لینک دانلـــود

میدانها، برای اولین بار توسط مایکل فاراده دانشمند بزرگ انگلیسی در قرن نوزدهم، معرفی شد. فارادی نابغه ای خود آموخته بود که آزمایش های دشواری را در زمینه الکتریسته و مغناطیس انجام داد. وی «خطوط نیـــرو» را ابداع نمود که از بارهای الکتریکی و مغناطیسی در تمام جهات صادر شده و فضای اطراف را اشغال می کنند. فارادی به کمک ابزار در دسترس خود، توانست شدت این خطوط نیروی ناشی از یک بار مغناطیسی یا الکتریکی را در هر نقط از آزمایشگاهش اندازه گیری کند. بدین ترتیب توانست یک سری اعداد (شدت و جهت نیرو) برای آن نقطه ( و هر نقطه دیگر در فضا) نسبت دهد. فاراده؛ مجموعه این اعداد را در هر نقطه از فضا، به عنوان یک مفهوم واحد، یعنی میــــدان نام نهاد.

لینک دانلــــود

The central paradox of the contemporary physics of elementary particles is the apparent incompatibility of its two main theoretical foundations. The first foundation is Einstein's general theory of relativity, which relates the force of gravity to the structure of space and time. This view of gravity has led to models of phenomena on a cosmic scale and to an understanding of the evolution of the universe. The second theoretical foundation is quantum mechanics, which can account for the atomic and subatomic world. Quantum theories have been formulated for three of the four known forces of nature: the strong, weak and electromagnetic interactions. Until recently there seemed to be little hope that Einstein's theory of gravity-the fourth fundamental force-could be united with the precepts of quantum mechanics. The basic difficulty is that such a unification seems to call for a radically new formulation of the laws of physics at the smallest distance scales; in such a reformulation the idea that space and time are continuous sets of points would have to be abandoned. Without a quantum theory of gravity and the conceptual revisions such a theory implies, a comprehensive description of all the forces of nature could not be realized. In the past two years elementaryparticle physicists have become optimistic that the theoretical impasse might be resolved. The optimism is based on striking developments in a new kind of theory known as superstring theory. In superstring theory, as in any other string theory, elementary particles can be thought of as strings. String theories thereby differ from all familiar quantum-mechanical field theories, such as the quantum theory of electromagnetism, whose quanta, or constituent particles, are pointlikeSince a string has extension, it can vibrate much like an ordinary violin string. The harmonic, or normal, modes of vibration are determined by the tension of the string. In quantum mechanics waves and particles are dual aspects of the same phenomenon, and so each vibrational mode of a string corresponds to a particle. The vibrational frequency of the mode determines the energy of the particle and hence its mass. The familiar elementary particles are understood as different modes of a single string. Superstring theory combines string theory with a mathematical structure called supersymmetry [see "Is Nature Supersymmetric?" by Howard E. Haber and Gordon L. Kane; SCIENTIFIC AMERICAN, June]. Not only does superstring theory avoid the problems previously encountered in combining gravity with quantum mechanics, but also, in the process, the theory makes it possible to consider all four fundamental forces as various aspects of a single underlying principle. Furthermore, the unification of the forces is accomplished in a way determined almost uniquely by the logical requirement that the theory be internally consistent. These developments have led to an extraordinary revitalization of the interplay between mathematics and physics. Many of the deepest discoveries in modern mathematics are contributing to the understanding of the theory; in return string theories raise new issues in mathematics.

Think of a guitar string that has been tuned by stretching the string under tension across the guitar. Depending on how the string is plucked and how much tension is in the string, different musical notes will be created by the string. These musical notes could be said to be excitation modes of that guitar string under tension.
In a similar manner, in string theory, the elementary particles we observe in particle accelerators could be thought of as the "musical notes" or excitation modes of elementary strings.

شايد سفر زمانى بسيار راحت تر از آن باشد كه تصور مى كنيم

خلاصه مقاله
۱- براساس نظريه ريسمان ها، جهان ما پوسته اى ۴ بعدى است كه در يك فضا- زمان ۱۰ بعدى شناور است.
۲- درصورت انحناى شديد ابعاد فراسوى جهان ما، هر ذره اى كه قادر به خروج از ابعاد چهارگانه اين جهان باشد، مى تواند با ميان بر زدن از ميان بعد پنجم، حتى از نور هم پيشى بگيرد.
۳- حركت سريع تر از نور، از ديد برخى از ناظرهاى اين جهان، به معناى سفر در زمان و بازگشت به گذشته است.
۴- گراويتون ها و نوترينوهاى خنثى ذراتى هستند كه امكان خروج از جهان ما را دارند. بنابراين اين ذرات قادرند در زمان سفر كنند.
۵- بدين ترتيب طى چند دهه آينده و با كمك نوترينوهاى خنثى قادر خواهيم بود ايده سفر در زمان را به طور تجربى بيازماييم.

احتمالاً عنوان جديدترين مقاله علمى «هانريش پاس» ( Pas.H) براى شما بيش از حد عجيب و غريب و نامفهوم به نظر برسد: «منحنى هاى زمان گونه بسته در جهان هاى پوسته اى خميده غيرمتقارن» ! اما براى آنهايى كه به فيزيك نظرى مسلط هستند اين مقاله از يك حقيقت شگفت انگيز پرده بردارى مى كند. براساس اين مقاله، ساخت ماشين زمان، بسيار راحت تر و دردسترس تر از آن چيزى است كه تاكنون تصور مى شد.

