نظریه ریسمان‌ها و ابعاد اضافی

احسان سنایی

ماهیت جرم و نیروی گرانش، سؤالی است که پاسخ به آن از مهم‌ترین اهداف اطلس و CMS است. اگر هیگز بوزون در تونل‌های LHC تولید شود، به دلیل جرم نسبتآ بالایش سریعاً به ذرات ریزتری تجزیه می‌شود که دانشمندان با بررسی ذرات تجزیه شده، قادر به تشخیص امضای خاص هیگز بوزون هستند؛ هر چند این ذره با فرض جرم‌های متفاوت، امضاهای متفاوتی را نیز خواهد داشت.

آزمایشات پیشین شتاب دهنده LEP (که هم اکنون LHC در تونل آن مستقر شده است) نشان داده بود که هیگز بوزون در صورت وجود، سنگین‌تر از ۱۰۰ گیگاالکترون ولت خواهد بود؛ اما چون کسی از جرم دقیق این ذره مطلع نیست، آزمایشات ما بایستی با دقت به بررسی گستره‌ای از جرم‌های احتمالی بپردازند (طبق نظریه نسبیت خاص، جرم و انرژی هم‌ارزند و معمولاً جرم ذرات زیراتمی با واحد‌های انرژی نیز بیان می‌شود).

انتقال یکی از قطعات حس‌گر CMS از تونل عمودی به سمت پایین

به‌عنوان مثال اگر هیگز بوزون نسبتاً سبک باشد (کمتر از ۱۴۰ گیگاالکترون ولت)، پس از تجریه، از خود دو فوتون نور بر جا می‌گذارد که ابزاری موسوم به «گرماسنج الکترومغناطیسی» که درونی‌ترین لایه حس‌گر را تشکیل داده آن‌ها را خواهد یافت.

این ابزار، جرم دقیق ذره را تا ۱% خطا به ما خواهد گفت. اما دانشمندان انتظار دارند معروف‌ترین امضای هیگز بوزون را جایی مابین ۱۵۰ تا ۱۸۰ گیگاالکترون ولت بیابند؛ یعنی شرایطی که این ذره نهایتاً به دو لپتون و دو «نوترینو» تجزیه می‌شود.

نوترینو، ذره‌ای فوق‌العاده ریز و خنثاست که به‌عنوان مثال در فرآیندهای هم‌جوشی هسته‌ای خورشید شدیداً تولید می‌شود.

نوترینو ذره خطرناکی نیست؛ چون همین یک ثانیه پیش در حدود ۱۰۰ نوترینوی خورشیدی از میان بدن شما عبور کرد! در واقع این ذرات آن‌قدر کوچکند که بدون برخورد با هیچ ذره دیگری، از فضای مابین ذرات زیر اتمی گذشته و راه خود را پی می‌گیرند. برای مهار یک نوترینو، به دیواری سربی با ضخامت ۱ سال نوری نیاز است!

اما CMS چگونه این ذره سرکش و فراری را خواهد یافت؟ همان‌طور که پیش از این نیز اشاره شد؛ در حین یک برخورد، هزاران ذره تولید شده و به اطراف پخش می‌شوند و طبیعتاً هر ذره تنها یک بار به پوشش گرماسنج الکترومغناطیسی برخود می‌کند.

پس می‌توان با جمع زدن جرم تک‌تک ذره‌های برخوردکننده دریافت که آیا چیزی در این میان فرار کرده یا خیر. آن چیز، بدون شک نوترینو است.


اما اگر هیگز بوزون بسیار چاق باشد و جرمش از مرز ۵۰۰ گیگاالکترون ولت نیز بگذرد؛ نهایتاًً به دو الکترون و دو کوارک تجزیه خواهد شد و کار فیزیک‌دانان کمی راحت تر می‌شود، چراکه در این صورت الکترون‌ها مسیری مشخص و منفرد را بر جا می‌نهند؛ در حالی‌که امضای کوارک‌ها اسپری - مانند است و به آسانی می‌توان آن‌ها را تشخیص داد.




در جهان ریسمان‌ها درک این شکل چندان دشوار نیست!

کار اطلس و CMS اما به همین جا ختم نمی‌شود. یکی دیگر از مهم‌ترین اهداف این دو، اثبات و یا رد وجود ریسمان‌های ریز و موزونی است که احتمالاً آخرین ایستگاه آرزوهای یک میکروسکوپ هستند: بنیادی‌ترین حالت ماده.

در مقاله پیش گفتیم که آشتی دادن سه نیروی الکترومغناطیس، ضعیف و قوی هسته‌ای با نیروی گرانش، از راه ریاضیات آن‌چنان ساده نیست. از این رو در اواخر قرن بیستم عده‌ای از فیزیک‌دانان با هدف جبران نواقص موجود در مدل استاندارد ذرات بنیادی؛ نظریه‌ای موسوم به «نظریه ریسمان» را ارائه کردند.

اصل بنیادین این نظریه، فرض وجود ریسمان‌های شگفت‌انگیزی است که ریزترین قلمرو جهان کوانتومی را تحت سیطره خود دارند؛ ریسمان‌های باز و بسته‌ای که الگوی ارتعاششان، معرف ماهیت جسم و یا نیرویی است که آن را تشکیل داده‌اند.

با این حساب در سکوت محض نیز سمفونی باشکوه این ریسمان ها در نواخت است؛ چراکه هر چه در این جهان است، از ریسمان‌ها ساخته شده است. البته این تنها فرض نظریه ریسمان نیست؛ بل‌که اگر ریسمان‌ها را پسندیده‌اید، باید با جهانی در هم پیچیده که بیش از شش بُعد دارد نیز کنار بیایید؛ چراکه ریسمان‌ها به سه بُعد جهان ما اکتفا نمی‌کنند!

