مرثیه‌ای برای یک ریسمان: بررسی اوج و افول نظریه همه چیز | بهمن 1401
اولین نسخه‌های نظریه‌ی ریسمان به ۲۶ بعد فضایی نیاز داشت اما پس از ابرتقارن و کنار گذاشتن برخی ابعاد، نظریه‌پردازها این عدد را صرفا به ۱۰ بعد کاهش دادند. جهان حداقل در مقیاس‌های بزرگ، دارای ده بعد فضایی نیست؛ بنابراین تعداد ابعاد بیشتر باید کوچک و در هم‌آمیخته باشند. وقتی دست‌هایتان را می‌لرزانید، در واقع این ابعاد کوچک را بی‌نهایت بار می‌پیمایید اما این ابعاد به قدری کوچک هستند (معمولا در مقیاس پلانک) که نمی‌توانید آن‌ها را ببینید.
با وجود ابعاد بیشتر، گزینه‌های ارتعاش ریسمان برای توصیف کل فیزیک افزایش یافتند. از طرفی این ابعاد می‌توانند در حین ارتعاش و پیچیده شدن، شکل‌های متنوعی به خود بگیرند که به آن‌ها منیفلدهای کالابی یائو گفته می‌شود. اگر تکه‌ای کاغذ را روی خود آن تا کنید چند انتخاب دارید: می‌توانید یک زوج از یال‌ها را به یکدیگر وصل کنید (استوانه) یا دو زوج یال را به یکدیگر وصل کنید (شکل دونات) یا می‌توانید یک زوج یال را وارونه وصل کنید (نوار موبیوس) یا هر دو را وارونه وصل کنید (بطری کلین). این تنوع صرفا در دو بعد به دست می‌آید. با شش بعد می‌توانید به ۱۰ به توان ۵۰۰ تا ده به توان ۱۰ هزار گزینه‌ی محتمل برسید.
تمام شکل‌های احتمالی اهمیت دارند زیرا چگونگی جمع‌شدن ابعاد فضایی بیشتر، مجموعه‌ای محتمل از ارتعاش ریسمان‌ها را تعیین می‌کند. به‌طوری‌که هر شکل مانند آلت‌های موسیقایی مختلف، دارای مجموعهی متفاوتی از ارتعاش ریسمان‌ها است. برای مثال صدای شیپور با صدای ساکسیسفون به دلیل چگونگی سازماندهی و نوع ارتعاش‌ها متفاوت است؛ اما جهان ما تنها ابزاری (شاید یک ساز بادی) با مجموعهی واحدی از نوت‌های متناظر با نیروها و ذرات است.
بنابراین کدام یکی از هزاران ساختار احتمالی کالابی یائو متناظر با واقعیت ما هستند؟ نمی‌دانیم؛ زیرا محاسبات کامل نظریه‌ی ریسمان را در اختیار نداریم و صرفا با تخمین‌ها روبه‌رو هستیم. از طرفی نمی‌دانیم شکل ابعاد تاشده چگونه بر لرزش ریسمان‌ها تأثیر می‌گذارند. هیچ دستگاه قابل اطمینانی نداریم که از منیفلد کالابی یائو به فیزیک راه پیدا کند و در جهان ظاهر شود، بنابراین نمی‌توانیم با اجرای عملیات معکوس و استفاده از تجربه‌های منحصر‌به‌فرد فیزیکی، شکل ابعاد تاشده را کشف کنیم.
دردسر ابرتقارن
در دهه‌ی ۱۹۹۰، نظریه‌پردازان ریسمان، پنج نسخه‌ی مختلف از نظریه‌ی ریسمان را توسعه دادند. این تغییرات بر اساس رفتار بنیادی نظریه‌ی ریسمان به دست آمدند. در برخی نسخه‌ها تمام ریسمان‌ها باید حلقه‌های بسته را تشکیل می‌دادند در حالی که در برخی دیگر باز بودند. در برخی نسخه‌ها، ارتعاش‌ها یک‌طرفه و در برخی دیگر دوطرفه بودند و به همین ترتیب تغییرات مختلفی اعمال شدند. این پنج نظریه عبارت‌اند از: نوع I، نوع IIA، نوع IIB، SO(32) هتروتیک و E8xE8 هتروتیک.
بنابراین تعداد نظریه‌ها به شکلی غیرضروری افزایش یافت. پنج نظریه‌ی بالقوه که همه ادعا می‌کنند بهترین تخمین از نظریه‌ی واقعی ریسمان هستند. شاید به نظر عجیب برسد اما در دهه‌ی ۱۹۹۰، فیزیک‌دانی به نام ادوارد ویتن همه را برنده اعلام کرد.
ویتن دوگانگی‌هایی را کشف کرد. دوگانگی‌ها روابط ریاضی بین نظریه‌ها هستند که امکان تبدیل یک نظریه به دیگری را می‌دهند. در این نمونه، ویتن پنج نظریه‌ی ریسمان را به یک گره‌ی واحد تبدیل کرد. این ایده هنوز از لحاظ ریاضی ثابت نشده است اما نشان می‌دهد پنج نظریه‌ی ریسمان در واقع بیانیه‌هایی از یک نظریه‌ی ریسمان واحد و یکپارچه هستند که ویتن آن را نظریه‌ی M نامید. هنوز نمی‌دانیم نظریه‌ی M چیست و حتی M نشان‌دهنده و مخفف چیست اما باید نظریه‌ی ریسمان واقعی باشد.
این ایده‌پردازی می‌تواند سودمند باشد زیرا وقتی طرح‌های تقریبی معتبر ارزیابی می‌شوند، هر پنج نسخه‌ی نظریه‌ی ریسمان باید روی آن همگرا شوند و جهان از ریاضیات سربرآورد؛ اما این اتفاق نزدیک به سی سال پیش رخ داد و هنوز دقیقا نمی‌دانیم نظریه‌ی M چیست. حتی به راه‌حلی برای نظریه‌ی ریسمان نرسیده‌ایم.
به بیان واضح‌تر، عدم توانایی ما برای درک نظریه‌ی ریسمان محدود به تجربه نیست. حتی اگر بتوانیم آزمایش برخورددهنده‌ی معرکه‌ای را ترتیب دهیم که به انرژی‌های لازم برای رمزگشایی گرانش کوانتومی برسد باز هم نمی‌توانیم نظریه‌ی ریسمان را آزمایش کنیم زیرا نظریه‌ی ریسمانی نداریم. همچنین مدل ریاضی نداریم که بتواند به پیش‌بینی‌های مطمئنی برسد و تنها تخمین‌هایی داریم که امیدواریم به شیوه‌ای دقیق فیزیک واقعی را نمایندگی کنند. همچنین می‌توانیم این تخمین‌ها را تست کنیم اما این کار کمکی به درک کارکرد درونی مدل نمی‌کند.
حتی در صورت برقراری تمام شرایط، آزمایش‌هایی که انجام می‌دهیم کاملا سودمند نخواهند بود. وقتی ابرتقارن توسط جامعه‌ی نظریه‌ی ریسمان در دهه‌ی ۱۹۷۰ توسعه یافته، به ایده‌ای محبوب تبدیل شد که بسیاری از فیزیک‌دان‌های ذرات تلاش کردند آن را از آن خود کنند. آن‌ها تلاش کردند مدل‌های فیزیک پرانرژی را به فراتر از مدل استاندارد توسعه دهند.