تئوری وحدت بزرگ و تئوری M چه هستند؟

فارادی برای اولین بار به ارتباط الکتریسیته و مغناطیس دست یافت و پی برد که این دو به  رغم ظاهر متفاوت دوجنبه از یک پدیده واحد هستند. جیمز کلرک ماکسول نیز با استفاده از ابزار نیرومند علم ارتباط این دو را به زبان زیبای ریاضی بیان کرد. این دستاورد پرسش بنیادینی را فراروی انسان قرار داد که آیا می توان آشناترین نیروی طبیعت یعنی گرانش را با الکترومغناطیس تلفیق کرد؟

اینشتین بزرگترین دانشمند همه دوران ها سالیان درازی از عمر خود را صرف پاسخ گفتن به این پرسش مهم کرد، اما هیچ دستاوردی نداشت. این معضل با در نظر گرفتن نیروهای هسته ای ضعیف و قوی شدت می گیرد. تئودور کالوزا پیش  بینی کرد با فرض یک بعد دیگر بتوان این نیروها را تلفیق کرد. کلین نیز در توجیه ناتوانی در شناخت بعد پنجم گفت این بعد چنان کوچک شده است که از حد درک بشر خارج شده است. ادامه ماجرای جست وجو برای یافتن تئوری نهایی را امروز با هم می  خوانیم.

پس از آنکه اینشتین درگذشت و نتیجه تلاش ها و دستاوردهای وی برای تلفیق گرانش با الکترومغناطیس دور انداخته شد، کمتر فیزیکدانی علاقه مند بود که در این زمینه کار کند. در عوض توجه دانشمندان به سمت دیگری جلب شد و آنها علاقه مند شدند که الکترومغناطیس را با نیروی هسته ای ضعیف که به تازگی کشف شده بود، ادغام کنند. همانگونه که ماکسول نشان داده بود، لم کار دریافتن شرح ریاضی هر دو پدیده، به طوری که شباهت های پنهان آنها را آشکار سازد، قرار داشت. فیزیکدانان طی دهه 1920 بر این عقیده بودند که راه حل آن را یافته اند.

به اعتقاد آنان راه حل این مشکل تئوری میدان کوانتوم (QFT) بود. مطابق تئوری میدان کوانتوم هر نیروی بنیادی، ذره ناقل ویژه خود را دارد. فیزیکدانان طی دهه 1950، تلاش برای کشف شباهت های بین حامل های الکترومغناطیس (فوتون ها) و نیروی هسته ای ضعیف (ذرات. W) را آغاز کردند. کشف شباهت های این دو هم چندان آسان نبود و به این نکته هم که ذرات w. نهایت بار سنگین تر از فوتون های بدون جرم هستند، چندان مربوط نمی شد. با این همه در پایان دهه 1960 سه نظریه پرداز _ استیون واینبرگ (Weinberg.S) و شلدون گلاشو (Glashow.S) از ایالات متحده و عبدالسلام (Abdus Salam) از انگلستان _ مستقل از یکدیگر تئوری هایی را ابداع کردند که نشان می داد این دو نیرو در حقیقت فقط جنبه های متفاوتی از نیروی واحد «الکترو ضعیف» هستند. مهمتر آنکه ادغام این دو نیرو موجب پیش بینی آثار ظریف و جدیدی می شد که با آزمایش بتوان صحت و سقم آن را تعیین کرد.

هنگامی که در دهه 1970 و زمان انجام آزمایش برای تعیین صحت و سقم این پیش گویی ها فرا رسید، فیزیکدانان اولین ادغام موفق نیروها را پس از کار بزرگ ماکسول که بیش از یک قرن پیش انجام شده بود، جشن گرفتند. پس از آن گلاشو که در دانشگاه  هاروارد مشغول کار بود، تحقیق برای یافتن راه های دیگر اثبات آن و تأکید بر وحدت نیروها را آغاز کرد. در سال 1973 هووارد گئورگی (Georgi.H) که به همراه سایر همکارانش سرگرم تحقیق بود به یک ساختار ریاضی دست یافت که الکترومغناطیس و نیروهای هسته ای ضعیف و قوی را با یکدیگر ادغام می کرد.

این تئوری که به نام تئوری وحدت بزرگ (GUT) خوانده می شود، حقیقتا بینش بسیار عمیقی را در مورد نیروهای بنیادین طبیعت به دانشمندان ارائه کرد و مشخص شد که هر سه این نیروها زمانی بخشی از یک «ابرنیرو»ی واحد بودند که درست پس از انفجار بزرگ (Big Bang) بر جهان سلطه داشتند. پس از آنکه جهان سرد شد، این نیروها نیز تفکیک شدند و جهانی را که امروز شاهد آن هستیم، به وجود آوردند. این تئوری نیز پیش گویی هایی انجام داد، اما این بار تأیید آنها بسیار مشکل بود. تئوری پردازان دریافتند که نمونه اولیه تئوری وحدت بزرگ فاقد یک جزء بسیار مهم است، همان جزیی که باعث ارائه تئوری وحدت جالب دیگری شد. ابرتقارن (Supersymmetry) که در اوائل دهه 1970 توسط تئوری پردازان ابداع شد، یک خاصیت ریاضی است که بین ذرات- مثل الکترون و پروتون _ که سازنده های ماده هستند، با آنهایی که انرژی را منتقل می کنند _ همانند فوتون ها _ هماهنگی ایجاد می کند.

