بررسی نظریه ریسمان و ذرات بنیادی برای فهمیدن نظریه ریسمان باید قبل از هر چیز ذرات بنیادی رو بشناسیم . من یه توضیحی در مورد ذرات بنیادی میدم بعد میرم سراغ نظریه ریسمان . ذرات بنیادی : ذرات بنیادی یا ریز اتمی ، ذراتی هستند که اندازه هایی کوچک تر از اتم دارند . تعداد ذرات بنیادی شناخته شده در سال 1940 از شمار انگشتان یک دست تجاوز نمی کرد : پروتون ، نوترون ، الکترون ، نوترینو و پوزیترون . سه ذره اول را به عنوان خشت هایی اصلی می شناختند که اتم ها از آنها ساخته میشوند . پروتن ها و نوترون ها هسته اتم ها را تشکیل میدهند و الکترون ها هم در مدارهایی به دور این هسته ها در گردشند . نوترینو و پوزیترون ها هم ذراتی کمابیش عجیب و غریب به حساب می آمدند که در خارج از جو زمین کشف شده و منشا چندان معلومی نداشتند . طی دو دهه بعدی دیدگاه دانشمندان نسبت به ماده کاملا دگرگون شد . در پی اختراع شتاب دهنده های ذرات ( یا اتم شکن ها ) و کشف شکافت و گداخت هسته ای ، تعداد ذرات بنیادی شناخته شده افزایش یافت . دانشمندان ذراتی را شناسایی کردند که در انرژی های بیشتر از انرژی های امور عادی روزانه پدید می آیند : ذرات زیگما ، لاندا ، دلتا ، اپسیلون و ذرات دیگر که به صورت های باردار ( مثبت و منفی ) و خنثی دیده می شوند . در پایان دهه 1950 ، تعداد ذرات بنیادی کشف شده به قدری زیاد شده بود که بعضی از فیزیک دانان فهرست آنها را باغ وحش ذرات نامیدند . در سال 1964 دو فیزیک دان به نامهای : گلمن ( آمریکایی ) و ژرژ تسویک ( سوئیسی ) به طور مستقل از هم راهی را برای خروج از باغ وحش ذرات پیشنهاد کردند : به نظر آنها تقریبا 100 ذره ریز اتمی که تا آن موقع کشف شده بودند در واقع ذرات بنیادی نیستند . طبق این فرضیه ذرات بنیادی موجود خیلی کم است و ذرات زیر اتمی دیگری که کشف شده اند از ترکیب های مختلف همین ذرات واقعا بنیادی پدید می آیند . ذرات بنیادی واقعی را کوارک ها و لپتون ها نامیدند . هر یک از این دو گروه شامل 6 نوع ذره مختلف است . برای نمونه کوارک های 6 گانه با نامهای خیال پردازانه : بالا ، پایین ، افسون ،شگفت ، حقیقت و زیبایی نامیده شدند . بنا بر نظر گلمن و تسویک با استفاده از این 6 کوارک میتوان ذراتی مثل پروتون ( شامل 2 کوارک بالا و یک کوارک پایین ) و نوترون ( شامل یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ) را تولید کرد . علاوه بر کوارک و لپتون ها ، دانشمندان با فرضیه سازی وجود ذراتی را پذیرفته اند که آنها را حامل نیروهای مختلف میدانند . یکی از این ذرات که از قبل به خوبی شناخته شده بود همان فوتون است . فوتون ذره عجیبی است که هیچ جرمی ندارد اما ظاهرا عامل انتقال انرژی الکترو مغناطیسی از نقطه ای به نقطه دیگر است . و همچنین بوزون که به نوعی میتوان گفت حامل نیرو بین اجسام است و فرمیون ها که ساخت مواد را بر عهده دارند همه ذرات زیر اتمی خاصیتی به نام اسپین دارند . یعنی مشابه سیاراتی مثل زمین به دور محورشان در چرخشند . در حالت کلی اسپین هر ذره میتواند ساعتگرد یا پاد ساعتگرد باشد اما با این حال جزئیات اسپین ذره دارای پیچیدگی های زیاد و منحصر به فردی باشد . فیزیک دانان بر این باورند که تمام نیروهای عالم را میتوان در یکی از 4 نیروی بنیادی ، یعنی : گرانش ، الکترو مغناطیس ، نیروهای قوی و نیروهای ضعیف ِ هسته ای خلاصه کرد . نیرو های قوی و ضعیف نیرو هایی هستند که در قرن بیستم کشف شده اند . آنها تعیین کننده نحوه برهم کنش اتم ها و ذرات کوچکتر از اتم ها با یکدیگرند . نیرو های الکترو مغناطیسی بر ذرات باردار اثر می کنند و نیروی گرانش بر همه اجسام صرف نظر از اندازه آنها اثر دارد . تاکنون در بین 4 نیرو ، گرانش از همه کمتر درک شده