up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله نظريه ريسمان PDF
QR code - نظريه ريسمان

نظريه ريسمان

نظريهٔ ريسمان شاخه‌اي از فيزيک نظري و بيشتر مربوط به حوزه فيزيک انرژي‌هاي بالاست .اين نظريه در ابتدا براي توجيه کامل نيروي قوي به وجود آمد ولي پس از مدتي با گسترش کروموديناميک کوانتومي کنار گذاشته شد و در حدود سالهاي ۱۹۸۰ دو باره براي اتحاد نيروي گرانشي و برطرف کردن ناهنجاري‌هاي تيوري ابر گرانش وارد صحنه شد. بنا بر آن ماده در بنيادين‌ترين صورت خود نه ذره بلکه ريسمان مانند است. يعني تمام ذرات بنيادين (مثل الکترون، پوزيترون و فوتون) اگر با بزرگنمايي خيلي خيلي زياد نگريسته‌شوند ريسمان‌ديس هستند. ريسمان مي‌تواند بسته (مثل حلقه) يا باز (مثل بند کفش) باشد.
همانطور که حالت‌هاي مختلف نوساني در سيمهاي سازهاي زهي مثل گيتار صداها(نتها)ي گوناگوني ايجاد مي‌کند، حالتهاي مختلف نوساني اين ريسمانهاي بنيادين نيز به صورت ذرات بنيادين گوناگون جلوه‌گر مي‌شود.
خاصيت مهم ابرريسمان که فيزيکدانان را به سمت خود کشاند اين بود که اين نظريه به طرزي بسيار طبيعي گرانش (نسبيت عام) و مدل استاندارد (نظريهٔ ميدان کوانتوم) که سه نيروي ديگر موجود در طبيعت را توصيف مي‌کند به هم مرتبط مي سازد.
ابعاد بالاتر
به طور سنتي فضايي که ريسمان‌ها در آن مي‌زيند بيست و شش بعدي است (البته هميشه اينطور نيست چنان که در زير توضيح داده خواهد شد). عدد بيست و شش از روي ضوابط رياضي و نظريهٔ گروهها (براي حفظ تقارن لورنس) به‌ دست مي‌آيد. اين امر ممکن است در ابتدا کمي ثقيل و مشکل‌زا به نظر برسد چرا که به هرحال ما در اطراف خود چهار بعد (سه بعد مکاني و يک بعد زماني) بيشتر احساس نمي‌کنيم پس اين بعدهاي اضافه کجايند؟ جوابي که معمولاً به اين سوال داده مي‌شود اينست که اين بعدها برخلاف چهار بعد ديگر) کوچک و نيز فشرده (معادل انگليسي compact) هستند. فشرده يعني آنکه اگر در جهت آنها به اندازهٔ کافي پيش‌روي کنيد به جاي اول خود باز مي‌گرديد. کوچک بودن هم معنايش اينست که براي آنکه به جاي نخست بازگرديد بايد مسافت خيلي کمي را طي کنيد.
براي نمونه يک لولهٔ بينهايت دراز را در نظر بگيريد. سطح اين لوله مسلما دوبعدي است. يعني مورچه‌اي که روي سطح اين لوله قرار دارد مي‌تواند در دو راستاي مستقل از هم حرکت کند. فرض کنيد که سر مورچه در راستاي طول لوله‌است. مورچه مي‌تواند يا عقب-جلو برود يا چپ-و-راست. اما اگر به‌فرض اين مورچه به اندازهٔ کافي (يعني به اندازهٔ محيط لوله) در جهت چپ حرکت کند به جاي اول خود باز مي‌گردد اما قضيه در مورد عقب جلو رفتن صدق نمي‌کند. پس يکي از بعدهاي اين فضاي دوبعدي (يعني يکي از بعدهاي سطح لوله) فشرده و يکي نافشرده است.
اينک فرض کنيد که اين مورچه روي يک توپ قرار دارد. باز هم مي‌تواند در دو راستاي مستقل از هم حرکت کند منتهي اين‌بار در هر جهتي روي سطح کره مستقيم حرکت کند، پس از طي مسافتي (برابر با محيط دايرهٔ عظيمهٔ کره) به جاي نخست بازمي‌گردد. پس اين بار هر دو بعد اين فضاي دوبعدي (يعني سطح توپ) فشرده است.