ساختار ریاضیاتی این نظریه بسیار پیچیده است و از این‌رو به آسانی نمی‌توان با تکیه بر پیش‌بینی‌های بسیار دقیق و تلاش برای تأیید آن‌ها، این نظریه را در معرض آزمون قرار داد.

البته نحوه در هم پیچش و بسته‌بندی جهانی چندبعدی نیز خود مسأله‌ای مجزاست و اهمیت آن زمانی روشن می‌شود که بدانیم به هر شیوه‌ای که دو بعد را به هم گره بزنید، جهان متفاوتی به دست خواهد آمد؛ حال بسته‌بندی جهانی با ۱۱ بعد را تصور کنید!

سلسله مراتب اجزای بنیادی ماده از نگاه نظریه ریسمان / دایره‌المعارف ویکی

از این رو نظریه ریسمان، نظریه‌ای واحد نیست بل‌که نسخه‌های متفاوتی دارد که برخی به ابعاد فوق‌العاده ریز و دور از دسترس این ابعاد اضافی اشاره دارند، و برخی نیز با فرض بزرگ‌تر بودن حوزه هندسه حاکم بر ابعاد اضافی، اجازه آزمودن این گفته‌های شگفت‌انگیز را با ابزاری چون LHC می‌دهند. اما در ابتداچگونه می‌توان ابعاد اضافی را تجسم کرد؟

سه بعد آشنای جهانمان را همیشه آزموده‌ایم و با هیچ مانعی نیز برخورد نکرده‌ایم. به‌عنوان مثال اگر نام خیابان، کوچه فرعی، طبقه ساختمان و زمان ملاقات را بدانیم، برای رسیدن به مقصد و دیدار با دوستمان به هیچ اطلاعات جانبی دیگری نیاز نیست.

تنها این آلبرت اینشتین بود که به مفهوم زمان حالت رسمی‌تری بخشید و بعد چهارمی را به معادلات فیزیکی وارد کرد. اما بعد پنجم و ششم را چگونه می‌توان در ذهن جای داد؟ شاید ابعاد اضافی را در ابتدا متناقض با واقعیات بدانیم اما به یاد بیاوریم که نظریه ریسمان؛ بعنوان یک نظریه فیزیکی، جهان جدیدی را به ما معرفی نکرد؛ بل‌که حوزه تحت پوشش این نظریه همین جهان ماست.

پس این ابعاد اضافی نیز بایستی در همه جا یافت شوند اما آن‌چنان ریز و در هم پچیده‌اند که وجودشان به چشم نمی‌آید.

به‌عنوان مثال برای حرکت بندبازی که تنها در راستای پیش و پس قادر به جابه‌جایی است، یک بعد متصور می‌شویم در حالی‌که یک مورچه برای فرار از کف کفش‌های بندباز می‌تواند به هر سمتی از جمله زیر بند حرکت کند؛ پس حرکت او دو بعدی است؛ در نتیجه آن‌چه در این میان تغییر کرده نه ماهیت بند که حوزه دید ما بوده است.

برخی از نظریه‌پردازان این حوزه، نظریه خود را به رفتار نیروی‌های آشنای طبیعت هم‌چون گرانش نیز تعمیم داده‌اند. مثلاً چرا برای احساس قدرت نیروی جاذبه به یک سیاره چندین هزار کیلومتری نیازمندیم در حالی‌که یک آهن‌ربای چند سانتیمتری قادر به اعمال نیرویی الکترومغناطیسی با شدت برابر است؟

شاید بتوان این واقعیت را با توزیع متساوی قدرت نیروی گرانش مابین ابعاد اضافی جهان ما توجیه کرد؛ به‌طوری‌که می‌توان گفت این نیروی گرانش نیست که ضعیف است؛ بل‌که سهم جهان سه بعدی ما از این نیرو اندک است.

آزمایش‌های پرانرژی فیزیکی هم‌چون LHC اما تا حدی قادر به گره‌گشایی از ابعاد اضافی جهان ریز ذرات زیراتمی‌اند. برای آشنایی با چگونگی این کار نیز به مثال ساده‌ای اکتفا می‌کنیم.

به کف یکی از دستان خود بنگرید. حال دست خود را چرخانده و به پشت دستتان نگاهی بیاندازید. کار ساده‌ای است، چراکه وجود بعد سوم این امکان را به ما می‌دهد. اما باز به کف دست خود بنگرید و این‌بار سعی کنید بدون چرخاندن دست انگشت شست خود را به سمت مقابل منتقل کنید؛ به‌عبارتی طرح دست خود را قرینه کنید!

طبیعتاً چنین چیزی امکان ندارد چراکه اگر هم اکنون توانایی چنین کاری را در جهان سه بعدی خودمان به‌دست آورید، در یک لحظه خواهید دید که انگشت شست شما از یک طرف ناپدید شده و در طرف دیگر ظاهر می‌شود و این بسیار عجیب می‌نماید.

اما در جهان شگفت‌انگیز کوانتومی چنین اتفاقی هم عادی است! یعنی در آن‌جا ذرات از هیچ متولد شده و از میان می‌روند! نظریه ریسمان اما در این زمینه تولد ذره‌هایی خاص را پیش بینی کرده است. پس LHC در صورت یافتن این ذرات، مهر تأییدی بر نظریه چالش برانگیز ریسمان خواهد نهاد.

اما پاسخ به یکی از شگفت‌انگیزترین سؤالات فیزیک، بر دوش حس‌گر آلیس است: اگر جهان ما ماده و پادماده را به یک میزان تولید کرد، پس چرا ما این‌جاییم؟

ادامه دارد ...