تست تئوری ریسمان

بیایید کشف کنیم، چطور می‌توانیم این تئوری همه‌چیز را تست کنیم.

پائول. ام. ساتر اختر فیزیکدان در سونی استونی بروک و انستیتو فلتیرون میزبان سایتهای سوال یک فضانورد و رادیو فضا و نویسنده کتاب مکان شما در کیهان است. ساتر در آرا و نظرات این مقاله در سایت space.com همکاری می‌کند.

امیدواریم که تئوری ریسمان،  یک تئوری برای همه چیز باشد؛ یک چارچوب واحد و متحدکننده که تمامی تنوع ماده‌ای را که ما در کیهان و ذرات برخوردی میبینیم را توضیح دهد (از اینکه گرانش چگونه در همه چیز اثر می‌کند و برهم‌کنش با انرژی تاریک و اینکه چرا الکترون دارای جرم است و بر روی آن اثر می‌گزارد). این تئوری یک ایده بالقوه قدرتمند است که در صورت اثبات می‌تواند فهم جهان فیزیکی ما را متحول کند، اگرچه هنوز به طور مستقیم تست نشده است.

با این وجود روشهایی برای کشف برخی زیر بناها و نیز پیامدهای احتمالی نظریه ریسمان وجود داشته است. اگرچه این آزمایشات به طورمستقیم یا غیرمستقیم، تئوری را به اثبات نمی‌رساند اما می‌تواند تقویت کننده این موضوع باشد. بیاید کشف کنیم.

یک مسئله آشفته:

ابتدا ما  این تئوری را بررسی می‌کنیم؛ هر چند که تست تئوری ریسمان سخت است. ریسمانهایی که در این تئوری وجود دارند، بسیار کوچک هستند. گمان می‌شوند جایی در حدود مقیاس پلانک آشکار شوند (در مقیاس). این به مراتب بسیار کوچکتر از چیزی است که می‌توان امیدوار بود با دقیق‌ترین ابزارها کاوش شوند. این ریسمانها در حقیقت بسیار کوچک بوده و شبیه به ذراتی نقطه مانند مثل الکترون، پروتون و نوترون به نظر می‌رسند و ما نمیتوانیم به طور مستقیم بر روی یک ریسمان خیره شویم.

امروز برای توضیح 4 نیروی طبیعت 2 رویکرد متفاوت خواهیم داشت. از یک سو تکنیکهای نظریه میدانهای کوانتومی را داریم که توصیف کننده میکروسکوپی الکترومغناطیس و دو نیروی هسته‌ای دیگر است و از طرفی نسبیت عام را داریم که به ما امکان می‌دهد گرانش که عامل خمیدگی و تاب برداشتن فضاـ زمان است را درک کنیم.

ما همه موارد را می‌توانیم به صورت جزئی و مستقیم تست کنیم. تئوری ریسمان زمانی که ما هر 4 نیرو را در تعریف واحدی ترکیب کنیم، در عمل به نتیجه می‌رسد که در واقع در بالاترین سطح از انرژی می‌باشد. آنقدر بالا که هنوز نتوانسته‌ایم تا کنون ماشینی بسازیم که به چنین سطحی برسد.

اما حتی اگر بتوانیم یک برخورددهنده ذرات برای بررسی مستقیم انرژی کوانتومی بسازیم، نمی‌توانیم تئوری ریسمان را مورد آزمایش قرار دهیم زیرا هنوز این تئوری کامل نیست. ما تنها تخمین‌هایی داریم که امیدوار هستیم که به تئوری واقعی نزدیک باشد؛ اما ما تصوری نداریم که درست یا نادرست باشد. بنابراین تئوری ریسمان پیشگویی انجام نمی‌دهد تا بتوانیم آنرا با آزمایشات فرضی مقایسه کنیم.

موسیقی کیهانی:

حتی اگر ما نتوانیم به انرژی موردنیاز در برخورددهنده ذرات برسیم تا واقعا نگاهی عمیق به جهان پنهان ریسمانها بیندازیم، 13.8میلیارد سال قبل تمام کیهان ما یک دیگ از نیروهای بنیادی بوده که شاید با مشاهده تاریخ بیگ بنگ بینش قوی و دقیقی از ریسمانها بدست بیاوریم. یک پیشنهاد پیش‌روی نظریه پردازان ریسمان وجود دارد که نوع دیگری از تئوری ریسمان است.

