فیزیک حیرت‌انگیز نظریه‌ی ریسمان با پروفسور شامیت کاچرو

نظریه‌های «همه‌چیز» به یونانی‌های باستان و ایده‌ی آن‌ها درباره‌ی اتم‌های غیرقابل تقسیم که بلوک‌های سازنده‌ی واقعیت هستند، برمی‌گردد. این فرضیه به نظریه‌های اتمی مدرن گسترش یافت که با نظریه‌ی نسبیت و نظریه‌ی کوانتوم تکمیل شده است. اما چیزی شبیه به نظریه‌ی ریسمان وجود نداشته است. نظریه‌ی ریسمان که برای توصیف جهان در مقیاس‌های بزرگ و کوچک طراحی شده، بلندپروازانه‌ترین و دوررس‌ترین نظریه‌ی همه‌چیز تا به حال است و به حدس و گمان‌های جالبی منجر شده است، مانند:

• ریسمان‌ها، نه ذرات: در نظریه‌ی ریسمان، واحدهای بنیادی ماده و انرژی رشته‌های بسیار کوچکی هستند، نه ذرات نقطه‌ای مانند آنچه در نظریه‌های سنتی وجود دارد. این مزیت یک دامنه‌ی وسیع از حالت‌های مختلف است که می‌تواند پدیده‌های متنوع را نمایندگی کند.
• ابعاد اضافی: ریسمان‌ها نمی‌توانند کار خود را بدون وجود در تعداد زیادی ابعاد انجام دهند - 10 بُعد، طبق نسخه‌ی استاندارد نظریه. چرا این ابعاد اضافی را حس نمی‌کنیم؟ آن‌ها «فشرده شده‌اند» و در مقیاس انسانی ما قابل مشاهده نیستند.
• جهان‌های متعدد: انعطاف‌پذیری نظریه‌ی ریسمان به وجود قوانین مختلف فیزیکی که ممکن است در مناطق جداگانه‌ای از جهان به سرعت در حال گسترش بعد از بیگ بنگ توسعه یافته باشد، اجازه می‌دهد. ممکن است ما در یک حباب ایزوله از این چندجهانی زندگی کنیم.

با وجود همه‌ی بینش‌های شگفت‌انگیزش، نظریه‌ی ریسمان در حال حاضر اثبات نشده است و برخی منتقدان ادعا می‌کنند که این نظریه قابل اثبات نیست. با این حال، این نظریه منجر به پیشرفت‌هایی در درک ما از سیاه‌چاله‌ها، بیگ بنگ، انبساط کیهانی و انرژی تاریک شده است، چه رسد به گرانش و سایر نیروهای بنیادی. در فیزیک حیرت‌انگیز نظریه‌ی ریسمان، پروفسور شمیط کاچرو، نظریه‌پرداز مشهور ریسمان از مؤسسه‌ی نظری فیزیک استنفورد، شما را در 12 درس عمیق به این موضوع جذاب می‌برد که پر از مفاهیم ریاضی است.

با در نظر گرفتن منشاء و تحولات چند دهه‌ای نظریه‌ی ریسمان، پروفسور کاچرو نظرسنجی به‌روز از فیزیک نظری مدرن و قدرت شگفت‌انگیز آن برای فاش کردن عمیق‌ترین اسرار طبیعت ارائه می‌دهد.

حل معمای گرانش

یکی از آن اسرار عمیق، ارتباطی است که سال‌ها در جستجوی آن بوده‌ایم، بین گرانش، الکترومغناطیس، و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف. آخرین سه بسیار قوی‌تر از گرانش هستند، اما عمدتاً در منطقه‌ی اتمی عمل می‌کنند. این نیروها به‌خوبی توسط مکانیک کوانتومی توصیف شده‌اند. در حالی که گرانش استثنایی است که شامل جرم‌های عظیمی مانند ستاره‌ها و سیارات می‌شود که کشش خود را در فواصل وسیعی از فضا گسترش می‌دهند. گرانش در مقیاس کوانتومی به‌شدت ضعیف است و نمی‌تواند توسط نظریه‌ی استاندارد کوانتوم توضیح داده شود.

نظریه‌ی ریسمان هدفش این است که این نیروهای بنیادی را به هم پیوند دهد تا یک نظریه‌ی جامع واحد بسازد که بتواند به‌طور همزمان فیزیک مناطق اتمی و کیهانی را توضیح دهد. چنین پیشرفتی مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی گرانش اینشتین، معروف به نسبیت عام، را به هم پیوند خواهد داد - یک دوگانه‌ای که تا کنون ذهن‌های درخشان فیزیک را به چالش کشیده است.