پس ديگر كند و كاو طاقت فرسا در جهان براى يافتن سياه چاله هاى چرخان يا كرم چاله هاى عجيب و غريب را ( كه تا پيش از اين به نظر مى رسيد كه تنها راه هاى سفر در زمان باشند) فراموش كنيد. براساس نظر «پاس» و همكارانش در دانشگاه هاوايى، در سفر در زمان، همواره و در همه جا در جهان بر روى ما گشوده است. نكته جالب تر اينكه برخلاف اغلب سناريوهاى قبلى، صحت اين ايده را مى توان همين جا بر روى زمين هم به معرض آزمون گذاشت. «بيل لوئيز» (Louis.B) كه فيزيكدانى از آزمايشگاه ملى لس آلاموس در نيومكزيكو و يكى از مسئولان ارشد آزمايش معروف باريكه نوترينوى MiniBoone در آزمايشگاه شتاب دهنده فرمى است دراين باره مى گويد: «به نظر من ايده اى كه «پاس» ارائه كرده، ايده اى بسيار شگفت انگيز و فوق العاده است. اما هم اكنون مسئله مهم، نشان دادن صحت اين ايده است.»
البته فيزيكدانانى نظير «لوئيز» حق دارند كه كمى محتاط باشند. در واقع بايد گفت كه هرچند هيچ يك از قوانين طبيعت امكان سفر در زمان را عملاً رد نمى كنند، اما فيزيكدان ها از ديرباز با اين مسئله ميانه چندان خوشى نداشته اند، چرا كه سفر در زمان مى تواند فرض پذيرفته شده تقدم علت بر معلول را زير سئوال ببرد. از طرفى نقض قانون موجبيت مى تواند اوضاع جهان را به هم بريزد. به عنوان مثال شما مى توانيد به گذشته سفر كرده و از تولد خودتان جلوگيرى كنيد.

وجود چنين تناقض نماهايى منجر به ارائه حدسى از سوى «استفن هاوكينگ» شد كه اصطلاحاً «حدس حفاظت از تاريخ» ناميده مى شود. براساس اين حدس بايد اصولى در فيزيك (كه هنوز كشف نشده اند) وجود داشته باشند كه از امكان وقوع سفر در زمان جلوگيرى كنند. تا همين سه سال پيش هيچ كس نتوانسته بود جزئيات چنين اصولى را ترسيم كند تا اينكه در سال ۲۰۰۳ گروهى از محققان كه بر روى نظريه ريسمان ها (كه بهترين گزينه براى رسيدن به نظريه اى واحد در فيزيك است) كار مى كردند، مدعى شدند كه براساس اين نظريه، ساز و كارهايى وجود دارند كه مى توانند از سفر در زمان جلوگيرى كنند.
تا به اينجا ظاهراً همه چيز درست بود. اما حتماً مى دانيد كه فيزيكدان ها در قانع نشدن به يك جواب، شهره خاص و عام هستند. اين گونه بود كه «پاس» و دو نفر از همكارانش به نام هاى «سنديپ پاكواسا» (Pakvasa.S) از دانشگاه هاوايى و «توماس ويلر» (Weiler.T) از دانشگاه وندربيلت در تنسى شروع به تجزيه و تحليل مجدد نظريه ريسمان ها كردند. اين نظريه، اجزاى بنيادين جهان را نه به صورت ذرات نقطه اى بلكه به شكل ريسمان هاى مرتعش انرژى مى داند. در اين نظريه، ارتعاش سريع تر اين ريسمان ها معادل جرم بيشتر ذرات است.

اين ريسمان هاى مرتعش مى توانند نحوه هزاران نوع برهم كنش مابين تمامى ذرات بنيادى نظير كوارك ها و الكترون ها را توضيح دهند. اما نكته اى اساسى در مورد اين نظريه وجود دارد: اين نظريه تنها زمانى جواب مى دهد كه اين ريسمان هاى انرژى به جاى چهار بعد معمول، در يك فضا- زمان ۱۰ بعدى در حال ارتعاش باشند. در واقع براساس نظريه ريسمان ها، اين ابعاد اضافى يا فوق العاده كوچك هستند، به طورى كه تاكنون متوجه حضور آنها نشده ايم و يا بسيار بزرگ و به گونه اى خميده هستند كه باز هم تا به حال از ديد ما پنهان مانده اند.

بنابر نظريه ريسمان ها، جهان ما در واقع پوسته اى چهار بعدى است كه در يك فضا- زمان ۱۰ بعدى شناور است. اما از آنجايى كه تمامى ذرات و نيروهاى جهان ما مقيد به پوسته چهار بعدى اين جهان هستند و امكان خروج از آن را ندارند، بنابراين ما نيز تاكنون از وجود ابعاد بالاتر خارج از جهان خود (يعنى همين چهار بعدى كه تجربه هاى ما محدود به آن است) هيچ اطلاعى نداشتيم. «پاس» در اين باره مى گويد: «اگر واقعاً چنين باشد پس امكان ميان بر زدن از ميان اين ابعاد بالاتر نيز وجود خواهد داشت و همين مسيرهاى ميان بر است كه سفر در زمان را ممكن مى سازد.»