است. یکی از بزرگترین تلاش های فیزیک دانان طی قرن بیستم این بود که نشان دهند ، چهار نیروی بنیادی در واقع نشانه های متفاوتی از یک نیروی کاملا واحد هستند . آنان در این راه در مورد سه نیروی ضعیف ، قوی و الکترو مغناطیسی موفق بودند . این سه نیرو اکنون سه شکل از یک نیروی واحد محسوب می شوند . نظریه ریسمان یکی از تلاش هایی است که برای متحد کردن نیروی گرانش مطرح شده است . در صورت ِ برطرف شدن ابهامات موجود و در نتیجه پذیرفته شدن نظریه ریسمان به عنوان یک قانون ، دانشمندان میتوانند نظم کنونی طبیعت و همچنین پیدایش جهان ( یا بیگ بنگ ) را توضیح دهند . در نظریه ی ریسمان به جای اینكه هر ذره را مستقل در نظر بگیریم به صورت رشته ایپیوسته با شكلهای مختلف درنظر میگیریم , مثلا الكترون را می توان مانند یك النگورشته ای بدانیم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دایره ای تشكیل داده است. همانطور که گفتم در دنیای ماچهار نیروی اصلی بنامهای الكترومغناطیسی، هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و گرانشی وجوددارد. سه نیروی اول به ترتیب می توانند با هم در انرژیهای بالا متحد شوند و یكنظریه واحد داشته باشند. یعنی انشعاباتی از یك نظریه ی اصلی باشند. اصطلاحاٌ میگویند این سه نظریه در انرژیهای بالا تقارن دارند و در انرژیهای معمولی دچار شكستخودبخودی تقارن می شوند. اما چهارمین نیروی اصلی یعنی گرانش دو مشكل اساسی دارد : یكی وحدت نیافتن با سه نیروی دیگر و دیگر اینكه اگر ذرات را نقطه ای در نظر بگیریم،سطح مقطع برهم كنش نیروی گرانشی بین دو ذره ی نقطه ای كه بهم نزدیك می شوند طبقنظریه ی كوانتومی بی نهایت بدست می آید. از اینرو ذرات بصورت ریسمانهای یك بعدی درنظر گرفته شدند. مثلا الكترون یا كواركها همگی ریسمانهای بسته و حلقوی با شكلهایمختلفند. در این تصورجدید، دیگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمی دهد بلكهشما دو حلقه دارید كه در فضا بهم نزدیك می شوند و با عكسبردای تخیلی یك پوسته بهشكل طنبی ضخیم یا یک لوله نمایش داده می شود. مثل اینكه دو لوله بهم برخورد كرده باشند و دو لولهجدید بوجود آورده باشند. در این نظریه هم وحدت میسر است و هم بینهایتهای گرانشكوانتومی برطرف می شود. نظریه ی ریسمان ادعا می كند كه دنیای ما حداقل 10 بعدیست ( تا 26 بعد نیز افزایش می یابد ). یعنی 9 بعد مكانی و یك بعد زمانی دارد. این برخلاف تجربیات ماست. یعنی ما فكر میكنیم كه در دنیایی با سه بعد مكانی و یك بعد زمانی زندگی می كنیم. به همین دلیلتوجیه می كند كه 6 بعد اضافی در واقع در دنیای ما وجود دارند ولی فشرده شده اند. فشرده شدن یعنی اینكه مثلا شما یك شلنگ را از فاصله ی دور بصورت یك بعدی می بینیداما از نزدیك بصورت یك استوانه ی دو بعدی. . در نظریه ی ریسمان اشكالاتی هم وجوددارد. مثلا تمام جوابهایی كه برای ریسمانهای موجود در ابعاد R بدست می آید در ابعاد R-1 هم بدست می آید. یعنی اصطلاحا ابعاد بزرگ و كوچك خواص مثل هم دارند كه بطوربدیهی غلط است. و اینكه ما می دانیم كه دما حداقل دارد ولی نظریه ی ریسمان می گویدعلاوه بر این حداقل دمایی، یك حداكثر هم وجود دارد به اندازه ی 1032 سانتیگراد. خود ریسمان ها به طور کلی و ظاهری دو نوع هستند كه عبارتند از : 1- ریسمان های باز كه دارای دو نقطه ی پایانی مشخص هستند 2- ریسمان های بسته كه در آن نقاط پایانی اش به هم پیوسته و یك حلقه ی كامل را تشكیل می دهند . این ها دارای خواصی هستند كه اندكی با هم تفاوت می كند و همیشه در تمام 6 تئوری ریسمان و ابر ریسمان با هم نمی آیند . از طرفی طول ریسمان معادل طول پلانك كه در حدود ده به توان منفی 35 می باشد كه با تكنولوژی ها كنونی اصلا قابل