بازگرديم به فضاي دوبعدي سطح لوله. اين بار فرض کنيد که محيط اين لوله خيلي کم باشد يا مثلاً به جاي لوله يک کابل برق داشته‌باشيم. براي مورچه (اگر به اندازهٔ کافي کوچک باشد)اين کابل هنوز يک سطح دو بعدي است يعني وقتي که روي سطح کابل قرار دارد مي‌تواند در دو راستاي مستقل از هم حرکت کند. اما براي ما انسان‌ها کابل برق يک شي يک بعدي محسوب مي‌شود چون فقط درازاي آن قابل درک است.
حالتي بسيار شبيه به اين در مورد اين بعدهاي اضافه در نظريه ريسمان رخ مي‌دهد. به اين معني که ما به خاطر اندازهٔ بزرگ خود از درک اين ابعاد اضافي عاجز هستيم اما اين ابعاد براي ‌بعضي از ذره‌ها با انرژي زياد قابل دسترسي است.
انواع نظريه ريسمان
بايد گفت که چندين نظريه ريسمان وجود دارد. تنها تعداد کمي از آنها مي‌توانند نامزدي براي توصيف طبيعت باشند. براي مثال نظريهٔ ريسماني که در طيف ذراتش (يعني در حالت‌هاي مختلف نوساني‌اش) ذره‌اي دارد که سريع‌تر از نور حرکت مي‌کند نمي‌تواند مدل خوبي از طبيعت باشد. چون هيچ چيز نمي‌تواند سريع‌تر از سرعت نور حرکت کند. اما حتي نظريه‌هاي ريسماني که مدل خوبي از طبيعت نيستند مي‌توانند به فهم فيزيکدانان از اين نظريه و نظريه‌هايي که مي‌توانند به فهم طبيعت کمک کنند، مدد برسانند.
به طور کلي دو گونه نظريهريسمان وجود دارد:
1ريسمان بوزوني
۲. اَبَرريسمان
ريسمان بوزوني
نخستين نوع و ساده‌ترين نوع نظريه‌ٔ ريسمان است. به طور سنتي احتياج به ۲۶ بعد براي همخواني با ضوابط و پيش‌فرضهاي فيزيکي (مانند تقارن لورنس) دارد. متاسفانه در طيف ذرات آن تاکيون (ذره‌اي که سريعتر از نور حرکت مي‌کند) وجود دارد بنابراين نمي‌تواند مدلي از طبيعت باشد. همچنين از آمار بوز (در مقابل فِرْمي در مکانيک آماري) پيروي مي‌کند بنابراين به طور طبيعي نمي‌تواند توصيف‌گر ذراتي مثل الکترون باشد.البته اين نظريه در توصيف ذرات ميداني مانند گراويتون‌ها و فوتون‌ها موفق است.
ابرريسمان
با استفاده از فرض ابرتقارن (يعني در مقابل هر ذره بوزي ذره‌اي فرميي داريم) نوعي نظريه ‌است که قابليت آن را دارد که توصيف‌گر طبيعت باشد. تعداد ابعاد مورد نياز در ابرريسمان غالبا ده است. در حال حاضر پنج نظريهٔ ابرريسمان وجود دارند که مي‌توانند توصيف‌گر طبيعت باشند.
د-وسته (D-Brane) و نظريه-م (M-Theory)
در سال 1995 ميلادي ادوارد ويتن فيزيکدان مشهور با معرفي د-وسته (دالوسته بر وزن آموخته) خوانده مي‌شود انقلابي در نظريه‌ٔ ريسمان پديد آورد. د-وسته‌ها اشيايي هستند که دو سر ريسمانهاي باز روي آنها مي‌لغزند. اين اشيا مي‌توانند صفر-بعدي تا تعداد ابعاد-فضايي(غير زماني)-بعدي باشند. به د-وستهٔ دو بعدي يعني شکلي مثل يک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر «پوسته» يا د۲-وسته (تلفظ مي‌شود دال-دووسته) مي‌گويند. (نام د-وسته هم به قرينهٔ پوسته انتخاب شده‌است). د۱-وسته (خوانده مي‌شود دال-يکوسته) خود به شکل ريسمان است. به همين منوال مي‌توانيم د۰-وسته(دال-صفروسته) د۳-وسته(دال-سووسته) د۴-وسته و … داشته‌باشيم. حرف «د» که در ابتداي اين کلمه‌ها مي‌آيد حرف نخستين نام دريشله(رياضيدان‌است) ‌است. بنابراين د-وستهٔ هرچند بعدي که داشته‌باشيم آن را به صورت «د تعداد ابعاد-وسته» مي‌نويسيم. علاوه‌براين براي گنجاندن اين اشياي جديد در نظريهٔ ابرريسمان تعداد ابعاد به ۱۱ ارتقا پيدا کرد.
ويتن همچنين ثابت کرد که پنج نظريهٔ ابرريسمان موجود بي‌ارتباط به هم نيستند و با نوعي روابط همزادي
(duality)