تجسم چنين ميان برهايى كار چندان دشوارى نيست. فرض كنيد كه پوسته چهار بعدى جهان ما كه در بعد بالاتر (بعد پنجم) جاى گرفته همانند كاغذى باشد كه از وسط تا شده و دو انتهاى آن بر روى همديگر قرار گرفته است. در اين صورت مى توان از نقطه اى واقع بر پوسته جهان، آن را ترك كرده و وارد بعد بالاتر شد و پس از پيمودن مسيرى كوتاه در بعد پنجم دوباره و در نقطه اى ديگر در مقابل آن به جهان بازگشت. جالب اينجاست كه اگر اين صفحه خم شده (يعنى جهان ما) صفحه اى بسيار بزرگ باشد، در اين صورت براى پيمودن همين مسير از روى خود صفحه (يعنى از درون جهان) مى بايست فاصله اى بسيار طولانى را طى مى كرديم اما با خروج از پوسته جهان و عبور از ميان ابعاد بالاتر عملاً ميان بر خواهيم زد.
اما مسئله اى در ارتباط با تصويرى كه ارائه شد وجود دارد. اگرچه اساساً مى توان جهانى را تصور كرد كه بتوان از يك سوى آن به سوى ديگر ميان بر زد اما مسئله آن است كه جهان ما نمى تواند مشابه چنين جهانى باشد. علت اين امر آن است كه فضا- زمان چنين جهانى به شدت خميده بوده و نتيجتاً با نظريه نسبيت خاص اينشتين (كه هندسه فضا را تخت يا اقليدسى مى داند) ناسازگار خواهد بود. از آنجايى كه آزمون هاى تجربى متعددى تاكنون صحت پيش بينى هاى نسبيت خاص را در حوزه محلى موقعيت ما در جهان تا دقتى بالاتر از يك به يك ميليون تاييد كرده اند، بنابراين بسيار بعيد است كه پوسته چهاربعدى جهان ما همانند يك كاغذ تاشده باشد.

بنابراين پاس، پاكواسا و ويلر از فرض ديگرى استفاده كردند. آنها فضا- زمانى را در نظر گرفتند كه در آن، جهان ما يك پوسته چهاربعدى تخت بوده اما اين پوسته تخت، در ابعاد بالاترى شناور است كه به شدت خميده هستند. از آنجايى كه در اين تصوير، جهان ما تخت است بنابراين نسبيت خاص همچنان در آن معتبر خواهد بود. اما ميزان انحناى ابعاد بالاتر خارج از جهان ما به حدى است كه نسبيت خاص در آن ابعاد ديگر اعتبار خود را از دست خواهد داد. اين امر بدان معناست كه هر چيزى كه بتواند از ابعاد جهان ما خارج شده و وارد بعد پنجم شود قادر خواهد بود يكى از بنيادى ترين اصول نسبيت خاص را زير پا بگذارد: چنين چيزى قادر است با سرعتى فراتر از سرعت نور حركت كند.

اين امر، نتايج خارق العاده اى را براى ساكنان پوسته جهان ما در بر خواهد داشت. در نظر اشخاصى كه در اين جهان زندگى مى كنند، هر چيزى كه مسيرى ميان بر را از ميان ابعاد بالاتر هستى طى كند، ناگهان از نقطه اى از جهان ما غيب شده و در نقطه اى ديگر در جهان ظاهر مى شود. در نظر برخى از ساكنان جهان، هويت مزبور فاصله مابين اين دو نقطه را حتى سريع تر از نور طى خواهد كرد. اما شگفت انگيزتر آن كه در نظر برخى ديگر، آن چيز حتى در زمان سفر كرده و به گذشته باز خواهد گشت. علت اين امر آن است كه براساس نظريه نسبيت خاص، در برخى از چارچوب هاى مرجع، حركت سريع تر از نور معادل سفر در زمان و بازگشت به گذشته است. «پاس» در اين باره مى گويد: «چنين مسيرهاى ميان برى كه از ابعاد بالاتر هستى در خارج از جهان ما عبور مى كنند اصطلاحاً «منحنى هاى زمان گونه بسته» ناميده مى شوند. يافتن چنين مسيرهايى در واقع معادل دستيابى به رمز ماشين زمان است.»

• خروج از رويه

اما اين ايده سفر در زمان نيازمند حل يك مشكل است و آن يافتن راهى است براى خروج از جهان ما و ورود به ابعاد بالاتر هستى. اما انجام چنين كارى چگونه ميسر خواهد بود؟ خوشبختانه نظريه ريسمان ها راهى را براى اين كار در پيش روى ما قرار مى دهد. براساس اين نظريه تقريباً تمامى ريسمان هاى نمايانگر ذرات بنيادى جهان ما ريسمان هايى باز هستند و دو انتهاى اين ريسمان ها همواره مقيد به پوسته جهان ماست. به همين دليل هم اين ذرات هيچ گاه نخواهند توانست از جهان ما خارج شده و با ورود به بعد پنجم، مسير ميان برى را در فضا- زمان بپيمايند. اما در اين ميان دو استثناى مهم نيز وجود دارد: يكى ذره (ريسمان) حامل نيروى گرانش به نام گراويتون و ديگرى نوع چهارمى از نوترينو كه در برابر سه نوع معمول آن اصطلاحاً نوترينوى خنثى ناميده مى شود (منظور از نوترينوى خنثى، خنثى بودن آن به لحاظ الكتريكى نيست چراكه نوترينوهاى معمولى نيز همگى فاقد بار الكتريكى بوده و هيچ يك در برهم كنش الكترومغناطيسى شركت نمى كنند. در واقع منظور از عبارت خنثى آن است كه اين نوترينوها داراى فوق بار ضعيف صفر هستند و بنابراين حتى در برهم كنش ضعيف هم شركت نمى كنند و تنها در برهم كنش گرانشى وارد مى شوند). مطابق نظريه ريسمان، اين دو ذره برخلاف ساير ذرات، ريسمان هاى حلقوى بسته هستند. از آنجايى كه اين ريسمان هاى بسته عملاً هيچ انتهاى مشخصى ندارند كه به پوسته جهان مقيد باشند، بنابراين مى توانند آزادانه از جهان ما خارج شده و به ساير ابعاد هستى سفر كنند.
همين ويژگى گراويتون ها است كه به نظريه پردازان ريسمان كمك مى كند تا ضعيف بودن نيروى گرانش را نسبت به ساير نيروهاى بنيادى نظير الكترومغناطيس تبيين كنند. بر اين اساس، ضعيف بودن نيروى گرانش در واقع بدان علت است كه تعداد بسيارى از گراويتون هاى گسيل شده توسط ذره مبدأ پيش از آنكه فرصت رسيدن به ذره مقصد را پيدا كنند از جهان ما خارج خواهند شد و به ابعاد بالاتر درز مى كنند. اما شگفت انگيزتر آنكه خروج اين ذرات از ابعاد جهان ما و ميان بر زدن آنها از ميان ابعاد بالاتر هستى بدان معنا است كه گراويتون ها و نوترينوهاى خنثى اساساً توانايى سفر در زمان را دارند. بنابراين «پاس» معتقد است كه به كمك اين ذرات مى توان امكان سفر در زمان را به طور تجربى به محك آزمون گذاشت.

