نظریه ابر ریسمان، به زبان رایج، جهان را به عنوان مجموعه ای از رشته های ارتعاشی انرژی - ریسمان ها نشان می دهد. آنها پایه و اساس طبیعت هستند. این فرضیه همچنین عناصر دیگر - بران ها را توصیف می کند. تمام مواد در جهان ما از ارتعاشات رشته ها و بران ها تشکیل شده است. یک پیامد طبیعی این نظریه، توصیف گرانش است. به همین دلیل است که دانشمندان بر این باورند که گرانش کلید یکپارچه کردن گرانش با سایر نیروها است.
مفهوم در حال تکامل
نظریه میدان یکپارچه، نظریه ابر ریسمان، کاملاً ریاضی است. مانند همه مفاهیم فیزیکی، بر اساس معادلاتی است که می توانند به روش های خاصی تفسیر شوند.
امروز هیچ کس دقیقاً نمی داند که نسخه نهایی این نظریه چه خواهد بود. دانشمندان ایده نسبتاً مبهمی از عناصر کلی آن دارند، اما هیچ کس هنوز معادله قطعی ای که تمام نظریه های ابر ریسمان را پوشش دهد، ارائه نکرده است، و از نظر تجربی هنوز نتوانسته آن را تأیید کند (اگرچه نمی تواند آن را رد کند).. فیزیکدانان نسخه های ساده شده ای از معادله را ایجاد کرده اند، اما تاکنون به طور کامل جهان ما را توصیف نکرده است.
نظریه ابر ریسمان برای مبتدیان
فرضیه بر اساس پنج ایده کلیدی است.
- نظریه ابر ریسمان پیش بینی می کند که همه اجرام در جهان ما از رشته های ارتعاشی و غشای انرژی تشکیل شده اند.
- او سعی می کند نسبیت عام (گرانش) را با فیزیک کوانتوم ترکیب کند.
- نظریه ابر ریسمان همه نیروهای بنیادی جهان را متحد می کند.
- این فرضیه یک ارتباط جدید، ابرتقارن، بین دو نوع ذره اساساً متفاوت، بوزون‌ها و فرمیون‌ها را پیش‌بینی می‌کند.
- این مفهوم تعدادی از ابعاد اضافی و معمولاً غیرقابل مشاهده کیهان را توصیف می کند.
رشته و بران
هنگامی که این نظریه در دهه 1970 ظهور کرد، رشته های انرژی موجود در آن به عنوان اجسام یک بعدی - رشته ها در نظر گرفته شدند. کلمه "تک بعدی" به این معنی است که رشته فقط یک بعد دارد، طول، بر خلاف مثلاً مربع، که هم طول و هم ارتفاع دارد.
نظریه این ابررشته ها را به دو نوع بسته و باز تقسیم می کند. یک رشته باز دارای انتهایی است که با یکدیگر تماس ندارند، در حالی که یک رشته بسته یک حلقه بدون انتهای باز است. در نتیجه، مشخص شد که این رشته‌ها که رشته‌های نوع اول نامیده می‌شوند، در معرض 5 نوع تعامل اصلی هستند.
تعاملات بر اساس توانایی یک رشته برای اتصال و جداسازی انتهای آن است. از آنجایی که انتهای رشته های باز می توانند ترکیب شوند و رشته های بسته را تشکیل دهند، ساخت نظریه ابررشته ای که رشته های حلقه دار را در بر نگیرد غیرممکن است.
معلوم شد که این مهم است، زیرا فیزیکدانان معتقدند که رشته های بسته دارای ویژگی هایی هستند که می تواند گرانش را توصیف کند. به عبارت دیگر، دانشمنداندریافتند که نظریه ابر ریسمان به جای توضیح ذرات ماده، می تواند رفتار و گرانش آنها را توصیف کند.
پس از سالها کشف شد که علاوه بر ریسمان، عناصر دیگری نیز برای این نظریه ضروری هستند. آنها را می توان به عنوان ورقه یا بران در نظر گرفت. رشته ها را می توان به یک طرف یا هر دو طرف وصل کرد.
گرانش کوانتومی
فیزیک مدرن دو قانون علمی اصلی دارد: نسبیت عام (GR) و کوانتوم. آنها حوزه های علمی کاملاً متفاوتی را نشان می دهند. فیزیک کوانتومی کوچکترین ذرات طبیعی را مطالعه می کند، و GR، به عنوان یک قاعده، طبیعت را در مقیاس سیارات، کهکشان ها و جهان به عنوان یک کل توصیف می کند. فرضیه هایی که سعی در یکسان سازی آنها دارند، نظریه های گرانش کوانتومی نامیده می شوند. امیدوارکننده ترین آنها امروز رشته است.
