در دنیای پیچیده فیزیک نظری، تلاش برای یافتن یک «نظریه همهچیز» که بتواند دو ستون اصلی درک ما از کیهان، یعنی نسبیت عام انیشتین و مکانیک کوانتومی را در بر گیرد، دهههاست که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است. نسبیت عام، گرانش و ساختار فضا-زمان را در مقیاسهای عظیم توضیح میدهد، در حالی که مکانیک کوانتومی بر رفتار ذرات زیراتمی حاکم است. چالش اصلی زمانی پدیدار میشود که تلاش میکنیم این دو چارچوب نظری قدرتمند را با هم ادغام کنیم، به ویژه در مورد گرانش که فاقد ذره حامل شناختهشدهای مانند فوتونها یا گلوئونها در سایر نیروهای بنیادی است. در این میان، نظریه ریسمان با پیشنهاد اینکه جهان در ابعاد بسیار کوچک از «ریسمانهای» ارتعاشی تشکیل شده، به عنوان یکی از نامزدهای اصلی برای حل این معضل مطرح شد، اما محدودیتهایی مانند نیاز به ابعاد بیشتر و فقدان پیشبینیهای قابل آزمایش، محبوبیت آن را در دهههای اخیر کاهش داد.
با این حال، تحقیقات اخیر مسیر تازهای را پیش روی نظریه ریسمان گشوده است. مطالعهای جدید که در مجله Physical Review Letters منتشر شده، نشان میدهد که نظریه ریسمان میتواند از دل مجموعهای بنیادین و محدود از فرضیات فیزیکی پدیدار شود. این رویکرد که «روش بوتاسترپ» نامیده میشود، به جای شروع با مفروضات پیچیده، با اصول پذیرفتهشدهای آغاز میکند و به دنبال کشف نظریههایی است که از آنها برمیآیند. این تحقیق با اتکا به تنها چهار فرض فیزیکی، به نتایجی دست یافته است که پیشتر در چارچوب نظریه ریسمان پیشبینی شده بودند، امری که بار دیگر توجه جامعه فیزیک را به این نظریه جلب کرده است.
بازگشت نظریه ریسمان از طریق رویکرد بوتاسترپ
تیم تحقیقاتی به رهبری کلیفورد چونگ از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) با استفاده از رویکرد بوتاسترپ، مجموعهای از «دامنههای پراکندگی» (scattering amplitudes) را مورد بررسی قرار دادند. این دامنهها ابزارهای ریاضی هستند که احتمال برهمکنش ذرات را تعیین میکنند. محققان با در نظر گرفتن چهار فرض کلیدی، توانستند به طور شگفتانگیزی به دامنههای پراکندگیای دست یابند که پیش از این توسط نظریهپردازان ریسمان، از جمله گابریل ونزیانو در اواخر دهه ۱۹۶۰، پیشبینی شده بود. این یافتهها نشان میدهد که شاید نظریه ریسمان، با تمام پیچیدگیهایش، صرفاً یک ساختار ریاضیاتی نیست، بلکه ممکن است پیامد طبیعی برخی اصول بنیادین فیزیک باشد.
چهار فرض مورد استفاده در این پژوهش عبارتند از: ۱. ناوردایی واحد (Unitarity): اصلی از مکانیک کوانتومی که بیان میکند مجموع کلی احتمالات باید برابر با ۱۰۰ درصد باشد. ۲. ناوردایی لورنتس (Lorentz invariance): اصلی از نسبیت خاص انیشتین که طبق آن قوانین فیزیک در تمام چارچوبهای لخت (بدون شتاب) یکسان هستند. ۳. رفتار خوشرفتار در انرژیهای بالا: این فرض بیان میکند که فیزیک در انرژیهای بسیار بالا، جایی که برخی نظریهها مانند نسبیت عام ممکن است از کار بیفتند، همچنان پایدار باقی میماند. ۴. «صفرهای حداقلی» (minimal zeroes): این فرض به معنای انتخاب سادهترین دامنههای پراکندگی ممکن به جای نمونههای پیچیدهتر است. ترکیب این چهار فرض، منجر به کشف دامنههای پراکندگی ونزیانو و ویراسورو-شاپیرو شد که از مشخصههای اصلی نظریه ریسمان هستند.
پیامدهای نظریه ریسمان در چارچوب جدید
این پژوهش جدید، اگرچه هنوز مدرک تجربی مستقیمی برای اثبات نظریه ریسمان ارائه نمیدهد، اما از نظر نظری بسیار حائز اهمیت است. کلیفورد چونگ در بیانیهای مطبوعاتی اظهار داشت: «ما با هیچ فرضی در مورد ریسمانها شروع نکردیم، اما راهحل به دست آمده حاوی امضاهای کلیدی ریسمانها بود. ریسمانها صرفاً از دل محاسبات بیرون آمدند.» این بیان نشاندهنده این است که ساختارهای اصلی نظریه ریسمان، از جمله طیف نامتناهی از ذرات با جرمها و اسپینهای مختلف که مشخصه ارتعاشات ریسمانها هستند، به طور خودکار از این مجموعهی محدود از اصول پدیدار شدهاند.
گِرانت رمن، یکی از نویسندگان این مطالعه از دانشگاه نیویورک، افزود: «جزئیات دقیق نظریه ریسمان به طور خودکار پدیدار شد، از جمله برج نامتناهی ذرات چرخانِ سنگین که «هماهنگهای» ریسمان را تشکیل میدهند و این نظریه به خاطر آنها مشهور است.» این نتایج، چشمانداز جدیدی را برای درک بهتر وحدت بین گرانش و مکانیک کوانتومی ارائه میدهد و نشان میدهد که شاید نظریه ریسمان، با وجود چالشهای پیشین، مسیری درست برای رسیدن به «نظریه همهچیز» باشد. این تحقیق نشان میدهد که با تنها چند فرض منطقی و پذیرفتهشده در مورد جهان، میتوانیم به سمت ساختارهای پیچیدهای مانند نظریه ریسمان حرکت کنیم.
تحلیل تأثیرگذاری
کشف اینکه نظریه ریسمان میتواند از طریق مجموعهای محدود و منطقی از فرضیات اساسی پدیدار شود، گامی مهم در جهت سادهسازی و شاید آزمونپذیرتر کردن این نظریه محسوب میشود. در حالی که هنوز راه درازی تا اثبات تجربی وجود دارد، این مطالعه نشان میدهد که نظریه ریسمان ممکن است نه یک سازه ریاضیاتی دلخواه، بلکه نتیجهای طبیعی از اصول بنیادی فیزیک باشد. این امر میتواند راه را برای تحقیقات آینده در زمینه وحدت نیروها و ذرات بنیادی هموار کند و دیدگاه ما را نسبت به ساختار نهایی واقعیت تغییر دهد. اگر بتوان این نتایج را بسط داد و به پیشبینیهای قابل آزمایشی منجر شد، شاهد تحولی بنیادین در علم فیزیک خواهیم بود.