اما چنين كارى چندان آسان نخواهد بود چراكه هيچ كس تاكنون موفق به دام اندازى يك گراويتون يا نوترينوى خنثى نشده است، زيرا آشكارسازى اين ذرات بسيار نامحتمل و دشوار است. در هر ثانيه هزاران ميليارد نوترينوى معمولى از بدن ما مى گذرند، اما ما متوجه عبور هيچ يك از آنها نمى شويم چراكه اين ذرات، بسيار به ندرت با الكترون ها و اتم ها برهم كنش انجام مى دهند. اما احتمال برهم كنش نوترينوهاى خنثى با ماده حتى از نوترينوهاى معمولى هم كم تر است چراكه نوترينوهاى خنثى تنها از طريق برهم كنش فوق العاده ضعيف گرانشى و نيز تبادل بوزون هيگز با ماده برهم كنش دارند. (بوزون هيگز، ذره اى است كه هنوز به طور تجربى كشف نشده است. جرم هريك از ذرات بنيادى در واقع ماحصل برهم كنش آنها با اين ذره است.)
با همه اين احوال «پاس» و همكارانش معتقدند كه براساس مكانيك كوانتومى راهى براى اين مسئله وجود دارد. قوانين فيزيك كوانتومى حاكى از آن است كه نوترينوها مى توانند از نوعى به نوع ديگر تبديل شوند. آزمايش هاى انجام شده در ژاپن و ايالات متحده نيز كه براى آشكارسازى نوترينوهاى خورشيدى و نيز نوترينوهاى حاصل از ساير منابع اخترفيزيكى طراحى شده اند، به طور تجربى موفق به تاييد امكان تبديل نوترينوها از نوعى به نوع ديگر شده اند. همين مسئله در مورد نوترينوهاى خنثى هم صادق است به گونه اى كه اين نوترينوها نيز مى توانند به نوترينوهاى معمولى (كه با سهولت بسيار بيشترى قابل آشكارسازى هستند) تبديل شوند و بالعكس. نكته حائز اهميت آنكه احتمال اين تبديل، به تناسب چگالى محيطى كه نوترينوها در حال عبور از آن هستند، افزايش مى يابد.

همين نكته بود كه سبب شد تا «پاس» و همكارانش پيشنهاد انجام آزمايشى را ارائه دهند كه خواهد توانست امكان سفر در زمان را به طور تجربى نشان دهد. در اين آزمايش، باريكه اى از نوترينوهاى معمولى از يك مركز تحقيقاتى واقع در قطب جنوب به سوى آشكارسازى در روى خط استوا ارسال خواهد شد. در هنگام عبور باريكه از ميان كره زمين، بخشى از نوترينوها به نوترينوهاى خنثى بدل خواهند شد. ازآنجايى كه اين نوع نوترينوها قادرند از ميان ابعاد بالاتر فراسوى جهان ما ميان بر بزنند بنابراين زودتر از بقيه به آن سوى كره زمين خواهند رسيد، به گونه اى كه گويى از نور هم سريع تر حركت كرده اند. اما همين كه اين نوترينوها از آن سوى زمين خارج شده و وارد اتمسفر شوند، دوباره تغيير نوع داده و به نوترينوهاى معمولى (كه قابل آشكارسازى هستند) بدل خواهند شد. اما با توجه به چرخش زمين و در كمال تعجب، اين نوترينوها (كه سريع تر از نور حركت كرده بودند) در زمانى پيش از زمان آغاز حركت خود به مقصد خواهند رسيد!
هرچند انجام چنين آزمايشى فراتر از توانمندى هاى فناورى فعلى بشر است، اما همان طور كه «پاس» هم به درستى بدان اشاره دارد، انجام اين آزمايش طى حداكثر۵۰ سال آينده ميسر خواهد شد. البته تحقق چنين آزمايشى پيش از هرچيز نيازمند صحيح بودن دو پيش فرض است. شرط اول، وجود نوترينوهاى خنثى است. اگرچه اكنون بسيارى از فيزيكدان ها معتقدند كه چنين نوترينوهايى بايد وجود داشته باشند، اما اين امر هنوز به طور تجربى تاييد نشده است. و شرط دوم آن است كه همان طور كه «پاس» فرض كرده است ما واقعاً در يك فضا- زمان خميده غيرمتقارن زندگى مى كنيم. اما چنين پيش فرضى تا چه حد قابل قبول است؟
هنگامى كه اينشتين، نظريه نسبيت عام را ارائه كرد، عملاً نشان داد كه فضا- زمان تحت چه شرايطى ممكن است خميده و يا تخت باشد. اما معادلات اينشتين چيزى درباره هندسه واقعى جهان به ما نمى گويد (بلكه صرفاً حالت هاى ممكن اين هندسه را به تصوير مى كشد). بنابراين، به عنوان مثال كيهان شناسان صرفاً با اتكا به اين معادلات نمى توانند بگويند كه آيا جهان ما تا بى نهايت ادامه دارد و يا اينكه اين جهان، جهانى خميده و بسته است. همين امر، در ماشين هاى زمان متفاوتى را بر روى فيزيكدان ها گشوده است، كه برخى قابل قبول تر از بقيه هستند.