رشته های بسته با رفتار گرانش مطابقت دارند. به ویژه، آنها دارای خواص گراویتون هستند، ذره ای که گرانش را بین اجسام حمل می کند.
پیوستن به نیروهای
نظریه ریسمان سعی می کند چهار نیرو - الکترومغناطیسی، نیروهای هسته ای قوی و ضعیف و گرانش - را در یک نیرو ترکیب کند. در دنیای ما، آنها خود را به عنوان چهار پدیده مختلف نشان می دهند، اما نظریه پردازان ریسمان معتقدند که در جهان اولیه، زمانی که سطوح فوق العاده بالایی از انرژی وجود داشت، همه این نیروها توسط رشته هایی که با یکدیگر تعامل دارند توصیف می شوند.
Supersymmetry
همه ذرات جهان را می توان به دو نوع بوزون و فرمیون تقسیم کرد. نظریه ریسمانپیش بینی می کند که بین آنها رابطه ای وجود دارد که ابرتقارن نامیده می شود. در ابر تقارن، باید برای هر بوزون یک فرمیون و برای هر فرمیون یک بوزون وجود داشته باشد. متأسفانه وجود چنین ذرات به طور تجربی تأیید نشده است.
Supersymmetry یک رابطه ریاضی بین عناصر معادلات فیزیکی است. این در حوزه دیگری از فیزیک کشف شد و کاربرد آن منجر به تغییر نام نظریه ریسمان ابرمتقارن (یا به قول معروف نظریه ابر ریسمان) در اواسط دهه 1970 شد.
یکی از مزایای ابرتقارن این است که با حذف برخی از متغیرها، معادلات را بسیار ساده می کند. بدون ابرتقارن، معادلات منجر به تضادهای فیزیکی مانند مقادیر بی نهایت و سطوح انرژی خیالی می شود.
از آنجایی که دانشمندان ذرات پیش بینی شده توسط ابرتقارن را مشاهده نکرده اند، این هنوز یک فرضیه است. بسیاری از فیزیکدانان دلیل این امر را نیاز به مقدار قابل توجهی انرژی می دانند که با معادله معروف اینشتین E=mc2 به جرم مربوط می شود. این ذرات می توانستند در اوایل جهان وجود داشته باشند، اما با سرد شدن و گسترش انرژی پس از انفجار بزرگ، این ذرات به سطوح انرژی پایین رفتند.
به عبارت دیگر، رشته هایی که به عنوان ذرات پرانرژی ارتعاش می کردند انرژی خود را از دست دادند و آنها را به عناصر ارتعاشی کمتر تبدیل کردند.
دانشمندان امیدوارند که مشاهدات نجومی یا آزمایش‌های شتاب‌دهنده‌های ذرات با آشکار کردن برخی از عناصر فوق متقارن با شتاب‌دهنده‌های بالاتر، این نظریه را تأیید کنند.انرژی.
اندازه گیری های اضافی
یکی دیگر از پیامدهای ریاضی نظریه ریسمان این است که در دنیایی با بیش از سه بعد منطقی است. در حال حاضر دو توضیح برای این وجود دارد:
- بعدهای اضافی (شش عدد از آنها) فرو ریخته اند، یا، در اصطلاح نظریه ریسمان، به اندازه های فوق العاده کوچک فشرده شده اند که هرگز درک نمی شوند.
- ما در برن سه بعدی گیر کرده ایم و ابعاد دیگر از آن فراتر رفته و برای ما غیرقابل دسترس هستند.
یک خط تحقیق مهم در میان نظریه پردازان، مدل سازی ریاضی از چگونگی ارتباط این مختصات اضافی با مختصات ما است. آخرین نتایج پیش‌بینی می‌کند که دانشمندان به زودی قادر خواهند بود این ابعاد اضافی (در صورت وجود) را در آزمایش‌های آتی تشخیص دهند، زیرا ممکن است بزرگ‌تر از حد انتظار قبلی باشند.
درک هدف
هدفی که دانشمندان هنگام کاوش ابر ریسمان ها برای آن تلاش می کنند «نظریه همه چیز» است، یعنی یک فرضیه فیزیکی واحد که کل واقعیت فیزیکی را در یک سطح اساسی توصیف می کند. اگر موفقیت آمیز باشد، می تواند بسیاری از سوالات را در مورد ساختار جهان ما روشن کند.
توضیح ماده و جرم
یکی از وظایف اصلی تحقیقات مدرن یافتن راه حل برای ذرات واقعی است.