به هم مربوط مي‌شوند. امروزه به نظر مي‌آيد اين پنج نظريه درواقع گوناگون از يک‌ نظريهٔ مادر و بزرگ‌تر هستند. يعني اين نظريهٔ مادر که آن را نظريه-م(تلفظ مي‌شود نظريهٔ ميم) مي‌خوانند در شرايط خاص به هر يک از اين پنج نظريه تقليل مي‌يابد (بسته به شرايط به نظريه‌هاي مختلف.)
فيزيکدانان هنوز شناخت کاملي از نظريه-م ندارند حتي بر سراينکه «م» در نام نظريه دقيقا مبين چيست اختلاف نظر وجود دارد. بعضي مي‌گويند «م» به معني مادر است. برخي مي‌گويند «م» مخفف «ماتريس» است. برخي ديگر (البته به شوخي) مي‌گويند
M از واژگون حرف W که حرف اول نام ويتن است مي آيد.
هرچه‌ هست همکنون بسياري از فيزيکدانان به دنبال کشف و درک نظريه-م هستند. احتمالاً يافتن نظريه-م از بزرگ‌ترين دستاوردهاي بشر خواهد بود زيرا اين نظريه قادر خواهد بود تمام دنيا را در بنيادين‌ترين حالت توصيف کند.
بايد توجه داشت که نظريهٔ ريسمان (و به تبع آن نظريه-م)، نظريه‌‌اي فاقد پارامتر آزاد است. يعني جايي براي تنظيم پارامترها به کمک آزمايش باقي نمي‌گذارد. به بيان روشن‌تر خواص تمام ذرات بايد از روي معادلات رياضي درآورده شود. بنابراين مثلاً اين نظريه‌ بايد بگويد چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپين آن يک‌دوم و چرا بار الکتريکي آن بهمان مقدار است.
د-وسته‌ها و جهانهاي موازي
آيا حقيقتاً نظريهٔ ريسمان علمي‌است؟
بعضي از فيزيکدانان معتقدند که نظريهٔ ريسمان اصولا نظريه‌اي علمي نيست چرا که هيچ پيش‌بيني ابطال‌پذيري نمي‌کند و در بهترين شرايط تنها به توضيح واقعيات موجود مي پردازد.
نظريه-م و مسايل فلسفي مربوط به آن و سرنوشت ناپيدايش
در اينجا طنز کوچکي مطرح مي‌شود: ما انسان‌ها يا قابليت آن را داريم که به کشف نظريه-م نايل شويم يا نه. يعني نظريه-م اصولا يا قابل کشف فهم هست يا نيست. در نهايت به نظر مي‌آيد که اين نظريه-م است که در مورد قابل کشف فهم بودن يا نبودن خود تصميم گرفته است! چون بالاخره ما انسان‌ها محصول جهاني هستيم که بر اساس قوانين نظريه-م کار مي‌کند.
به علاوه اين سوال بنيادي‌تر هم مطرح است که آيا اصلاً نظريه-م وجود دارد؟ چرا طبيعت بايد موجودي قانونمند و در درجهٔ بعد قابل فهم باشد. اينشتين معتقد بود که غيرقابل‌فهم‌ترين چيز در مورد طبيعت اين‌است که طبيعت قابل فهم است. متاسفانه يا خوشبختانه از هيچ‌کجا آيه نيامده‌است که نظريه-م به عنوان نظريهٔ همه چيز يا نظريهٔ وحدت‌بخش وجود دارد تا حالا ما به دنبال آن باشيم. هرچند که به نظر مي‌آيد تمام فيزيکدانان ريسمان‌کار به طور ضمني معتقد خستو اند که نظريه-م وجود دارد و همچنين قابل درک براي ما انسان‌ها است وگرنه بعيد بود عمر خود صرف آن کنند. اما اين فرض تماما برخاسته از خوشبيني مفرط است که خوشبختانه تاکنون خلاف آن ثابت نشده است.
همچنين اين احتمال (هرچند بسيار اندک) وجود دارد که روزي ثابت شود نظريهٔ ريسمان اساسا نادرست است. اتفاقي شبيه اين امر در مورد نظريهٔ متغير پنهان چندين سال قبل رخ‌ داد. ريسمان‌کارها معتقدند که شانس از بيخ و بن نادرست بودن نظريهٔ ريسمان بسيار بسيار اندک و حتي نزديک صفر است. چرا که تاکنون شواهد بسيار زيادي مبني بر صحت آن يافت شده‌است. ممکن است آزمايش‌هاي آينده جهت تحقيقات را تغيير دهد ولي احتمال تکذيب اين نظريه چنانکه که گفته شد تقريباً صفر است.

