تئوری پایانی

فارادی برای اولین بار به ارتباط الكتریسیته و مغناطیس دست یافت و پی برد كه این دو به رغم ظاهر متفاوت دوجنبه از یك پدیده واحد هستند. جیمز كلرك ماكسول نیز با استفاده از ابزار نیرومند علم ارتباط این دو را به زبان زیبای ریاضی بیان كرد. این دستاورد پرسش بنیادینی را فراروی انسان قرار داد كه آیا می توان آشناترین نیروی طبیعت یعنی گرانش را با الكترومغناطیس تلفیق كرد؟
اینشتین بزرگترین دانشمند همه دوران ها سالیان درازی از عمر خود را صرف پاسخ گفتن به این پرسش مهم كرد، اما هیچ دستاوردی نداشت. این معضل با در نظر گرفتن نیروهای هسته ای ضعیف و قوی شدت می گیرد. تئودور كالوزا پیش بینی كرد با فرض یك بعد دیگر بتوان این نیروها را تلفیق كرد. كلین نیز در توجیه ناتوانی در شناخت بعد پنجم گفت این بعد چنان كوچك شده است كه از حد درك بشر خارج شده است.
پس از آنكه اینشتین درگذشت و نتیجه تلاش ها و دستاوردهای وی برای تلفیق گرانش با الكترومغناطیس دور انداخته شد، كمتر فیزیكدانی علاقه مند بود كه در این زمینه كار كند. در عوض توجه دانشمندان به سمت دیگری جلب شد و آنها علاقه مند شدند كه الكترومغناطیس را با نیروی هسته ای ضعیف كه به تازگی كشف شده بود، ادغام كنند. همانگونه كه ماكسول نشان داده بود، لم كار دریافتن شرح ریاضی هر دو پدیده، به طوری كه شباهت های پنهان آنها را آشكار سازد، قرار داشت. فیزیكدانان طی دهه ۱۹۲۰ بر این عقیده بودند كه راه حل آن را یافته اند. به اعتقاد آنان راه حل این مشكل تئوری میدان كوانتوم (QFT) بود. مطابق تئوری میدان كوانتوم هر نیروی بنیادی، ذره ناقل ویژه خود را دارد. فیزیكدانان طی دهه ۱۹۵۰، تلاش برای كشف شباهت های بین حامل های الكترومغناطیس (فوتون ها) و نیروی هسته ای ضعیف (ذرات. W) را آغاز كردند. كشف شباهت های این دو هم چندان آسان نبود و به این نكته هم كه ذرات w. نهایت بار سنگین تر از فوتون های بدون جرم هستند، چندان مربوط نمی شد. با این همه در پایان دهه ۱۹۶۰ سه نظریه پرداز _ استیون واینبرگ (Weinberg.S) و شلدون گلاشو (Glashow.S) از ایالات متحده و عبدالسلام (Abdus Salam) از انگلستان _ مستقل از یكدیگر تئوری هایی را ابداع كردند كه نشان می داد این دو نیرو در حقیقت فقط جنبه های متفاوتی از نیروی واحد «الكترو ضعیف» هستند. مهمتر آنكه ادغام این دو نیرو موجب پیش بینی آثار ظریف و جدیدی می شد كه با آزمایش بتوان صحت و سقم آن را تعیین كرد. هنگامی كه در دهه ۱۹۷۰ و زمان انجام آزمایش برای تعیین صحت و سقم این پیش گویی ها فرا رسید، فیزیكدانان اولین ادغام موفق نیروها را پس از كار بزرگ ماكسول كه بیش از یك قرن پیش انجام شده بود، جشن گرفتند. پس از آن گلاشو كه در دانشگاه هاروارد مشغول كار بود، تحقیق برای یافتن راه های دیگر اثبات آن و تأكید بر وحدت نیروها را آغاز كرد. در سال ۱۹۷۳ هووارد گئورگی (Georgi.H) كه به همراه سایر همكارانش سرگرم تحقیق بود به یك ساختار ریاضی دست یافت كه الكترومغناطیس و نیروهای هسته ای ضعیف و قوی را با یكدیگر ادغام می كرد. این تئوری كه به نام تئوری وحدت بزرگ (GUT) خوانده می شود، حقیقتا بینش بسیار عمیقی را در مورد نیروهای بنیادین طبیعت به دانشمندان ارائه كرد و مشخص شد كه هر سه این نیروها زمانی بخشی از یك «ابرنیرو»ی واحد بودند كه درست پس از انفجار بزرگ (Big Bang) بر جهان سلطه داشتند. پس از آنكه جهان سرد شد، این نیروها نیز تفكیك شدند و جهانی را كه امروز شاهد آن هستیم، به وجود آوردند. این تئوری نیز پیش گویی هایی انجام داد، اما این بار تأیید آنها بسیار مشكل بود. تئوری پردازان دریافتند كه نمونه اولیه تئوری وحدت بزرگ فاقد یك جزء بسیار مهم است، همان جزیی كه باعث ارائه تئوری وحدت جالب دیگری شد. ابرتقارن (Supersymmetry) كه در اوائل دهه ۱۹۷۰ توسط تئوری پردازان ابداع شد، یك خاصیت ریاضی است كه بین ذرات- مثل الكترون و پروتون _ كه سازنده های ماده هستند، با آنهایی كه انرژی را منتقل می كنند _ همانند فوتون ها _ هماهنگی ایجاد می كند.