به عنوان مثال، يكى از پاسخ هاى مشهور معادلات اينشتين كه براى نخستين بار توسط رياضيدانى به نام «كورت گودل» (Godel. K) ارائه شد، جهانى را توصيف مى كند كه با سرعت به دور خود درحال چرخش است. در چنين جهانى نور به جاى حركت در خط راست، در يك مسير مارپيچى حركت خواهدكرد. «گودل» توانست نشان دهد مسافرى كه در چنين جهانى مسيرى طولانى را در اعماق كيهان طى مى كند، قادر است حتى از نور هم پيشى گرفته و در زمانى پيش از شروع حركت خود از مبدأ، به آنجا بازگردد. به عبارتى جهان چرخنده گودل، همانند يك ماشين زمان عمل مى كند. اما مسئله همان طور كه «پاس» هم بدان اشاره مى كند، اين است كه ما واقعاً در چنين جهانى زندگى نمى كنيم.

يكى ديگر از انواع ماشين زمان را مى توان در درون سياه چاله هاى چرخان جست وجو كرد. در سياه چاله هاى چرخان، فضا- زمان آنچنان انحنا پيدا مى كند كه جاى فضا با زمان عوض مى شود. اگرچه اين نوع ماشين زمان واقعاً در جهان ما وجود دارد اما در اينجا هم مسئله آن است كه اين سياه چاله هاى چرخان عملاً خارج از دسترس ما هستند. اما پس از سياه چاله هاى چرخان، نوبت به نوع ديگرى از ماشين زمان مى رسد كه ايده آن براى اولين بار توسط فيزيكدانى به نام «فرانك تيپلر» ( F.Tipler) مطرح شد. اين نوع ماشين زمان در فضا- زمان اطراف يك جرم استوانه اى چرخان نامتناهى شكل مى گيرد، اما به عقيده «پاس» ساخت چنين ماشينى هم عملاً غيرممكن است، چرا كه نيازمند جرم استوانه اى فوق العاده عظيمى است كه با سرعتى غيرقابل باور در حال چرخش باشد.

يكى ديگر از گزينه هاى مطرح در مورد ماشين زمان، كرم چاله ها هستند. اين تونل هاى ميكروسكوپى در ساختار فضا- زمان، مى توانند يك نقطه از زمان را به نقطه اى ديگر از آن متصل كنند. اما براى عبور از ميان اين تونل ها هم يك مشكل اساسى وجود دارد: تونل كرم چاله ها در يك چشم برهم زدن پس از تشكيل، به طور خود به خود بسته مى شود.

براى باز نگاه داشتن اين تونل ها فقط يك راه وجود دارد و آن استفاده از نوعى ماده ناشناخته است. اين نوع ماده برخلاف ماده معمولى كه در حضور ميدان گرانشى جذب مى شود، بر اثر نيروى گرانش دفع خواهد شد و همين نيروى دافعه است كه مى تواند از بسته شدن دهانه كرم چاله جلوگيرى كند. اما همان طور كه «پاس» هم مى گويد، ما هنوز نمى دانيم كه چنين ماده عجيب و غريبى در جهان وجود دارد يا خير و اگر وجود داشته باشد، آيا پايدار خواهد بود يا نه.

اگرچه «پاس» اذعان مى دارد طرحى كه توسط او و همكارانش براى سفر در زمان ارائه شده نيز، نيازمند وجود ماده عجيبى است كه بتواند به بعد پنجم انحنا بدهد، اما به نظر او، به هر حال اين طرحى، قابل قبول تر از بقيه طرح هاست. علت اين امر آن است كه ماده عجيب ناشناخته در اين طرح ( برخلاف طرح كرم چاله ها) مى تواند در ميان ابعاد بالاتر خارج از جهان ما، پنهان شده باشد. بدين ترتيب طرح «پاس» مى تواند توضيح دهد كه چرا تاكنون ما با چنين ماده عجيب و غريبى در جهان مواجه نشده ايم.
البته ايده «پاس» هم مانند هر ايده ديگرى منتقدانى دارد. يكى از اين اشخاص، «سيدنى دسر» (S.Deser) از دانشگاه برانديس ماساچوست است. دسر كه ايده وجود ماده عجيب و ناشناخته را چندان نمى پسندد، همانند اينشتين معتقد است كه سفر در زمان اساساً ممكن نخواهد بود.

اما «پاس» معتقد است كه با تصويرى كه او و همكارانش از فضا- زمان ارائه داده اند، مى توان تعدادى از مسائل بى پاسخ را كه نسبيت عام با آنها مواجه است حل كرد. به عنوان مثال، برقرارى ارتباطى فراتر از سرعت نور مابين نقاط دوردست كيهان با همديگر در جهان اوليه، مى تواند به تبادل گرمايى اين نقاط با همديگر منجر شده باشد. همين امر قادر خواهد بود كه علت يكنواختى دماى جهان را كه توسط كيهان شناسان مشاهده شده است، توضيح دهد. بدين ترتيب نظريه «پاس» مى تواند جايگزينى براى نظريه تورمى باشد (نظريه تورمى در كيهان شناسى سعى دارد تا با فرض اين كه در لحظات آغازين پيدايش جهان، فضا- زمان دچار انبساط فوق العاده سريع و غيرقابل تصورى شده است، يكنواختى دماى جهان را توضيح دهد). در واقع تا پيش از ارائه نظريه پاس، عمده كيهان شناسان از نظريه تورمى حمايت مى كردند، اما مسئله آن است كه هيچكس تاكنون موفق به ارائه جزئيات فيزيك وراى مسئله تورم كيهانى نشده است.