نظریه ریسمان به عنوان مفهومی شروع شد که ذراتی مانند هادرون را در حالات مختلف ارتعاشی بالاتر یک ریسمان توصیف می کرد. در اکثر فرمول های مدرن، این موضوع در ما مشاهده می شودکیهان، حاصل ارتعاشات ریسمان ها و بران ها با کمترین انرژی است. ارتعاشات بالاتر ذرات پرانرژی تولید می کنند که در حال حاضر در جهان ما وجود ندارند.
جرم این ذرات بنیادی تجلی چگونگی پیچیده شدن رشته ها و بران ها در ابعاد اضافی فشرده است. به عنوان مثال، در یک حالت ساده که در آن به شکل دونات تا می شود، که توسط ریاضیدانان و فیزیکدانان چنبره نامیده می شود، یک رشته می تواند این شکل را به دو صورت بپیچد:
- حلقه کوتاه از وسط چنبره؛
- یک حلقه بلند در اطراف کل محیط بیرونی چنبره.
یک حلقه کوتاه یک ذره سبک خواهد بود و یک حلقه بزرگ یک ذره سنگین خواهد بود. پیچیدن رشته‌ها به دور ابعاد فشرده‌شده حلقوی، عناصر جدیدی با جرم‌های متفاوت تولید می‌کند.
نظریه ابر ریسمان به طور مختصر و واضح، به سادگی و با ظرافت انتقال طول به جرم را توضیح می دهد. ابعاد تا شده در اینجا بسیار پیچیده تر از چنبره است، اما در اصل آنها به یک شکل عمل می کنند.
حتی ممکن است، اگرچه تصور کردن آن سخت است، که این ریسمان در دو جهت به طور همزمان به دور چنبره بپیچد و در نتیجه ذره ای متفاوت با جرم متفاوت ایجاد شود. بران ها همچنین می توانند ابعاد اضافی را بپیچند و امکانات بیشتری را ایجاد کنند.
تعیین مکان و زمان
در بسیاری از نسخه های نظریه ابر ریسمان، ابعاد فرو می ریزند و آنها را در سطح فعلی توسعه فناوری غیرقابل مشاهده می کند.
در حال حاضر مشخص نیست که آیا نظریه ریسمان می تواند ماهیت بنیادی فضا و زمان را توضیح دهد یا خیر.بیشتر از انیشتین در آن، اندازه‌گیری‌ها پس‌زمینه‌ای برای تعامل رشته‌ها هستند و معنای واقعی مستقلی ندارند.
توضیحاتی در مورد نمایش فضا-زمان به عنوان مشتقی از مجموع کل برهمکنش های رشته ای ارائه شده است، که به طور کامل توسعه نیافته است.
این رویکرد با نظرات برخی فیزیکدانان که منجر به انتقاد از این فرضیه شد، مطابقت ندارد. نظریه رقابتی گرانش کوانتومی حلقه از کوانتیزه شدن فضا و زمان به عنوان نقطه شروع استفاده می کند. برخی معتقدند که این تنها رویکردی متفاوت به همان فرضیه اصلی خواهد بود.
کوانتیزه کردن گرانش
دستاورد اصلی این فرضیه در صورت تایید، نظریه کوانتومی گرانش خواهد بود. توصیف فعلی گرانش در نسبیت عام با فیزیک کوانتوم ناسازگار است. دومی، با اعمال محدودیت‌هایی بر رفتار ذرات کوچک، هنگام تلاش برای کشف جهان در مقیاس بسیار کوچک، به تناقضاتی منجر می‌شود.
اتحاد نیروها
در حال حاضر، فیزیکدانان چهار نیروی اساسی را می شناسند: گرانش، الکترومغناطیسی، برهمکنش های هسته ای ضعیف و قوی. از نظریه ریسمان چنین برمی‌آید که همه آنها زمانی مظهر یک بودند.
طبق این فرضیه، از آنجایی که جهان اولیه پس از انفجار بزرگ سرد شد، این برهم کنش منفرد شروع به تجزیه شدن به برهم کنش های مختلفی کرد که امروزه فعال هستند.
آزمایش‌های انرژی بالا روزی به ما امکان می‌دهند که اتحاد این نیروها را کشف کنیم، اگرچه چنین آزمایش‌هایی بسیار فراتر از پیشرفت فعلی فناوری هستند.
پنج انتخاب
بعد از انقلاب ابر ریسمان در سال 1984، توسعه با سرعتی تب دار انجام شد. در نتیجه، به جای یک مفهوم، پنج نوع وجود داشت، به نام‌های نوع I، IIA، IIB، HO، HE، که هر کدام تقریباً به طور کامل جهان ما را توصیف کردند، اما نه به طور کامل.
