نظريه نابجايي در ريسمان - بخش اول

كلمات كليدي:
خميدگي فضا-زمان
بينهايتها
ذره گراويتون
وحدت نيروها و ابعاد جهان
نظريه ريسمان
ژئودريك
ذره بنيادي ميدان دوبعدي
اولين بار نظريه ناجابجايي در ريسمانها را در ايران استاد فرهاد اردلان پايه گذاري كرد و در دنيا او را بعنوان يكي از اولين كساني ميشناسند كه نظريه ناجابجايي در ريسمانها را ارائه كرده است . اكنون ميخواهيم ببينيم ريسمان چيست و چگونه در نظريه هاي فيزيك ظاهر گشت . ماكسول با معادلات خود ثابت كرد كه الكتريسيته و مغناطيس دو نمود از يك نيرو هستند . اين معادلات نشان ميدادند كه سرعت نور مقداري ثابت است (بايد متذكر شوم كه اخيرا مشاهده شده در راكتورهاي هسته اي در برخي موارد شرايطي پيش مي آيد كه سرعت نور از حد معمول خود بيشتر ميشود! ولي اين يك استثناء است) . با توجه به مفاهيم فضا و زمان مطلق در قوانين نيوتن ، دانشمندان سعي نمودند اين سرعت ثابت را توجيه كنند و تصميم گرفتند فرض كنند ماده اي به نام "اتر" موجود است كه ميتوان همه سرعتها را نسبت به آن سنجيد و سرعت نور نسبت به آن ثابت است.


در اواخر قرن نوزدهم ماكسول و اورلي با آزمايش معروف خود ثابت كردند كه اتر وجود خارجي ندارد . آلبرت انيشتن از اينجا نتيجه گرفت سرعت نور نسبت به همه ناظرين يكسان و اين پايه اي براي نظريه نسبيت در سال 1905 شد . زمان مطلق براساس اين نظريه فرو ريخت . نتيجه آنكه فضا-زمان چهار بعدي با هم درست است نه فضا و زمان چهار بعدي! در 1915 انيشتن نظريه اي براي نيروي گرانش ارائه كرد . او فرض كرد كه جرم جذبي و جرم جبري با يكديگر برابر است . بعنوان مثال اگر شخصي در اتاقك بسته در فضا بصورت بي وزن بوده و با ريسماني به كف اتاقك متصل باشد و ناگهان به سمت كف اتاقك كشيده شود دو احتمال ميرود . يا اتاقك و سفينه آن ترمز نموده است و يا اتاقك روي سياره اي سنگين قرار گرفته است . بنابراين شتاب گرانشي ناشي از جرم با شتاب ناشي از تغيير سرعت براي شخص يكسان به نظر ميرسد . يعني جرم جذب با جرم جبري برابر است . حال اگر همين شخص با اتاقك خود در حال سقوط آزاد در يك ميدان گرانش باشد و در دو طرف اين اتاقك يك تپ نوري از سمتي به سمت روبرويش رود از نظر ناظر داخل اتاقك نور دقيقا به سمت ديگر فرود مي آيد اما از نظر ناظر بيروني نور اتاقك در مسيري خميده به سمت ديگر ميرود تا دقيقا به روبرويش برخورد كند.
پس ميتوان نتيجه گرفت نور در ميدان گرانش خم ميشود كه اين خمش بسته به مقدار گرانش و در نتيجه جرم توليدكننده ميدان گرانش دارد . نور در فضا-زمان كوتاهترين مسير (ژئودزيك) را مي پيمايد . بنابراين خميده شدن مسير نور توسط ميدان گرانش نتيجه ميدهد كه جرم توليد كننده گرانش در واقع فضا-زمان را خم ميكند!