• جهان خميده

در اين ميان برخى نيز به آن بخش ايده «پاس» كه به فضا- زمان خميده غيرمتقارن مرتبط است با ديده ترديد مى نگرند. «تونى پاديلا» (T.Padilla) از دانشگاه بارسلوناى اسپانيا يكى از اين اشخاص است. وى مى گويد: «اين نظريه قطعاً نظريه جالب توجهى است، اما هنوز زود است كه وجود چنين فضا- زمانى را كه اين نظريه بدان اشاره دارد، طبيعى بدانيم. ابتدا بايد پايدار بودن اين نوع فضا- زمان را ارزيابى كرد و من به شخصه معتقدم كه چنين فضا- زمانى پايدار نخواهد بود ؛ هرچند ممكن است من در اشتباه باشم.»
البته «پاديلا» اذعان مى دارد كه ممكن است در آينده مشخص شود كه يك جهان پوسته اى با همان ويژگى هايى كه گروه «پاس» بدان اشاره دارد، جهان پايدارى خواهد بود؛ اما در نظر «پاديلا» هنوز چنين چيزى روشن نيست.

«جان كرامر» (J.Cramer) نيز از دانشگاه واشينگتن در سياتل معتقد است كه در ايده پاس، نكات جالبى نهفته است؛ اما او نيز مى گويد: «تحقق اين ايده نيازمند وجود يك جهان پوسته اى خميده غيرمتقارن است، اما ممكن است جهان ما مشابه چنين جهانى نباشد.» و ادامه مى دهد: «اما به هر حال اين ايده، ايده اى بسيار شگفت انگيز است.»

البته چنانچه سفر در زمان براساس ايده «پاس» ممكن باشد، تنها ذرات خاصى نظير نوترينوهاى خنثى و گراويتون ها امكان اين سفر را خواهند داشت و بنابراين ما عملاً امكان دخل و تصرف چندانى را در گذشته جهان نخواهيم داشت. اما «پاس» با نگاهى واقع بينانه به بحث مسافرت در زمان نگاه مى كند. او معتقد است تا زمانى كه به لحاظ نظرى احتمال سفر در زمان وجود داشته باشد، انجام آزمايش هاى تجربى در اين زمينه به زحمتش مى ارزد. او در اين مورد مى گويد: «حتى چنانچه سفر در زمان ميسر هم نباشد، با تحقيق بر روى ذراتى نظير نوترينوهاى خنثى مى توان به ماهيت آن قانون هاى فيزيك پى برد كه از چنين سفرى جلوگيرى مى كنند.» به هر حال، اولين پاسخ ها به پرسش هاى مطرح در مورد ذراتى نظير نوترينوهاى خنثى به زودى و توسط نتايج آزمايش باريكه نوترينوى MiniBoone ارائه خواهد شد. اين آزمايش تا اواخر همين امسال قادر خواهد بود كه وجود نوترينوى خنثى و مسيرهاى ميان بر در ابعاد فراسوى جهان ما را به طور تجربى تاييد كند. اما اگر سفر در زمان واقعاً حقيقت داشته باشد، ممكن است پاسخ همه پرسش هاى ما، پيش از پرسيدن آنها ارائه شده باشد.

يكي از آنها به نام دوگانگي T نوعي تغيير شكل است كه در مورد فضاهايي كه حداقل يك بعد توپولوژيكي دايره اي شكل دارند، مصداق دارد و مطابق آن ابعاد اضافي كوچك و بزرگ معادل يكديگر هستند.

منشأ تمام اين دوگانگي ها اين واقعيت است كه ريسمان ها حركات خيلي پيچيده اي دارند. تمامي ويژگي هاي سحرآميز ريسمان هاي كوانتومي يك هدف مشترك دارند: آنها از بي نهايت بيزارند و به هرصورتي كه ممكن است سعي در مهار آن دارند. نظريه پردازان ريسماني توقع دارند كه اگر تاريخچه ي عالم را در طول زمان به عقب بياوريم، انحناي فضا-زمان روبه افزايش نهد ولي به جاي اينكه تمام مسير به سوي بي نهايت را طي كند.( كه طبق نظريه رايج انفجار بزرگ به نقطه تكنيكي برسد). سرانجام به يك نقطه ي ماكزيمم مي رسد و دوباره كاهش پيدا مي كند. براي رسيدن به اين مقصود، نظريه پردازان ريسماني، دست به خطر زده و در مورد جهان پيش از انفجار( يا پيش-مهبانگ) حدس هايي زده اند.  دو تاي اين حدس ها گسترش بيشتري پيدا كرده اند. اولين آنها كه من و همكارانم در سال 1991 آغاز به پروراندن و توسعه دادن آن كرديم، الگوي پيش- مهبانگي ناميده مي شود كه دوگانگي Tرا با تقارني كه در وارونگی زماني كشف شده( كه مطابق آن معادلات فيزيكي در طول زمان چه رو به جلو و چه رو به عقب به نحو يكساني عمل مي كنند) تركيب مي كند. در نتيجه اين تركيب سبك جديد و بسيار با ارزشي به وجود مي آيد كه در آن عالم به عنوان نمونه،پنج ثانيه پيش از انفجار بزرگ با همان آهنگ پنج ثانيه پس از آن در حال انبساط بوده است ولي نرخ تغيير انبساط مخالف هم بودند.