فیزیکدانان، با دسته بندی نسخه های نظریه ریسمان به امید یافتن یک فرمول واقعی جهانی، 5 نسخه خودکفا مختلف ایجاد کرده اند. برخی از ویژگی های آنها واقعیت فیزیکی جهان را منعکس می کرد، برخی دیگر با واقعیت مطابقت نداشتند.
نظریه M
در کنفرانسی در سال 1995، فیزیکدان ادوارد ویتن راه حلی جسورانه برای مسئله پنج فرضیه ارائه کرد. بر اساس دوگانگی تازه کشف شده، همه آنها به موارد خاصی از یک مفهوم فراگیر تبدیل شدند که نظریه M ابررشته های ویتن نامیده می شود. یکی از مفاهیم کلیدی آن بران (مخفف غشاء) بود، اشیاء بنیادی با بیش از 1 بعد. اگرچه نویسنده نسخه کاملی را ارائه نکرده است که هنوز در دسترس نیست، نظریه M ابر ریسمان به طور خلاصه از ویژگی های زیر تشکیل شده است:
- 11-بعد (10 بعد فضایی به اضافه 1 بعد زمانی);
- برن ها رشته هایی با بیش از 1 بعد هستند.
دوگانگی‌هایی که منجر به پنج نظریه در توضیح واقعیت فیزیکی یکسان می‌شوند؛
پیامدها
در نتیجه، به جای یک، 10500 راه حل وجود داشت. برای برخی از فیزیکدانان، این باعث بحران شد، در حالی که برخی دیگر اصل آنتروپیک را پذیرفتند، که ویژگی های جهان را با حضور ما در آن توضیح می دهد. باید دید نظریه پردازان کی دیگری را پیدا خواهند کردروش جهت گیری در نظریه ابر ریسمان.
برخی از تفسیرها نشان می دهد که جهان ما تنها جهان نیست. رادیکال ترین نسخه ها وجود بی نهایت جهان را مجاز می دانند که برخی از آنها دارای کپی های دقیقی از جهان ما هستند.
نظریه انیشتین وجود فضای مارپیچ را پیش بینی می کند که به آن کرم چاله یا پل انیشتین-رزن می گویند. در این حالت، دو مکان دور با یک گذرگاه کوتاه به هم متصل می شوند. نظریه ابر ریسمان نه تنها این اجازه را می دهد، بلکه امکان اتصال نقاط دور دنیاهای موازی را نیز فراهم می کند. حتی امکان انتقال بین جهان‌ها با قوانین فیزیک متفاوت وجود دارد. با این حال، این احتمال وجود دارد که نظریه کوانتومی گرانش وجود آنها را غیرممکن کند.
بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که اصل هولوگرافی، زمانی که تمام اطلاعات موجود در حجم فضا با اطلاعات ثبت شده در سطح آن مطابقت داشته باشد، به درک عمیق تری از مفهوم رشته های انرژی کمک می کند.
برخی بر این باورند که نظریه ابر ریسمان اجازه می دهد تا ابعاد متعددی از زمان را در نظر بگیرد که می تواند منجر به سفر در آنها شود.
علاوه بر این، در چارچوب این فرضیه، جایگزینی برای مدل انفجار بزرگ وجود دارد که بر اساس آن جهان ما در نتیجه برخورد دو بران پدید آمده و چرخه های مکرر ایجاد و تخریب را طی می کند.
سرنوشت نهایی جهان همیشه فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است و نسخه نهایی نظریه ریسمان به تعیین چگالی ماده و ثابت کیهانی کمک خواهد کرد. کیهان شناسان با دانستن این ارزش ها می توانند تعیین کنند که آیا کیهان چنین خواهد شد یا خیرجمع کنید تا منفجر شود تا دوباره از نو شروع شود.
هیچکس نمی داند یک نظریه علمی تا زمانی که توسعه و آزمایش نشود به کجا می تواند منجر شود. انیشتین با نوشتن معادله E=mc2، انتظار نداشت که منجر به ظهور سلاح های هسته ای شود. سازندگان فیزیک کوانتومی نمی دانستند که این فیزیک پایه ای برای ایجاد یک لیزر و یک ترانزیستور خواهد بود. و اگرچه هنوز معلوم نیست که چنین مفهوم کاملاً نظری به چه چیزی منجر می شود، تاریخ نشان می دهد که مطمئناً چیز برجسته ای رقم خواهد خورد.
برای اطلاعات بیشتر در مورد این حدس، به نظریه ابر ریسمان اندرو زیمرمن برای Dummies مراجعه کنید.