در کنار تمامي مسائلي که در علم فيزيک مطرح ميشود باز هم سخن از انفجار بزرگ به گوش ميرسد. انواع و اقسام نظرياتي که بر پايه ي نتايج بررسي هاي بدست آمده ا ...

● ديد کلي تعداد مسائلي که در مکانيک کوانتومي ، مي تواند به طور دقيق حل شود ، همانند مکانيک کلاسيک خيلي محدود مي باشد. در بسياري از موارد کاربردي مورد ...

همانطور که حالتهاي مختلف نوساني در سيمهاي سازهاي زهي مثل گيتار صداها(نتها)ي گوناگوني ايجاد ميکند، حالتهاي مختلف نوساني اين ريسمانهاي بنيادين نيز به صو ...

● ديد کلي تعداد مسائلي که در مکانيک کوانتومي ، مي تواند به طور دقيق حل شود ، همانند مکانيک کلاسيک خيلي محدود مي باشد. در بسياري از موارد کاربردي مورد ...

در يکي از يادداشت‎هاي پيشين با عنوان لزوم تدوين تئوري معماري، به نکات مهمي درباره جايگاه مباني نظري معماري اشاره گرديد. در ادامه اين سلسله مباحث نگاهي ...

قوانين مکانيک را مي توان بطور آماري در دو سطح مختلف به مجموعه اي از اتمها اعمال کرد در سطحي که نظريه جنبشي گازها ناميده مي شود. به طريقي کم و بيش فيزي ...

گاليلئوگا ليلئي (۱۶۴۲ ۱۵۶۴) معروف به گاليله، در شهر پيزا زاده شد. در ۱۵۸۱ در دانشگاه پيزا ثبت نام کرد تا در رشته پزشکي تحصيل کند اما به زودي اين رشته ...

● تمام اشکال حيات از حياتي از همان نوع مقصود ما از پيوستگي ژنتيکي اين است که نه تنها تمام زندگي از زندگي زاييده مي شود («قانون زيست زايي») بلکه خاص تر ...

دانلود نسخه PDF - نظريه ريسمان