در همان زمان خود انيشتن و دانشمندان ديگر با توجه به كار ماكسول حدس ميزدند نيروي واحدي در ابتداي جهان وجود داشته كه پس از كم شدن دما به چهار نيروي الكترومغناطيس و جاذبه و قوي و ضعيف هسته اي شكسته شده است . نيروي جاذبه و الكترومغناطيس برد بلندي دارند اما دو نيروي ديگر برد كوتاهي دارند . نيروي ضعيف هسته اي باعث واپاشي بتا ميشود و نيروي قوي هسته اي نيرويي است كه باعث ميشود مثلا دو پروتون در هسته اتم يكديگر را جذب كنند و اتم به علت نيروي دافعه بار همنام دو پروتون از هم نپاشد . مكانيك كوانتومي با توجه به اصل عدم قطعيت هايزنبرگ كه ميگفت نميتوان اندازه حركت خطي (P) و مكان (X) را ذاتا بطور دقيق اندازه گرفت با نسبيت عام انيشتن كه پيش بيني ها را دقيق انجام ميداد در تقابل بود.
برخي دانشمندان سعي كردند هندسه فضا-زمان را به گونه اي در نظر گيرند كه ديگر نيروها نيز در آن راه يافته و وحدت يابند . در واقع در 1919 كالوتزاي روس با پنج بعد به همين شكل سعي كرد توصيفي هندسي از الكترومغناطيس ارائه دهد . در 1924 كلاين سوئدي ثابت كرد كه اين بعد اضافي متناظر با بعد مكاني است . در نظريه كالوتزا و كلاين هر نقطه مادي در واقع يك حلقه در بعد پنجم فضا-زمان است . يك ذره (حتي اگر در يك فضاي معمولي ساكن باشد) همانند موشي كه در چرخ گردونه قرار دارد ، حول حلقه در حال حركت خواهد بود ، بنابراين آنچه كه ما بعنوان بار الكتريكي ميشناسيم در واقع حركت در بعد اضافي فضا است! مثلا اگر قانون سوم نيوتن را در امتداد بعد اضافي فضا در نظر بگيريم به قانون بقاي بار الكتريكي ميرسيم . امكان وجود ابعاد اضافي در نظريه ريسمان در فواصل بزرگ توسط ايكناتيوس آنتونيارين بررسي شد اما ابعاد با طول بزرگ ذراتي را بوجود مي آورند كه مشكل برانگيز بودند.
به همين طريق با ابعاد بيشتر ميتوان نيروهاي ديگر را نيز وحدت بخشيد اما بهاي آن جهاني 11 بعدي است . از طرفي بينهايت ها سر بر مي آورند . يكي از نمونه اين بينهايت ها ذره گراويتون (بوزون انتقال دهنده نيروي گرانش) است . اين ذره به هر حال انرژي دارد و در نتيجه جرم در حال حركت دارد . بنابراين بايد بين آن و گراويتون هاي ديگر جاذبه و در نتيجه گراويتون رفت و آمد كند و به همين صورت الي آخر ... به اين ترتيب جهان بايد با سيهچاله هاي ميكروسكوپي خالكوبي شده باشد . فيزيكدانها پس از روش نوبهنجارش پذيري كه روشي براي رفع برخي از اين بينهايت ها است اولين ذره بنيادي (سازنده ذرات ديگر) را به جاي نقطه (صفر بعدي) بصورت يك ريسمان در طول يكي از ابعاد در نظر گرفتند و در نتيجه 11 بعد تبديل به 10 بعد شد . در نظريه ريسمان اگر به جاي نمودارهاي فايمن معمولي (نوعي نمودار فضا-زمان) نموارهاي ريسماني بگذاريم تا تكينگي از بين برود ديگر به فضا-زمان نيازي نيست بلكه فقط يك نظريه ميدان دوبعدي لازم است كه انتشار ريسمانها را توصيف كند و شايد مهمتر از آن اينكه فضا-زماني وجود ندارد مگر چيزي كه ميتوان از نظريه ميدان دوبعدي بيرون كشيد.