تئوری پردازان دریافتند که ابرتقارن تمام تفاوت های ظاهری بین این ذرات زیراتمی را از میان برداشته و وحدت بنیادین آنها را آشکار می سازد. در عین حال دانشمندان دریافتند که این تئوری سرنخ دیگر و البته مهمتری درباره تئوری همه چیز ارائه می دهد. این سرنخ، دانشمندان را راهنمایی کرد تا چگونه بین ابر نیروی تئوری وحدت بزرگ با گرانش که تنها نیروی باقی مانده طبیعت بود، وحدت برقرار کنند. پیش از آن نیز بعضی از دانشمندان سعی کردند که گرانش را نیز با استفاده از تئوری میدان کوانتوم به حلقه نیروهای واحد وارد سازند. در این تئوری گرانش به صورت ذراتی که گراویتون (Graviton) نام دارد و در بین اجسام ظاهر می شود، تصویر شده است.

با این همه، امیدبخش ترین موضوع همه این شکست های بزرگ، ابرتقارن و یک چیز دیگر _ ابعاد اضافی _ است. این همان ایده ای است که نیم قرن پیش اینشتین نیز با آن مواجه شده بود. چیزی که این دانشمندان فاقد آن بودند، یک نکته بسیار سرنوشت ساز بود که بتواند بدون ایجاد هیچ گونه مشکل ریاضی حادی، بین گرانش و سایر نیروها وحدت ایجاد کند.

مشخص شده است که این جزء چنان بنیادین است که حتی احتمال دارد اینشتین نیز با آن مواجه شده باشد: ابرتار (Super String) در سال 1984 جان شوارتز (Schwarz.J) از کلتک (Caltech) و مایکل گرین (Green.M) از دانشگاه لندن، با اعلام اینکه می توانند بدون مواجه شدن با مشکلات معمول، بین گرانش و سایر نیروها وحدت برقرار کنند، همکاران خود را مبهوت کردند.

تنها شرط آن بود که از این پس ذرات فقط به عنوان نقطه در نظر گرفته نشود، بلکه آنها را به صورت یک چیز بسیار کوچک که ابرتار نامیده می شوند، بشناسیم. این اشیای شبه نخ که بسیار کوچک تر از هسته های اتم هستند نیز باید دارای خاصیت ابرتقارنی (که به همین دلیل، ابرتار نامیده می شوند) و ده بعدی باشند. این ادعا بسیار حیرت انگیز بود و نظریه پردازان بسیاری را تشویق کرد تا اطلاعات بیشتری در مورد ابرتارها جمع آوری کنند. با این همه در پایان دهه 1980 آشکار شد که اگرچه ابداع تئوری ابرتارها یک پیشرفت اساسی محسوب می شود، اما پایان ماجرا نیست.

اگرچه ممکن است فقط یک «تئوری همه چیز» وجود داشته باشد، اما نظریه پردازان حداقل پنج تئوری ابرتار ابداع کردند، هیچ ملاک دقیقی نداشتند که از بین آنها دست به گزینش بزنند. به نظر می رسید که ابرتارها فقط شبحی از یک تئوری کامل تر هستند.

تئوری M

در سال 1995 ادوارد ویتن (Witten.E) نظریه پرداز تا ر از مؤسسه تحقیقات پیشرفته پرینستون، به چیزی دست یافت که بسیاری از آن به عنوان اولین گام برای دستیابی به تئوری نهایی یا شاید خود تئوری همه چیز یاد می کنند.

ویتن نشان داد که تمام پنج تئوری ابرتار فقط توصیف تقریبی از یک ایده واحد و فراگیر است که وی آن را تئوری M نامید. بسیاری از تئوری پردازان بر این عقیده اند که M نشان دهنده  کلمه Mother، Mysterious یا حتی Magic است، اما واقعیت آن است که باید M را به عنوان «Membrane» در نظر بگیریم تا ارتباط آن با ابرتارها به بهترین وجهی آشکار شود.

اکنون می توان پنج تئوری ابرتار را به عنوان مرزهای چند بعدی از غشای یازده بعدی در نظر گرفت، که در آن تمام ابعاد به جز چهار بعد، چنان کوچک شده است که برای ما غیرقابل تشخیص است. امروزه تئوری M بهترین نامزد برای آن چیزی است که 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 الکترومغناطیس و گرانش ارائه می دهد، بلکه علاوه بر آن سایر نیروهای بنیادین طبیعت و تمام ذراتی که این نیروها بر آن اثرگذار هستند را نیز در برمی گیرد.

این تئوری واقعا یک دستاورد حیرت انگیز محسوب می شود. بسیاری از بهترین نظریه پردازان جهان سرگرم کاوش در معدن بسیار غنی ریاضیات تئوری M هستند و به دنبال پاسخی برای بسیاری از اسرار باقی مانده طبیعت می گردند.

مخصوصا این نکته که چرا و چگونه تمام 11 بعد نظریه M به جز چهارتای آن چنان کوچک شده است که دیگر دیده نمی شود، نظر بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است. آیا می توان آنها را به طور تجربی شناسایی کرد؟ چرا آشکار ساختن وحدت زیبای بین نیروها و ذرات چنین دشوار است؟

شاید در نهایت روزی اثبات شود که تئوری M هم این قابلیت را ندارد که 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.

Focus, Nov. 2003