در فیزیک حیرت‌انگیز نظریه‌ی ریسمان، بررسی می‌کنید که چگونه نظریه‌ی ریسمان ممکن است بتواند این کارها و دیگر شگفتی‌ها را انجام دهد. برخی از مفاهیم عجیب‌وغریبی که شما بررسی می‌کنید شامل:

• طول پلانک: مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در کوچک‌ترین فاصله‌ی ممکن که طول پلانک نامیده می‌شود، همگرا می‌شوند، که بیش از یک میلیارد میلیارد بار کوچکتر از قطر یک پروتون است. این طول ویژه‌ی ریسمان‌ها است.
• ابرهم‌زمانی: یکی از راه‌ها برای مدیریت ریاضی پیچیده‌ی نظریه‌ی ریسمان، دو برابر کردن تعداد ذراتی است که باید توضیح دهد! این ممکن است غیرقابل تصور به نظر برسد، اما دکتر کاچرو نشان می‌دهد که چگونه یک اصل به نام ابرهم‌زمانی، اعداد را مثل جادو محاسبه می‌کند.
• دوگانگی: یکی دیگر از مشکلات، انبوهی از نظریه‌های ریسمان با پارامترهای بسیار متفاوت است. با این حال، با تحلیل، بسیاری از آن‌ها به‌طور ریاضی یکسان هستند - یک ویژگی به نام دوگانگی. نظریه‌های ریسمان جدید و قدرتمندتری از این فرایند پدید می‌آید.

سفر در زمان، فضا و ابعاد ناشناخته

به عنوان مدیر یکی از بهترین برنامه‌های فیزیک نظری جهان، دکتر کاچرو در خط مقدم تحقیق در نظریه‌ی ریسمان قرار دارد. هیچ مجموعه‌ی سخنرانی مشابهی به جزئیاتی که او در این دوره ارائه می‌دهد، نمی‌پردازد و با انیمیشن‌ها و گرافیک‌ها به‌طور فراوانی تصویرسازی شده است. نظریه‌ی ریسمان پیچیده است و او ادعای خلاف این را نمی‌کند. با این حال، حتی دانشمندان موضوع را ساده می‌کنند تا محاسبات را قابل مدیریت‌تر کنند، همان‌طور که شما از یک استراتژی به نام «گاو کروی» یاد می‌گیرید. این یک عمل رایج در فیزیک نظری است که پیچیدگی‌ها را حذف می‌کند تا یک مشکل را ساده کند - درست مانند اینکه یک کشاورز از ضمایم دام‌های خود چشم‌پوشی کند تا یک تخمین تقریبی و آماده از فضایی که برای یک انبار نیاز است، بدست آورد.

دکتر کاچرو از ابرهم‌زمانی به عنوان گاو کروی استفاده می‌کند و واقعیت را در نظر نمی‌گیرد که عدم تقارن بین انواع ذرات در دنیای واقعی نمی‌تواند کامل باشد. با پیروی از این رویکرد، او شما را در یک منظر شگفت‌انگیز راهنمایی می‌کند که شامل:

• بران‌ها: کوتاه شده‌ی «غشاء‌ها»، این‌ها سطوحی هستند که ریسمان‌ها می‌توانند به آن‌ها بچسبند و باعث ایجاد ذرات و خواص مختلف شوند. هر چند که به صورت دو بعدی نمایش داده می‌شوند، اما می‌توانند به عنوان p-brane در ابعاد بالاتر وجود داشته باشند، جایی که «p» تعداد ابعاد است.
• فشردگی: تصور کنید که یک خط یک‌بعدی بزرگ شده تا بعد پنهانی را که مانند یک لوله پیچ خورده، نمایان کند. این بعد اضافی «فشرده شده» است. در نظریه‌ی ریسمان، هندسه‌ی فشردگی می‌تواند بسیار پیچیده باشد!
• منفردات کالیبی-یاو: ابعاد اضافی در نظریه‌ی ریسمان 10 بعدی (شش به علاوه چهار بعد آشنای فضا و زمان) می‌توانند در یک کلاس از اشکال هندسی پیچیده به نام منفردات کالیبی-یاو فشرده شوند که منجر به یک سری پدیده‌های زیر اتمی می‌شوند.

با تجهیز به این مفاهیم، شما در زمان، فضا و ابعاد ناشناخته سفر می‌کنید. شما بیگ بنگ، دوران خیره‌کننده‌ی انبساط کیهانی، معمای عمیق انرژی تاریک، راز سیاه‌چاله‌ها، معماهای گرانش کوانتومی، ادغام چهار نیروی بنیادی و موارد دیگر را بررسی می‌کنید - واقعاً همه‌چیز، زیرا فیزیک حیرت‌انگیز نظریه‌ی ریسمان مجموعه‌ای از ایده‌ها را بررسی می‌کند که ممکن است، سرانجام، نظریه‌ی همه‌چیز باشد.