تصور نیست . اما باید گفت که چندین نظریه ریسمان وجود دارد و تنها تعداد کمی از آنها میتوانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریهٔ ریسمانی که در طیف ذراتش (یعنی در حالتهای مختلف نوسانیاش) ذرهای دارد که سریعتر از نور حرکت میکند نمیتواند مدل خوبی از طبیعت باشد. چون هیچ چیز نمیتواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. اما حتی نظریههای ریسمانی که مدل خوبی از طبیعت نیستند میتوانند به فهم فیزیکدانان از این نظریه و نظریههایی که میتوانند به فهم طبیعت کمک کنند، مدد برسانند. ریسمان بوزونی نخستین نوع و سادهترین نوع نظریهٔ ریسمان است. به طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیشفرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متاسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذرهای که سریعتر از نور حرکت میکند) وجود دارد بنابراین نمیتواند مدلی از طبیعت باشد. همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در مکانیک آماری) پیروی میکند بنابراین به طور طبیعی نمیتواند توصیفگر ذراتی مثل الکترون باشد.البته این نظریه در توصیف ذرات میدانی مانند گراویتونها و فوتونها موفق است. ابرریسمان با استفاده از فرض ابرتقارن (یعنی در مقابل هر ذره بوزی ذرهای فرمیی داریم) نوعی نظریه است که قابلیت آن را دارد که توصیفگر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان غالبا ده است. در حال حاضر پنج نظریهٔ ابرریسمان وجود دارند که میتوانند توصیفگر طبیعت باشند. Mنظریه در سال ۱۹۹۵ میلادی ادوارد ویتن فیزیکدان مشهور با معرفی د-وسته (خوانده میشود دالوسته بر وزن آموخته) انقلابی در نظریهٔ ریسمان پدید آورد. د-وستهها اشیایی هستند که دو سر ریسمانهای باز روی آنها میلغزند. این اشیا میتوانند صفر-بعدی تا تعداد ابعاد-فضایی(غیر زمانی)-بعدی باشند. به د-وستهٔ دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحهکاغذ با ضخامت صفر «پوسته» یا د۲-وسته (تلفظ میشود دال-دووسته) میگویند. (نام د-وسته هم به قرینهٔ پوسته انتخاب شدهاست). د۱-وسته (خوانده میشود دال-یکوسته) خود به شکل ریسمان است. به همین منوال میتوانیم د۰-وسته(دال-صفروسته) د۳-وسته(دال-سه وسته) د۴-وسته و ... داشتهباشیم. حرف « د » که در ابتدای این کلمهها میآید حرف نخستین نام دریشله( ریاضیداناست ) است. بنابراین د-وستهٔ هرچند بعدی که داشتهباشیم آن را به صورت « د تعداد ابعاد-وسته » مینویسیم. علاوهبراین برای گنجاندن این اشیای جدید در نظریهٔ ابرریسمان تعداد ابعاد به ۱۱ ارتقا پیدا کرد. ویتن همچنین ثابت کرد که پنج نظریهٔ ابرریسمان موجود بیارتباط به هم نیستند و با نوعی روابط همزادی ( duality ) به هم مربوط میشوند. امروزه به نظر میآید این پنج نظریه درواقع پنج «نمود» (=جلوه) گوناگون از یک نظریهٔ مادر و بزرگتر هستند. یعنی این نظریهٔ مادر که آن را نظریه-م(تلفظ میشود نظریهٔ میم) میخوانند در شرایط خاص به هر یک از این پنج نظریه تقلیل مییابد (بسته به شرایط به نظریههای مختلف). باید توجه داشت که نظریهٔ ریسمان (و به تبع آن نظریه-م)، نظریهای فاقد پارامتر آزاد است. یعنی جایی برای تنظیم پارامترها به کمک آزمایش باقی نمیگذارد. به بیان روشنتر خواص تمام ذرات باید از روی معادلات ریاضی درآورده شود. بنابراین مثلا این نظریه باید بگوید چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپین آن یکدوم و چرا بار الکتریکی آن بهمان مقدار است. آیا حقیقتاً نظریهٔ ریسمان علمیاست ؟ بعضی از فیزیکدانان معتقدند که نظریهٔ ریسمان اصولا نظریهای علمی نیست چرا که هیچ پیشبینی ابطالپذیری نمیکند و در بهترین شرایط تنها به توضیح واقعیات موجود میپردازد.