تئوری پردازان دریافتند كه ابرتقارن تمام تفاوت های ظاهری بین این ذرات زیراتمی را از میان برداشته و وحدت بنیادین آنها را آشكار می سازد. در عین حال دانشمندان دریافتند كه این تئوری سرنخ دیگر و البته مهمتری درباره تئوری همه چیز ارائه می دهد. این سرنخ، دانشمندان را راهنمایی كرد تا چگونه بین ابر نیروی تئوری وحدت بزرگ با گرانش كه تنها نیروی باقی مانده طبیعت بود، وحدت برقرار كنند. پیش از آن نیز بعضی از دانشمندان سعی كردند كه گرانش را نیز با استفاده از تئوری میدان كوانتوم به حلقه نیروهای واحد وارد سازند. در این تئوری گرانش به صورت ذراتی كه گراویتون (Graviton) نام دارد و در بین اجسام ظاهر می شود، تصویر شده است. با این همه، امیدبخش ترین موضوع همه این شكست های بزرگ، ابرتقارن و یك چیز دیگر _ ابعاد اضافی _ است. این همان ایده ای است كه نیم قرن پیش اینشتین نیز با آن مواجه شده بود. چیزی كه این دانشمندان فاقد آن بودند، یك نكته بسیار سرنوشت ساز بود كه بتواند بدون ایجاد هیچ گونه مشكل ریاضی حادی، بین گرانش و سایر نیروها وحدت ایجاد كند. مشخص شده است كه این جزء چنان بنیادین است كه حتی احتمال دارد اینشتین نیز با آن مواجه شده باشد: ابرتار (Super String) در سال ۱۹۸۴ جان شوارتز (Schwarz.J) از كلتك (Caltech) و مایكل گرین (Green.M) از دانشگاه لندن، با اعلام اینكه می توانند بدون مواجه شدن با مشكلات معمول، بین گرانش و سایر نیروها وحدت برقرار كنند، همكاران خود را مبهوت كردند. تنها شرط آن بود كه از این پس ذرات فقط به عنوان نقطه در نظر گرفته نشود، بلكه آنها را به صورت یك چیز بسیار كوچك كه ابرتار نامیده می شوند، بشناسیم. این اشیای شبه نخ كه بسیار كوچك تر از هسته های اتم هستند نیز باید دارای خاصیت ابرتقارنی (كه به همین دلیل، ابرتار نامیده می شوند) و ده بعدی باشند. این ادعا بسیار حیرت انگیز بود و نظریه پردازان بسیاری را تشویق كرد تا اطلاعات بیشتری در مورد ابرتارها جمع آوری كنند. با این همه در پایان دهه ۱۹۸۰ آشكار شد كه اگرچه ابداع تئوری ابرتارها یك پیشرفت اساسی محسوب می شود، اما پایان ماجرا نیست. اگرچه ممكن است فقط یك «تئوری همه چیز» وجود داشته باشد، اما نظریه پردازان حداقل پنج تئوری ابرتار ابداع كردند، هیچ ملاك دقیقی نداشتند كه از بین آنها دست به گزینش بزنند. به نظر می رسید كه ابرتارها فقط شبحی از یك تئوری كامل تر هستند.
تئوری M
در سال ۱۹۹۵ ادوارد ویتن (Witten.E) نظریه پرداز تا ر از مؤسسه تحقیقات پیشرفته پرینستون، به چیزی دست یافت كه بسیاری از آن به عنوان اولین گام برای دستیابی به تئوری نهایی یا شاید خود تئوری همه چیز یاد می كنند. ویتن نشان داد كه تمام پنج تئوری ابرتار فقط توصیف تقریبی از یك ایده واحد و فراگیر است كه وی آن را تئوری M نامید. بسیاری از تئوری پردازان بر این عقیده اند كه M نشان دهنده كلمه Mother، Mysterious یا حتی Magic است، اما واقعیت آن است كه باید M را به عنوان Membrane در نظر بگیریم تا ارتباط آن با ابرتارها به بهترین وجهی آشكار شود. اكنون می توان پنج تئوری ابرتار را به عنوان مرزهای چند بعدی از غشای یازده بعدی در نظر گرفت، كه در آن تمام ابعاد به جز چهار بعد، چنان كوچك شده است كه برای ما غیرقابل تشخیص است. امروزه تئوری M بهترین نامزد برای آن چیزی است كه اینشتین سال ها در جست وجوی آن بود، شاید هم چیزی بهتر از آن.این تئوری نه تنها توصیف منحصر به فرد و واحدی از الكترومغناطیس و گرانش ارائه می دهد، بلكه علاوه بر آن سایر نیروهای بنیادین طبیعت و تمام ذراتی كه این نیروها بر آن اثرگذار هستند را نیز در برمی گیرد. این تئوری واقعا یك دستاورد حیرت انگیز محسوب می شود. بسیاری از بهترین نظریه پردازان جهان سرگرم كاوش در معدن بسیار غنی ریاضیات تئوری M هستند و به دنبال پاسخی برای بسیاری از اسرار باقی مانده طبیعت می گردند. مخصوصا این نكته كه چرا و چگونه تمام ۱۱ بعد نظریه M به جز چهارتای آن چنان كوچك شده است كه دیگر دیده نمی شود، نظر بسیاری از دانشمندان را به خود جلب كرده است. آیا می توان آنها را به طور تجربی شناسایی كرد؟ چرا آشكار ساختن وحدت زیبای بین نیروها و ذرات چنین دشوار است؟ شاید در نهایت روزی اثبات شود كه تئوری M هم این قابلیت را ندارد كه پاسخگوی تمام این پرسش ها باشد. اما این تئوری حداقل می تواند نگرشی بسیار عالی از وحدت بنیادی طبیعت و تمام اجزای موجود در آن ارائه دهد.


رابرت ماتئوس - ترجمه سلیمان فرهادیان

منبع : شبکه فیزیکی هوپا