمان سخنرانی لوسینیان هاوکینگ پیشرفت‌های فراوانی داشته‌ایم. و در حال حاضر، چشم‌اندازهای نظریهٔ ریسمان امیدوارکننده به‌نظر می‌رسند.