تئوری ریسمان به زبان ساده

رشته سیمهای گیتار را تصور کنید که با کشیده شدن در طول گیتار کوک شده‌اند؛ بسته به آنکه سیمها چقدر کشیده شوند و تحت فشار قرار گیرند، نت‌های موسیقی مختلفی بوسیله آنها ایجاد می‌شود. می‌توانیم این نت‌های موسیقی را «حالتهای برانگیخته» سیمهای گیتار تحت کشش بنامیم.

 

به طور مشابه در تئوری ریسمان ذرات بنیادین که در شتابدهنده‌ها مشاهده می‌شوند را می‌توانیم نت‌های موسیقی و یا همان «حالتهای برانگیخته» فرض کنیم. در تئوری ریسمان همانند نواختن گیتار، ریسمانها باید تحت کشش قرار بگیرند تا برانگیخته شوند. اگرچه ریسمانها در تئوری ریسمان در فضا-زمان شناور هستند و مانند گیتار مقید نیستند ولیکن با این حال آنها کشش دارند، کشش ریسمان در تئوری ریسمان همانطور که در قبل گفتیم با کمیت :

شناخته می‌شود و در آن ´a با مربع مقیاس طول ریسمان متناسب است.

 

اگر تئوری ریسمان تئوری گرانش کوانتوم باشد، پس متوسط اندازه ریسمان باید چیزی نزدیک به مقیاس طول گرانش کوانتوم باشد که طول پلانک نامیده می‌شود و حدود 10-33 سانتیمتر می‌باشد. متاسفانه این بدان معناست که ریسمانها به حدی برای دیدن با تکنولوژی فعلی فیزیک ذرات کوچک هستند که فیزیکدانان مجبور به ابداع روشهای جدیدی برای آزمایش تئوری شدند.

 

تئوری در ابتدا فقط برای بوزون‌ها بود، به منظور اینکه فرمیون‌ها هم وارد تئوری ریسمان شوند باید یک نوع بخصوص از تقارن به نام ابرتقارن وجود می‌داشت که به واسطه آن برای هر بوزون، یک فرمیون متناظر وجود داشته باشد. پس ابرتقارن، ذرات حامل نیرو و ذراتی که ماده را می‌سازند به هم مربوط می‌کند.

 

نتایج ابرتقارن در آزمایشات ذرات مشاهده نشده‌اند اما تئوریست‌ها معتقد هستند که ذرات ابرتقارن بزرگتر و سنگین‌تر از آن هستند که در شتابدهنده‌های فعلی بتوان آنها را مشاهده کرد. ایجاد شتابدهنده‌های قوی‌تر انرژی بالا در دهه آینده می‌تواند شواهد لازم برای ابرتقارن در اختیار ما قرار دهند.

 

مهم نبود که هر کس چقدر تلاش می‌کرد، به نظر می‌رسید گرانش به هیچ وجه به نظریه‌ای قابل بهنجارش تبدیل نمی‌شود؛ یک مشکل بزرگ این بود که امواج گرانش کلاسیک که فرض می‌شد ذره حامل آن گراویتون است، دارای اسپین 2 بودند و برای اسپین 2 ، عبارت 4j-8+D مساوی D می‌شد و برای D=4 ، انتگرال بینهایت می‌شد، مثل توان چهارم ممنتوم وقتی که ممنتوم به سمت بینهایت میل می‌کند و این برای فیزیکدانان غیرقابل هضم بود و سالها تلاش آنها در راه رسیدن به «گرانش کوانتوم» ناکام ماند. در اینجا بود که تئوری ریسمان وارد شد تا این خلا را پر کند.

 

تئوری ریسمان در اصل برای توصیف روابط میان جرم و اسپین هادرون‌ها پیشنهاد شده ‌بود. در تئوری ریسمان، ذرات از برآشفتگی ریسمان‌های بسیار ریزی بوجود می‌آمدند ؛ یک ذره که از این برآشفتگی‌ها بر می‌خواست، ذره‌ای بود با جرم صفر و دو واحد اسپین.

موفقیتی که تئوری ریسمان داشت این بود که در مدل دیاگرامهای فاینمن، دیاگرامها به سطوح صاف دو بعدی تبدیل می‌شدند و انتگرالهای روی سطح دیگر مشکل فاصله صفر را نداشتند.

 

 

در 1974 نهایتا این سوال مطرح شد که " آیا تئوری ریسمان می‌تواند تئوری گرانش کوانتوم باشد؟ ".

رفتار ذره در فاصله صفر که در تئوری میدان کوانتوم بسیار مشکل‌ساز بود، در تئوری ریسمان بسیار بی‌اهمیت شد و همین باعث شد که تئوری ریسمان نامزد تئوری گرانش کوانتوم شود.

 

اگر تئوری ریسمان ، تئوری گرانش کوانتوم باشد، مقدار طول مینیموم باید حداقل اندازه طول پلانک باشد که از ترکیب ثابت پلانک و ثابت گرانش نیوتون و سرعت نور بدست می‌آید:

اگرچه همانطور که بعدا خواهیم دید، مساله مقیاس طول در تئوری ریسمان به خاطر دوگانگی ریسمان‌ها پیچیده و مشکل شد.