ریسمانهای کیهانی:

ریسمان‌های کیهانی علتی در گستره کیهان در فضا زمان بوده که از لحظه اولیه در بیگ بنگ باقی مانده و تا حدی کلی، فیزیک آن دوره از کیهان را پیش‌گویی می‌کند.

اما رشته‌های کیهانی نیز ممکن است ریسمانهای فوق‌العاده کشیده شده از تئوری ریسمان باشند که معمولا خیلی میکروسکوپی و کوچک هستند. هر چند که از نظر کلمه بزرگ به نظر می‌رسند و با گسترش بی‌وقفه جهان کشیده وکشیده‌تر شده‌اند. اما اگر ما یک ریسمان کیهانی را که در جایی از کیهان شناور است را بیابیم می‌توانستیم آنرا با دقت مورد مطالعه قرارداده و بررسی کنیم که آیا واقعا چیزی وجود دارد که توسط تئوری ریسمان پیش‌بینی شده است. تا به امروز هیچ ریسمان کیهانی در جهان ما یافت نشده است.

جست وجو هنوز ادامه دارد. اگر ما ریسمانهای کیهانی را بیابیم لزوما تاییدکننده نظریه ریسمان نخواهد بود وکار بسیار بیشتری چه از لحاظ تئوری و چه مشاهده‌ای لازم است انجام شود تا به طور مجزا تئوری ریسمان نسخه شکاف فضا زمان را توضیح دهد.

عدم ابرتقارن:

با این وجود، ما می‌توانیم فرضیات دیگری را هم دنبال کنیم که یکی از آنها ابرتقارن است که یک تقارن فرضی طبیعی است که تمام فرمیون‌ها (بلوک‌های واقعی ساخته شده از الکترون‌ها وکوارک‌ها) را با بوزون‌ها (حامل نیروهای شبیه به گلئون و فوتون) در یک چهارچوب پیوند می‌دهد.

ماشین‌آلات ابرتقارن ابتدا توسط تئوریسین‌های ریسمان ارائه شد اما به سرعت به عنوان یک راه جالب برای فیزیکدانهای سطح بالای انرژی فراهم شد تا به طور بالقوه برخی از مشکلات مدل استاندارد را حل کرده وفیزیک جدیدی را پیش‌بینی کنند. در تئوری ریسمان، ابرتقارن به ریسمانها اجازه می‌دهد تا نه تنها نیروهای طبیعت را بلکه بلوک‌های سازنده جهان را نیز توصیف کنند. بدین صورت این فرضیه قوت می‌یابد که براستی این تئوری، تئوری همه چیز است.

بنابراین اگر شواهدی از ابرتقارن بیابیم، تئوری ریسمان را تایید نمی‌کند، اما یک جهش بزرگ است.

ما هیچ مدرکی هنوز برای ابرتقارن نیافته‌ایم.

برخورد دهنده بزرگ ذرات LHC به طور مشخص برای کشف ابرتقارن یا حداقل ساده‌ترین و آسانترین نسخه از ابرتقارن و کشف ذرات جدید پیش بینی شده توسط این تئوری طراحی شد. LHC کاملا خالی بدون حتی کمترین نسخه‌ای از یک ماده جدید ابرتقارن بود. بدین صورت ساده‌ترین  نمونه‌های ابرتقارن از نوشته‌ها  محو  شد. هرچند که این نتیجه منفی تئوری ریسمان را نفی نمی‌کند اما به نظر نمی‌رسد که دیگر اعتباری داشته باشد.

آیا ما یک روز حتی برای یکی از زیربناهای جانبی نظریه ریسمان مدارکی خواهیم داشت؟

گفتنش غیر ممکن است امت امیدهای زیادی برای ابرتقارن ایجاد شده که نتوانسته پاسخ درستی به این موضوع بدهد که تلاش جسورانه برای ابرتقارن، آیا ارزش ساخت یک برخورددهنده بزرگتر را دارد؟ یا اینکه ما بتوانیم کاملا منصرف شویم و بر روی تئوری‌های دیگر تلاش کنیم؟

ترجمه: جناب اقای محمود زارعی

از اعضا سابق گروه انجمن ستاره شناسی اراک و عضو فعلی پژوهشسرای ابن‌سینای ابهر

منبع:

https://www.space.com/putting-string-theory-to-test.html