در نتيجه به طور خلاصه اين امكان وجود دارد كه انفجار بزرگ نقطه آغازين عالم نبوده  بلكه تنها انتقالي شديد و ناگهاني از شتاب افزايش به شتاب كاهنده بوده باشد. مطابق اين سناريو، تصوير عالم پيش- مهبانگ به طور تقريبي آينه تمام نماي جهان پس- مهبانگ بوده است. اگر جهان آنقدر در آينده جاودانه بماند كه محتويات آن بسيار رقيق و سرانجام ناپديد شوند، در آن صورت بايد داراي گذشته اي جاوداني نيز بوده باشد. جهان در گذشته بي نهايت دور،تقريباً خالي بود و فقط شامل گازي رقيق،بسيار پراكنده و آشفته از تابش و ماده بوده است. به دنبال گذشت زمان نيروها قدرتمند تر شدند و به جمع آوري مواد كنار يكديگر پرداختند.به صورت تصادفي بعضي نواحي فضا مواد را حوالي خود گردآوري كردند. سرانجام چگالي آن نواحي چنان افزايش يافت كه منجر به شكل گيري سياهچاله ها شد. سپس ارتباط مواد درون آن نواحي با خارج قطع شد و جهان به نواحي تكه تكه اي تقسيم شد.

درون يك سياهچاله، فضا و زمان نقش هاي خود را با يكديگر عوض مي كنند. مركز يك سياهچاله، نقطه اي از فضا نيست بلكه لحظه اي از زمان است. ماده سقوط كننده داخل سياهچاله، هرچه به سوي مركز آن پيش مي رفت، به چگالي بيشتر و بيشتري دست مي يافت. هنگامي كه چگالي،دما وخميدگي مقدار مجاز در نظريه ريسمان را پشت سر گذاشتند،تغيير وضعيت داده و شروع به كاهش كردند. لحظه ي اين بازگشت همان چيزي است كه ما آن را انفجار بزرگ مي ناميم عالم ما داخل يكي از همين سياهچاله ها تشكيل شد.

در ديد اوليّه امكان دارد اين ايده ها همانند اصولي در ماوراي فيزيك به نظر برسند ايده هايي جالب كه تعيين صحّت يا نادرستي آنها از عهده راصدان خارج است. اين طرز فكري بسيار بدبينانه است. همانند اجزاء دوره انبساط، يك دوران بيش- مهبانگي احتمالي نيز مي تواند پيامد هاي قابل مشاهده اي به خصوص براي تغييرات جزئي يافت شده در دماي پس زمينه مايكروويو كيهاني داشته باشد. امواج گرانشي با هر اندازه اي، نشانه مجزاي مربوط به خود را در قطبي كردن زمينه مايكروويو بر جاي مي گذارند. رصد گر هاي آينده، نظير ماهواره پلانك آژانس فضايي اروپا بايد قادر باشند كه اين نشانه را در صورت وجود مشاهده كنند.در آن صورت ما مي توانيم ادعا كنيم كه آزمون سرنوشت سازي را پشت سر گذاشته ايم. با همه اين گفته ها، زمان چه هنگامي آغاز شده است؟ دانش هنوز نمي تواند با قاطعيت به اين پرسش پاسخ دهد. امّا لااقل دو نظريه كه قابل آزمايش هستند، ظاهراً بيان مي كنند كه عالم و در نتيجه زمان ،مدت ها پيش از انفجار بزرگ وجود داشته اند. هر کدام از اين مدل ها اگر درست باشند، عالم هميشه برپا بوده است و حتی اگر روزی دوباره متلاشی شود هرگز به پايان راه خود نخواهد رسيد.

متنی كه در زير مي خوانيد، نوشته اي است از گابريل ونزيانو(Gabriele veneziano) فيزيكدان نظري مركز تحقيقات فيزيك ذره اي اروپا(CERN ) كه در اواخر دهه 1960 به عنوان پدر نظريه ريسمان شناخته شد.

نظريه ريسمان بيان مي كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نبوده، بلكه صرفاً پيامد وضعيتي بوده كه مدت ها قبل از آن زمان وجود داشته است.تا حدود 10 سال پيش، اينچنين پرسشي كفرآميز محسوب مي شد. زيرا غالب كيهان شناسان مطرح كردن زماني قبل از انفجار بزرگ را مانند اين مي دانستند كه كسي جايگاه شمال قطب شمال را از شما بپرسد. يونانيان باستان دربارة منشأ زمان مناظرات و مباحثه هاي فراواني ترتيب مي دادند. ارسطو كه از بي آغازي زمان طرفداري مي كرد،استنادش بر اين اصل بود كه از هيچ ،چيزي به وجود نمي آيد. پس اگر عالم در هيچ  برحه اي از زمان نتوانسته باشد خود را از نيستي به هستي در آورد، الزاماً مي بايست همواره وجود مي داشته است.

پس به اين دليل و دلايلي ديگر، زمان بايد به طور نامحدود در گذشته و آينده امتداد داشته باشد. امّا دين شناسان مسيحي نظري دگرگونه داشتند.آگوستين استدلالش بر اين بود كه آفريدگار بيرون از فضا و زمان حضور دارد و قادر است كه اين ساختارها را همانطور كه ديگر جنبه اي دنياي ما را خلق می كند، به وجود  آورد. دو دليل سبب شد كه كيهان شناسان معاصر نتيجه مشابهي بگيرند. يكي از آنها نسبيت عام و ديگري شواهدي بودند كه از مشاهده انبساط جهان به دست آمدند كه بر طبق آنها دو فيزيكدان نامي يعني استفان هاوكينگ و روجر پنروز در سال 1960 ثابت كردند كه زمان نمي تواند به طور نا محدود رو به گذشته ادامه داشته باشد و اگر در طول زمان رو به عقب برويم، بالاجبار بايد به نقطه تكينگي برسيم. ولي تكينگي گريز ناپذير، كيهان شناسان را در برابر مسائلي جدي قرار مي دهد. خصوصاً با مقادير زياد همگني و يكساني كه جهان ما در مقياس هاي بزرگ دارد، ناهماهنگ است. براي يكسان ديده شدن عالم در تمام نقاط بايد ميان قسمت هاي دور دست فضا گونه اي رابطه وجود داشته باشد به طوري كه ويژگي ها ومشخصات آنها را با يكديگر هماهنگ كند.

