فیزیکدانان حقیقت نظریه ریسمان را کشف کردند!

تئوری رشته‌ها: گامی به سوی اثبات

تئوری رشته‌ها، که بیش از ۵۰ سال پیش به عنوان چارچوبی برای توضیح تشکیل ماده مفهوم‌سازی شد، همچنان به عنوان یک پدیده “قابل اثبات” فرار است. اما اکنون یک تیم از فیزیک‌دانان گام مهمی در اعتبارسنجی این تئوری برداشته‌اند. آن‌ها از یک روش ریاضی نوآورانه استفاده کرده‌اند که به اجتناب‌ناپذیری این تئوری اشاره دارد.

تئوری رشته‌ها بیان می‌کند که بنیادی‌ترین اجزای طبیعت ذرات نیستند، بلکه رشته‌های یک‌بعدی لرزان هستند که با فرکانس‌های مختلف حرکت می‌کنند و نوع ذره‌ای که ظاهر می‌شود را تعیین می‌کنند. این موضوع شبیه به نحوه‌ای است که ارتعاشات سازهای رشته‌ای مجموعه‌ای از نت‌های موسیقی را تولید می‌کنند.

سوال کلیدی فیزیکدانان

در کار خود که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است، محققان دانشگاه نیویورک و کالتک این سوال را مطرح کردند: “سوال ریاضی که تنها پاسخ آن تئوری رشته‌هاست، چیست؟” این رویکرد به درک فیزیک به عنوان بوت‌استرپ شناخته می‌شود، که یادآور ضرب‌المثل “خود را با بند کفش‌هایت بالا بکش” است؛ یعنی تولید نتایج بدون کمک اضافی یا، در این مورد، ورودی.

اجتناب‌ناپذیری ریاضی

بوت‌استرپ پیش‌تر به فیزیک‌دانان این امکان را داده است که بفهمند چرا نسبیت عام و نظریه‌های مختلف ذرات — مانند تعاملات گلوئون‌ها درون پروتون‌ها — از نظر ریاضی اجتناب‌ناپذیر هستند: آن‌ها تنها ساختارهای ریاضی سازگار تحت شرایط خاصی هستند.

این پیشرفت‌ها می‌تواند به درک بهتر ما از جهان و ساختارهای بنیادی آن کمک کند و به ما نشان دهد که چگونه تئوری رشته‌ها می‌تواند به عنوان یک توضیح جامع برای پدیده‌های مختلف فیزیکی عمل کند.

پاسخ به سوالات نظریه ریسمان

با این حال، سوالی که قبلاً برای نظریه ریسمان پاسخی داده نشده است این است که: چه معیارهایی به‌طور منحصر به فرد، این نظریه را از مجموعه تمام نظریه‌های ممکن جدا می‌کند؟ در مقاله‌ای که در Physical Review Letters منتشر شد، دانشمندان راهی برای ساختن این آمپلی‌تودهای ریسمانی پیدا کردند؛ به‌ویژه، آن‌ها این آمپلی‌تودها را با ایجاد فرمول‌های ریاضی طراحی کردند. با اعمال شرایط ریاضی خاص بر روی فرمول‌های خود برای آمپلی‌تودهای پراش — که نحوه تعامل ذرات و در نهایت شکل‌گیری آن‌ها را توصیف می‌کند — این گروه دریافتند که آمپلی‌تودهای نظریه ریسمان به‌عنوان تنها پاسخ سازگار ظهور می‌کنند.

گرانت رمن، پژوهشگر فوق‌دکتری در مرکز کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات دانشگاه نیویورک و یکی از نویسندگان این مقاله، می‌گوید: “این مقاله برای اولین بار به این سوال نظریه ریسمان پاسخ می‌دهد.” او ادامه می‌دهد: “اکنون که این شرایط ریاضی شناخته شده‌اند، ما یک قدم به درک این‌که آیا و چرا نظریه ریسمان باید توصیف‌کننده جهان ما باشد، نزدیک‌تر شده‌ایم.”

نویسندگان این مقاله، که شامل کلیفورد چونگ، استاد فیزیک نظری در کالتک و آرون هیلمن، پژوهشگر فوق‌دکتری در کالتک نیز می‌شوند، اضافه می‌کنند که این پیشرفت ممکن است در درک بهتر گرانش کوانتومی مفید باشد — گرانش کوانتومی به دنبال آشتی دادن نظریه نسبیت اینشتین، که گرانش را در مقیاس‌های بزرگ توضیح می‌دهد، با مکانیک کوانتومی است که فعالیت ذرات را در کوچک‌ترین مقیاس‌ها توصیف می‌کند. رمن توضیح می‌دهد: “این رویکرد یک حوزه جدید از مطالعه را در تحلیل منحصر به فرد بودن آمپلی‌تودهای ریسمان باز می‌کند.” او می‌افزاید: “توسعه ابزارهایی که در تحقیقات ما مطرح شده‌اند می‌تواند برای بررسی تغییرات نظریه ریسمان استفاده شود و به ما این امکان را می‌دهد که فضایی از امکانات برای گرانش کوانتومی ترسیم کنیم.”

این تحقیق با حمایت یک کمک‌هزینه از وزارت انرژی ایالات متحده (DESC0011632) انجام شده است.