امّا فيزيكدانان براي رهايي از اين بن بست به دو راه حل طبيعي ديگر توجه دارند. يكي از آنها اينطور بيان مي كند كه زمان در لحظه ي انفجار بزرگ آغاز نشده و دوره هاي طولاني قبل از آن وجود داشته است. دليل اينكه تا به حال دانشمندان به اندازه كافي به اين فرض توجه نمي كردند، اين بود كه فرض مي كردند نسبيت همواره معتبر است در حالي كه نزديك زمان تكنيكي اثرات كوانتومي غالب هستند. بنابراين براي دانستن آنچه كه واقعاً رخ داده ،فيزيكدانان ناگزيرند تا نسبيت را وارد يك نظريه كوانتومي گرانش كنند. امروزه براي رسيدن به اين مقصود دو نظريه بيشتر مورد توجه قرار دارد. يكي از آنها به نام گرانش كوانتومي حلقوي، اساس نظريه اينشتين را دست نخورده نگه مي دارد ولي روش به كارگيري آن در مكانيك كوانتومي را تغيير مي دهد. ولي نگرش دوم كه به عقيده ي من آينده بهتري خواهد داشت، نظريه ريسمان است. اين نظريه اصلاحي واقعاً انقلابي از تئوري اينشتين است. انديشه ي پايه اي در نظريه ريسمان اين است كه ذرات بنيادي نقطه اي شكل نيستند بلكه اجزاي تك بعدي و بي نهايت باريك هستند. اين ساختارها ريسمان ناميده مي شوند. همه ذرات مثل پروتون ها ونوترون ها از ذرات بنيادي به نام كوارك تشكيل شده اند. كوارك ها توسط مبادله ذراتي به نام گلوئون با هم رابطه برقرار مي كنند. گلوئون حامل نيروي قوي هسته اي است و نقش آن چسباندن (glue ) كوارك ها به همديگر است.

دليل اينكه دانشمندان سرانجام به نظريه ريسمان رسيدند، اين است كه آنها متوجه شدند كه ذرات بنيادي شامل تعداد زيادي ذره هستند كه هر كدام ويژگي مخصوص خود را دارند. كه اين به دليل وجود تعداد نامحدود مدل هاي ارتعاشي براي يك ريسمان است. ريسمان ها خواص مهمي دارند كه دانشمندان به آنها لقب جادوي ريسمان كوانتومي مي دهند.

1-  اگر قوانين مكانيك كوانتومي را بر ريسمان ها اثر دهيم، خواص جديدي ظاهر مي شوند كه به دانشمندان در تحليل نظريات خود ياري مي رسانند.

2-  ريسما ن هاي كوانتومي حتي اگر بدون جرم باشند، اندازه حركت زاويه اي دارند برعكس فيزيك كلاسيك كه هيچ جسم بدون جرمي نمي تواند اندازه حركت داشته باشد. اين خاصيت سبب مي شود كه آنها بتوانند به طور دقيقي ويژگي هاي ناقلاني مثل فوتون و گراويتون را توضيح بدهند.

3-  ريسمان هاي كوانتومي خواستار ابعاد اضافي از فضا هستند. براي سازگار بودن معادلات ارتعاشات ريسمان ها دو گزينه پيش روي ما قرار دارد. يعني يا فضا- زمان بايد انحناي شديدي داشته باشد كه با مشاهدات در تضاد است يا اينكه حداقل 6 بعد فضايي اضافي داشته باشيم.

4 -  دانشمندان در بعضي از موارد ناچارند ثابت هاي فيزيكي را متغّير در نظر بگيرند. اين ثابت ها در نظريه ريسمان به صورت ميدان پديدار مي شوند( بيشتر شبيه ميدان الكترومغناطيسي) كه مي تواند مقادير آنها را به صورت پويا و فعال تنظيم كند.

سرانجام ريسمان هاي كوانتومي برخي تقارن هاي جديد و جالب را به فيزيكدانان معرفي كردند كه به دوگانگي معروفند.

.

.

.

How do we know that M-theory on a circle gives the IIA superstring, and not the IIB or Heterotic superstrings? The answer to this question comes from a careful analysis of the massless fields that we get upon compactification of 11-dimensional supergravity on a circle. Another easy check is that we can find an M-theory origin for the D-brane states unique to the IIA theory. Recall that the IIA theory contains D0,D2,D4,D6,D8-branes as well as the NS fivebrane. The following table summarizes the situation:

We have reached an extraordinary point in the history of science, for some physicists believe they are now on the verge of having a single theory that will unite all of their science under one mathematical umbrella. In particular this theory would unify the two great bastions of twentieth century physics - the general theory of relativity and quantum theory. Since general relativity describes the large scale, or cosmological, structure of the universe, and quantum theory describes the microscopic, or subatomic, structures, the unification of these theories would explain both the very big and the very small. This theory is often referred to as a "theory of everything".

In particular this theory would unify our understanding of all the fundamental physical forces in our universe. There are four such forces that physicists know of: gravity (which keeps planets revolving around their suns, and is responsible for the fo